Đánh giá hệ thống hút khói hành lang bằng phần mềm FDS

Hệ thống hút khói hành lang trong các tòa nhà cao tầng dùng để hút khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà.

Mô tả hệ thống hút khói hành lang

Hệ thống này bao gồm quạt hút, hệ thống đường ống và các van gió đặt ở hành lang của các tầng trong tòa nhà. Hệ thống có thể được điều khiển tự động hoặc điều khiển bằng tay. Việc đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống này là một việc rất khó thực hiện. Bài báo này giới thiệu việc ứng dụng phần mềm FDS để mô phỏng cho tình huống xảy ra đám cháy giả định trong tòa nhà và hoạt động của hệ thống hút khói hành lang. Qua đó cho phép đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống trong các tình huống khác nhau và đưa ra các giải pháp để điều khiển hệ thống sao cho đạt được hiệu quả tốt nhất.

Tầm quan trọng của việc ứng dụng phần mềm FDS trong việc đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống hút khói hành lang

Trong các tòa nhà cao tầng hiện nay không thể thiếu các hệ thống an toàn phòng cháy. Trong đó phải kể đến hệ thống hút khói hành lang và hệ thống điều áp cầu thang. Các hệ thống này dùng để hút khói ở các hành lang và ngăn khói đi vào các cầu thang thoát hiểm để đảm bảo an toàn cho con người.

Việc thiết kế và lắp đặt hệ thống hút khói hành lang phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn theo qui định. Tuy nhiên hiện đang có nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau và việc vận dụng các tiêu chuẩn ở nước ta còn thiếu sự thống nhất. Tiêu chuẩn ở các nước phát triển (NFPA 92, BS 5588…) bắt buộc phải sử dụng trạm điều khiển khói chuyên dùng FSCS (viết tắt của Firefighter’s Smoke Control Station), trong khi đó ở nước ta hầu như chưa sử dụng thiết bị này. Việc điều khiển hệ thống hút khói hành lang ở nước ta hiện nay phụ thuộc vào hệ thống báo cháy tự động và thực tế cho thấy các hệ thống này không phát huy được hiệu quả như mong muốn.

Để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống hút khói hành lang là một việc khá phức tạp. Việc nghiên cứu bằng thực nghiệm đối với hệ thống là việc làm không khả thi. Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm FDS sẽ giúp giải quyết được khó khăn trên.

Mô phỏng sự dịch chuyển của khói và hoạt động của hệ thống hút khói hành lang bằng phần mềm FDS

Giới thiệu phần mềm FDS

FDS (viết tắt của Fire Dynamics Simulator) là một phần mềm được phát triển bởi Viện Quốc gia về Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST) của Bộ Thương mại Hoa Kỳ, phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu kỹ thuật VTT của Phần Lan. Phần mềm này được sử dụng rất hiệu quả để mô phỏng cho các đám cháy trong các tòa nhà, mô phỏng cho sự lan tỏa của khói và sự biến đổi của các thông số như nhiệt độ, áp suất, nồng độ khí… tại vị trí bất kỳ. Nó cũng có thể mô phỏng sự hoạt động của các thiết bị tự động như sự kích hoạt của các đầu dò khói, đầu dò nhiệt, đầu phun nước tự động (Sprinkler).

Đi kèm với FDS còn có phần mềm Smokeview là chương trình đồng hành trực quan được sử dụng để hiển thị dữ liệu đầu ra của FDS và dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh động trên máy tính.

Để tạo chương trình mô phỏng ta phải viết mã chương trình bằng một chương trình soạn thảo bất kỳ (chẳng hạn Notepad) và lưu với phần mở rộng là fds. Sau đó thực thi chương trình với file fds.exe. Kết quả được xem trong file có phần mở rộng smv nhờ chương trình Smokeview.exe dưới dạng hình ảnh 3D hoặc xem trong các file có phần mở rộng csv dưới dạng bảng sổ liệu.

Kết quả mô phỏng

Mô hình mô phỏng cho 5 tầng của một tòa nhà với một đám cháy giả định ở tầng 1 với các thông số:

– Diện tích đám cháy: 1,5 m2

– Chất cháy là Polyurethane (PU)

– Công suất tỏa nhiệt là 1562 kW/m2

Quạt hút khói có lưu lượng là 8 m3/s, đường ống hút có kích thước (750 x 750) mm, mỗi hành lang có bố trí 2 van gió và đầu dò khói với độ nhạy là 3,28 (%/m).

Để đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm thời gian thực hiện chương trình mô phỏng thì cần xác định kích thước lưới lọc hợp lý. Kích thước lưới lọc được xác định sao cho tỷ số D/ có giá trị từ 4 đến 16. Trong đó D được gọi là đường kính lửa đặc trưng được tính theo công thức sau:

D = (Q/pcpTg^½)^⅖ (m)

Trong đó:

Q là nhiệt lượng tỏa ra từ đám cháy (kW)

p là khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

cp là nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg.K)

T là nhiệt độ môi trường (K)

g là gia tốc trọng trường (m/s2)

Căn cứ vào điều kiện trên, giá trị kích thước lưới lọc được xác định là = 0,1 m.

