Sprinklers påverkan på ventilationsbrandskydd

Sprinklers påverkan på ventilationsbrandskydd

En funktionsanalys avseende sprinklers påverkan på brandgasspridning i hotellmiljö.

Elias Björnqvist Erik Rönnberg

Brandingenjör 2020

Luleå tekniska universitet

Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

Förord

Rapporten utgör ett slutligt arbete på brandingenjörsprogrammet vid Luleå tekniska universitet och motsvarar 15 högskolepoäng.

Först och främst vill vi tacka Säkerhetspartner Norden AB som bidragit med stor hjälp i form av kompetens, program och regelverk. Ett stort tack till Jonas Johansson som agerat som vår externa handledare och bidraget med många idéer under arbetets gång. Tack även till Emil Öhrling för all hjälp med PFS- beräkningarna och Malin Hanson för modellering i Pyrosim.

Vi vill även tacka John Fernberg på SF brandskyddskontroll AB för hjälp gällande sprinklers utformning.

Ett speciellt tack till interna handledaren Michael Försth för all hjälp avseende riktlinjerna för arbetet samt kompetens inom området.

Elias Björnqvist & Erik Rönnberg Luleå 2020-11-16

Sammanfattning

Att en byggnad omfattas av ett väl anordnat brandskydd är idag en grundläggande förutsättning för en byggnads säkerhet. Ett bra och organiserat brandskydd är även en väsentlig del av en god säkerhetskultur. Av denna anledning är det vanligt att byggnader utrustas med ett högre brandtekniskt brandskydd än vad som är kravställt enligt gällande regelverk. I byggnader som avses för hotellverksamhet finns oftast sprinkler installerat, trots att det inte är kravställt.

Fläktar i drift är en ventilationstekniks skyddsmetod som går inom ramen för s.k. analytisk dimensionering, där en analys krävs för att verifiera utformningen. Som man hör på namnet bygger fläktar i driftlösningen på att fläktarna fortsätter att gå vid händelse av brand, skyddsmekanismen är att trycket i tilluftskanalen måste övervinnas av brandtrycket innan spridning kan ske. Som beräkningsgrund vid verifieringen uppgår brandtrycket vanligtvis (när sprinkler ej nyttjas) till 1500 Pa och brandgastemperaturen i branden tidiga stadie till 350 C enligt Boverkets allmänna råd (BFS 2013:2) om analytisk dimensionering av byggnaders brandskydd (BBRAD3). Vid användandet av sprinkler förväntas dessa värden bli mycket lägre, vilket även bör ändra förutsättningarna till brandskyddet utformning. Tillsammans med fläktar i drift nyttjas ofta backströmningsskydd som helt stryper flödet i tilluftskanalen (där risken för brandgasspridning är) när brandtrycket blir för högt och flödet vänder, dessa är dock relativt kostnadsdrivande.

Examensarbetet syftar främst på att undersöka om avsteg från den brandtekniska installationen av backströmningskydd kan göras i byggnader där sprinkler har installerats. Detta i hopp om att hitta mer kostnadseffektiva lösningar och samtidigt uppnå ett tillfredställande brandskydd.

För att få svar på avsteget kan göras har datorprogrammen Fire Dynamics Simulator (FDS), Program Flow System (PFS) samt material från ett befintligt projekt nyttjats. Som komplement har även en mindre litteraturstudie gjorts för att få grundförståelse för den bakomliggande teorin samt att styrka föreslagna lösningar.

Olika CFD-program (Computional Fluid Dynamics) nyttjas ofta inom många ingenjörsyrken.

Grunden för programmen är att de bygger på flödesberäkningar som utgår ifrån Navier-Stokes ekvationer. FDS är ett CFD-program anpassat för simuleringar av brandscenarion. PFS är ett ventilationsprogram där flöden kan beräknas, både vid normal- och branddrift. I FDS byggdes ett hotellrum upp utifrån det befintliga projektet samt krav från BBRAD3. Utifrån data givet i FDS-körningarna beräknades brandgasspridningen via ventilationssystemet med hjälp av PFS.

Resultatet påvisar att en eventuell utformning av det ventilationstekniska brandskyddet utan backströmningspjäll ej är möjligt för att uppnå ett tillfredställande brandskydd. Detta med anledning av att brandspridningen till intilliggande brandcell översteg kravet på 1% av dess volym. Resultatet visar dock att det finns flera olika godtagbara ventilationstekniska lösningar i form av en ökad kapacitet på tilluftsfläkten vid händelse av brand eller genom en installation av ett injusteringspjäll på tilluftskanalen.

Vid tillämpning av injusteringspjäll som brandteknisk lösning har resultatet påvisat att vid en 200 Pa tryckavlastning på spjället understiger brandgasspridningen 1%-kravet. När trycket i tilluftskanalerna blir högre, försvåras möjligheten för brandgaser att sprida sig.

Då den beräknade brandgasspridningen understeg kravställningen, anses denna lösning även

att kraftigare fläktar för tilluften kommer behöva nyttjas vilket kan öka driftkostnaderna och energianvändningen.

Den andra föreslagna brandtekniska lösningen var att öka kapacitet på tilluftsfläkten från normal driftsfunktion till 350 Pa respektive 380 Pa tryckverkan i det fall då brand uppstått, denna funktion är tänkt att vara kopplad till byggnadens brandlarm. Vid händelse av brand bör brandlarmet aktiveras i ett inledande skede så att tilluftsfläkten kan nå utvald kapacitet inom 44 sekunder. Detta med anledning av att vid denna tidpunkt övervinns det normala tryckfallet på 50 Pa i tilluftskanalerna, vilket innebär att brandgasspridning från brandrummet mot intilliggande brandceller inleds.

Tillämpningen av en befintlig eller extern tilluftsfläkt vars kapacitet endast ökar i det fall då den aktiveras av ett brandlarm bedöms utgöra rapportens främsta brandtekniska lösning för att upprätthålla ett tillfredställande brandskydd vid substitution av ett backströmningspjäll. Detta då lösningen anses vara den mest kostnadseffektiva samtidigt som det innebär en smidigare tillämpning.

Abstract

The fact that a building is covered by a well-arranged fire protection is today a basic precondition for the safety of a building. Good and organized fire protection is also an essential part of a good safety culture. For this reason, it is common for buildings to be equipped with a higher fire protection than what is required by current regulations. In buildings intended for hotel services, sprinklers are usually installed even though it is not required.

Fans in operation is a protection method for the ventilation that falls within the framework of analytical dimensioning, where an analysis is required to verify the formation. As the name implies, fans in the operating solution are based on the fans continuing to run in the event of a fire, the protection mechanism is that the pressure in the supply air duct must be overcome by the fire pressure before the fire gases can spread. As a calculation basis for the verification, the fire pressure (when sprinklers are not used) amounts to 1500 Pa and the fire gases temperature in the early stage of the fire to 350 C according to Boverkets “allmänna råd” (BFS 2013: 2) on analytical dimensioning of buildings fire protection (BBRAD3). When using sprinklers, these values are expected to be much lower, which should also change the conditions for fire protection design. Together with the fans in operation method, self-actuating backflow protectors is often used, which completely restricts the flow in the supply air duct when the fire pressure becomes too high and the flow reverses, but these are relatively costly.

The thesis mainly aims to investigate whether deviations from the fire technical installation of backflow protection can be made in buildings where sprinklers have been installed. This in the hope of finding more cost-effective solutions and at the same time achieve satisfactory fire protection.

To get an answer to if the deviation can be made, the computer programs Fire Dynamics Simulator (FDS), Program Flow System (PFS) and material from an existing project have been used. As a complement, a small literature study has also been done to gain a basic understanding of the underlying theory and to substantiate proposed solutions.

Various CFD (Computational Fluid Dynamics) programs are often used in many engineering professions. The basis for the programs is that they are based on flow calculations based on the Navier-Stokes equations. FDS is a CFD program adapted for simulations of fire scenarios. PFS is a ventilation program where flows can be calculated, both during normal circumstances and in the happening of fire. In FDS, a hotel room was built based on the existing project and requirements from BBRAD3. Based on data given in the FDS runs, the fire gas spread via the ventilation system was calculated using PFS.

The result shows that a possible design of the ventilation technical fire protection without backflow damper is not possible to achieve a satisfactory fire protection. This is because the spread of fire gases to the adjacent fire compartment exceeded the requirement of 1% of its volume. The results show, however, that there are several different acceptable ventilation technical solutions in the form of an increased capacity of the supply air fan in the event of a fire or by installing a flow adjustment damper on the supply air duct.

