Zobacz artykuł w wersji pdf 
W dwóch poprzednich artykułach cyklu „Układy aktywne w ochronie dróg ewakuacji budynków wysokich” („MI” 6-7/2012 i 9/2012) przedstawione zostały założenia funkcjonowania systemów różnicowania ciśnienia, których zadaniem jest ochrona pionowych dróg ewakuacji przed zadymieniem. Instalowanie układów tego typu jest, zgodnie z krajowymi przepisami, obligatoryjne we wszystkich budynkach użytkowych o wysokości przekraczającej 25 m. Realny problem z omawianymi instalacjami polega na uzyskaniu zakładanej skuteczności w warunkach rzeczywistego zagrożenia pożarowego. Problem ten wynika z następującej przyczyny: zarówno standardy projektowe, jak i powszechnie stosowane procedury odbiorowe przewidują spełnienie określonego scenariusza ewakuacji (najczęściej ewakuacji stopniowej). Scenariusz zakłada określony stan początkowy chronionego obiektu (np. zamknięte wszystkie drzwi prowadzące na klatkę schodową) oraz ustalony sposób ewakuacji (najczęściej stopniową ewakuacje kolejnych kondygnacji).
Ponadto wykorzystywane do obliczeń założenia projektowe zakładają poziom nieszczelności budowlanych na podstawie normatywnie przyjętej klasy budynku, nie odnoszą się jednak do takich wielkości jak opory przepływu powietrza czy wymiana ciepła z przegrodami budowlanymi. Doświadczenia z praktycznej eksploatacji systemów zapobiegania zadymienia oraz liczne symulacje komputerowe wskazują tymczasem, że wszystkie wymienione parametry decydują o faktycznej skuteczności omawianych instalacji. Zrealizowany we współpracy firm branżowych i Politechniki Warszawskiej projekt badawczy doprowadził do skonstruowania aktywnego systemu 
zapobiegania zadymieniu, który pozwala na osiągnięcie niespotykanego do tej pory realnego poziomu bezpieczeństwa pionowych dróg ewakuacji dzięki zastosowaniu automatyki predykcyjnej. Przedstawiony poniżej tekst opisuje uzyskane przy zastosowaniu nowoczesnych algorytmów regulacji efekty działania układu aktywnego. Opisane eksperymenty prowadzone zostały początkowo na stanowisku modelowym w Białymstoku, a następnie na zbudowanym stanowisku badawczym w rzeczywistym budynku wysokim w Politechnice Warszawskiej (rys.).
Fazy eksperymentu
Pierwsza faza eksperymentów dotyczyła oceny skuteczności funkcjonowania tradycyjnych układów sterowania w warunkach odbiegających od 
zakładanych scenariuszem pożarowym. Wyniki doświadczenia zilustrowane zostały wykresem sterowania i efektu w postaci uzyskanego nadciśnienia przestrzeni chronionej (w trzonie klatki schodowej).
Eksperymenty polegały na uruchomieniu systemu napowietrzania zgodnie z założeniami scenariusza pożarowego, a następnie sprawdzeniu jego odporności na wprowadzone zakłócenia (np. zwiększony poziom nieszczelności obiektu). W pierwszej fazie doświadczenia realizowane były warunki scenariusza pożarowego, dzięki czemu nie występowały kłopoty z osiągnięciem zakładanego nadciśnienia i prędkości przepływu. Potem nastąpiła zmiana stanu ustalonego, która realizowana była przez otwarcie większej ilości drzwi lub ich niepełne 
zamknięcie. W rezultacie zmianie uległa charakterystyka hydrauliczna obiektu regulacji, czyli klatki schodowej, wychodząc poza zakres zastosowanego algorytmu. Efektem jest w tym przypadku oscylacja układu, czyli układ regulacji po przekroczeniu zadanego zakresu nie jest w stanie ustabilizować pracy układu napowietrzającego i poszukując właściwej nastawy, oscyluje pomiędzy skrajnymi wartościami. W praktyce oznacza to rozregulowanie układu i całkowity brak kontroli nad procesem stabilizacji nadciśnienia oraz prędkości przepływu, co w praktyce niweczy skuteczność ochrony dróg ewakuacji.
Zupełnie inaczej funkcjonuje skonstruowany w ostatnim czasie układ sterowania predykcyjnego, oparty o sieci neuronowe. Eksperymenty przeprowadzone dla takich samych warunków pracy jak w przedstawionym powyżej przykładzie wykazują zupełnie inną jakość funkcjonowania zabezpieczenia pionowych dróg ewakuacji. Po wprowadzeniu zakłóceń znacznie odbiegających od założeń scenariusza pożarowego i ponownym zamknięciu drzwi ewakuacyjnych system adaptacyjny w czasie poniżej 1 s był w stanie realizować zadanie stabilizacji ciśnienia w obiekcie zupełnie nowym pod względem hydraulicznym.
