Smoke extraction system

SMOKE EXTRACTION SYSTEM

Quá trình thiết kế dự án được chia ra làm nhiều giai đoạn, ngay trong giai đoạn basic design thì chúng ta cần nộp 1 bộ bản vẽ xin phép về phòng cháy chữa cháy. Bộ bản vẽ này bao gồm các bản vẽ của 3 bộ môn:

• Hệ Electrical: Sẽ có các bản vẽ liên quan tới phòng cháy như: hệ báo cháy, chiếu sáng khẩn cấp.
• Hệ Firefighting: Có các bản vẽ liên quan tới chữa cháy: đầu phun (sprinkler), các trụ và cuộn vòi cứu hỏa (hose reel/ hydrant).
• Hệ ACMV: Sẽ có các bản vẽ liên quan tới việc khắc phục hậu quả nếu hỏa hoạn xảy ra: hút khói (smoke extraction) và điều áp (pressurization).

Trong các vụ hỏa hoạn, phần đa nguyên nhân gây tử vong cho các nạn nhân là do ngạt thở. Hệ thống smoke extraction giúp loại bỏ bớt khói bụi và một phần nhiệt lượng ra bên ngoài. Qua đó giúp cho các nhân viên cứu nạn làm việc dễ hơn, cũng như giúp cho các nạn nhân trong nhà có thêm thời gian để tìm cách thoát hiểm / cầm cự chờ lực lượng cứu nạn tới giải cứu.

XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ CHÍNH:

Design Fire Size:

Đây là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến toàn bộ thiết kế hệ thống kiểm soát khói. Kích thước lửa được xác định dựa trên phân tích nhiên liệu, loại hình cháy (ổn định hay không ổn định), và tác động của hệ thống chữa cháy tự động.

Đối với đám cháy ổn định, lửa sẽ phát triển đến một kích thước nhất định và sau đó duy trì ở mức đó, trừ khi bị tác động bởi hệ thống chữa cháy hoặc các yếu tố khác. Trong trường hợp có hệ thống chữa cháy tự động (sprinkler), kích thước lửa thường được xác định tại thời điểm kích hoạt hệ thống chữa cháy.

Sprinkler Effect:

Hệ thống chữa cháy tự động có thể giảm kích thước đám cháy và do đó giảm lượng khói sinh ra. Khi thiết kế hệ thống kiểm soát khói, cần phải xem xét khi nào sprinkler kích hoạt và mức độ ảnh hưởng của nó đến quá trình phát triển đám cháy và lượng khói.

Separation Distance:

Khoảng cách giữa các nguồn nhiên liệu hoặc giữa nguồn lửa và các đối tượng cần bảo vệ cũng cần được tính toán để xác định kích thước lửa có thể lan rộng. Công thức tính toán khoảng cách tách rời giúp giảm thiểu rủi ro lan rộng của đám cháy.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SMOKE CONTROL:

Smoke Exhaust System:

Lưu lượng hút khói: Hệ thống hút khói cần được thiết kế để loại bỏ khói một cách hiệu quả. Tính toán lưu lượng hút khói dựa trên lượng khói sinh ra từ đám cháy và mục tiêu là duy trì một độ cao lớp khói an toàn. Công thức tính toán lưu lượng hút khói có thể dựa vào tốc độ sinh khói và các thông số khác như diện tích bề mặt đám cháy, nhiệt độ khói, và áp suất.

Hệ thống hút khói tầng hầm và mái nhà: Đối với các tòa nhà cao tầng hoặc có không gian lớn như trung tâm thương mại, việc hút khói có thể yêu cầu bố trí các quạt hút khói ở tầng hầm và mái nhà, đảm bảo khói không lan xuống các khu vực có người hoặc ảnh hưởng đến quá trình sơ tán.

Makeup Air System:

Để hệ thống hút khói hoạt động hiệu quả, không khí bù cần được cung cấp từ bên ngoài vào với lưu lượng phù hợp. Không khí bù cần được đưa vào ở tốc độ thấp (khoảng 1 m/s) để tránh làm xáo trộn cột khói và ảnh hưởng đến quá trình thoát khói. Cần đảm bảo rằng không khí bù không làm khói lan ngược vào các khu vực đã hút khói.