When applying the flow adjustment damper as a fire technical solution, the result has shown that with a 200 Pa pressure relief on the damper, the fire gas spread is less than the 1%

requirement. When the pressure in the supply air ducts becomes higher, the possibility of fire

As the estimated fire gas spread was below the requirements, this solution is also considered to be applicable in buildings that are slightly more airtight than the building studied. A disadvantage, however, is that more powerful fans for the supply air will have to be used, which can increase operating costs and energy use.

The other proposed fire technical solution was to increase the capacity of the supply air fan from normal operating function to 350 Pa and 380 Pa pressure effect in the event of a fire. This function is intended to be connected to the building's fire alarm. In the event of a fire, the fire alarm should be activated at an initial stage so that the supply air fan can reach the selected capacity within 44 seconds. Since at 44 seconds the normal pressure drop of 50 Pa in the supply air duct is overcome, which means that fire gas spread from the fire compartment to adjacent fire compartments is initiated.

The application of an existing or external supply air fan whose capacity only increases if it is activated by a fire alarm is the report's main solution for maintaining satisfactory fire protection when substituting a backflow damper. This is because the solution is considered to be the most cost-effective.

Akronymer

BBR Boverkets Byggregler

BBRAD Boverkets allmänna råd om analytisk dimensionering BFS Boverkets Författningssamling

CFD Computational Fluid Dynamics FDS Fire Dynamics Simulator

NIST National Institute of Standard and Technology PBF Plan- och byggnadsförordningen

PBL Plan- och bygglagen PFS Program Flow System

Nomenklatur

Arean branden verkar på Af [m²] Brandtillväxtkoefficient α [kW/s²]

Densitet ρ [kg/m³]

Densitet omgivande luft ρ∞ [kg/m³]

Flöde q [m³/s] Eller [l/s]

Gravitationskonstant g [m/s²]

HRR 𝑞 [kW]

HRRPUA 𝑞^´´ [kW/m²]

Karakteristisk diameter D^∗ [m]

Strömningskoefficient C -

Störst sida kontrollvolym δx [m]

Normal rumstemperatur T∞ [K]

Tid t [s]

Tryck Pa [N/m²]

Värmekapacitet för luft cp [J/kgK]

Spridningshastigheten s [m/s]

Innehållsförteckning

Förord...i

Sammanfattning...ii

Abstract...iv

Akronymer ...vi

Nomenklatur ...vii

Bilagor...x

1 Inledning...1

1.1 Bakgrund ...1

1.2 Problemformulering ...2

1.2.1 Syfte ...3

1.2.2 Frågeställningar...3

1.3 Avgränsningar ...3

1.4 Ansvarsfördelning ...4

2 Teori...5

2.1 Verksamhet- och Byggnadsklass ...5

2.2 t^{2 –}fires ...6

2.3 Brandbelastning...7

2.4 Fläktar i drift...7

2.4.1 Backströmningsskydd ...8

2.4.2 Frånluft...8

2.4.3 Tilluft ...8

2.5 Injusteringsspjäll ...9

2.6 Sprinkler ...10

2.6.1 Beräkningar för sprinklers påverkan på brandeffekten...11

2.7 Läckage ...11

2.8 FDS och CFD modellering...12

2.8.1 Pyrosim ...12

2.8.2 Brandscenario ...12

2.8.3 Känslighetsanalys ...14

2.9 PFS ...14

3 Metod...16

3.1 Litteraturstudie ...16

3.2 Modellering och beräkningar ...16

3.2.2 PFS...21

4 Resultat ...24

4.1 Datorberäkningar...24

4.1.1 Bestämning av fläkt till FDS...24

4.2 Scenario 1: Brand med Fast-tillväxthastighet ...25

4.3 Beräknad mängd brandgaser utan brandtekniska installationer...28

4.4 Beräknad mängd brandgaser med injusteringsspjäll...30

4.4.1 Beräknad mängd brandgaser efter sprinkler aktiverats...31

4.4.2 Sammanställning av total mängd brandgasspridning ...34

4.5 Beräknad mängd brandgaser med injusteringsspjäll med ökad kapacitet på tilluftsfläkt ...35

4.5.1 Sammanställning av total mängd brandgasspridning, vid tillämpning av tilluftsfläkt med ökad kapacitet (före & efter sprinkleraktivering) ...36

4.6 Scenario 2: Brand med Slow- tillväxthastighet...37

4.6.1 PFS- beräkningar ...40

5 Analys och diskussion ...41

5.1 Resultatets relevans ...41

5.2 Studiens svagheter...41

5.2.1 Förslag på fortsatt arbete...43

5.3 Resultatets betydelse ...43

6 Slutsats...46

7 Referenser...47 8 Bilagor...I

Bilagor

Bilaga 1 – Beräkning av läckagearea

Bilaga 2 – Beräkning av storlek på gridceller

Bilaga 3 – Beräkning av Heat Release Rate per units area (HRRPUA) Bilaga 4 – Beräkningar av Fire Spread för scenario 1 och 2

Bilaga 5 – Räkneexempel av flöde per 2 s

Bilaga 6 – Indatafil FDS, Scenario 1: Fast-brand Bilaga 7 – Indatafil FDS, Scenario 2: Slow-brand

1 Inledning

Nedanstående genomgång beskriver hur det ventilationstekniska brandskyddet kan förbättras enligt analytisk dimensionering.

1.1 Bakgrund

Varje enskild byggnation som är upprättad i vårt samhälle är reglerad enligt Plan- och byggnadslagen (PBL, SFS 2010:900) och Plan- och byggnadsförordningen (PBF, SFS 2011:338). Kompletterande till PBL och PBF är Boverkets Byggregler (BBR). BBR är en samling av föreskrifter och allmänna råd till ovanstående lagar och förordningar. Kapitel 5 i denna samling är särskilt avsatt att detaljerat beskriva kraven på brandskydd i olika byggnader.

Utformningen av brandskyddet för en byggnad är beroende av vilken verksamhetsklass respektive byggnadsklass som den omfattas av. Detta ligger i grund för vilka eventuella brandtekniska installationer som kan komma att vara av relevans. I denna studie kommer verksamhetsklassen 4 som innefattar hotellverksamhet främst beaktas.

Att dimensionera ett brandskydd kan göras på två olika sätt, analytiskt och förenklat. Att utföra brandskyddet utifrån förenklad dimensionering innebär enligt avsnitt 5:111 i Boverkets Byggregler (BFS 2011:6) att man följer de allmänna råd som finns i BBR för att uppfylla tillhörande föreskrifter. Om istället analytisk dimensionering tillämpas så innebär detta att man frångår ett av de allmänna råden och istället löser brandskyddet på ett alternativt sätt. För att denna typ av lösning ska vara lika säkerhetsmässigt tillfredställande som förenklad dimensionering, utgår den från separata allmänna råd, BBRAD3 (Boverkets råd för analytisk dimensionering, BFS 2013:12).

Vid analytisk dimensionering nyttjas ofta olika beräknings- och simuleringsprogram för att säkerställa en specifik lösning. Fire Dynamics Simulator (FDS) är ett av de vanligaste programmen. I FDS kan ett rum eller en hel byggnad byggas upp för att sedan studera olika tänkbara brandförlopp (McGrattan et al., 2020). Program Flow System (PFS) är ett annat datorprogram som används mer specifikt för att kontrollera utformningen av ventilationssystem genom att utföra flödesberäkningar (Jensen, 2015).

I denna rapport kommer en fördjupning och analysering av det ventilationstekniska brandskyddet att ske. För att säkerställa att inte brandgasspridning sker via ventilationssystemet nyttjas enligt avsnitt 5:255 i Boverkets byggregler (BFS 2011:6) fyra lösningar; separata system, brand-/brandgasspjäll, trycksättning av utrymmen, fläktar i drift eller en kombination av dessa.

Separata system innebär att varje enskild brandcell har sitt eget ventilationssystem, vilket helt eliminerar risken för brandgasspridning via ventilationen. Att utföra varje brandcell med ett eget ventilationssystem blir dock väldigt opraktiskt i byggnader med många brandceller. Brand- /brandgasspjäll installeras i eller invid brandavskiljande konstruktion för att förhindra spridningen till nästa brandcell. Spjället stänger vid indikation av brand, indikationen kan till exempel ske genom separata rökdetektorer kopplade till spjället eller via det automatiska brandlarmet, om det finns i byggnaden. Brand-/brandgasspjäll är det vanligaste skyddet men i större byggnader med många brandceller kan detta bli en relativt dyr lösning (Hagab, u.å).

