Nora Kuiper won met haar masterscriptie ‘Relief of fire-induced overpressure by the ventilation system in residential buildings’ de NIPV-VVBA-scriptieprijs 2024. Zij onderzocht of de drukopbouw en daarmee samenhangende rookverspreiding tijdens de groeifase van een brand kunnen worden verminderd door de inzet van het mechanische ventilatiesysteem van een woongebouw. Dit artikel is een samenvatting van haar onderzoek.
Tegenwoordig wordt er steeds meer aandacht besteed aan het verlagen van de energievraag van gebouwen/woningen. Om de energievraag voor verwarming en koeling te verlagen, worden gebouwen steeds meer luchtdicht gemaakt en wordt (mechanische) balansventilatie toegepast [1]. Bij deze balansventilatie wordt warmteterugwinning (WTW) toegepast. Ter gevolge hiervan ontstaan twee nieuwe uitdagingen met betrekking tot de brandveiligheid in woningen:
- Bij brand in een luchtdichte woning ontstaat overdruk, omdat hete lucht en vrijkomende gassen niet meer door kieren en naden naar buiten kunnen. Uit eerder onderzoek is gebleken dat de overdruk binnen een paar minuten na ontsteking al kan oplopen tot in honderden pascal (Pa) [2-6]. Ter referentie, bij een overdruk hoger dan 100 Pa is een naar binnen draaiende deur door bewoners niet meer open te trekken [3], [5].
- Ten gevolge van de overdruk ontstaat ook kans op rookverspreiding naar andere woningen, wanneer deze zijn aangesloten op een collectief ventilatiesysteem. Deze rookverspreiding komt voor wanneer de overdruk dusdanig hoog is, dat het een omgekeerde stroom veroorzaakt in het toevoerkanaal. Vanaf hier kan de lucht vervuild met rookdeeltjes andere woningen ingeblazen worden. Ook dit is reeds onderzocht in eerder onderzoek [3], [7], [8].
Het doel van het onderzoek, onderwerp van dit artikel, was onderzoeken hoe en of drukverlaging mogelijk is via het ventilatiesysteem, zonder rookverspreiding naar andere woningen te veroorzaken.
Methode
Hiervoor is een koppeling gemaakt tussen het zonemodel CFAST en het multizonemodel CONTAM, een methode geïntroduceerd door J.H. Klote [9]. Deze programma’s zijn beide ontwikkeld door de NIST (National Institute of Standards and Technology, Verenigde Staten) en publiekelijk beschikbaar. CFAST is gebruikt om het verloop van de brand te voorspellen met betrekking tot temperatuur en de snelheid van warmteafgifte (heat release rate (HRR)). Vervolgens is CONTAM gebruikt om aan de hand van de temperatuuropbouw de overdruk in de woning met brand (hierna ‘brand-appartement’ genoemd) en de verspreiding van deeltjes naar andere woningen of appartementen. Bij het bepalen van stromingen via bouwkundige lekkages, werd door CONTAM rekening gehouden met meer lekverlies bij hogere drukken. Bij de luchtstromen door ventilatiekanalen werd ook rekening gehouden met de effecten van druk.
Deze methode is eerst getest aan de hand van een kalibratiestudie. Deze berustte op een casus, gebruikt voor eerder onderzoek om de overdruk en de rookverspreiding in luchtdichte appartementen te toetsen [3]. Deze studie was gedaan in Fire Dynamics Simulator (FDS), een programma waarmee brand middels computational fluid dynamics (CFD) of berekende stromingsleer in het Nederlands. Tijdens de kalibratiestudie kwam naar voren dat de methode van voldoende werkt, met name tijdens de groeifase van de brand.
Casus
Vervolgens is een voorbeeld van een nieuwbouwcomplex in Nederland genomen als casus voor de rest van het onderzoek. Dit gebouw bestaat uit vijf woonlagen, met in totaal 70 appartementen. Deze appartementen hebben een oppervlakte variërend tussen 60 en 135 m², een vloer-tot-plafond hoogte van 2,6 m en een vloer-tot-vloer hoogte van 3,0 m. Ieder appartement is voorzien van een eigen WTW-unit. De appartementen die direct boven elkaar gelegen zijn, zijn gekoppeld aan de collectieve luchtkanalen in de schachten.
