Duman Kontrol Sistemlerinde Pratik Uygulamalar
Duman yayılımını önlemeye yardımcı olmak ve çalışanlara makul bir çevre tahsis etmek için dört adet temel tasarım metodu vardır.
Son yıllarda duman kontrol sistemlerinde tasarım kriteri değişmiştir. Günümüzde duman kontrol sistemleri, etkilenen alanları havalandırmanın yerine dumanın etkilenmemiş alanlara yayılmasını önlemeli ve/veya olayın yaşandığı alanda makul bir çevre sağlamalıdır. Mevcut duman kontrol sistemleri ne kadar etkilidir? Bina mevzuatının duman kontrol sistemleri için gerektirdiği kuralları makul şekilde karşılayabilir mi? Bina mevzuatlarında tanımlanmayan uygulamalar nasıl ele alınabilir?
Duman kontrol sistemi gereksinimleri yıllardır mevcuttur ve duman kontrol sistemi tasarımı bina mevzuatı gereksinimlerindeki değişimlere uymak zorundadır. Bu makalede, duman kontrol sistemlerinin bazı pratik tasarım uygulamaları ile birlikte bina mevzuatı gereksinimlerinin nasıl uygulandığından bahsedilecektir. Ayrıca bu makalede tasarımın bina mevzuat içeriğini karşılayacak şekilde adapte edilmesinin yolları anlatılacaktır.
Duman kontrol gereksinimlerinin tarihçesi
Duman kontrol sistemleri çok katlı binalarda 1970’lerin ortasından beri kullanılmaktadır. Önceki bina mevzuatlarında, mekanik sistemler havalandırılacak boşluğa belirli egzoz hızını sağlamakla yükümlüydü. Daha sonraki bina mevzuatlarında ise belirli hava değişim miktarları şart koşuldu, tipik saatte altı kere hava değişimi gibi.
Bina mevzuatının (Uniform Building Code (UBC)) 1994 baskısı, duman kontrol sistemlerinin performans temelli yaklaşımlar kullanılarak tasarlanmasını gerektirmektedir. Bu tasarım için dört temel tasarım metodundan biri kullanılabilir: basınçlandırma, pasif, hava akımı ve egzoz. Bu metodlar, Ulusal Yangından Koruma Derneği’nin (National Fire Protection Association (NFPA)) duman kontrol sistemleri ile ilgili standartları ile bağlantılıdır. Basınçlandırma, pasif ve hava akımı metodlarının tasarım kriterleri dumanı, bina boyunca yayılmasını önlemek için esas zonda muhafaza etmektir. Egzoz metodunun tasarım kriteri ise, duman tabakasını makul bir çevre oluşturmak için en yüksek yürüme yüzeyinin üstünde muhafaza etmektir.
1994 bina mevzuatının kabulünden beri, diğer model mevzuatları bu tasarım gereksinimlerine dahil edilmişlerdir. Uluslararası Bina Mevzuatı ve Uluslararası Yangın Mevzuatı da 1994 yılında yayınlanan Bina Mevzuatıyla benzer bir dile sahiptir. 1994 yılına ait mevzuatta güncel NFPA standartlarını yakalaması için geliştirmeler yapılmaktadır, fakat tasarım kriterleri 1994 yılında teklif edilen dört tasarım metodundan çok faklı değildir.
Uluslararası Bina Mevzuatı, atrium, üç katlı kapalı alışveriş merkezleri ve yeraltı binalarında duman kontrol sistemlerini gerekli görmektedir, fakat bu sistemleri duman havalandırması yeni opsiyon olarak önermektedir. Her ne kadar uluslararası bina mevzuatı duman kontrol sistemlerini çok katlı binalar için şart koşmasa da, belirli yargılar mevzuatın duman kontrol sistemlerini, 1994 yılında yayınlanan bina mevzuatındakine benzer şekilde, gerektirmesini tashih etmektedir. Performans temelli tasarım kriterleri tanıtıldığından beridir birçok bina bu yaklaşımlar kullanılarak duman kontrol sistemleriyle donatılmıştır.