Byggnader vars ventilationssystem utförs med mekaniska fläktar ett s.k. FTX-system kan se till att fläktarna även fortsätter gå eller ökar vid brand. Om trycket i tilluftskanalen är högre än

trycket som uppstår brandrummet kommer det inte ske någon spridning av brandgaser via ventilationssystemet. För att säkerställa denna lösning krävs speciella beräkningar för olika tänkbara brandscenarion. Ett komplement som kan nyttjas vid fläktar i driftlösningen är att brandrummet tryckavlastas via spjäll i yttervägg som öppnar när trycket börjar nå en kritisk gräns (Hagab, u.å). Utrymmen kan även skyddas från brandgaser genom att det trycksätts med hjälp av fläktar eller planerad genomströmning, denna lösning tillämpas oftast för trapphus (Runefors & Persson, 2017).

För byggnader där hotellverksamhet bedrivs tillämpas i vanliga fall fläktar i drift som ventilationstekniskt brandskydd. Detta med anledning av att hotell generellt omfattas utav många brandceller. En vedertagen kompletterande lösning som tillämpas vid användandet av fläktar i drift systemet är installation av ett backströmningspjäll på tilluftskanalen i varje brandcell. Detta för att säkerställa att varje brandcell har ett säkert brandskydd ur ett ventilationstekniskt perspektiv.

1.2 Problemformulering

Idag är det vanligt att hotell installeras heltäckande med sprinklers. Detta sker utan krav från regelverk utan anses endast ske som en egen ambition från entreprenören. Installationen kan motiveras genom att exempelvis ett företag strävar efter en högre standard gällande brandskydd än vad som kravställs. Detta beror på att en brand i en byggnad där hotellverksamhet bedrivs kan anses ha ett stort skyddsbehov där en olycka snabbt kan få allvarliga konsekvenser.

En genomsyrande frågeställning som rapporten beaktar är huruvida den frivilliga installationen av sprinkler kan tillgodoräknas. Detta genom att den brandtekniska installationen av backströmningspjäll från varje brandcell i det fall ej behövs för att upprätthålla ett tillfredställande, godkänt ventilationstekniskt brandskydd.

För att erhålla ett godkänt ventilationstekniskt brandskydd enligt analytisk dimensionering krävs det, enligt avsnitt 4.2.4 i boverkets allmänna råd för analytisk dimensionering (BBRAD3, BFS 2013:2) att brandgasspridningen till mottagande brandcell är högst 1 %.

Det finns dock vissa osäkerheter kring sprinklers påverkan och nytta när det gäller det ventilationstekniska brandskyddet. Det stöd som finns när det gäller hur man får tillgodoräkna sprinklerpåverkan vid analytisk dimensionering av ventilationssystem är följande utdrag ur BBRAD3 (BFS 2013:2), figur 1:

Figur 1: Utdrag ur avsnitt 4.2.2.2 av BBRAD3 (BFS 2013:12).

Utifrån detta görs idag olika tolkningar av konsulter gällande hur detta påverkar brandtryck och brandflödet inom det brandutsatta utrymmet. Det finns stort intresse att utreda detta vidare för att mer se hur sprinklern kan nyttjas vid analytiska beräkningar.

Det finns även potential till stora kostnadsbesparingar samt förenkla drift och underhåll av

1.2.1 Syfte

Syftet med detta arbete är att utreda om det finns alternativa mer specifika, bättre anpassade skyddskombinationer med fläktar-i-drift när sprinkler nyttjas samt att studera sprinklers påverkan på branden.

1.2.2 Frågeställningar

Nedan följer ett antal frågeställningar som är intressanta att studera gällande sprinklers påverkan på ventilationsbrandskyddet:

 Hur mycket brandgaser sprider sig via ventilationssystemet innan och efter sprinkler har aktiverats?

 Hur påverkar sprinkler brandtrycket efter aktivering?

 Kan sprinkler ersätta behovet av backströmningspjäll på tilluften vid system med fläktar i drift vid brand?

 Finns det eventuella brandtekniska lösningar på ventilationssystemet som kan uppnå ett tillfredställande brandskydd?

1.3 Avgränsningar

Examensarbetet begränsas till en fallstudie där ett genomsnittligt hotellrum där fläktar i drift nyttjas som ventilationstekniskt brandskydd studeras utifrån 2 specifika försök. Försöken bygger på modelleringar gjorda i Fire Dynamics Simulator (FDS) version 6.7.5 och Program Flow System (PFS), vilket ofta har tillämpats för brandgasberäkningar vid analytisk dimensionering. Det som varieras i de olika försöken är brandens tillväxthastighet samt att två olika typer av sprinkler med olika aktiveringstemperaturer studeras. Sprinkler finns placerad centralt i rummet med anledning av att kunna ge största möjliga bevattningsgrad vid aktivering.

Då sprinkler aktiveras förväntas temperaturen på brandgaserna begränsas till den temperatur som råder vid aktivering, enligt BBRAD 3 (BFS 2013:2). Då temperaturen begränsas förväntas även brandtrycket att begränsas då tryckförändringar består av volymexpansioner som ett resultat av temperaturändringar.

Det studerade hotellrummets utformning baseras på ett befintligt projekt med verkliga förutsättningar som tillhandahålles av Säkerhetspartner Norden AB.

Branden har placerats i rummets nedre högra hörn och avser motsvara värsta tänkbara scenario.

Detta av anledning att en säng förväntas vara placerad där och ge upphov till största tänkbara brandeffekt.

1.4 Ansvarsfördelning

Då studien har skrivits av två författare, har arbetet delats upp. Den sammanlagda arbetsbelastningen har varit jämnt fördelad mellan båda författarna. Arbetsfördelningen är gjord utifrån särskilda kapitel som redovisas i nedanstående tabell 1.

Tabell 1: Ansvarsfördelning mellan författarna

Avsnitt Ansvarsfördelning

Förord Elias Björnqvist

Sammanfattning Erik Rönnberg

Abstract Erik Rönnberg

Inledning Elias Björnqvist

Metod Erik Rönnberg

Teori Elias Björnqvist

Resultat Elias Björnqvist och Erik Rönnberg

Diskussion och analys Elias Björnqvist och Erik Rönnberg

Slutsats Elias Björnqvist och Erik Rönnberg

Bilagor Elias Björnqvist och Erik Rönnberg

2 Teori

I teorin presenteras den bakomliggande fakta, ekvationsförtydligande samt riktlinjer som ligger i grund för fortsatt läsande och förståelse.

2.1 Verksamhet- och Byggnadsklass

Vid projektering av en byggnad är bestämmandet av byggnadsklass och verksamhetsklass en grundläggande förutsättning för brandskyddets utformning. Det finns 4 olika typer av byggnadsklasser, se tabell 2 nedan (BFS 2011:6, avsnitt 5:22).

Tabell 2:Klassificering av byggnadsklasser enligt avsnitt 5:22 i Boverkets byggregler (BFS 2011:6).

Exempel av objekt Skyddsbehov Byggnadsklass (Br)

Stort sjukhus eller byggnad på över 16 våningsplan

Mycket stort Br0

Byggnad med minst 3

våningsplan Stort Br1

Småhus med högst 3

våningsplan Måttligt Br2

Mindre bostadshus Litet Br3

En förutsättning för att kunna bestämma byggnadsklasser är vetskapen om vilken, eller vilka typer av verksamheter som ska bedrivas inom byggnaden. Indelningen av verksamhetsklasser är enligt avsnitt 5:21 i Boverkets Byggregler (BFS 2011:6) beroende av följande grundläggande faktorer:

- Vilken utsträckning personerna har kännedom om byggnaden och dess utrymningsmöjligheter,

- Om personerna till största delen kan utrymma på egen hand, - Om personerna kan förväntas vara vakna, samt

- Om förhöjd risk för uppkomst av brand förekommer eller där en brand kan få ett mycket snabbt och omfattande förlopp.

Samma byggnad kan delas in i flera verksamhetsklasser (BFS 2011:26).

Det finns total 6 olika verksamhetsklasser. I verksamhetsklass 2,3 och 5 finns en ytterlig indelning av specifik verksamhet utifrån särskilda kravställningar. Dessa är kategoriserade med en bokstav mellan A-D enligt tabell 2.

Tabell 3: Verksamhetsklasser enligt avsnitt 5:21 i Boverkets byggregler (BFS 2011:6)

Verksamhetsklass (Vk)

Exempel av verksamhet

1. Industri, kontor m.m (BFS 2011:6 BBR 29 5:211).

2.