Van drie appartementen zijn de resultaten van de blower-door-test bekend. Deze appartementen zijn gelegen op de 4e en de 5e woonlaag. Het appartement wat in de rest van dit onderzoek is genomen als brandappartement is gelegen op de 4e woonlaag en heeft een oppervlakte van 96 m². Het lekverlies in dit appartement was 0,162 L/(s*m²). Vervolgens is met een aanname vanuit een rapport van het NIPV [10] bepaald welke verliezen via interne lekken plaats zouden vinden, en welke lekken via de gevel zouden plaatsvinden. Deze waarden zijn gebruikt in de simulaties van het brand-appartement in CONTAM.
In CONTAM is de plattegrond van een verdieping nagetekend. Er is een aanname gedaan van de samenstelling van het ventilatiesysteem. Toevoer van frisse lucht vindt plaats in de woonkamer en slaapkamers. De afvoer vindt plaats in de keuken, wc en badkamer. Het ventilatiesysteem is op zo’n manier in CONTAM gezet, dat zo min mogelijk bochten nodig zijn in de ventilatiekanalen. Vervolgens is aan alle elementen in het ventilatiekanaal (kanalen, bochten en knooppunten) informatie toegekend, zoals de dimensionering, ruwheid en volumestroom. Om de WTW te simuleren zijn twee losse ventilatoren gemodelleerd, waardoor bij de laagsetting van de WTW 81 m³/h geblazen wordt.
Om de brandsituatie te kunnen modelleren in CONTAM, is deze eerst gesimuleerd in CFAST voor het betreffende appartement. De volgende eigenschappen werden aan de brand toegekend:
- Type brandstof: cellulose
- Maximale HRR: 4000 kW
- Verbrandingswarmte: 17,500 kJ/kg
- CO-opbrengst als verbrandingsproduct: 4%
- Roet-opbrengst-als verbrandingsproduct: 1%
- Groeisnelheid: 300 s (medium) en 150 s (snel)
- Simulatietijd: 400 s
De resultaten uit CFAST zijn gebruikt als input voor het brandappartement in CONTAM. De (gewogen) temperatuur is opgelegd als tijdschema gedurende 400 s (6’40”). Met de maximale HRR en berekende HRR uit de CFAST simulaties is de snelheid bepaald waarmee rookdeeltjes gegenereerd werden. Ook dit is opgelegd als tijdschema voor 400 s.
In totaal zijn 8 verschillende ventilatieconfiguraties onderzocht op drukopbouw in het brand-appartement en de zichtlengte in de niet-brand-appartementen:
- Het basisscenario, bypass van de WTW-unit in gesloten stand.
- Met bypass van de WTW-unit in geopende stand.
- Met extra bypass, die de lucht om de WTW-unit leidt.
- Met dezelfde extra bypass, open gestuurd bij activatie van een smeltlood (bij 72 °C).
- Met brandklep in het toevoerkanaal, sluit na activatie van het smeltlood.
- Met brandklep in het toevoer- en afvoerkanaal, sluit na activatie van het smeltlood.
- Met brandklep in het toevoerkanaal, sluit wanneer temperatuur in het brandappartement 72 °C is.
- Met brandklep in het toevoer- en afvoerkanaal, sluit wanneer temperatuur in het brand-appartement 72 °C is.
Het sluiten van de brandklep bij activatie van het smeltlood gebeurde op 200 seconden bij een gemiddelde groeisnelheid en op 120 seconden bij een snelle groeisnelheid van de brand. In het geval van eerdere sluiting, dus wanneer de temperatuur in het brandappartement voorbij de 72 °C steeg, sloot de brandklep op 150 seconden bij een gemiddelde groeisnelheid en op 90 seconden bij een snelle groeisnelheid.
Resultaten
Overdruk
De resultaten voor het verloop van de druk zijn weergegeven in figuur 1. Bij het brandscenario met de gemiddelde groeisnelheid en zonder brandkleppen, bleef de druk onder 100 Pa gedurende de gehele simulatie. De bypass leverde een zeer beperkte verlaging in de overdruk. Het toevoegen van brandkleppen had juist een negatief effect op de overdruk: op het moment van sluiten schoot de overdruk omhoog.
Bij de scenario’s met de snelle groeisnelheid nam de druk sneller toe en was de resulterende druk hoger. De overdruk overschreed na circa 70 seconden de grenswaarde van 100 Pa. Verder waren dezelfde trends te observeren: de bypass leverde een zeer beperkte verlaging in de overdruk, en bop het moment van het sluiten van de brandkleppen schoot de overdruk omhoog.
