ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG HÚT KHÓI HÀNH LANG BẰNG PHẦN MỀM FDS EVALUATE CORRIDOR SMOKE EXHAUST SYSTEMS WITH FDS SOFTWARE Nguyễn Quang An Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy; Email: annqt34@yahoo.com.vn Nguyễn Chí Tình Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Email: tinhtdh2004@gmail.com Tóm tắt: Hệ thống hút khói hành lang tòa nhà cao tầng dùng để hút khói xảy cháy tịa nhà Hệ thống bao gồm quạt hút, hệ thống đường ống van gió đặt hành lang tầng tịa nhà Hệ thống điều khiển tự động điều khiển tay Việc đánh giá hiệu hoạt động hệ thống việc khó thực Bài báo giới thiệu việc ứng dụng phần mềm FDS để mô cho tình xảy đám cháy giả định tịa nhà hoạt động hệ thống hút khói hành lang Qua cho phép đánh giá hiệu hoạt động hệ thống tình khác đưa giải pháp để điều khiển hệ thống cho đạt hiệu tốt Từ khóa: mơ phỏng; khói; cháy; hành lang; điều khiển Abstract: A corridor smoke exhaust system in high buildings to exhaust smoke in case of fire This system consists of exhaust fans, piping and dampers set in the corridors of the floors in the building The system can be controlled automatically or manually controlled The evaluation of the performance of this system is a very difficult job This paper introduces the application of FDS software to simulate fire situations assumptions in the building and operation of the exhaust corridor smoke system Thereby allowing assess the performance of the system in different situations and proposing the solution to control the system to best performance Key words: simulation; smoke; fire; corridor; control Đặt vấn đề Trong tòa nhà cao tầng khơng thể thiếu hệ thống an tồn phịng cháy Trong phải kể đến hệ thống hút khói hành lang hệ thống điều áp cầu thang Các hệ thống dùng để hút khói hành lang ngăn khói vào cầu thang hiểm để đảm bảo an tồn cho người [1], [3] Việc thiết kế lắp đặt hệ thống hút khói hành lang phải đáp ứng tiêu chuẩn an tồn theo qui định Tuy nhiên có nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật khác việc vận dụng tiêu chuẩn nước ta thiếu thống Tiêu chuẩn nước phát triển (NFPA 92, BS 5588 ) bắt buộc phải sử dụng trạm điều khiển khói chuyên dùng FSCS (viết tắt Firefighter’s Smoke Control Station), nước ta chưa sử dụng thiết bị Việc điều khiển hệ thống hút khói hành lang nước ta phụ thuộc vào hệ thống báo cháy tự động thực tế cho thấy hệ thống không phát huy hiệu mong muốn Để đánh giá hiệu hoạt động hệ thống hút khói hành lang việc phức tạp Việc nghiên cứu thực nghiệm hệ thống việc làm không khả thi Phương pháp mô phần mềm FDS giúp giải khó khăn Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Sự dịch chuyển khói Khi xảy cháy tịa nhà cao tầng, khói tạo dịch chuyển yếu tố tác động sau: - Hiệu ứng ống khói - Q trình tự bay lên khói - Sự giãn nở nhiệt - Tác động gió - Tác động hệ thống HVAC - Hiệu ứng piston thang máy Dưới yếu tố ảnh hưởng đến dịch chuyển khói hành lang cầu thang hiểm a) Hiệu ứng ống khói Hiệu ứng ống khói định nghĩa dịng chảy thẳng đứng khơng khí chênh lệch nhiệt độ bên bên ngồi trục tịa nhà Với hiệu ứng ống khói thơng thường có chuyển động khí lên cao trục tịa nhà (cầu thang, thang máy ) khơng khí bên ngồi trục tịa nhà lạnh so với khơng khí bên Trong trường hợp khí nóng trục tịa nhà có tỷ trọng nhỏ bên ngồi phía trên, cịn khí bên ngồi có tỷ trọng lớn tràn vào trục tịa nhà phía Như phía áp suất bên trục tịa nhà lớn phía ngồi, cịn phía áp suất bên nhỏ phía ngồi Khi nhiệt độ trục tịa nhà nhỏ nhiệt độ ngồi xảy hiệu ứng ống khói ngược với dịng khí chuyển động ngược lại Mặt phẳng nằm ngang độ cao mà độ chênh áp suất ngồi nhà khơng gọi mặt phẳng cân áp suất Độ chênh áp suất ngồi nhà tính theo cơng thức sau [5]: (1) Trong đó: p độ chênh áp (Pa) To nhiệt độ phía ngồi (K) Ti nhiệt độ phía nhà (K) h khoảng cách từ điểm cần tính đến mặt phẳng cân áp suất b) Quá trình tự bay lên khói Ở nhiệt độ cao, tỷ trọng giảm nên khói tự bay lên Tại vị trí xuất độ chênh áp suất vùng khói với vùng lân cận [5] : (2) Trong đó: Ts nhiệt độ vùng lân cận Tf nhiệt độ vùng khói h khoảng cách từ điểm cần tính đến mặt phẳng cân áp suất c) Sự giãn nở nhiệt Do tác động nhiệt lửa làm cho khí giãn nở tạo nên dịch chuyển khói Đối với phịng có cửa mở có lượng khói ngồi lượng khí từ ngồi vào phịng Tỷ số lưu lượng khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối ngồi phịng [5]: (3) Trong đó: Qout lưu lượng thể tích khói từ phịng bị cháy (m3/s) Qin lưu lượng thể tích khơng khí từ ngồi vào phịng (m3/s) Tout nhiệt độ khói khỏi phịng Tin nhiệt độ khơng khí vào phịng d) Tác động gió Gió gây tác động đến dịch chuyển khói Áp suất mà gió gây bề mặt tính theo cơng thức [6]: (4) Trong đó: pw áp suất gió gây (Pa) Cw hệ số áp suất tỷ trọng khí (kg/m3) v vận tốc gió (m/s) Hệ số Cw phụ thuộc vào hình dạng kích thước bề mặt có giá trị khoảng từ -0,8 đến 0,8 Nó có giá trị dương bề mặt phía đón gió có giá trị âm phía ngược lại 2.1.2 Hệ thống hút khói hành lang Khói sinh đám cháy thường kèm theo khí CO2 có khí độc khác dễ gây ngạt thở cho người Các nghiên cứu cho thấy riêng với khí CO đạt nồng độ lên đến 5% theo thể tích gây nguy hiểm cho người [7], [8] Theo qui luật tự nhiên, khói ln có xu hường dịch chuyển lên theo buồng thang tỏa xung quanh Để đảm bảo an tồn cho q trình nạn, cầu thang hiểm phải có hệ thống điều áp cầu thang hệ thống hút khói hành lang Hệ thống điều áp cầu thang dùng để tăng áp suất buồng thang ngăn khơng cho khói vào Hệ thống hút khói hành lang dùng để hút khói ngồi, làm giảm nồng độ khói hành lang, hạn chế nguy hại cho người Hệ thống hút khói hành lang (hình 1) gồm có: - Quạt hút khói đặt sân thượng tòa nhà - Hệ thống đường ống hút bao gồm đường trục thẳng đứng đường ống nhánh hành lang - Các van gió (Dumper) gắn trần hành lang Lưu lượng khí cần hút phụ thuộc nhiều yếu tố xác định theo công thức kinh nghiệm [6]: (5) Trong đó: F lưu lượng khối lượng cần hút (kg/s) Q tốc độ thoát nhiệt đối lưu (kW) z độ cao vùng cần hút khói (m) Để điều khiển quạt hút khói van gió cần phải có thiết bị điều khiển Hệ thống hút khói hành lang có khả hút khói số khu vực định hút khói cho tồn tịa nhà Vì cần có điều khiển với chương trình điều khiển thích hợp Ở nước phát triển, việc điều khiển hệ thống điều áp hút khói thực trạm điều khiển chuyên dùng FSCS, hiểu theo nghĩa trạm điều khiển khói người chữa cháy Trạm điều khiển nhận tín hiệu từ hệ thống báo cháy cảm biến riêng để điều khiển quạt gió van gió Trạm có chế độ điều khiển tự động chế độ điều khiển tay để điều khiển thiết bị linh hoạt tùy theo diễn biến đám cháy Các nghiên cứu cho thấy sử dụng FSCS chế độ tự động hệ thống đáp ứng thích hợp với tín hiệu kích hoạt Các tín hiệu kích hoạt tự động gây xung đột với tín hiệu làm cho hệ thống làm việc khơng hiệu [5], [6] Hình 1: Hệ thống điều áp hút khói Ở Việt Nam cịn thiếu qui định nên khơng sử dụng FSCS mà việc điều khiển hệ thống hút khói thường thực hệ thống báo cháy tự động Trong tín hiệu báo cháy tầng phát tín hiệu để mở van gió tầng Hiệu hoạt động hệ thống vấn đề bỏ ngỏ Thực tế cho thấy số đám cháy nhà cao tầng xảy gần đây, hệ thống hút khói không phát huy hiệu 2.2 Mô dịch chuyển khói hoạt động hệ thống hút khói hành lang phần mềm FDS 2.2.1 Giới thiệu phần mềm FDS FDS (viết tắt Fire Dynamics Simulator) phần mềm phát triển Viện Quốc gia Tiêu chuẩn Công nghệ (NIST) Bộ Thương mại Hoa Kỳ, phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu kỹ thuật VTT Phần Lan [9], [10] Phần mềm sử dụng hiệu để mơ cho đám cháy tịa nhà, mơ cho