A,B,C

Samlingslokaler m.m.

A) Lokal för högst 150 personer

B) Samlingslokal för fler än 150 personer

C) Samlingslokal som är avsedd för fler än 150 personer och där alkohol serveras i mer än begränsad omfattning (BFS 2011:6 BBR 29 5:212).

3.

A,B

Bostäder

A) Bostadslägenheter, trygghetsboenden

B) Gemensamhetsboende, boenden för ensamkommande flyktingbarn (BFS 2011:6 BBR 29 5:213).

4. Hotell m.m (BFS 2011:6 BBR 29 5:214).

5.

A,B,C,D

Vårdmiljöer m.m.

A) Verksamhet som bedrivs under dagtid för personer som förväntas kunna sätta sig själv i säkerhet

B) Verksamhet som omfattas av behovsprövade särskilda boenden.

Personer som vistas inom utrymmet kan förväntas ha nedsatt förmåga att sätta sig själv i säkerhet.

C) Hälso- sjukvårdsmiljö

D) Lokaler där personer kan förväntas vara inlåsta, fängelser (BFS 2011:6 BBR 29 5:215).

6. Lokaler som löper större brandrisk eller där en brand snabbt kan få allvarliga konsekvenser (BFS 2011:6 BBR 29 5:216).

Byggnader som är dimensionerade för hotellverksamhet är enligt ovanstående klassificerat som verksamhetsklass 4 där byggnadsklassen är beroende på antalet våningsplan samt vilket skyddsbehov som önskas.

2.2 t^{2 –}fires

Vid uppbyggandet av design fires brukar det tidiga brandförloppet (pre-flashover) beskrivas med en så kallad t²-brand. Ekvation 1 beskriver formeln för denna typ av brandförlopp.

𝑄 = 𝛼𝑡² (1) Där,

𝑄 = 𝐵𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑢𝑡𝑣𝑒𝑐𝑘𝑙𝑖𝑛𝑔 (𝑘𝑊) α = Tillväxtkoefficient (kW/𝑠²)

𝑡 = 𝑇𝑖𝑑𝑒𝑛 (𝑠)

Bränder i olika material och miljöer medför olika tillväxthastigheter men brukar oftast hänföras till fyra olika tillväxthastigheter: Slow, Medium, Fast och Ultra-fast, se tabell 4.

Tabell 4 Brandtillväxt för olika scenarion (National Fire Protection Association [NFPA], 1985).

Brandtillväxtkoefficient, α Tillväxthastighet Tid att uppnå 1MW

0,0029 kW/s² Slow 600 s

0,012 kW/s² Medium 300 s

0,047 kW/s² Fast 150 s

0,19 kW/s² Ultra fast 75 s

Vid verifieringen av fläktar i drift ska enligt BBRAD3 (BFS 2013:12) det tidiga brandförloppet motsvara en tillväxthastighet på 0,047 kW/s² vid det studerade scenariot. Detta motsvarar alltså en fast-brand enligt NFPA (1985).

För att få en uppfattning om hur kraftigt olika vardagliga saker kan brinna, har brandeffekten för ett antal olika objekt sammanställts i tabell 5.

Tabell 5: Exempel på olika typiska brandeffekter (NFPA, 1985).

Material Brandeffekt [kW]

Glödlampa 0,06-0,1

Papperskorg 50-100

Trästol med dyna 200-500

Stoppad stol 500-1500

Stoppad soffa 1000-3000

1m² pöl med bensin 2500

3m hög stapel med träpallar 7000

2.3 Brandbelastning

Brandbelastning anger hur mycket energi som kan frigöras om det brinner i ett utrymme. Vid projektering av byggnadstekniskt brandskydd anges oftast brandbelastningen i MJ/m², mängden frigörbar energi per golvarea. I Boverkets allmänna råd om beräkning av brandbelastning (BFS 2013:11) finns en samling av genomsnittliga värden av hur stor brandbelastning olika verksamheter utgör och hur det bör beräknas. Direkt kopplat till brandbelastningen är förbränningsvärme, hur mycket energi ett ämne frigör vid förbränning. I BBRAD (BFS 2013:12) framgår vilken förbränningsvärme brandens bränsle minst ska modelleras med vid analytisk dimensionering, oftast tillämpas värdet 16 eller 20 MJ/kg. För hotell ska förbränningsvärmen 20 MJ/kg tillämpas enligt tabell 5 under avsnitt 3.3.4 gällande brandförlopp i BBRAD (BFS 2013:12).

2.4 Fläktar i drift

Fläktar i drift är en metod som används för att skydda mot spridning av brandgaser mellan brandceller. Detta tillämpas genom att man utnyttjar allmänventilationens aggregat och fläktar (Svensk Ventilation, 2018). Risken för spridning finns via tilluftskanalen där brandgaser kan vandra uppströms och sprida sig till andra brandceller. Skyddsmetoden fungerar genom att fläktarna fortsätter gå eller ökar vid händelse av brand, vilket innebär att övertryck et i tilluftskanalen upprätthålls. För att spridning ska ske måste övertrycket övervinnas detta samtidigt som att frånluften drar ut luft vilket bidrar med tryckavlastning. Utformningen av

ventilationssystemet anpassas för att ge tillfredställande skydd, ofta krävs det en kombination med ytterligare skyddsmetoder vilket nästan alltid utgörs av backströmningsskydd (Hörnqvist, 2014).

Vid tillämpning av fläktar i drift krävs att dess funktion och utformning verifieras med beräkningar. Detta sker med avseende på brandcellernas storlek, potentiellt läckage, flöde samt kanaldimensioner i ventilationssystemet och tryckfall i respektive brandcell. Frånluftssystemet ska vara totalt isolerade för att klara av de höga temperaturer som sker i samband med att varma brandgaserna som sprids (Hielsher & Ivarsson, 1994).

Vid verifieringen av fläktar i drift kan tryckuppbyggnaden i rummet begränsas till 1500 Pa om inget annat kan påvisas och brandgaserna kan antas vara högst 350 C i brandens tidiga stadie enligt BBRAD3 (BFS 2013:12). Dessa värden förväntas dock bli mycket lägre vid nyttjandet av sprinkler. Detta kommer i denna studie påvisas med hjälp av FDS.

2.4.1 Backströmningsskydd

Vid tillämpning av systemet fläktar i drift, kompletteras oftast respektive brandcell med backströmningsskydd, se figur 2. Ett backströmningspjäll fungerar som ett självverkande skydd genom att förhindra brandgasspridning. Då trycket i en brandcell överstiger mottrycket i den anslutande tilluftskanalen stänger spjället automatiskt.

Detta sker utan rökgasdektektering (Hörnqvist, 2014).

Då branden precis startat sker en tryckavlastning av brandgaserna via

frånluftsystemet. I det skede då brandtrycket börjar överstiga det tryck som finns i den anslutande tilluftskanalen mot brandrummet så stängs backströmningsskyddet. Detta sker automatiskt och utan brandgasdetektering. Detta förhindrar brandgaser att spridas vidare till andra brandceller. Detta sker i samband med att ventilationen fortgår enligt normal funktion i resterande delar i byggnaden (Hielsher & Ivarsson, 1994).

Kostnaden för ett backströmningspjäll uppgår, enligt J. Johansson (personlig kommunikation, 16 oktober 2020) till runt 3000 kronor.

2.4.2 Frånluft

I alla rum och bostäder finns en frånluftsfläkt vars funktion är att styra flödet av luft ut. Detta med anledning av att luft som förorenats, samt fukt, ska transporteras bort och inte försämra inomhusklimatet. Det är även på grund av dessa faktorer som frånluftsdon främst placeras i badrum eller dylikt. Rum ska ha en kontinuerlig luftutväxling när de används (BFS 2011:6 BBR 29 6:251).

Kapaciteten på den frånluftsfläkt som nyttjas i studien har utformats med ett flöde på 25 l/s in i rummet vilket motsvarar en tryckverkan på 85 Pa normal drift utifrån det befintliga projektet.

Vid branddrift ökar kapaciteten till 180 Pa.

Figur 2: Backströmningspjäll (Hagab, u,å)

Brandgasspridning via frånluftskanalen kan ske men då måste det skapas ett övertryck inom den kanalen vilket är svårt då frånluftsfläkten samtidigt jobbar med att skapa ett undertryck.

Detta är inte vanligt och ännu mindre när sprinkler är installerat. Detta innebär att det flöde som passerar frånluftskanalerna kommer ledas ut till det fria utan att sprida sig till intilliggande brandceller (Olsson, 1999).