Basınçlandırma metodu
Basınçlandırma metodunu kullanan duman kontrol sistemleri, alarm verilen bölge ile bitişik bölgeler arasındaki basınç farkını muhafaza ederler. Minimum basınç farkı olan 0,00127 m su sütununu (0,05’’ su sütunu) sağlamak için mekanik sistem, belirtilen bölgeye besleme havası vermeden, % 100 egzoz olacak şekilde ayarlanır. Bölge bariyerleri sağlam ve kapalı olmalıdır. Kapılar ve damperler kesinlikle kapatılmalı ve bölgeyi mühürlemelidir. Bu tasarım metodu, dumanın binanın diğer bölgelerine yayılmasını önlediğinde etkili olabilir (Şekil 1).
Basınçlandırma metodu, mühürlenip tamamen kapatılabilecek alanlarda, örneğin birbirinden ayrı katlar ve bina arkası boşluklar gibi, yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, bariyerlerin bölge zarfının sağlamlığını garanti altına alacak şekilde ayarlanması gereklidir. Aksi takdirde, sistem gerekli basınç farkını muhafaza edemez. Bölgenin duman bariyerlerinin uzun zaman periyotları boyunca kapalı kalmasının sağlanması zor olabilir. Bu durum kısmen bariyerlerin yakınlarındaki hacimlerde oluşan değişimlerin sızıntıya sebep olmasındandır. Ayrıca duvarların gereksinimlerine aşina olmayan personel tarafından yapılan duman bariyer duvarlarında çalışma esnasında tahrifat olabilir. Duman bariyer duvarlarının yerlerine ait uygun belgeleme olmadığında, değişimler bu sistemleri kullanışsız kılar. Basınçlandırma metoduyla duman kontrol sistemi tasarımı, tam anlamıyla ayarlandığında ve muhafaza edildiğinde etkili olabilir.
Basınçlandırma sistemleri için egzoz fanlarını boyutlandırmak zorlayıcı olabilir. Egzozun, konstrüksiyondan kaynaklı sızıntıya göre istenen basınç farkını gerçekleştirmesi gerekir. Bina mevzuatları seçilen egzoz fanları için kullanılabilecek sızıntı miktarlarını belirler. Bununla birlikte, tasarımın belki bina mevzuatının izin verdiğinden daha sıkı olacak şekilde, aşırı basınçlandırmaya sebep olacak şekilde, konstrüksiyona uydurulması gerekebilir. Çeşitli aralıklarda etkili şekilde çalışacak fanlar seçilmesi bölgesel değişikliklerin azaltılmasına veya ilk işletmeye alma esnasındaki ekipman değişimine yardımcı olabilir.
Konstrüksiyon meselesinin üstesinden gelmek ve gelecekteki bakım ve onarımların hesabı için, bazı hava akışı ayarlama formlarının dahilinde, hacimden değişken egzoz yapılabilir. Birçok tasarımcı, HVAC tasarımlarında değişken frekanslı sürücülerle (DFS) kontrol edilen fan hızları kullanmaktadır. Duman kontrol sistemleri değişken frekanslı sürücüleri ayarlanarak dengelenebilir. Eğer basınçların, başlangıç ayarları yapılırken ve işletmeye alma esnasında ayarlanması gerekiyorsa, basınç farkının ayarlanması için motorların veya diğer ekipmanların değişimi ihtiyacından kurtulmak için, DFS ayarları uygun egzoz elde etmek için kullanılabilir. DFS’lerin kullanımı bazı işlevsel kısıtlamaları ortaya çıkarır, çünkü bu sürücüler duman kontrol sisteminin bir parçasıdır ve sistem ihtiyaçlarına aşina olmayan insanlar tarafından ayarlanmamalıdır.