Do việc thực hiện chương trình FDS mất rất nhiều thời gian cho nên việc mô phỏng chỉ tiến hành với thời gian là 90s. Với thời gian này đủ để so sánh hiệu quả của các phương án điều khiển hệ thống hút khói hành lang.

Kết quả mô phỏng so sánh trong 2 phương án:

– Phương án 1: chỉ có đầu dò khói kích hoạt đầu tiên được mở van gió ở tầng đó, các đầu đò tiếp theo không mở van gió tiếp theo.

– Phương án 2: các đầu dò khói đều có thể kích hoạt để mở van gió ở các tầng.

Kết quả

– Với phương án 1 : Đầu dò khói ở tầng 1 kích hoạt làm mở van gió ở hành lang tầng 1, van gió ở các tầng khác không mở ngay cả khi có khói lan đến. Khi đó khói chủ yếu tập trung ở tầng 1 và được hút ra ngoài bởi quạt hút và hệ thống đường ống. Một lượng khói vẫn đi lên tầng phía trên nhưng không nhiều. Nồng độ CO2 ở giữa hành lang tầng 2 tại thời điểm 90s vào khoảng 0,7% theo thể tích.

– Với phương án 2: Đầu dò khói ở các tầng đều có khả năng kích hoạt để mở van gió ở các tầng khi nồng độ khói đạt ngưỡng kích hoạt. Khi đó các van gió ở tầng 2 sẽ mở sau tầng 1 khoảng 20s làm cho khói từ tầng 1 bị hút lên tầng 2. Sau đó khoảng 30s van gió tầng 3 tiếp tục mở và khói lại bị hút tiếp một phần lên tầng 3. Nồng độ CO2 ở hành lang tầng 2 tại thời điểm 90s tăng lên 1,5% và có xu hướng tăng tiếp.

Trong thực tế, nồng độ khói và nồng độ của các chất khí độc hại phụ thuộc vào diện tích đám cháy, vật liệu cháy, sự hoạt động của hệ thống hút khói và nhiều yếu tố khác. Tuy nhiên qua kết quả mô phỏng cho thấy khi hệ thống hút khói hành lang hoạt động theo tín hiệu báo cháy tự động như phương án 2 thì sẽ có hiệu quả kém hơn so với phương án 1.

Thực trạng ở nước ta hiện nay là có nhiều hệ thống hút khói hành lang hoạt động tự động theo tín hiệu báo cháy. Với những hệ thống như vậy khi hệ thống báo cháy tự động hoạt động nhầm lẫn hoặc người ấn nút báo động bằng tay ở nơi không cần thiết sẽ làm cho hệ thống hút khói hành lang hoạt động càng kém hiệu quả và thậm chí còn gây thêm nguy hiểm. Thực tế cho thấy nhiều hệ thống báo cháy tự động hoạt động nhầm lẫn hoặc không hoạt động. Tuy vậy việc báo động nhầm ít gây nguy hiểm so với kích hoạt nhầm hệ thống hút khói hành lang.

Ở các nước phát triển, người ta chỉ sử dụng hệ thống báo cháy tự động để phát hiện cháy và phát tín hiệu báo động. Các trung tâm báo cháy tự động cũng có một số chức năng điều khiển nhưng không được dùng để điều khiển trực tiếp hệ thống hút khói hành lang mà chỉ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển FSCS. Các bộ điều khiển FSCS được thiết kế đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn (NFPA 92, BS 5588…) sao cho thuận tiện cho người sử dụng và thích nghi với môi trường làm việc khắc nghiệt. Khi xảy ra đám cháy với diễn biến phức tạp, người làm nhiệm vụ chữa cháy tuy không am hiểu về các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà vẫn có thể sử dụng bộ điều khiển FSCS để giải quyết tình huống.

Qua đó thấy rằng cần thiết phải sự dụng trạm điều khiển khói chuyên dùng FSCS theo tiêu chuẩn của các nước phát triển. Trạm điều khiển này thực hiện điều khiển ở chế độ tự động ở giai đoạn đầu của đám cháy, còn ở giai đoạn sau thì việc điều khiển do người chữa cháy quyết định tùy theo diễn biến thực tế.

Kết luận

Quá trình diễn biến của khói trong các đám cháy luôn phức tạp, khó lường. Hiệu quả hoạt động của hệ thống hút khói hành lang cũng là vấn đề rất khó đánh giá.

Với phần mềm FDS cho phép ta mô phỏng quá trình diễn biến của khói cùng với sự hoạt động của hệ thống hút khói hành lang. Qua đó cho phép ta tìm được giải pháp điều khiển hệ thống theo qui trình hợp lý nhất, làm giảm thiểu tác hại của khói gây ra, đảm bảo an toàn cho con người.