2.4.3 Tilluft

I nya byggnader utformas ventilationssystemet oftast både med från- och tilluftskanaler ett så kallad FT-system. Detta på grund av att man vill kompensera den förorenade luft som sugs ut via frånluften med ny frisk luft. Att ha en konstant och tillräcklig luftväxling i ett rum är en grundläggande förutsättning för hälsan. Tilluftsdon monteras oftast så långt ifrån det frånluftsdon som installerats. Detta med anledning av att man vill att det friska luftflödet kan sprida sig så mycket det bara går innan det når frånluften.

Kapaciteten på tilluftsfläkten som har utformats i studien bygger på förutsättningar från en befintlig byggnad och tidigare projekt. Denna har en kapacitet på 25 l/s vid normaldrift vilket ger upphov till 50 Pa tryckfall över donet. Vid ett högre tryck än 50 Pa avser tilluftdonet funktion att blåsa in frisk luft att upphöra och istället ge upphov till brandgasspridning.

Tilluftskanalen till det rum som studeras är sammanlänkat med övriga tilluftskanaler från respektive hotellrum inom byggnaden. Detta är i enlighet med den ventilationstekniska skyddsmetoden som tillämpas i rapporten. Att samtliga tilluftskanaler inom byggnadens respektive rum är sammankopplade är även en grundläggande förutsättning för rapportens syfte att bestämma hur brandgasspridningen via ventilationssystemet kan

komma att se ut.

2.5 Injusteringsspjäll

I det fall då reglering av trycket i tilluftskanalerna önskas justeras då det är en förutsättning för utformningen av ett tillfredställande ventilationstekniskt brandskydd kan injusteringspjäll installeras, se figur 3. Dessa fungerar på så sätt att man justerar luftflödet genom att vrida på spjällets handtag. Detta innebär att spjället minskar den arean som luftflödet passerar.

Kostnaden för ett injusteringspjäll ligger runt 150–350 kronor (luftbutiken, u,å).

Enligt Boverket byggregler (BFS 2011:6 BBR 29 7:21) ska bostäder

installeras på så sätt att ljud från installationer ska dämpas. Den maximala ljudnivån som får uppnås av kontinuerliga, bredbandiga ljud från exempelvis ventilationstekniska installationer är 35 dB, se nedanstående figur 4.

Figur 3: Injusteringspjäll (ventbutiken, u,å)

Figur 4: Ljudkrav enligt avsnitt 7:21b i BBR 29 (BFS 2011:6).

I figur 5 visas som exempel en typ av injusteringspjäll som är anpassat för en rördiameter på 125 mm, samma storlek som nyttjas i tilluftskanalen in till varje rum i byggnaden som studien bygger på. Diagrammet avser visa en fläktkurva, Detta baseras på det tryckfall som justerats samt vilken ljudnivå som kan komma att uppnås i förhållande till avsett flöde. Det finns flera olika fläktkurvor beroende på vilken rördiameter som tillämpas. För studiens fall där en rördiameter av 125 mm tillämpas har därav en fläktkurva för injusteringspjäll (IRIS-125) används.

Figur 5: Diagram över luftflöde, tryckfall, ljudnivå (Fläktwoods, 2020).

Enligt diagrammet finns alltså en inställning som motsvarar 200 Pa och en som motsvarar 75 Pa tryckfall vid 25 l/s, dessa kommer nyttjas vid PFS-beräkningarna senare i studien. Vid dessa tryckfall uppstår en ljudnivå på 32,5 dB respektive mindre än 25 dB enligt Fläktwoods (2020).

2.6 Sprinkler

Sprinkler består utav ett sprinklerhuvud och en glasbulb som går sönder vid en förbestämd temperatur. Innanför glasbulben finns en särskild massa som vid en specifik temperatur expanderar, spräcker glaset som den omsluts av och aktiverar sprinklern. Denna massa ser färgmässigt olika ut beroende på vilken temperatur man önskar att sprinkler aktiveras på.

Exempelvis expanderar och aktiverar en orangefärgad massa sprinkler vid 57 C°, medan en röd massa aktiverar sprinkler vid 68 °C (Brandskyddsföreningen, u,å).

Sprinkler installeras oftast när det är en förutsättning för brandskyddets utformning. I byggnader som kräver mycket hög säkerhet, exempelvis större sjukhus (Vk5C) är det kravställt enligt Boverket. Automatiska släcksystem i form av boendesprinkler finns även kravställt inom boenden som omfattas av verksamhetsklass 5B (BFS 2011:6 BBR 29).

Enligt sprinklerfrämjandet (2015) har man vid funktionskontroller av sprinkler som demonterats kunnat konstatera att den termiska trögheten överskrider acceptabla värden. Enligt J. Fernberg (personlig kommunikation den 9 september 2020) som jobbar på SF Brandskyddskontroll AB beskriver att sprinkler i hotellmiljö anpassas med tröghetsvärde (RTI) 50 och att sprinkler placeras 75–150 mm från taket. Med tröghetsvärde avses ett specifikt motstånd på sprinklerbulben som krävs innan bulben spricker. Detta innebär konkret att bulben spricker vid en högre temperatur än den temperatur som sprinklerns teoretiskt är avsatt för (den temperatur som ger upphov till att massan innanför bulben expanderar).

Enligt Melin (2017) har automatiska sprinklersystem en tillförlitlighet på över 99% genom en studie som baseras på MSB:s insatsrapporter.

2.6.1 Beräkningar för sprinklers påverkan på brandeffekten

Då sprinkler aktiveras sänks effektutvecklingen i brandrummet. För att bestämma hur brandeffekten minskar, tillämpas Madrzykowskis och Vettoris nedanstående algoritm för sprinklers effektivitet på brandeffekten (Staffansson, et al., 2010).

𝑄(𝑡) = 𝑄(𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔) ∗ 𝑒‒ 0,023 ∗△ 𝑡 (2) Där,

𝑄(𝑡) = 𝐻𝑅𝑅 𝑣𝑖𝑑 𝑒𝑛 𝑣𝑖𝑠𝑠 𝑡𝑖𝑑 [𝑘𝑊]

𝑄(𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔) = 𝐻𝑅𝑅 𝑣𝑖𝑑 𝑠𝑝𝑟𝑖𝑛𝑘𝑙𝑒𝑟𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 [𝑘𝑊]

△ 𝑡 = 𝑇𝑖𝑑 𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑝𝑟𝑖𝑛𝑘𝑙𝑒𝑟𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔

Ekvationen bygger på försök gjorda 1992 i samarbete med NIST. Inför försöken konstruerades 8 olika bränsleuppsättningar som brändes med en sprinkler närvarande. Brandeffekten mättes från och med sprinkler hade aktiverats, utifrån dessa mätvärden konstruerades ekvationen. Vid försöken var en typisk brandeffekten när sprinkler aktiverades ungefär 500 kW. Tändkällan var en brännare med effekten 50 kW som skulle motsvara en brand som startar i en papperskorg (Madrzykowski & Vettori, 1992).

Vid ett av försöken brändes en soffa, när sprinklern aktiverades uppmättes brandeffekten till 280 kW. I rapporten beskriver författarna det som ”within a matter of seconds” hade de synliga flammorna på soffans ovansida släckts samt att brandeffekten understeg 50 kW, vilket var det lägsta mätbara värdet (Madrzykowski & Vettori, 1992).

Exemplet i ovanstående stycket tas upp därför det påminner om studiens försök i FDS (mer om detta under avsnitt 3.2.1 FDS modellering). Det tyder på att ekvationen 2 är ganska grovt på den konservativa sidan, det ger en långsammare sänkning av brandeffekten än i verkligheten med de förutsättningar försöket har.

2.7 Läckage

Alla rum har ett specifikt naturligt luftläckage. Detta innebär att väggar och övriga ytor som omfattar rummets geometri, har en viss benägenhet att släppa igenom luft. Hur stor yta inom ett rum som omfattas av läckage är en viktig och avgörande del för att uppnå ett korrekt och realistiskt resultat vid tryck- och brandberäkningar.

Enligt tabell 9.2a i Boverkets Byggregler (BFS 2011:6) anses det genomsnittliga luftläckaget vid 50 Pa tryckskillnad i utrymmen mindre än 50 m² vara 0,6 l/sm².

För att omsätta luftläckagets hastighet till en tillämpbar area, som ska komma att användas i FDS beräkningarna, tillämpas nedanstående ekvation enligt Gordonova et. al. (1997).