lan tỏa khói biến đổi thông số nhiệt độ, áp suất, nồng độ khí vị trí Nó mơ hoạt động thiết bị tự động kích hoạt đầu dị khói, đầu dị nhiệt, đầu phun nước tự động (Sprinkler) Đi kèm với FDS cịn có phần mềm Smokeview chương trình đồng hành trực quan sử dụng để hiển thị liệu đầu FDS liệu hiển thị dạng hình ảnh động máy tính Để tạo chương trình mơ ta phải viết mã chương trình chương trình soạn thảo (chẳng hạn Notepad) lưu với phần mở rộng fds Sau thực thi chương trình với file fds.exe Kết xem file có phần mở rộng smv nhờ chương trình Smokeview.exe dạng hình ảnh 3D xem file có phần mở rộng csv dạng bảng sổ liệu [2] 2.2.2 Kết mơ Mơ hình mơ cho tầng tòa nhà với đám cháy giả định tầng với thông số: - Diện tích đám cháy: 1,5 m2 - Chất cháy Polyurethane (PU) - Công suất tỏa nhiệt 1562 kW/m2 Quạt hút khói có lưu lượng m3/s, đường ống hút có kích thước (750 x 750) mm, hành lang có bố trí van gió đầu dị khói với độ nhạy 3,28 (%/m) Để đảm bảo độ xác tiết kiệm thời gian thực chương trình mơ cần xác định kích thước lưới lọc hợp lý [2] Kích thước lưới lọc xác định cho tỷ số D/ có giá trị từ đến 16 Trong D gọi đường kính lửa đặc trưng tính theo cơng thức sau [10]: (6) Trong đó: Q nhiệt lượng tỏa từ đám cháy (kW) khối lượng riêng khơng khí (kg/m3) cp nhiệt dung riêng khơng khí (kJ/kg.K) T nhiệt độ mơi trường (K) g gia tốc trọng trường (m/s2) Căn vào điều kiện trên, giá trị kích thước lưới lọc xác định = 0,1 m Do việc thực chương trình FDS nhiều thời gian việc mô tiến hành với thời gian 90s Với thời gian đủ để so sánh hiệu phương án điều khiển hệ thống hút khói hành lang Kết mơ so sánh phương án: - Phương án 1: có đầu dị khói kích hoạt mở van gió tầng đó, đầu đị khơng mở van gió - Phương án 2: đầu dị khói kích hoạt để mở van gió tầng Kết mơ Smokeview hình - a, Phương án 1, t=60s c, Phương án 1, t=60s e, Phương án 1, t=90s b, Phương án 2, t=60s d, Phương án 2, t=60s f, Phương án 2, t=90s Hình 2: Một số kết mô cho trường hợp Hình a,b cho hình ảnh khói thời điểm t = 60s Hình c, d cho hình ảnh nồng độ CO (thể theo màu) thời điểm t = 60s Hình e,f cho hình ảnh nồng độ CO2 thời điểm t = 90 s Các số liệu mô lưu file với phần mở rộng csv xem chương trình Excel, tạo đồ thị theo dõi biến đổi thông số công cụ Chart Wizard Đồ thị biểu diễn thay đổi nồng độ CO2 hành lang tầng hình Đường màu xanh biểu thị nồng độ CO tầng 1, đường màu hồng biểu thị nồng độ CO2 tầng a, Phương án b, Phương án Hình 3: Sự thay đổi nồng độ CO2 Bàn luận Kết mô cho thấy: - Với phương án : Đầu dị khói tầng kích hoạt làm mở van gió hành lang tầng 1, van gió tầng khác khơng mở có khói lan đến Khi khói chủ yếu tập trung tầng hút quạt hút hệ thống đường ống Một lượng khói lên tầng phía khơng nhiều Nồng độ CO hành lang tầng thời điểm 90s vào khoảng 0,7% theo thể tích - Với phương án 2: Đầu dị khói tầng có khả kích hoạt để mở van gió tầng nồng độ khói đạt ngưỡng kích hoạt Khi van gió tầng mở sau tầng khoảng 20s làm cho khói từ tầng bị hút lên tầng Sau khoảng 30s van gió tầng tiếp tục mở khói lại bị hút tiếp phần lên tầng Nồng độ CO hành lang tầng thời điểm 90s tăng lên 1,5% có xu hướng tăng tiếp Trong thực tế, nồng độ khói nồng độ chất khí độc hại phụ thuộc vào diện tích đám cháy, vật liệu cháy, hoạt động hệ thống hút khói nhiều yếu tố khác Tuy nhiên qua kết mô cho thấy hệ thống hút khói hành lang hoạt động theo tín hiệu báo cháy tự động phương án có hiệu so với phương án Thực trạng nước ta có nhiều hệ thống hút khói hành lang hoạt động tự động theo tín hiệu báo cháy Với hệ thống hệ thống báo cháy tự động hoạt động nhầm lẫn người ấn nút báo động tay nơi khơng cần thiết làm cho hệ thống hút khói hành lang hoạt động hiệu chí cịn gây thêm nguy hiểm Thực tế cho thấy nhiều hệ thống báo cháy tự động hoạt động nhầm lẫn