HVAC teknolojisinin pratik uygulaması ve duman kontrol sistemleri tasarımında, basınçlandırma tasarım metodu ekipmanları hacmi şartlandırması için görevlendirir ve aynı zamanda duman kontrol sistemi olarak hizmet eder. Sistem bir kere düzgün ayarlandığında, bina mevzuatında belirtilen korumayı sağlamaya devam eder. Bununla birlikte, sistem tasarım gereksinimlerinin bilgisi, duman bariyer duvarlarının yerini de içerecek şekilde, duman kontrol sisteminin etkinliğinin devam ettirilmesi için gereklidir.
Kapalı otoparklar için değiştirilmiş hava akışı/egzoz metodu
Kapalı otoparklar günümüzde, duman kontrolünün gerektiği eşsiz mücadelelerden biridir. Genellikle kapalı otoparklar, bina çevresi boyunca açıklıkların sayısından dolayı ve bu açıklıkların dumanın garajda birikmesine izin vermemesi nedeniyle, açık otoparklar için geçerli olan bina mevzuatlarındaki gereklilikleri sağlaması yeterlidir ve mekanik duman kontrolüne ihtiyaç yoktur. Mekanik olarak havalandırılan garajlar, duman kontrol sistemleri gerektirdiklerinde tasarım mücadeleleri ortaya çıkarırlar. Fakat, uluslararası bina mevzuatındaki tasarım metotları pratik çözümler için katkıda bulunamamaktadır. Tasarımcılar, kapalı otoparklarda etkili duman kontrolünü sağlamak için sıklıkla melez tasarımlar kullanmaktadır.
Tamamen kapalı garajlar genellikle araçların egzoz dumanlarını uzaklaştırmak için mekanik havalandırmaya ihtiyaç duyar. Bu sistemler eğer uygun tasarım parametreleriyle kurulursa, duman kontrolü için etkili bir şekilde kullanılabilir. Son zamanlara kadar, 3.05 m duman tabakasının muhafaza edilmesi gereken hacimlerde, tipik garajların açıklıklarının limitli olmasından dolayı, egzoz metodu mümkün değildi. 2006’da yayınlanan uluslararası bina mevzuatı duman tabakasının yüksekliğini 1.83 m’ye düşürdü. Bu hamle tasarım metodunu biraz daha pratik hale getirdi. Fakat sınırlı duman tabakası derinliği egzoz girişlerini tapa girişlerine karşı duyarlı halde bırakmaktadır. Ayrıca, CO egzoz girişleri sadece tavana yerleştirilmemektedir, girişin anlamı eğer egzoz metodu kullanıldıysa, duman tabakasının altına yerleştirilen delikleri de kapsamaktadır. Aynı zamanda basınçlandırma metodu da garajlarda bina mevzuatı performans gereksinimlerini yerine getirmek için kullanılabilir. Basınçlandırma metodunun tamamen kapatılmış alana ihtiyacı olduğu için, garajın herhangi bir açıklığında, trafik şeritleri gibi, çığ kapılarına ihtiyacı vardır. Bununla birlikte, bu senaryo uygulandığında şeritler kapanmakta ve acil müdahale araçlarının hareketi kısıtlanmaktadır. Duman kontrol sistemi mevzuatta belirtildiği gibi yürütülüyorken, böyle bir senaryo etkili bir çözüm değildir çünkü, acil müdahale ulaşımını sınırlandırabilmektedir.
Egzoz metodu ve hava akışı metodundan oluşan melez tasarım kapalı otoparkların duman kontrolünden kullanılabilir. Bu anlayış, açıklıklardan geçen hava hızını, hava akış metodunun gerektirdiği 1,01 m/s’nin altında tutarken, garaj için egzoz debisini sağlar. Melez tasarım göstermektedir ki garajlar, sınırlı açıklıklardan ve tavandaki dumanı tahliye etmek için gereken kanalların miktarından dolayı, yerden 1.83 m yükseklikte bile etkili bir duman tabakasına sahip değildir. Bu yaklaşım öngörülmüş bir bina mevzuatı tasarım metodu olmasa da, bu yöntem, önceden yerleştirilen ekipmanları kullanarak kapalı garajdan duman tahliyesinde etkili olabilir. Ek olarak, DFS’lerin kullanımı bölgedeki fanların ayarlanabilmesine izin vererek istenilen hava akışının elde edilmesini sağlar.
