Il controllo dei fumi nei grandi ambienti

Bentornati tra le pagine del blog Aernova, un luogo dove andare a scoprire e analizzare tutte le novità, consigli e tematiche legate al tema dello smoke management (e non solo).

Se avete seguito l’ultimo post sapete che siamo nel bel mezzo della trattazione di un tema molto importante, quello dell’evoluzione e della storia del controllo dei fumi nei grandi ambienti.

Oggi andiamo a vedere nel dettaglio la seconda parte di questo argomento.
Abbiamo già analizzato i principali passi da seguire per l’approccio progettuale, approfondendo gli scenari, gli obiettivi, le tipologie di sistemi e di analisi da effettuare quando si approccia lo smoke management per ambienti di grande volumetria (come ad esempio un mall di un centro commerciale, un teatro o un capannone industriale).

Ora vogliamo entrare in merito ai principi cardine necessari per il dimensionamento, partendo dal comportamento del fumo, dalle caratteristiche dello strato di fumo e dell’aria di immissione, cioè l’individuazione di tutte le condizioni al contorno che permetteranno infine di definire le caratteristiche del sistema di controllo vero e proprio.

Altezza minima dello strato di fumo

Uno dei punti fondamentali nella progettazione di un sistema di controllo fumo finalizzato alla salvaguardia dell’esodo, è la definizione di uno strato libero da fumi e della profondità dello strato di fumo accumulato nel serbatoio. La profondità minima dello strato di fumo deve essere almeno il 20% dell’altezza complessiva del locale, in modo da creare un accumulo abbastanza profondo e stabile.

Quando il plume raggiunge il soffitto il fumo fluisce orizzontalmente lontano dal punto di impatto in direzione radiale formando un getto che, quando raggiunge le pareti si ferma e fluisce nella direzione opposta passando sotto lo strato a soffitto appena creato.

Aria di reintegro

Il meccanismo innescato dal gradiente termico che permette il corretto allontanamento dei fumi per un sistema di tipo naturale è vincolato ad un’adeguata immissione di aria pulita esterna. Nei sistemi naturali SENFC la movimentazione dei fumi è affidata alle forze di galleggiamento innescate dalla differenza tra la temperatura dei fumi e quella dell’aria esterna, pertanto è molto importante dimensionare in maniera adeguata le aperture di reintegro.

Per i sistemi di estrazione meccanici SEFFC invece, in cui la portata dei fumi è definita dai ventilatori, è possibile in alternativa effettuare un reintegro anch’esso forzato, dato che l’allontanamento dei fumi è dato dal moto innescato dai ventilatori e non dalla stratificazione termica. In questo caso la portata di immissione servirà a compensare i volumi estratti e ad impedire la formazione di sovrapressioni che potrebbero compromettere l’efficienza del sistema o ostacolare l’apertura delle porte interne ai locali.

L’aria di reintegro dovrebbe essere fornita alla quota più bassa del locale, allo scopo di evitare che il flusso perturbi lo strato dei fumi accumulati nel serbatoio a soffitto. In più bisognerebbe far in modo che la sua velocità non superi 1m/s laddove ci sia il rischio che venga a contatto con il plume. Se il flusso di aria investisse il plume con una velocità maggiore potrebbe avvenire una deflessione dello stesso che andrebbe ad aumentare l’aria intrappolata con il rischio di compromettere il layer dei fumi.

Una seconda ragione per questa limitazione di velocità è quella di ridurre il potenziale di crescita e diffusione del fuoco causato dall’afflusso d’aria.

Molto importante è approfondire anche l’effetto del vento sui flussi di aria di immissione. Negli ambienti molto grandi, aperture poste su pareti contrapposte possono dare origine a velocità superiori a 1m/s che, investendo il plume, potrebbero comportare un aggravio dello scenario di incendio. Come uscirne facilmente? C’è una soluzione semplice e pratica: posizionare tutte le aperture su un’unica parete.