không hoạt động Tuy việc báo động nhầm gây nguy hiểm so với kích hoạt nhầm hệ thống hút khói hành lang Ở nước phát triển, người ta sử dụng hệ thống báo cháy tự động để phát cháy phát tín hiệu báo động Các trung tâm báo cháy tự động có số chức điều khiển khơng dùng để điều khiển trực tiếp hệ thống hút khói hành lang mà gửi tín hiệu đến điều khiển FSCS Các điều khiển FSCS thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn an toàn (NFPA 92, BS 5588 ) cho thuận tiện cho người sử dụng thích nghi với mơi trường làm việc khắc nghiệt Khi xảy đám cháy với diễn biến phức tạp, người làm nhiệm vụ chữa cháy không am hiểu hệ thống kỹ thuật tòa nhà sử dụng điều khiển FSCS để giải tình Qua thấy cần thiết phải dụng trạm điều khiển khói chuyên dùng FSCS theo tiêu chuẩn nước phát triển Trạm điều khiển thực điều khiển chế độ tự động giai đoạn đầu đám cháy, giai đoạn sau việc điều khiển người chữa cháy định tùy theo diễn biến thực tế Kết luận Q trình diễn biến khói đám cháy ln phức tạp, khó lường Hiệu hoạt động hệ thống hút khói hành lang vấn đề khó đánh giá Với phần mềm FDS cho phép ta mơ q trình diễn biến khói với hoạt động hệ thống hút khói hành lang Qua cho phép ta tìm giải pháp điều khiển hệ thống theo qui trình hợp lý nhất, làm giảm thiểu tác hại khói gây ra, đảm bảo an toàn cho người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Văn Xiêm, Trịnh Thế Dũng Giáo trình phịng cháy xây dựng NXB KHKT 2002 [2] Nguyễn Quang An Ứng dụng phương pháp LES để mô cho đám cháy Tạp chí khoa học cơng nghệ Đại học Đà Nẵng Số 9(94) 2015 Tr 74 – 77 [3] TCVN 6160-1996 Phòng cháy chữa cháy nhà cao tầng, yêu cầu thiết kế [4] ASHRAE Handbook- 2007-HVAC Applications (SI) [5] John H Klote, James A Milke, Paul G Turnbull, Ahmed Kashef, Michael J Ferreira Handbook of Smoke Control Engineering Ashrae 2012 [6] John H Klote, James A Milke Principle of Smoke Management Ashrae 2002 [7] Mary C.Devany Cacbon Dioxit (CO2) Safety Program Renewable Fuels Association US June 2015 [8] Nei McManus Oxygen: Health Effects and Regulatory Limits NorthWest Occupational Health & Safety 2009 [9] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide National Institute of Standards and Technology US July 2014 [10] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt Fire Dynamics Simulator User’s Guide National Institute of Standards and Technology US July 2014 Thông tin tác giả Nguyễn Quang An * Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu: -Tốt nghiệp đại học ngành Điện khí hóa trường Đại học Mỏ Địa chất năm 1985 -Tốt nghiệp Thạc sĩ Tự động hóa Đại học Bách khoa Hà Nội năm 1995 - Hiện làm nghiên cứu sinh trường đại học Mỏ địa chất * Tóm tắt cơng việc tại: - Giảng viên chính, phó trưởng mơn Khoa học - Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy - Tham gia giảng dạy môn học: Kỹ thuật điện, Vật lí đại cương * Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, Mơ hình hóa, Phịng cháy chữa cháy * Điện thoại:(04)38543390; 0983110663 Nguyễn Chí Tình * Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu: - Tốt nghiệp đại học ngành Cơ điện trường Đại học Mỏ Địa chất năm 1979 - Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Điện khí hóa Đại học Mỏ Địa chất năm 1997 - Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Tự động hóa taị Đại học Mỏ Địa chất năm 2005 * Tóm tắt cơng việc tại: - Giảng viên chính, trưởng khoa Cơ điện – Trường Đại học Mỏ Địa chất - Tham gia giảng dạy mơn học: Tự động hóa q trình sản xuất, Cơ sở hệ thống điều kiển trình * Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, Mơ hình hóa * Điện thoại: 0913070016 Ý kiến tác giả: Bài viết tác giả biên soạn với Microfoft word 2003 Một lỗi lại mà phản biên yêu cầu sửa đọc phiên khác Trên văn gốc khơng có lỗi