Büyük hacimler için egzoz metodu
Egzoz metodunu toplantı salonu veya kumarhane gibi çok büyük alanlarda duman kontrolü için kullanmak pratik bir seçimdir. Göreceli olarak yüksek tavanlar ve yaygın dönüş havası plenumları büyük miktarda havanın doğrudan egzoz edilmesini sağlar. Dış ortam havası bitişik alanlardan gelebilir. Hava cereyanı perdeleri, geniş hacimleri, bitişik toplantı odaları, restoranlar, koridorlar gibi yerlerden ayırabilir.
Bununla birlikte, büyük hacimler için egzoz metodu göz önüne alındığında çeşitli problemlerin üzerine düşünülmesi gerekir. Duman bölgesi alanları çok büyük hale gelebilir ve çoklu duman egzoz fanları gerektirebilir. Egzoz fanlarının dumanı tahliye edebilmesi için yangının etrafında 61 m’lik sınır içinde olmalıdır. Geniş açık alanlar için, dumanın yangından egzoz girişine yolculuğunu sınırlamak için çoklu fanlar gereklidir. Çoklu fanlar kullanıldığında, egzoz miktarı artar. Bu durum, yeterli miktarda dış ortam havasının sağlama yeteneğini pekiştirmektedir. Tek bir tahliye noktası 84950 m3/h egzozu, ortama eşit miktarda taze hava verilmesi durumunda kolaylıkla sağlar. Bununla birlikte, eğer büyük bölgeler dört tahliye noktasına ihtiyaç duyuyorsa, yükseltilmiş toplam egzoz ve taze hava debisi olan 339802 m3/h’i uydurmak çok daha zordur.
Egzoz yöntemi ile büyük alanları yönetebilmek için küçük duman bölgeleri gereklidir. Küçük bölgelerden yararlanmak egzoz miktarını azaltır ve taze hava yönetimine yardımcı olur. Bununla birlikte, büyük alanlar içerisinde küçük bölgeler oluşturmak hem fazladan duman damperleri hem de tavanın altında hava cereyan perdeleri gerektirir. Bu cihazlar yapım maliyetlerini yükseltecektir ve aynı zamanda hacimdeki estetik üzerinde negatif bir etkiye sahip olacaktır. Yüksek tavanlı alanlarda hava cereyan perdesi oluşturmak zordur.
Daha pratik bir çözüm egzoz yaklaşımında değişiklik yaparak; bütün alandan tek duman bölgesi olarak faydalanmak ve müşterek duman bölgesi içinde daha küçük aktivasyon bölgeleri oluşturmaktır (Şekil 2). Bu yöntem ortak dönüş havası plenumu kullanıldığında iyi çalışır. Toplam duman bölgesi çoklu aktivasyon bölgesine sahip uygun sınır duvarlarıyla çevrilidir. Bu aktivasyon bölgeleri, yangın boyutu/duman tabakası yüksekliği tasarımına göre seçilen duman egzoz fanları sayesinde ayrı ayrı hizmet eder ve bu fanlar aktivasyon bölgesindeki duman egzoz debisini uygun hale getirir. Duman kontrol sistemi etkinleştirildiğinde aktivasyon bölgesindeki bütün duman egzoz fanlarına enerji verilir. Bu işlem, aktivasyon bölgesi için gerekli olan egzoz debisini sağlar ve bitişik bölgelerden taze hava elde edilmesini sağlar. Bütün duman bölgesindeki açıklıklardan geçen akım hızlarını bina mevzuatında belirtilen sınırlarda tutar.
