kpt. mgr inŜ. Przemysław KUBICA
SGSP, Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń
BADANIE SZCZELNOŚCI POMIESZCZEŃ
ZA POMOCĄ WENTYLATORÓW
UMIESZCZONYCH W DRZWIACH
W artykule przedstawiono uproszczony model fizyczny wypływu
gazu przez nieszczelności w obudowie pomieszczenia. Wyniki
modelu potwierdzone zostały serią badań w warunkach rzeczywi-
stych. Badania przeprowadzono w pomieszczeniu o objętości
70 m
3
. Model wykorzystano do określenia ekwiwalentnej po-
wierzchni nieszczelności. Przedstawiono wnioski z badań, zawie-
rające potwierdzenie przydatności modelu.
Simplified, physical model for calculating gas leakage of building
envelopes has been described in the paper. The predictions made
by the model were compared favorably to the results of full scale
test series. These tests were conducted in room with compartment
volumes of 70 m
3
. The model was used to identify equivalent
leakage area. Some interesting conclusions including usefulness of
the model have been formulated.
1. Wprowadzenie
Stałe urządzenia gaśnicze gazowe cieszą się niesłabnącą popularnością na ryn-
ku zabezpieczeń przeciwpoŜarowych. Podstawową zaletą tych urządzeń jest brak
strat wtórnych, spowodowanych działaniem środka gaśniczego. Straty takie mogą
być szczególnie dotkliwe przy zadziałaniu urządzeń wodnych lub proszkowych.
Gazy gaśnicze obecnie stosowane mają coraz lepsze właściwości funkcjonalne:
niskie stęŜenia gaśnicze, brak negatywnego oddziaływania na człowieka i środowi-
sko, szybkie i skuteczne gaszenie poŜaru. Jednak pełne wykorzystanie wszystkich
zalet gazowego środka gaśniczego, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeń-
stwa konstrukcji obiektu, wymaga prawidłowego zaprojektowania urządzenia,
poprzedzonego szczegółową analizą szczelności zabezpieczanego pomieszczenia.
Mechanizmy gaśnicze gazów polegają na obniŜeniu stęŜenia tlenu w pomiesz-
czeniu lub fizykochemicznym oddziaływaniu na płomień. JeŜeli stęŜenie gazu gaś-
niczego obniŜy się zbyt szybko, to istnieje moŜliwość powstania wtórnego poŜaru.
Stąd pomieszczenia zabezpieczane gazami powinny posiadać szczelność na tyle
wysoką, by dostatecznie długo utrzymać właściwe stęŜenie gazu. Z drugiej strony
wprowadzenie gazu gaśniczego do pomieszczenia powoduje zmianę ciśnienia pa-
nującego w tym pomieszczeniu. Wielkość przyrostu ciśnienia, jak równieŜ czas
jego trwania zaleŜy od szczelności pomieszczenia oraz szybkości wprowadzania
gazu gaśniczego. Nadmierny wzrost lub spadek ciśnienia moŜe doprowadzić nawet
do katastrofy budowlanej. Wobec powyŜszego pojawiają się dwa sprzeczne intere-
sy – z jednej strony konieczność maksymalnego uszczelnienia pomieszczenia, aby
gaz gaśniczy nie wydostawał się na zewnątrz, z drugiej niebezpieczeństwo,
Ŝe w zbyt szczelnym pomieszczeniu moŜe nastąpić niszczący przyrost ciśnienia.
Stąd teŜ niezbędna jest analiza szczelności pomieszczenia, która pozwoli wyzna-
czyć całkowitą powierzchnię nieszczelności w pomieszczeniu. Na tej podstawie
projektant moŜe obliczyć czas utrzymywania się stęŜenia gazu w pomieszczeniu
oraz przyrost ciśnienia podczas wyładowania.