Pressurization System:

Hệ thống này tạo sự chênh lệch áp suất giữa các khu vực có khói và không có khói, ngăn chặn khói di chuyển vào các khu vực an toàn như hành lang, cầu thang thoát hiểm. Áp suất phải đủ lớn để ngăn khói lan sang các khu vực khác nhưng cũng phải đảm bảo không gây cản trở việc mở cửa thoát hiểm.

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN CHÁY:

Trong thiết kế hệ thống hút khói, việc tính toán và mô phỏng các kịch bản cháy là một bước rất quan trọng. Mục tiêu của bước này là đảm bảo rằng hệ thống sẽ hoạt động hiệu quả trong các tình huống thực tế và giữ cho môi trường trong tòa nhà ở trạng thái an toàn trong thời gian sơ tán. Các bước chi tiết trong quá trình này bao gồm:

A. Xác định độ cao của lớp khói

1. Mô hình hóa lớp khói:

Khi xảy ra cháy, khói thường bốc lên theo dạng một cột khói, sau đó lan ra và tích tụ dưới trần nhà. Cột khói này sau khi chạm trần sẽ hình thành một lớp khói nóng, gọi là lớp khói trên (upper smoke layer). Dưới lớp khói này là không gian còn lại của tòa nhà, được gọi là vùng không khói (clear layer).

Mô hình hai vùng (two-zone model) thường được sử dụng để mô phỏng sự phân chia giữa lớp khói trên và vùng không khói dưới. Trong mô hình này, giả định rằng các thuộc tính của khói như nhiệt độ và nồng độ khí độc đều đồng nhất trong từng vùng. Sự di chuyển của lớp khói phụ thuộc vào tốc độ sinh khói từ đám cháy và khả năng hút khói của hệ thống.

2. Phương trình tính toán độ cao lớp khói:

Đối với đám cháy ổn định (Steady Fires): Độ cao của lớp khói có thể được tính toán bằng các phương trình liên quan đến tốc độ giải phóng nhiệt (\(Q\)) của đám cháy và kích thước không gian. Ví dụ, phương trình sau có thể được dùng để tính toán vị trí ban đầu của lớp khói:

\[ \frac{z}{H} = 0.67 - 0.28 \times \ln\left(\frac{t Q^{1/3}}{H^{4/3}/A}\right) \]

Trong đó:

• \(z\) là độ cao của lớp khói.
• \(H\) là chiều cao từ sàn đến trần.
• \(t\) là thời gian từ khi đám cháy bắt đầu.
• \(A\) là diện tích không gian.

Đối với đám cháy không ổn định (Unsteady Fires): Mô hình lửa t-squared có thể được sử dụng để mô phỏng sự gia tăng kích thước đám cháy theo thời gian. Độ cao của lớp khói trong trường hợp này có thể được tính toán bằng phương trình:

\[ \frac{z}{H} = 0.23 \left(\frac{t}{t_g^{2/5} H^{4/5} \left(\frac{A}{H^2}\right)^{3/5}}\right)^{-1.45} \]

Trong đó:

\(t_g\) là thời gian tăng trưởng của đám cháy.

3. Yếu tố cản trở:

Stratification (Phân tầng khói): Trong một số trường hợp, sự phân tầng nhiệt độ trong không gian (do chênh lệch nhiệt độ giữa trần và sàn) có thể ngăn khói bốc lên đến trần. Khi đó, cần xác định được độ cao tối đa mà khói có thể đạt được và điều chỉnh hệ thống hút khói để đảm bảo hiệu quả.

B. Mô phỏng kịch bản cháy với hệ thống hút khói hoạt động

1. Đạt trạng thái cân bằng:

Trạng thái cân bằng của lớp khói: Khi hệ thống hút khói hoạt động, mục tiêu là đạt được một trạng thái cân bằng trong đó tốc độ hút khói ra khỏi không gian bằng với tốc độ khói sinh ra từ đám cháy. Điều này giúp khói không tiếp tục tích tụ và duy trì ở một độ cao nhất định.