Diğer aktivasyon bölgelerine duman göçü bir problem olarak dikkate alınmaz çünkü duman aynı duman bölgesi içerisindedir. Bununla birlikte, egzoz girişleri aktivasyon bölgesinin içine yerleştirildiği için dumanın hareket halindeki egzoz fanlarına doğru çekilme eğilimi vardır. Bu durum, etki alanındaki duman zararını uzaklaştırma potansiyelini sınırlandırırken, ilk yatırım maliyetlerini düşürür. Aktivasyon bölgeleri arasında hava cereyan perdeleri gerekmemektedir, çünkü bunlar toplam duman bölgesi içinde alt bölgeler şeklinde davranırlar. Bu yöntem, yapım maliyetlerini azaltıp hacim estetiğini sağlarken, gerekli duman kontrolünü sağlayan etkili bir yol olabilir.
Yüksek avlular için egzoz metodu
1980’lerden beri, avlular için duman kontrol sistemleri gerekli kılınmıştır. İlk bina mevzuatlarındaki tasarım kriterleri, hava değişim metodunu temel almıştır (Geniş avlular sadece dört defa hava değişimine ihtiyaç duyarken, küçük avlular altı hava değişimine ihtiyaç duyabilir). Son zamanlardaki bina mevzuatları ise, duman tabakasını belirli bir yükseklikte muhafaza eden egzoz tasarım metodunu tavsiye etmektedir.
Ulusal Yangından Koruma Birliği egzoz metodu standartları, iki temel değişkene bağlı formüller içerir. Bu değişkenler; duman tabakasının yangından yüksekliği ve yangın boyutudur. Duman tabakasının yüksekliği bina tasarımı tarafından belirlenmektedir ve yangın boyutu da yakıt yükü ve yangın söndürme sistemi tasarımıyla belirlenir. Duman tabakasındaki havanın yoğunluğunun etkisi varken, duman tabakası yüksekliği ve yangın boyutu denklemler için çok önemli konulardır.
Bina tasarımı duman tabakasının yüksekliğini belirler çünkü, duman tabakası en yüksek yürüme yüzeyinden en az 1.83 m yukarıda olmalıdır. Yüksek avlularda, bu değer çok yüksek olabilir. Hacim tekrar tasarlanmadığı sürece bu değişken değiştirilemez. Yangın boyutu, yakıt sınırlandırılarak veya ilk başlangıç evresinde, hızlı tepki veren sprinklerler veya yağmurlama sistemini çalıştıran tespit sistemleri ile, yangın kontrol edilerek adapte edilebilir.
Ulusal Yangından Koruma Birliği standartlarında bulunan denklemler yüksek avlular için büyük egzoz gereksinimleri hesaplamaktadırlar. Bina mevzuatları ayrıca, egzoz miktarına eşit miktarda, mekanik veya doğal veya ikisinin kombinasyonundan oluşan sistemlerle üretilen, taze hava gerektirmektedir. Bina mevzuatları, taze hava debisini sınırlamaktadır ve yangına doğru 339802 m3/h’den fazla hava akışını istemez. Büyük miktarda egzoz havasının yönetilmesi zor olabilirken, büyük miktarlardaki taze havayla uğraşmak çok daha zordur. Binalar çoğunlukla, menfezlerden ve hava deliklerinden verilen taze havanın belirlenen maksimum hızın altında olmasına sebep olan yetersiz hacimlere sahiptir.
Taze hava duman tabakasının altından verilmelidir. Yüksek hacimlerde, taze havayı ortama vermek için çoklu seviyeler kullanılabilir. Daha küçük alanlarda, duvar hacmi yetersiz olabilir. Bu durumlarda, dış duvarlarda bulunan hareket edebilen paneller veya kapılar taze havanın doğal yollarla hacme alınması için kullanılabilir. Ayrıca taze hava çoklu bölgeler mevcutsa, bitişik bölgelerden hacme alınabilir (Şekil 3).