𝑞 = 𝐶𝐴 ^{2 △ 𝑝}_𝑝 (3) Där,

𝑞 = 𝐹𝑙ö𝑑𝑒 (𝑚³/𝑠) 𝐶 = 0,68 (𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡) 𝐴 = Ö𝑝𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑎𝑟𝑒𝑎𝑛

△ 𝑝 = 𝑇𝑟𝑦𝑐𝑘𝑠𝑘𝑖𝑙𝑙𝑛𝑎𝑑 (𝑃𝑎) 𝑝 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡 𝑓ö𝑟 𝑙𝑢𝑓𝑡 (1,2𝑘𝑔/𝑚³)

2.8 FDS och CFD modellering

Olika CFD-program (Computational Fluid Dynamics) är idag en stor del inom flera ingenjörspräglade företag. Programmen bygger på flödesberäkningar och utför simuleringar kring ett bestämt objekt. Modellen vilar främst på Navier-Stokes samt Euler ekvationer, vilket uttrycker hur flöden och vätskor beter sig vid olika scenarios (SIMSCALE, 2019). En grundläggande förutsättning för att man ska kunna utföra beräkningarna är att volymen som ska beräknas är uppdelad i s.k. gridceller. Ju mindre celler som tillämpas, ju noggrannare blir resultatet men samtidigt längre datorberäkningar (Blazek, 2015).

En av vanligaste CFD modellerna som används idag inom branddynamikberäkningar och som även tillämpas för denna rapport är FDS. Detta sker genom att programmera funktioner i en indatafil, konstrueras som en textfil som sedan placeras i datorns kommandoruta. Den första versionen av FDS skapades i februari 2000 av amerikanska National Institute of Standards and Technology (2019). Användningen av programmet och dess flexibla tillämpning har under många år varit till stor hjälp vid beräkning av brandgasfyllnad och dess utveckling.

2.8.1 Pyrosim

Datorprogrammet Pyrosim är en visualisering av FDS och har tillämpats vid modelleringen av rummet för att säkerställa att allt är korrekt utformat utifrån de förutsättningar som ligger i grund för studien. Då modellen som skapats i Pyrosim färdigställts, exporteras denna till en indatafil till FDS för att kunna genomföra beräkningar och erhålla resultat.

2.8.2 Brandscenario

Vid bestämmandet om hur mycket mätdata som ska analyseras beräknas hur många gridceller som ska skapas. Exempelvis ger mindre gridceller ett mer exakt resultat men tar längre tid att beräkna (Föreningen för brandteknisk ingenjörsvetenskap [BIV], 2013). Ekvationen som tillämpas vid bestämmande av gridceller är följande:

𝐷^∗ =

(

)

𝑞 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑢𝑡𝑣𝑒𝑐𝑘𝑙𝑖𝑛𝑔 [𝑊]

𝐷^∗ = 𝐵𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑟𝑎𝑘𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑠𝑘𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟 [𝑚]

𝜌_∞= 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡 𝑝å 𝑜𝑚𝑔𝑖𝑣𝑎𝑛𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑓𝑡 [𝑘𝑔/𝑚³] 𝑐_𝑝= 𝑉ä𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 𝑓ö𝑟 𝑙𝑢𝑓𝑡 [𝐽/𝑘𝑔𝐾]

𝑇_∞= 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 𝑝å 𝑜𝑚𝑔𝑖𝑣𝑎𝑛𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑓𝑡 [𝐾]

𝑔 = 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 [𝑚/𝑠²]

Då brandens karakteristiska diameter (D^∗) bestämts, avser nedanstående uttryck en gridcellsanalys , där ^𝐷_δx^∗ δx = Den största sidan på kontrollvolymerna runt brandkällan [m].

Den kvot som erhålls bör ligga mellan värdet 10 och 20 för att variationen på gridceller ska vara korrekt (FDS User’s Guide, 2019). För fullständiga beräkningar, se bilaga 2.

Vid moduleringen av en brand i FDS nyttjas oftast kommandot HRRPUA och FIRE_SPREAD.

Fire Spread kommandot innebär att branden kommer börja i en gridcell och växa sig till en angiven area. Detta imiterar en riktig brand bättre och ger mer fördelaktiga förutsättningar för programmet att beräkna brandförloppets tidiga stadie mot om brandens area är konstant, enligt J. Johansson (Personlig kommunikation den 8 september 2020).

Bestämmandet av Fire Spread sker enligt nedanstående ekvation (BIV, 2013):

(5) 𝑆 = _𝜋𝑞^α''

Där,

𝑆 = 𝑆𝑝𝑟𝑖𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡𝑒𝑛 [𝑚/𝑠]

α = Tillväxtkoefficienten [kW/𝑠²]

En alfa-t² kurva som är karakteriserad med Fire Spread kan visuellt tolkas utifrån tydliga stegvisa ökningar av dess effektutveckling, se röda pilar i nedanstående figur 6. Den stegvisa ökningen av brandens effektutveckling beror på att fler och fler gridceller aktiveras efter tid.

Figur 6: Brandkurva karakteriserad av Fire Spread (Föreningen för brandteknisk ingenjörsvetenskap [BIV], 2013)

HRRPUA står för heat release rate per unit area [𝑞´´] vilket motsvarar brandens maxeffekt per kvadratmeter (NIST, 2019). Detta beräknas genom följande ekvation:

𝑞´´ = 𝑞/𝐴_𝑓[kW/𝑚²] (6) Där,

𝐴_𝑓 = 𝐴𝑟𝑒𝑎𝑛 𝑏𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑘𝑎𝑟 𝑝å

[

]

2.8.3 Känslighetsanalys

En känslighetsanalys tillämpas i de fall då det finns särskilda parametrar som kan komma att påverka resultatet. De parametrar som bedömts vara av stor vikt för rapportens resultat har sammanställt enligt följande:

- Brandposition

- Placering av sprinklerbulb - Placering av tryckmätare

- Placering samt utformning av läckage

Med anledning av att samtliga parametrar är direkt avgörande för den mängd brandgasspridning som rapporten avser att redovisa, har stor försiktighet tagits till dessa genom att tillämpa konstruktiva värden för samtliga parametrar. Detta för att resultatet ska kunna anses realistiskt och praktiskt tillämpbart.

2.9 PFS

Vid utformningen av ventilationstekniska lösningar nyttjas ofta programmet Program flow

sedan ska kunna utföras dels i brandfallet och vid normal drift. Oftast nyttjas programmet vid utformningen och verifieringen av skyddsmetoden fläktar i drift (Prevecon, u.å).

För denna studie kommer PFS nyttjas till att se hur mycket brandgaser som sprider sig via ventilation utifrån resultaten i FDS-försöken. Den data PFS behöver för att beräkna flödet är brandtrycket och temperaturen på brandgaserna.

3 Metod

Här beskrivs de metoder som använts för att besvara frågeställningarna för arbetet.

3.1 Litteraturstudie

Examensarbete är delvis utförd med hjälp av litteraturstudier. Insamlingen av litteratur har skett vid ett inledande skede av arbetet. Detta med anledning av att frågeställningarna ska kunna besvaras på ett realistiskt vis samt att arbetets struktur ska vara av vetenskaplig grund.

Studien bygger till stor del på de riktlinjer Boverket har givit ut. Detta för att förutsättningarna för arbetet ska vara relevanta samt att studiens slutsatser ska kunna vara tillämpbara i verkligheten. Information och kunskap kring brandtekniska installationer utformning och funktion har erhållits från olika företag med brandexpertis. Grundläggande kunskap kring FDS har erhållits delvis från National Institute of Standard and Technology (NIST) samt från handledare. Kunskap kring PFS har främst mottagits från handledare.

3.2 Modellering och beräkningar

För att kunna besvara frågeställningarna tillämpades programmet FDS och PFS. Detta visas schematiskt i figur 7, som består av 4 olika delar.

Kravställningar enligt BBR samt ytterligare förutsättningar redogörs under kapitlet teori.

Utöver det bygger studien på ett befintligt projekt erhållet av Säkerhetspartner Norden AB.

Dessa förutsättningar tas vidare i hänsyn när applicering mot FDS sker. I datasimuleringen av FDS beräknas denna data utifrån två olika scenarion, Fast-brand och Slow- brand. Den mätdata som är av den främsta relevansen är brandtrycket samt brandgastemperaturen som vidare tillämpas i PFS för flödesberäkningar. PFS beräkningarna grundar sig främst på tre scenarion, tillämpning utan någon form av brandteknisk installation, med injusteringsspjäll samt med en ökad kapacitet för tilluften. Detta innebär att vi slutligen erhåller ett resultat, i form av en total brandgasspridning för samtliga, tre tidigare ventilationstekniska lösningar.