Lưu lượng khói và vị trí lớp khói: Lưu lượng khói cần được tính toán dựa trên tốc độ sinh khói từ đám cháy và diện tích không gian. Các phương trình tính toán tốc độ sinh khói và vị trí lớp khói sẽ đảm bảo rằng lớp khói sẽ dừng lại ở một độ cao an toàn, cho phép sơ tán an toàn.

2. Tính toán lưu lượng khói sinh ra:

Tốc độ sinh khói (Smoke Production Rate): Tốc độ sinh khói phụ thuộc vào đặc điểm của đám cháy và vị trí của đám cháy trong không gian. Các mô hình toán học tính toán tốc độ sinh khói dựa trên các yếu tố như tỷ lệ giải phóng nhiệt và chiều cao cột khói.

Ví dụ: Tốc độ sinh khói có thể được ước tính bằng phương trình:

\[ m = 0.022 Q_c^{1/3} z^{5/3} + 0.0042 Q_c \]

Trong đó:

\(m\) là tốc độ sinh khói.

\(Q_c\) là tỷ lệ giải phóng nhiệt.

\(z\) là chiều cao từ nguồn lửa đến điểm tính toán.

BỐ TRÍ HỆ THỐNG:

Các khu vực cần được bố trí hút khói trong tòa nhà:

Từ hành lang và sảnh của nhà ở, nhà công cộng, nhà hành chính – sinh hoạt và nhà hỗn hợp có chiều cao lớn hơn 28 m.

Từ các hành lang của tầng hầm, tầng nửa hầm không có thông gió tự nhiên của các nhà ở, nhà công cộng, nhà hành chính – sinh hoạt, nhà sản xuất và nhà hỗn hợp, mà hành lang này dẫn vào các khu vực thường xuyên có người.

Từ các hành lang có chiều dài lớn hơn 15 m, không có thông gió tự nhiên của các nhà sản xuất, nhà kho hạng A, B và C từ 2 tầng trở lên, cũng như của các công trình công cộng và nhà hỗn hợp từ 6 tầng trở lên.

Từ hành lang và sảnh chung của nhà hỗn hợp có buồng thang bộ thoát nạn không nhiễm khói.

Từ các sảnh thông tầng của nhà có chiều cao lớn hơn 28 m, cũng như từ các sảnh thông tầng có chiều cao lớn hơn 15 m và từ các hành lang có cửa đi hoặc ban công mở thông với không gian của sảnh thông tầng trên.

Từ các gian phòng sản xuất và kho có số chỗ làm việc ổn định (đối với gian phòng lưu trữ dạng kệ thì không phụ thuộc vào số chỗ làm việc ổn định) hạng nguy hiểm cháy A, B, C trong nhà bậc chịu lửa I đến IV, hoặc hạng nguy hiểm cháy D, E trong nhà bậc chịu lửa IV, V.

Từ các khu vực tiếp cận vào buồng thang bộ thoát nạn không nhiễm khói, hoặc từ các gian phòng không có thông gió tự nhiên sau:

• Diện tích từ 50 m² trở lên, thường xuyên hoặc nhất thời tập trung từ 50 người trở lên, ngoại trừ trường hợp khẩn cấp, không tính diện tích chiếm chỗ của các thiết bị, vật dụng.
• Các gian thương mại, trưng bày sản phẩm hàng hóa.
• Các phòng đọc và lưu trữ sách của thư viện, các gian triển lãm, bảo tàng có diện tích từ 50 m² trở lên có chỗ làm việc ổn định.
• Phòng thay đồ, gửi đồ diện tích từ 200 m² trở lên.

Các gian phòng lưu giữ ô-tô, xe máy của các gara ô-tô, xe máy ngầm và gara ô-tô, xe máy kín trên mặt đất được bố trí riêng hoặc xây trong hoặc xây liền kề với các nhà có chức năng khác.

Cho phép thiết kế hút khói qua hành lang bên cạnh của gian phòng có diện tích đến 200 m² hạng nguy hiểm cháy C1, C2, C3.