Problematyka badania szczelności budynków często podejmowana jest przez
amerykańskie ośrodki naukowe zajmujące się badaniem wymiany cieplnej między
obiektem a otoczeniem. Model infiltracji pomieszczenia przez powietrze zewnętrz-
ne moŜna spotkać pracach Shermana [1, 2]. Autor dokonał analizy łącznego wpły-
wu wiatru, wentylacji mechanicznej oraz wentylacji naturalnej na jakość mikro-
klimatu w obiekcie. DePani zastosował empiryczną zaleŜność strumienia objętości
powietrza od róŜnicy ciśnień do oceny sumarycznej szczelności pomieszczeń
w jednym budynku [3]. W kolejnej pracy Sherman przedstawił opis wpływu wiel-
kości hydromechanicznych na wartość współczynników empirycznych w równa-
niach wiąŜących strumień objętości gazu przepływającego wskutek róŜnicy ciśnień
[4]. Praktyczne zastosowanie rozwaŜań nad badaniem szczelności pomieszczeń
ujęto w formie normy ASTM 779 [5]. Opracowanie to zawiera propozycję oceny
szczelności poprzez wytworzenie w pomieszczeniu nadciśnienia. Do tego celu
wykorzystuje się wentylatory umieszczane w otworze drzwiowym pomieszczenia.
W niniejszym artykule przedstawiono model wypływu gazu przez nieszczel-
ności w pomieszczeniu. Równania otrzymane na podstawie modelu pozwoliły na
wyznaczenie powierzchni nieszczelności w pomieszczeniu, przy znajomości ciś-
nienia i strumienia objętości gazu. Otrzymane wyniki zweryfikowano na stanowi-
sku badawczym, wykorzystując metodę wentylatora umieszczonego w drzwiach.
2. Model wypływu gazu z pomieszczenia przez nieszczelności
Przepływ gazu przez nieszczelności następuje wskutek róŜnicy ciśnień po obu
stronach otworu, czyli wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia. W rozwaŜanych
zagadnieniach róŜnica ciśnień jest wynikiem róŜnej temperatury gazów bądź
wprowadzenia dodatkowej ilości gazu do pomieszczenia. Głównym celem opisu
tego zjawiska jest ustalenie zaleŜności między ciśnieniem, strumieniem objętości
(masy) oraz powierzchnią nieszczelności. Analizę ilościową wypływu gazu przez
nieszczelności moŜna przeprowadzić, opierając się na zasadzie zachowania energii.
Badania dowodzą, Ŝe w przypadku przepływów gazów z małymi prędkościami
(v < 0,4 a), moŜna traktować gazy tak jak ciecze, czyli pominąć ich ściśliwość [7].
Procedura badania szczelności pomieszczenia przeprowadzana jest przy róŜnicy
ciśnień, która nie przekracza 100 [Pa]. Przy takich ciśnieniach prędkości gazu wy-
pływającego przez otwory praktycznie nie przekraczają 10 [m/s]. Dlatego zastoso-
wanie podejścia pomijającego ściśliwość jest w omawianym przypadku w pełni
zasadne. Wypływ gazu z pomieszczenia przez nieszczelności moŜna traktować
podobnie jak wypływ cieczy z duŜego zbiornika przez mały otwór.
Równanie Bernoulliego w polu sił grawitacyjnych dla płynu nielepkiego i nie-
ściśliwego (
ρ
= const) w odniesieniu do jednostkowej masy przybiera postać:
(1)
gdzie:
v – prędkość elementu płynu [m/s], g – przyspieszenie ziemskie [m/s
2
], z – wyso-
kość względna [m], p – ciśnienie [Pa],
ρ
– gęstość płynu [kg/m
3
].
Interpretacja fizyczna powyŜszego równania jest następująca: zmiana energii
mechanicznej (kinetycznej E
k
= 1/2v
2
m i potencjalnej E
p
= mgz) następuje kosztem
zmiany ciśnienia danej objętości płynu [2].