Podobne wyniki dały próby działania nowego układu regulacji w warunkach zbliżonych do rzeczywistej ewakuacji podczas pożaru. Podczas normalnego użytkowania obiektu klatka schodowa jest intensywnie wykorzystywana przez studentów w celach komunikacyjnych. Stwarza to sytuację, w której bardzo często pojawia się naprzemiennie zmiana konfiguracji drzwi zamkniętych i otwartych (na różnych kondygnacjach), tak jak może mieć to miejsce przy chaotycznej ewakuacji podczas pożaru. Również w takich warunkach testowany układ napowietrzania pożarowego działa bez poważniejszych zakłóceń i, co bardzo ważne, w bardzo krótkim czasie (poniżej 1 s) osiągając zakładaną dla dwóch stanów (drzwi zamknięte i drzwi otwarte) wydajność. Uzyskane i potwierdzone (między innymi w akredytowanym ośrodku w Aachen) wyniki ukazują niespotykany dla innych układów czas rzeczywistej reakcji na dynamiczną zmianę sytuacji w obrębie chronionej nadciśnieniem klatki schodowej.
Testy udarowe
Najtrudniejszym testem układu napowietrzania, na którym, mówiąc kolokwialnie, „wykładają się” nawet zaawansowane układy regulacji, są testy udarowe zmiany sposobu napowietrzania. Chodzi tu o napowietrzanie szczelnej przestrzeni o ograniczonej kubaturze (np. przedsionka pożarowego), kiedy wydajność instalacji zmienia się gwałtownie z wartości minimalnej (kilkaset m3/h), właściwej dla utrzymania wymaganego poziomu nadciśnienia, do maksymalnej (np. 20 000 m3/h), koniecznej dla realizacji warunku prędkości przepływu w drzwiach otwartych. Oprócz konieczności błyskawicznego przesterowania wentylatora praktycznie w pełnym zakresie jego wydajności, szybkie otwieranie i zamykanie drzwi potrafi „wybić” ze stanu ustalonego praktycznie każdy układ regulacji.
Z czego to wynika?
Opisane powyżej układy aktywne posiadają jeszcze jedną poważną zaletę. Są one, w porównaniu do układów pasywnych, w znacznie wyższym stopniu odporne na zakłócenia wywołane parciem wiatru. Przeprowadzone na stanowisku modelowym testy potwierdzają wysoką odporność sterowanych automatycznie układów napowietrzania pożarowego na opisywane zakłócenie. Wyniki testów „wiatrowych” zilustrowane zostały przykładowym wykresem jakości regulacji podczas zakłócania elementu pomiaru ciśnienia odniesienia silnym wiatrem (o prędkości od 9 do 15 m/s).
Odporność systemów aktywnych wynika w znacznej mierze z braku bezpośredniego połączenia elementu odpowiedzialnego za stabilizację ciśnienia i przepływu z atmosferą. W tym przypadku konieczne jest jednak odpowiednie wykonanie (w specjalnej obudowie) i lokalizacja punktu pomiaru ciśnienia zewnętrznego (atmosferycznego). Akceptowalnie skuteczną osłonę rurki impulsowej stanowić może nawet puszka pomiaru ciśnienia atmosferycznego wykonana z plastikowej puszki elektrycznej, ale szczególnie dla systemów monoblokowych, montowanych na dachu budynku, należy rekomendować specjalne osłony tłumiące zakłócenia wywołane parciem wiatru, np. osłony grzybkowe.
Na zakończenie jeszcze jeden fakt – przy zastosowaniu układów predykcyjnych sterowanie odbywa się za pomocą przetwornicy częstotliwości (falownika). W tym miejscu należy uczynić bardzo ważną dygresję odnośnie zastosowania urządzeń elektronicznych w ochronie przeciwpożarowej. Powszechne doświadczania z elektroniką codziennego użytku (najczęściej „made in China”) wywołują nieufne podejście do tego typu rozwiązań. Jak wynika z doświadczeń krajów wysoko rozwiniętych – całkowicie niesłusznie. Trzeba pamiętać, że w obszarze automatyki przemysłowej i militarnej obowiązują zupełnie inne standardy produkcji i nadzoru nad wyrobem. Jakość produktu końcowego potwierdza w tym przypadku bardzo rygorystyczna procedura certyfikacji wyrobu, a jego cechą musi być absolutnie 100% niezawodność.
Podsumowanie
Z przedstawionych powyżej wyników wynika szereg wniosków. Po pierwsze, można śmiało powiedzieć, że przy zastosowaniu odpowiednich metod możliwe jest utrzymanie dobrych warunków regulacji systemów napowietrzania w bardzo szerokim zakresie. Spełnione muszą jednak zostać opisane w cyklu zasady projektowania i wykonania instalacji. Prezentowane wyniki udowadniają również, że właśnie systemy aktywne stanowią właściwą drogę rozwoju układów różnicowania ciśnienia, jeżeli za priorytet przyjmie się rzeczywistą ochronę dróg ewakuacji, a nie wyłącznie spełnienie wymogów prawnych. Opisane w artykule układy funkcjonują już z powodzeniem w obiektach rzeczywistych, dzięki swoim unikalnym właściwościom, zaoszczędzając czas i nerwy wielu osobom powiązanym z realizacją procesu inwestycyjnego.
Maciej Szumski, dr inż. Grzegorz Kubicki