Đối với các gian phòng thương mại và văn phòng diện tích không lớn hơn 800 m² khi khoảng cách từ điểm xa nhất của gian phòng đến lối ra thoát nạn gần nhất không lớn hơn 25 m thì cho phép hút khói qua các hành lang, sảnh, thông tầng bên cạnh.

Lưu ý: phần trên được trích dẫn trừ mục D2 trong QCVN06-2020. Trong thực tế công việc cần tham khảo văn bản mới nhất. Trong quá trình thiết kế nên đọc lại chi tiết trong Phần 6 và phụ lục L của tiêu chuẩn TCVN 5687 mới nhất.

ĐƯỜNG ỐNG VÀ THIẾT BỊ

1. Đường ống

Chịu áp suất: Đường ống trong hệ thống hút khói phải được thiết kế để chịu được áp suất dương và âm do quạt cung cấp và hút tạo ra. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc ngăn chặn sự sụp đổ hay biến dạng của đường ống dưới áp lực của hệ thống trong quá trình vận hành.

Vật liệu chịu lửa: Đường ống phải được làm từ vật liệu có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao, phù hợp với tiêu chuẩn NFPA 90A (Tiêu chuẩn về lắp đặt hệ thống điều hòa và thông gió) và các tiêu chuẩn khác liên quan của NFPA. Điều này giúp đường ống duy trì tính toàn vẹn cấu trúc khi phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao do cháy nổ.

2. Quạt (Fans)

Quạt ly tâm (Centrifugal Fans): Đây là loại quạt sử dụng lực ly tâm để đẩy khí ra bên ngoài và được sử dụng phổ biến trong các hệ thống hút khói nhờ khả năng tạo ra áp suất cao. Quạt ly tâm có thể hoạt động hiệu quả trong các hệ thống hút khói, đặc biệt là khi cần tạo ra luồng khí mạnh để ngăn khói lan rộng.

Quạt hướng trục (Axial Flow Fans): Quạt hướng trục là loại quạt đẩy không khí dọc theo trục của nó, thường được sử dụng ở những nơi yêu cầu lưu lượng khí lớn nhưng áp suất thấp. Đối với hệ thống hút khói, quạt hướng trục có thể được sử dụng trong các ứng dụng cần lưu thông không khí qua các đường ống dài hoặc khu vực có diện tích lớn.

3. Fire Dampers & Smoke Dampers

Fire Damper: Được lắp đặt trong hệ thống ống dẫn khí để ngăn chặn sự lan truyền của lửa qua các khe hở trong tường, sàn hoặc trần. Khi nhiệt độ trong ống dẫn khí đạt đến một mức độ nguy hiểm, fire damper sẽ tự động đóng lại nhờ cơ chế kích hoạt nhiệt. Fire damper đóng vai trò quan trọng trong việc cô lập đám cháy trong một khu vực, ngăn không cho lửa lan sang các khu vực khác.

Smoke Damper: Có chức năng tương tự như fire damper nhưng được thiết kế đặc biệt để ngăn chặn sự lan rộng của khói. Smoke damper thường được lắp đặt tại các vị trí quan trọng trong hệ thống hút khói và phải đáp ứng tiêu chuẩn UL 555S về độ kín của đập khói. Smoke damper có thể hoạt động bằng điện hoặc tự động đóng lại khi nhận tín hiệu từ các cảm biến khói.

4. Hệ thống điều khiển (Controls)

Điều khiển HVAC: Hệ thống HVAC phải được điều chỉnh để ưu tiên cho chế độ kiểm soát khói. Khi phát hiện khói, hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn khí hồi và tăng cường cấp khí ngoài để ngăn khói lan rộng.

Kích hoạt và vô hiệu hóa: Hệ thống kiểm soát khói cần có khả năng kích hoạt tự động thông qua các cảm biến như cảm biến khói, cảm biến nhiệt hoặc kích hoạt thủ công từ các trạm điều khiển của lính cứu hỏa (FSCS). Điều này đảm bảo hệ thống phản ứng ngay lập tức khi có dấu hiệu cháy nổ.