W celu zastosowania równania Bernoulliego do analizy nieszczelności w po-
mieszczeniu naleŜy wyodrębnić myślowo dwa przekroje: wewnątrz pomieszczenia
i w otworze wylotowym (rys. 1). Zgodnie z warunkiem (1) moŜna zapisać:
(2)
Wielkości z indeksem „1” odnoszą się do wnętrza pomieszczenia, a wielkości
z indeksem „2” do płaszczyzny otworu.
Zgodnie z załoŜeniem
ρ
= const, moŜna przyjąć, Ŝe parcie związane z wysoko-
ścią słupa gazu będzie jednakowe wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia, czyli
gz
1
= gz
2
. Prędkość gazu w pomieszczeniu z dala od otworu wylotowego przyjęto
jako v
1
= 0. Ciśnienie statyczne gazu w otworze jest równe ciśnieniu atmosferycz-
strat
p
p
gz
p
gz
∆
+
+
+
=
+
+
ρ
ρ
2
2
2
2
1
1
2
1
v
2
1
v
2
1
const
p
gz
=
+
+
ρ
2
v
2
1
nemu p
2
= p
atm
, natomiast nadciśnienie (podciśnienie) wewnątrz pomieszczenia
uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniego rozwiązania technicznego, np.
nadmuch powietrza za pomocą wentylatora. Dodatkowo po prawej stronie równa-
nia pojawiają się straty ciśnienia
∆
p
strat
. Straty te wynikają z dwóch zjawisk: wyod-
rębnienia wypływającej objętości gazu od reszty pozostającej w pomieszczeniu
oraz z rozproszenia energii w wyniku przepływu przez otwór.
Rys. 1. Wyznaczenie przekrojów
Ostatecznie równanie określające prędkość w przekroju otworu przedstawia się
następująco:
(3)
Strata ciśnienia
∆
p
str
jest niezwykle trudna do wyznaczenia analitycznego,
dlatego w praktyce stosuje się współczynnik korekcyjny α (0 ≤ α ≤ 1), przez który
mnoŜy się prędkość wyznaczoną z pominięciem strat.
(4)
W zakresie ciśnień i prędkości gazu, jaki stosuje się w metodach badania
szczelności pomieszczeń, moŜna z duŜą dokładnością przyjąć α = 1 [7]. Strumień
objętości gazu, który wypływa z pomieszczenia przy danej róŜnicy ciśnień jest
równy iloczynowi masy i całkowitej powierzchni nieszczelności. W rzeczywistych
warunkach nieszczelności w pomieszczeniu stanowią pewną liczbę otworów,
szczelin zlokalizowanych w róŜnych punktach obudowy (ścian, podłogi, sufitu).
2
2
1
1
p
1
, v
1
= 0
p
2
= p
atm,
v
2
strat
2
1
2
p
)
2(p
v
∆
−
−
=
ρ
p
ρ
α
)
2(p
v
2
1
2
p
−
=
Sumaryczną powierzchnię wszystkich nieszczelności określa się mianem „ekwiwa-
lentna powierzchnia nieszczelności” (EPN).
(5)
gdzie:
Q – strumień objętości gazu [m
3
/s],
EPN – ekwiwalentna powierzchnia nieszczelności [m
2
],
2
v
– prędkość gazu w otworze [m/s].
Powierzchnia przekroju poprzecznego strugi gazu w płaszczyźnie otworu (2–2
na rys. 1.) jest nieco mniejsza niŜ powierzchnia otworu. Sytuacja ta ma miejsce
wskutek zjawiska kontrakcji, które powoduje przewęŜenie strugi gazu przepływa-
jącego przez otwór. Gaz dopływa do otworu z róŜnych kierunków. Strugi spływa-
jące ze ścian pomieszczenia nie mogą przy krawędzi otworu uzyskać nagłej zmia-
ny zarówno modułu, jak i kierunku prędkości. Pełne przewęŜenie ustala się prak-
tycznie w niewielkiej odległości za otworem. W tym właśnie miejscu przewęŜenia
zostaje dopiero osiągnięte w całym przekroju stałe ciśnienie p = p
atm
, a prędkość
równa jest prędkości wyznaczonej na podstawie równania (4). Rzeczywisty stru-
mień objętościowy gazu jest zatem mniejszy od iloczynu prędkości przez pole
powierzchni otworu.