Figur 7: Flödesschema över metod

Till- och frånluftens utformning i FDS-simuleringarna togs fram med hjälp av PFS genom tidigare erhållna värden på brandgastemperaturen vid olika tryck från en tidigare FDS- körning.

3.2.1 FDS- modellering

För att arbetet resultat ska vara av högsta relevans har ett typiskt hotellrum studerats.

Dimensionerna och utformningen av rummet är hämtat från ett verkligt exempel som erhållits via konsultföretaget Säkerhetspartner Norden AB, se figur 8. Målet med moduleringen är att erhålla så pass korrekta och realistiska värden på framförallt brandtrycket och

Figur 8: Rum i hotellmiljö

3.2.1.1 Rummets dimensioner och material

Rummet dimensioner uppmättes genom datorverktyg till 4,8x6.0x2,4 meter. I rummets ena hörn har även ett utrymme för toalett upprättats på 2,4x1,8 meter, med en öppning som är 0,9meter bredd och 2 meter hög som ska likställas med en helt öppen dörr. Gridcellsstorleken som tillämpats för att konstruera rummet bestämdes till 4 cm. Storleken är den minsta möjliga som har kunnat tillämpats för att ge det mest exakta resultatet.

Material på väggar, golv och tak består av två 13 mm gipsväggar med densiteten 930 kg/m³, specifika värmekapaciteten 1,09 kJ/kgK och konduktiviteten 0,17 w/mK. Dessa värden är tagna utifrån Pyrosims bibliotek med olika material.

Utifrån ovannämnda förutsättningar konstruerades rummet i Pyrosim, se figur 9.

Figur 9: Pyrosim modell över rummet

3.2.1.2 Brandens utformning

Enligt avsnitt 4.2.2.1 i BBRAD 3 (BFS 2013:12) som beskriver hur brandförloppet bör se ut vid analytisk dimensionering av ventilationstekniskt brandskydd bör det tidiga brandförloppets tillväxthastighet motsvara 0,047 kW/s², alltså en Fast-brand. För att få ett mer utförligt och brett resultat har två tillväxthastigheter försökt att efterliknas vid FDS försöken, Slow och Fast. Detta motsvarar en tillväxtkoefficient på 0,0029 kW/s² och 0,047 kW/s².

När branden modulerades nyttjades kommandot FIRE_SPREAD, varav brandens area ökar stegvis. Denna beräknas med hjälp av tillväxtkoefficienten och HRRPUA (maxeffekten per kvadratmeter). För att få en rimlig brand som imiterar respektive t²-fire sattes värdena på branden enligt tabell 6:

Tabell 6: Sammanställning av grundläggande parametrar för brandens utformning

Simulering Brand Brandtillväxtkoefficient, α HRRPUA SPREAD_RATE Maximal

brandarea Maximal brandeffekt Försök 1 Fast 0.047 kW/s² 1000 kW/ m² 0.003867 m/s 0.49 m² 490 kW Försök 2 Slow 0.0029 kW/s² 1000 kW/ m² 0.0009608 m/s 0.49 m² 490 kW

Se bilaga 3 för beräkning av maximal brandeffekt och bilaga 4 för beräkning av SPREAD_RATE. Det är SPREAD_RATE värdet som avgör hur snabbt brandförloppet blir.

Eftersom branden aldrig kommer nå sin maximala effekt på 490 kW på grund ut av att sprinklern begränsar branden sattes detta värde ganska lågt för att ge FDS bättre förutsättningar att beräkna branden.

För att få ett trovärdiga slutsatser har brandens placering bestämts utifrån ett rimligt och troligtvis värsta tänkbara scenario. Branden startar nere i högra hörnet, se figur 9, där sängen troligtvis hade stått i ett typiskt hotellrum. Sängar består av mycket brännbart material och kan ge upphov till ett snabbt brandförlopp samt att det är ett relativt vanligt startföremål. Därav valdes det till startföremål. Eftersom badrum i hotell generellt har låg brandbelastning och väldigt bra ytskikt förväntas inte branden starta där vilket annars hade kunnat vara ett tänkbart värsta scenario.

Bränslet som brinner i FDS-simuleringen har utformats efter BIV:s tillämpningsdokument om CFD beräkningar med FDS (2013) där bränslet har den kemiska sammansättningen 4,56 kolatomer, 6,56 väteatomer, 2,34 syreatomer och 0,4 kväveatomer. Denna kemiska komposition ska motsvara förbränningsvärmen 19,8 MJ/kg vilket är ungefär 20 MJ/kg som angivit i avsnitt 3.3.4 i BBRAD för tillämpbara brandscenarion i hotell vid analytisk dimensionering (BFS, 2013:12). Soot-yielden och CO-yielden sattes båda till 0,1g/g enligt BRRAD3 avsnitt 3.3.4 (BFS 2013:2). Soot- och CO-yielden avgör vilken mängd sot och koldioxid som produceras per gram förbränt bränsle.

3.2.1.3 Sprinkler

Sprinklern antogs sitta i mitten av rummet för bästa täckningsgrad. Två stycken olika fall studerades, en med aktiveringstemperaturen 57 C° (orange bulb) och en med 68 C° (röd bulb).

I försöken simulerades aktiveringen med hjälp av ett termoelement, med tröghetsvärdet 50 RTI som placerad i mitten av rummet, en decimeter ner från taket. När termoelementet uppmätte respektive aktiveringstemperatur förväntades sprinkler aktivera.

Vid aktivering fodras temperaturerna på brandgaserna begränsas till rådande förhållanden.

Brandens effekt förväntas avta enligt Madrzykowskis och Vettoris ekvation (ekvation 2).

Brandtrycket antogs minska till det värdet som det hade vid en viss brandeffekt under uppbyggnaden av branden vid beräkning av brandspridningen efter sprinkleraktivering.

Brandtrycket antogs alltså vara proportionerligt och direkt kopplat till brandeffekten.

Detta medför att de eventuella brandgaser som fortfarande finns i rummet och bidrar till brandgasspridningen även kommer att beaktas. Detta tills dess att tryckskillnaden mot tilluftskanalen återgår till att flödet åter riktas mot brandrummet.

3.2.1.4 Läckage och ventilation

Det läckage som tillämpas för modellen består av en öppning på 105 cm², beräknad enligt ekvation 3, se bilaga 1. Läckagearean är placerad vid golvnivå, i motsatt hörn gentemot brandens placering för att motverka att trycket inte påverkas genom att eventuella heta brandgaser passerar ut.

Läckagets exakta placering kan ses enligt figur 10.

En fläkt har placerats ut i taket som motsvarar både till- och frånluften inom rummet, se figur 10 för placering. Vid normalläget trycks 25 l/s in och 25 l/s sugs

Figur 10: Placering av läckageyta samt frånluftsdon

ut därav (eftersom det är främst trycket som är intressant) börjar fläkten på noll. När trycket stiger inne rummet till följd av branden ökar frånluften och tilluften avtar. Vid händelse av brand ökar även frånluftsfläktens kapacitet för att ge tryckavlastning vilket utgör en del av utformningen i fläktar i driftlösning. Därför har fläkten anpassats efter tryckhöjningen i rummet utifrån värden givna i PFS-körningar där detta beaktas, för mer detaljer se avsnitt 4.1.1bestämning av fläkt till FDS. Följande fläkt utformades, se figur 11.

Figur 11: Fläkt som nyttjas i FDS och motsvarar till- och frånluft.

Eftersom programmet var anpassat till en tryckminskning, anges tryckförändringen negativt.

Tryckförändringen anges i Pa och flödet anges i m³/s (varav exempelvis 0,035 m³/s motsvarar 35 l/s). För att eliminera vissa osäkerheter valdes något lägre värden på frånluftflöden, lägre flöde ut ur rummet kommer att innebära ett högre brandtryck.

3.2.1.5 Mätpunkter

För att få ut mätdata från FDS-försöken måste detta specificeras i indatafilen. Det finns en hel uppsjö av data som kan fås ut vid en simulering men för denna studie är det främst trycket som är intressant och mer specifikt trycket vid tilluftsdonet samt temperaturen på brandgaserna som är intressant. Dessa parametrar behövs vid PFS-beräkningarna. En tryck- och temperaturmätare har satts där tilluftsdonet i rummet antas sitta, se figur 12. Den temperatur som uppmätts vid tilluftsdonet är den temperatur som brandgaserna som sprider sig via ventilationssystemet förväntas ha.