Bina tasarımındaki fiziksel kısıtlamalardan ötürü avluya taze hava sağlamak zor olabilir. Yürüme yüzeyleri tepeye yakın olan yüksek avlularda egzoz debisinin 509703.3 m3/h’ten 679604.3 m3/h’e aşması gerekmektedir. Taze hava miktarı egzoz debisine eşit olduğunda ise debi 339802 m3/h olarak sınırlandırılmıştır. Bu durumda, duman kontrol sistemlerinin 139.35 m2’den 185.8 m2’ye varan büyüklükte boş havalandırma alanına gereksinimi vardır. Eğer parmaklıklar kullanılırsa, serbest alan çoğunlukla parmaklığın gerçek boyutundan çok daha küçüktür. Eğer paneller veya kapılar kullanılırsa, serbest alan gereksinimlerini karşılayabilmek için büyük miktarlar gerekebilir.
Yüksek avlularda duman kontrolünün etkilerini sınırlandıracak yollar vardır. En iyi yöntem, avludaki en yüksek yürüme yüzeyinin yüksekliğini düşürmektir veya yangın şartları altında yürüme yüzeylerini avludan ayıran, yangın kapakları gibi, bir yol sağlamaktır. Eğer bina tasarımı bu iki seçeneğe de izin vermiyorsa, yangın boyutu sprinkler kontrolü ve küçük yakıt yükleriyle sınırlandırılmalıdır. Diğer bir yaklaşım ise, performans amaçlarını temel alarak uygun egzoz miktarını sayısal akış analizi kullanarak belirlemektir. Bu tür analizler, egzoz metodu sistemleri için Ulusal Yangından Koruma Birliği standartlarında belirlenen egzoz debisini düşürmeye veya taze hava akış debisinde yüksek hava hızlarına izin verilmesine yardımcı olabilir.
Eğer taze hava girişi kontrol edilebilirse, egzoz tasarım metodunun bitişik bölgelerin birini diğerine açma kabiliyetini de içeren faydalarından yararlanılabilir. Ayrıca egzoz metotlu duman kontrol sistemlerinin işletmeye alımı da kolaydır, çünkü basınç farkının dengelenmesine bel bağlamamaktadır.
Sonuçlar
Duman kontrol sistemleri bina mevzuatları tarafından onlarca yıldır gerekli görülmektedir. Bu sürenin çoğunda, tasarım kriterleri basitti. Son 16 yılda, duman kontrol tasarımı yangın fiziğini temel alan performans kriterlerine odaklandı. Günümüzdeki mevzuatlarda bulunan tasarım metotlarının uygulanması bazı eşsiz mücadeleleri ortaya çıkardı. Sıklıkla, öngörülen yaklaşımlar binaya ait kısıtlamalara uymadı. Bu durumlarda tasarımcıların, tasarımları uyarlaması veya değiştirmesi gerekti. Böylece sistemler duman göçünü etkili bir şekilde engelleyebildi. Son 16 yıl boyunca, HVAC profesyonelleri bina mevzuatının gerekliliklerini nasıl yerine getireceğini öğrendi ve tasarımı bina mevzuatının amacına uyarladı.
Günümüzdeki duman kontrol sistemleri bina mevzuatındaki tasarım kriterlerini karşılama konusunda çok etkili olabilmektedir. Basınçlandırma ya da pasif tasarım metotları kullanılarak, duman kontrol sistemleri dumanın bütün bina boyunca yayılmasını önlemede etkili olabilir. Egzoz metodu duman kontrol sistemlerine makul bir çevre oluşturabilmesinde yardımcı olur. Pratik yaklaşımlardan birisi kullanıldığında, sistemler her bir binaya nasıl adapte edilir? Sistem ne kadar ayrıntılı hazırlanmışsa, başarısız olma ihtimali o kadar yüksektir. Pratik uygulama ve tasarımla, mevzuatın gerektirdikleri -hem emredilen hem de kastedilen- günümüz binalarında gerçekleştirilebilir.