(6)
gdzie:
β – współczynnik kontrakcji, 0 ≤
β
≤ 1
Wartość współczynnika kontrakcji wyznaczana jest doświadczalnie. W przypadku
otworów o ostrych krawędziach, w tym szczelin, przyjmuje się
β
= 0,61 [7].
Znając gęstość gazu, róŜnicę ciśnień wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia
oraz strumień objętości wprowadzanego gazu, moŜna obliczyć ekwiwalentną po-
wierzchnię nieszczelności w obudowie pomieszczenia. W przypadku powietrza
w temperaturze 20ºC,
ρ
= 1,202 [kg/m
3
], na podstawie równań (4) i (6), ekwiwa-
lentna powierzchnia nieszczelności wynosi:
(7)
gdzie:
EPN – ekwiwalentna powierzchnia nieszczelności [m
2
],
Q – strumień objętości gazu [m
3
/s],
p
1
, p
2
– odpowiednio ciśnienie w środku i na zewnątrz pomieszczenia [Pa].
2
v
⋅
=
EPN
Q
2
v
⋅
⋅
=
EPN
Q
β
)
(
271
,
1
202
,
1
)
(
2
61
,
0
2
1
2
1
p
p
Q
p
p
Q
EPN
−
⋅
=
−
⋅
=
3. Badania weryfikujące
W celu weryfikacji analizy teoretycznej przeprowadzono badania w Laborato-
rium Technicznych Systemów Zabezpieczeń SGSP. Badania wykonano w po-
mieszczeniu o wymiarach 5
×
5
×
2,8 m. W otworze drzwiowym umieszczono
wentylator osiowy. Wentylator wyposaŜono w przyrządy pomiarowe, umoŜliwia-
jące wyznaczenie strumienia objętości powietrza, które przepływa przez wentyla-
tor. Pozostała część otworu drzwiowego została dokładnie uszczelniona. Pomiar
ciśnień wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia przeprowadzono za pomocą prze-
twornika róŜnicy ciśnień o zakresie pomiarowym – 100 do 100 Pa.
Rys. 2. Stanowisko pomiarowe
Ponadto mierzono temperaturę powietrza wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia
za pomocą termopar. RóŜnicę temperatur wykorzystywano do korekcji wydatku
objętościowego, zgodnie z równaniem stanu:
przy nadmuchu powietrza
Q
skor
= Q
went
(T
pom
/ T
zew
) (8)
przy wywiewie powietrza
Q
skor
= Q
went
(T
zew
/ T
pom
) (9)
wentylator
termopary
interfejs
komputer
przetwornik
ciśnienia
przetwornik
ciśnienia
otwór o regulowanej powierzchni
gdzie: Q
skor
– skorygowana wartość strumienia objętości, Q
went
– wartość strumie-
nia objętości odczytana z wentylatora, T
pom
– temperatura w pomieszczeniu, T
zew
–
temperatura na zewnątrz pomieszczania.
Odczyty z przyrządów pomiarowych rejestrowano bezpośrednio, wykorzystu-
jąc system pomiarowy bazujący na oprogramowaniu GENIE 3.0. Połączenie przy-
rządów pomiarowych z komputerem realizowano poprzez zestaw interfejsów serii
ADAM.
Badania rozpoczęto od pomiarów powierzchni nieszczelności dla moŜliwie
dokładnie uszczelnionego, zamkniętego pomieszczenia. Najpierw zmierzono róŜ-
nicę ciśnień przy wyłączonym wentylatorze. Po uruchomieniu wentylatora
i 30-sekundowym okresie stabilizacji przyrządów pomiarowych system rejestrował
strumień objętości powietrza, róŜnicę ciśnień i róŜnicę temperatur wewnątrz i na
zewnątrz pomieszczenia. Pomiary przeprowadzano przy sześciu róŜnicach ciśnień
w zakresie od 0 do 60 Pa.