Zichtlengte
De zichtlengte is genomen als indicator van rookverspreiding. Wanneer de zichtlengte door rook minder is dan 30 meter, kan langdurige blootstelling schadelijk zijn voor de gezondheid van bewoners. Wanneer de zichtlengte minder is dan 10 meter, kan kortdurende blootstelling kritiek zijn en moet het betreffende appartement worden ontvlucht.
Als gevolg van de overdruk verspreidden rookdeeltjes zich naar de andere appartementen. Dit is ook te zien in figuur 2, bij een snelle groeisnelheid. Zonder brandkleppen verspreidde de rook zich hoofdzakelijk naar de appartementen die via de collectieve ventilatiekanalen met elkaar in verbinding stonden. In de ruimtes waar toevoer plaatsvond, was de zichtlengte door de rookverspreiding minder dan 10 m. In het geval van een gemiddelde groeisnelheid, was de zichtlengte in de meeste ruimtes meer dan 10 m, maar minder dan 30 m.
Met brandkleppen zorgde de overdruk voor meer rookverspreiding naar omliggende appartementen. Hier was de zichtlengte in verschillende ruimtes in de omliggende ruimtes minder dan 10 m.
Conclusie
Uit de casus bleek dat er met huidig ontwerp van een ventilatiesysteem, of met een eventuele extra bypass weinig winst te behalen viel met betrekking tot drukontspanning in het brandappartement. Brandkleppen waren nodig om rookverspreiding via het ventilatiesysteem te voorkomen, maar zorgden vervolgens voor een hogere overdruk in het brandappartement en rookverspreiding naar naastgelegen appartementen via de interne lekkages. Hiermee is met dit project geen oplossing gevonden voor de geschetste probleemstellingen.
Voor toekomstig onderzoek wordt aanbevolen om de mogelijkheid tot drukontspanning via de gebouwstructuur te verkennen. Dit zal mogelijk uitdagingen met zich meenemen met betrekking tot de luchtdichtheid van de appartementen, maar lijkt nodig te zijn om overdruk en rookverspreiding bij brand te voorkomen.
Nora Kuiper, junior adviseur Brandveiligheid bij Peutz
Bronvermelding
[1] International Passive House Association, ‘Passive House certification criteria’. (accessed Jun. 15, 2022).
[2] S. Brohez and I. Caravita, ‘Overpressure induced by fires in airtight buildings’, in Journal of Physics: Conference Series, Institute of Physics Publishing, Nov. 2018. doi: 10.1088/1742-6596/1107/4/042031.
[3] S. Hostikka, R. K. Janardhan, U. Riaz, and T. Sikanen, ‘Fire-induced pressure and smoke spreading in mechanically ventilated buildings with air-tight envelopes’, Fire Saf J, vol. 91, pp. 380–388, Jul. 2017, doi: 10.1016/J.FIRESAF.2017.04.006.
[4] H. Prétrel, W. Le Saux, and L. Audouin, ‘Pressure variations induced by a pool fire in a well-confined and force-ventilated compartment’, Fire Saf J, vol. 52, pp. 11–24, Aug. 2012, doi: 10.1016/J.FIRESAF.2012.04.005.
[5] D. Vanhaverbeke, ‘Fire development in passive houses: qualitative description and design on full-scale fire tests’, University of Edinburgh, 2015.
[6] B. Karlsson and J. Quintiere, ‘Enclosure fire dynamics’. CRC press, 1999.
[7] J. Wahlqvist and P. Van Hees, ‘Evaluating methods for preventing smoke spread through ventilation systems using fire dynamics simulator’, Fire Mater, vol. 41, no. 6, pp. 625–645, 2016, doi: 10.1002/fam.2404.
[8] R. K. Janardhan and S. Hostikka, ‘Experiments and Numerical Simulations of Pressure Effects in Apartment Fires’, Fire Technol, vol. 53, no. 3, pp. 1353–1377, 2017, doi: 10.1007/s10694-016-0641-z.
[9] J. H. Klote, ‘Tenability Analysis and CONTAM’, in Handbook of Smoke Control Engineering, Atlanta: ASHRAE, 2012, pp. 387–404. [Online]. Available: www.ashrae.org
[10] R. van Liempd, L. de Witte, M. Karemaker, R. van Herpen, and V. Jansen, ‘Rookverspreiding en persoonlijke veiligheid’, 2022, [Online]. Available: https://nipv.nl/wp-content/uploads/2022/07/20220701-NIPV-Rookverspreiding-en-persoonlijke-veiligheid.pdf