Figur 12: Placering av tryckmätare

För att säkerställa att branden beter sig rätt har även ett antal kontrollmätpunkter i form av brandgashöjden position, syremätare samt flertalet temperaturmätare placerats ut.

För de fullständiga indatafilerna till FDS se bilaga 6 Fast-scenariot och bilaga 7 Slow-scenariot.

3.2.2 PFS

För att kunna bestämma flödet inom ventilationen nyttjades programmet PFS. Med hjälp av befintliga PFS-modelleringar utav ventilationssystemet i byggnaden studien utgår från matades resultatet från FDS-försöken in. Först nyttjades en PFS-fil där endast ventilationen i en brandcell studeras eftersom den var lättare att anpassa, där antogs all brandgasspridning nå ett rum.

Figur 13: Översikt PFS, en brandcell.

Figur 13 visar hur ett rum i PFS kan se ut, det rör som är definierat som T25 är tilluften, F25 är frånluften och röret neråt representerar läckaget. Numret 17 specificerar vilket rum det är, i detta fall är branden kopplat till det numret.

I nästa steg användes den större moduleringen där ventilationssystemet för samtliga brandceller beaktas, se figur 14. Det rum som studeras är rum nummer 7 som ligger näst längst bort i korridoren och således även i ventilationssystemet. Det utgör det värsta rummet ur ett brandgasspridningsperspektiv.

Figur 14: Översikt PFS, fler brandceller.

Figur 14 visar flera rum i PFS, de rör som är definierat som T25 är tilluften, F25 är frånluften och röret neråt representerar läckaget.

Den största skillnaden mellan de olika spridningsförutsättningarna är att brandgasflödet minskar i det fall då det har möjlighet att spridas till fler än en och samma brandcell. Detta innebär ett fördelaktigt resultat med hänsyn till kravet på att spridningen till mottagande brandcell inte får överstiga 1% av dess volym.

Tidigt under studien upptäcktes det att utan ytterligare ventilationstekniska hjälpmedel kommer spridningen att bli för stor, därför har två lösningar undersökts. Den första lösningen är att med hjälp av injusteringsspjäll minska spridningen via tilluftskanalen och den andra lösningen är att tilluftsfläktens kapacitet ökar markant vid händelse av brand för att uppnå samma ändamål.

Lösningarna har tillämpats med hjälp av PFS.

3.2.2.1 Injusteringsspjäll

Flödet i tilluftskanalen kan begränsas med hjälp av ett injusteringspjäll. Detta testades att simuleras med två olika inställningar, en med 75 Pa tryckavlastning vid 25 l/s och en med 200 Pa tryckavlastning vid 25 l/s. Tillsammans med det 50 Pa tryckfall vid tilluftsdonet blir det totala tryckavlastningen 125 respektive 250 Pa för tilluften vilket innebär att brandtrycket måste övervinna ett högre motstånd innan flödet vänder samt att spridningen därefter även blir lägre.

3.2.2.2 Ökad kapacitet på tilluftsfläkt

Genom att öka kapacitet på tilluftsfläkten markant vid händelse av brand kommer det krävas ett högre brandtryck för att brandgaser ska kunna sprida sig via tilluftskanalen. När tilluftsfläkten verkan ökar kommer flödet in rummen den förser öka och således även trycket vid tilluftsdonet. Detta innebär att brandtrycket måste bli högre innan flödet i tilluften vänder vilket medför att spridningen kommer bli lägre.

4 Resultat

Nedan presenteras det resultat som erhållits av samtliga simuleringar och beräkningars som tagits fram för att svara på rapportens frågeställningar.

4.1 Datorberäkningar

Samtliga beräkningar som skett har utförts utifrån två olika scenarion med olika förutsättningar.

Dessa förutsättningar består endast av olika tillväxthastigheter på branden, Fast eller Slow. Det som är relevant för resultatet är att mäta vilket tryck, temperatur som uppstår i rummet samt vilken spridning som det medför vid de olika sprinkleraktiveringstemperaturerna. Utifrån dessa två olika scenarion tillhandahålls alltså mätvärden från fyra olika utfall, vid Fast tillväxthastighet, respektive Slow tillväxthastighet vid sprinkleraktivering 57^oC samt 68^oC.

4.1.1 Bestämning av fläkt till FDS

Fläkten i FDS som motsvarar både till- och frånluft i det brandutsatta rummet är utformat efter tryckskillnader i rummet. Kapaciteten på fläkten grundar sig på värden utifrån följande sex PFS-körningar, se tabell 7. Tryckskillnaden baseras på värden mellan 50 Pa och 400 Pa, brandgastemperaturerna mellan 45 ^oC och 125 ^oC utifrån det resultat som erhållits enligt tabell 8.

Tabell 7: Beräkningsförutsättningar för fläkt till FDS, uppmätt i PFS.

Körning 1 2 3 4 5 6

Brandtryck [Pa] 50 100 150 200 300 400

Brandgastemperatur [^oC] 45 60 70 90 105 125

Frånluftsflöde [l/s] 59 65 70 76 86 96

Genom att subtrahera tilluftsflödet på 25 l/s från frånluftsflödet och utgå från motsvarande tryck bestämdes följande fläkt som anpassar sig efter trycket i rummet, se figur 10. Eftersom från- och tilluften har samma kapacitet till en början är första värdet 0 m³/s.

Hänsyn till att tilluften minskar under brandförloppen togs alltså inte, vilket är på den konservativa sidan med beaktning på tryckuppbyggnaden i rummet.

Figur 10: Fläkt som nyttjas i FDS och motsvarar både till- och frånluft

Eftersom programmet var anpassat till en tryckminskning, anges tryckförändringen negativt.

Tryckförändringen anges i Pa och flödet anges i m³/s (varav exempelvis 0,035 m³/s motsvarar 35 l/s). För att eliminera vissa osäkerheter valdes något lägre värden på frånluftflöden, lägre

4.2 Scenario 1: Brand med Fast-tillväxthastighet

I den första datorberäkningen tillämpades en Fast tillväxthastighet på 0,047kW/s². Detta medförde att värdet på Spread Rate beräknades, enligt ekvation 5 till 0,003867 m/s. För att undersöka om de erhållna värden kunde tolkas trovärdiga plottades dessa i en graf mot en teoretisk t²-kurva, se nedanstående figur 16.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 50 100 150 200 250 300

Teoretisk t2-kurva Uppmätt i FDS

Jämförelse HRR-kurva

Tid [s]

Effekt [kW]

Figur 15: Jämförelse t2 kurva samt HRR kurva med Fast tillväxthastighet

Den beräknade HRR- kurvan (uppmätt i FDS) följer den teoretiska kurvan väl. Det är även tydligt att den uppmätta kurvan uppvisar gradvisa effekthöjningar, vilket karakteriserar de egenskaper som en Fire Spread kurva besitter. Kurvan anses av denna anledning vara korrekt utformad.

I nedanstående figur 17 och 18 visas hur temperaturfördelning ser ut i brandrummet vid de olika aktiveringarna av sprinkler. I beräkningarna placerades en separat temperaturmätare (utan termisk tröghet) i samma punkt där samtliga sprinklers placerades. Detta för att mäta den faktiska temperatur som krävdes för att aktivera de båda sprinklerna och visa på vilken effekt sprinklerbulbens termiska tröghet utgör. För de båda aktiveringstemperaturerna på sprinklerbulberna 57^oC och 68^oC kunde en omgivande temperatur i taket, oberoende av tröghet uppmätas på 118^oC, respektive 146^oC.

Sprinkelaktivering för 57^oC och 68^oC skedde efter 76 sekunder, respektive 82 sekunder.

Figur 16: Temperaturfördelning i brandrummet vid sprinkleraktivering 57^oC

Figur 17: Temperaturfördelning i brandrummet vid sprinkleraktivering 68^oC

Genom att studera temperaturfördelningen i rummet, för de olika fallen, kan det konstateras att en avsevärt högre temperatur kan avläsas i stora delar av rummet än den som det krävs för att aktivera respektive sprinkler.

Sprinklers placering

Rökutvecklingen i de båda fallen illustreras enligt nedanstående figur 19 och 20. Mängden brandgaser i den båda fallen kan visuellt anses vara stor men rimlig då Soot-yield parametern är satt till det relativt höga värdet 0.1 g/g.

Figur 18: Brandgasspridning i brandrummet vid sprinkleraktivering 57^oC

Figur 19: Brandgasspridning i brandrummet vid sprinkleraktivering 68^oC