Procedurę powtórzono przy otwartym dodatkowym otworze o znanej po-
wierzchni 54 cm
2
. Po wykonaniu serii pomiarów zmieniono kierunek ruchu powie-
trza przez odwrócenie wentylatora i powtórnie przeprowadzono pomiary.
Na podstawie wykonanych badań obliczono powierzchnię dodatkowego otwo-
ru. Wartości obliczone porównano z rzeczywistą powierzchnią.
4. Analiza wyników
Tabela 1.
Wartości ciśnienia i strumienia objętości powietrza
nawiew powietrza
do pomieszczenia
wywiew powietrza
z pomieszczenia
∆
p [Pa]
Q
skor
[m
3
/h]
∆
p [Pa]
Q
skor
[m
3
/h]
15,0
600
-18,0
600
21,0
700
-30,0
780
29,0
850
-39,0
910
40,0
1000
-45,0
980
45,0
1060
-50,0
1040
p
o
m
ie
sz
cz
en
ie
za
m
k
n
ię
te
53,0
1160
-60,0
1150
14,0
640
-16,0
600
21,0
770
-30,0
850
31,0
950
-40,0
990
39,0
1070
-48,0
1110
50,0
1230
-55,0
1200
o
tw
ó
r
5
4
c
m
2
56,0
1300
-60,0
1230
Ekwiwalentną powierzchnię nieszczelności obliczono zgodnie z równaniami
przedstawionymi w rozdz. 2.
Tabela 2.
Ekwiwalentne powierzchnie nieszczelności
EPN [cm
2
]
nawiew powietrza
do pomieszczenia
wywiew powietrza
z pomieszczenia
547,0
499,2
539,3
502,7
557,3
514,4
558,2
515,7
557,9
519,2
p
o
m
ie
sz
cz
e-
n
ie
z
a
m
k
n
ię
te
562,6
524,1
603,9
529,6
593,2
547,9
602,4
552,6
604,9
565,6
614,1
571,3
o
tw
ó
r
5
4
c
m
2
613,3
560,6
Błąd między wynikiem teoretycznym a rzeczywistą nieszczelnością obliczono
według równania:
gdzie: ε [%]– błąd względny, EPN
0
[cm
2
] – ekwiwalentna powierzchnia nieszczel-
ności w pomieszczeniu bez dodatkowych otworów, EPN
n
[cm
2
] – ekwiwalentna
powierzchnia zmierzona przy dodatkowym otworze, 54 [cm
2
] – powierzchnia do-
datkowego otworu.
W obliczeniach błędu względnego zrezygnowano z modułu, w celu stwierdze-
nia, czy wyniki są zawyŜone czy zaniŜone.
Tabela 3.
Obliczona powierzchnia dodatkowego otworu
nawiew powietrza
wywiew powietrza
średni
∆EPN [cm
2
]
ε [%]
∆EPN [cm
2
]
ε [%]
ε [%]
56,9
5,4
30,3
-43,9
-19,2
53,9
-0,1
45,1
-16,4
-8,3
45,1
-16,4
38,2
-29,3
-22,9
46,7
-13,5
49,9
-7,7
-10,6
56,3
4,2
52,0
-3,7
0,2
50,8
-6,0
36,5
-32,5
-19,2
średni błąd:
-4,4%
-22,2%
-13,3%
100
54
54
)
(
0
⋅
−
−
=
EPN
EPN
n
ε
5. Podsumowanie
Na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 3. moŜna wnioskować, Ŝe
badanie szczelności powinno być przeprowadzane tylko przy wtłaczaniu powietrza
do pomieszczenia, wówczas dokładność wynosi 4,4%. Ponadto takie podejście jest
zbliŜone do rzeczywistego procesu wyładowaniu gazu gaśniczego do pomieszczenia.