Altro aspetto da valutare nel posizionamento delle aperture di immissione è quello di evitare che i fumi espulsi rientrino a causa del vento, ciò può essere facilmente assicurato distanziando il punto di espulsione con quello di immissione.

Qualora la geometria dell’ambiente non permettesse tali accorgimenti l’impiego di un sistema di estrazione ed immissione forzato potrebbe essere la migliore soluzione per ovviare questi problemi.

Plugholing

Il fenomeno del plugholing è stato affrontato più volte in questo blog, ma è bene sottolineare ed approfondire questo aspetto dato che spesso rende inefficiente anche un sistema di controllo fumi ben progettato.

Il fenomeno consiste in una perforazione dello strato dei fumi accumulati a soffitto in prossimità del punto di aspirazione a causa di una velocità di transito troppo elevata. Chiaramente il fenomeno è evidente unicamente ai sistemi di tipo forzato in cui la velocità dei fumi in ogni singolo punto di aspirazione è legata alla portata del ventilatore ad alla superficie di estrazione.

La figura 5.a sottostante mostra l’effetto del plugholing sullo strato dei fumi.

Il layer di separazione tra aria pulita e fumi si abbasserà a causa del fenomeno dato che il ventilatore aspirerà aria pulita invece che fumo.

Con l’aumentare della profondità dello strato di fumo, le forze di galleggiamento aumenteranno e l’effetto del plugholing diminuirà. Alla fine, lo strato di fumo diventerà abbastanza profondo da raggiungere un equilibrio, come mostrato nella figura 5b, ma sarà avvenuta una riduzione dello strato libero da gas combusti rispetto a quello di progetto.

Le forze coinvolte nel fenomeno di perforazione dei fumi sono quelle cinetiche di aspirazione e le forze di galleggiamento dovute al gradiente termico. Quando le forze cinetiche sono dominanti ci sarà il plugholing, mentre quando saranno dominanti quelle di galleggiamento il fenomeno non si verificherà. Quando queste forze sono bilanciate, il flusso aspirato è il massimo che può essere raggiunto. 
Da un punto di vista generale il plugholing può essere prevenuto aumentando i punti di aspirazione in modo che la portata ad ogni ognuno sia pari o inferiore al valore massimo che può essere determinato tramite l’approccio algebrico.

Stratificazione dell’aria calda

Negli ambienti di grande altezza, soprattutto nelle stagioni estive in cui l’irraggiamento solare è più intenso, è possibile che si formi un effetto termico molto pericoloso che potrebbe inficiare il corretto funzionamento del sistema di estrazione fumi. La radiazione solare impattante sulla copertura dell’edificio potrebbe innalzare la temperatura dell’aria negli strati più alti del locale fino ad oltre 50°, il che potrebbe impedire ad un plume di temperatura inferiore di raggiungere la sommità ritardando l’attivazione degli eventuali rilevatori di fumo puntiformi.

In questo caso anche il posizionamento dei rilevatori di fumo è fondamentale per assicurare un corretto tempo di intervento e pertanto è opportuno utilizzare uno dei seguenti schemi installativi per rilevatori a fascio:

Fascio inclinato verso l’alto

Fasci orizzontali posti a vari livelli

Fasci orizzontali per rilevare il plume

Come abbiamo potuto capire, l’approccio allo smoke management per quanto riguarda i grandi ambienti è molto complesso. Le condizioni di contorno da tenere in considerazione per poter realizzare un sistema di controllo fumo efficace ed efficiente sono molte. La progettazione non può fermarsi alla definizione di una portata di estrazione per i sistemi di tipo forzato o di una superficie in copertura per quelli naturali, dato che i meccanismi termici, cinetici e fluidodinamici sono numerosi e legati, oltre che alla tipologia e potenza del focolaio di incendio, anche alla geometria dell’involucro ed alle condizioni ambientali esterne.

Per questo ti invitiamo a continuare a seguire questo blog, così da rimanere sempre aggiornato con spunti, problematiche e novità nel mondo dello smoke management.