Powierzchnia obliczona przedstawioną metodą jest nieco mniejsza w porów-
naniu z powierzchnią rzeczywistą, czyli pomieszczenie wydaje się szczelniejsze.
Jest to korzystne podczas doboru powierzchni odciąŜającej przed przyrostem ciś-
nienia, gdyŜ przyjęcie surowszych wymagań będzie zwiększało bezpieczeństwo.
Natomiast podczas wykorzystywania obliczonej powierzchni nieszczelności do
czasu utrzymywania stęŜenia naleŜy przyjąć margines błędu około 15%.
Nie stwierdzono wyraźnego związku między wzrostem ciśnienia w trakcie
badania a dokładnością w wyznaczaniu powierzchni nieszczelności, stosunkowo
dokładne wyniki zarówno przy wtłaczaniu, jak i usuwaniu powietrza z pomiesz-
czenia uzyskano przy nad/podciśnieniu w pomieszczeniu w granicach 50 Pa.
Analiza szczelności pomieszczenia zabezpieczanego gazami gaśniczymi zna-
cząco przyczynia się do zwiększania skuteczności gaśniczej, jak równieŜ bezpie-
czeństwa konstrukcji. Badania takie powinny być prowadzone przed zaprojekto-
waniem urządzenia gaśniczego oraz w trakcie uŜytkowania pomieszczenia,
zwłaszcza jeśli nastąpiły w nim istotne zmiany budowlane. Metoda zaprezentowa-
na w artykule pozwala stosunkowo dokładnie oszacować powierzchnię nieszczel-
ności w pomieszczeniu.
Przemysław KUBICA
COMPARTMENT LEAKAGE TESTS WITH THE USE
OF DOOR VENTILATORS
S U M M A R Y
Rooms protected by extinguishing gases should undergo leakage tests. The test
with door ventilator is used to define the total leakage area in a room. With the help
of Bernoulli’s equation it is possible to define the leakage area in a room on the
basis of the following: the measured values of the positive and negative pressure in
a room, the measured value of gas volume flowing in a room.
A series of measurements was made in order to verify the area defined on the basis
of the door ventilator test. The calculated values were compared to the actual area.
The results analysis proved that the smallest average miscalculation (4,4%) is
gained while blowing the air into a room. The areas defined with the use of the
ventilator method are smaller than the actual ones. Making the pressure differences
bigger during the succeeding measurements did not influence the accuracy of the
measured values.
The leakage tests should be conducted while commissioning the extinguishing
device or while using a room. The method presented in the paper makes the exact
evaluation of the leakage area in a room possible.
PIŚMIENNICTWO
1.
Sherman M.: The use of blower-door data. LBL Report #35173 Lawrence Ber-
keley Laboratory, Berkeley, CA (1998).
2.
Sherman M.: Superposition in Infiltration Modeling. Indoor Air V. 2, 1992.
3.
DePani S., Fazio P.: Airtightness testing and air flow modeling of two and
three-unit multifamily buildings. Canadian Conference on Building Energy
Simulation, June 13-14, Ottawa, Canada 2001.
4.
Sherman M.: A Power Law Formulation of Laminar Flow in Short Pipes.
J. Fluids Eng, V. l 114, No 4, 1992.
5.
Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressuriza-
tion, ASTM E779-87, American Society for Testing and Materials. 1987.
6.
Riestschels H.: Lehrbuch der Heiz – und Luftungstechnik, Berlin 1960.
7.
Bukowski J., Kijkowski P.: Kurs mechaniki płynów. PWN, Warszawa 1980.
8.
NFPA 2001 Clean Agent Fire Extinguishing Systems. 2000 edition.
9.
PN 93/M – 51250/01. Stałe urządzenia gaśnicze. Urządzenia na dwutlenek
węgla. Zasady projektowania i instalowania.
10.
Whiteley R.A.: Overpressure Vent Provisions for Inergen Systems. Fire Safety
Engineering, January 2002.