Sprinkler activatie tijd: Een gevoeligheidsanalyse

Een belangrijk onderdeel van CFD simulaties toegepast in brandveiligheid is het effect van een sprinkler systeem op de brand. In de praktijk zorgen de waterdruppels van een sprinkler voor het beperken van de brand(groei) en wordt de rooklaag gekoeld. Dit laatste effect is met name aanwezig bij een water-mist systeem maar in mindere mate ook bij conventionele sprinklers. Een veel gebruikte manier om in CFD simulaties rekening te houden met de invloed van sprinklers is het constant houden van het brandvermogen na activatie van de sprinkler. Dit is een conservatieve benadering omdat statistisch gezien in veel gevallen de brand (deels) geblust wordt. Er wordt tevens met deze methode geen rekening gehouden met afkoeling van de rooklaag. Door middel van een gevoeligheidsanalyse is onderzocht in welke mate de sprinkler activatie tijd afhankelijk is van verschillende parameters.

De gevoeligheid ten aanzien van de volgende parameters is onderzocht:

Ruimte eigenschappen: oppervlakte, plafondhoogte en thermische eigenschappen van de constructie.
Sprinkler eigenschappen: RTI, activeringstemperatuur en afstand sprinkler tot het plafond.
Brand eigenschappen: Groeisnelheid en intensiteit.

Een samenvatting van alle resultaten staat weergegeven in onderstaande tabel. In de slider onderaan de pagina worden de eigenschappen en resultaten van de simulaties per onderzochte parameter weergegeven.

De meest opvallende resultaten zijn:

Het oppervlakte van de ruimte waarin de sprinkler zich bevindt heeft een grote invloed op de sprinkler activatie tijd. In kleinere ruimten, zoals een hotelkamer van 9 m², is de sprinkler activatie tijd slechts 138 s, met een brandvermogen van 212 kW. Bij een grotere ruimte zoals een klein appartement van 56 m² neemt de sprinkler activatie tijd toe tot 174 s, met een brandvermogen van 336 kW, dit is 58% hoger.

Naast het oppervlakte van de ruimte heeft de groeisnelheid van de brand een grote invloed op het brandvermogen bij sprinkler activatie. Omdat de temperatuur van de sprinklerkop (activatie-element) achter loopt ten opzichte van de temperatuur van de rook is op het moment van sprinkler activatie de snel groeiende brand al verder doorgegroeid vergeleken met een matig groeiende brand. Dit is met name belangrijk in gevallen waar een sneller groeiende brand wordt toegepast dan je op basis van het gebruik van de ruimte zou verwachten om bijvoorbeeld de rekentijd van een CFD simulatie te verkorten. Dit kan er dan voor zorgen dat het brandvermogen op het moment van sprinkleractivatie hoger is dan het in werkelijkheid zou zijn. Het brandvermogen bij sprinkleractivatie is bij een matig groeiende brand 336 kW ten opzichte van 472 kW voor een snel groeiende brand, dit is een verhoging van 40%. Merk op dat wanneer een middelgroeiende brand in een kamer van 9 m² wordt vergeleken met een snel groeiende brand in een kamer van 56 m², de warmteafgifte bij de sprinkleractivering toeneemt van 212 kW naar 472 kW, wat 223% hoger is.

Andere belangrijke aspecten zijn de eigenschappen van de sprinkler zelf. Zoals verwacht, zorgen een lagere RTI en activatie temperatuur ook voor een snellere sprinkler activering. Omdat een modelbrand kwadratisch groeit in de tijd, is het effect op het brandvermogen nog groter.

Tenslotte blijkt ook de afstand van de sprinklerkop tot het plafond een belangrijke parameter. Deze parameter is onderzocht voor een grote hoge ruimte waarbij er geen rooklaag werd opgebouwd. De activatie tijd van de sprinkler wordt in dit geval significant groter bij een grotere afstand van de sprinkler kop tot het plafond.

Gevoeligheid tot: Ruimte oppervlakte

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: RTI 80 m^0.5s^0.5, 77 °C activatie temperatuur, 10cm vanaf het plafond met een spacing van 3m.
-Kamer: Plafondhoogte 2.4 m, Gipsplaat
-Brand: Matig groeiende brand, 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
Het oppervlakte van de ruimte heeft een grote invloed op de sprinkler activatie tijd. Bij een kleiner volume van de ruimte daalt de rooklaag snel. In kleine kamers zoals hotelkamers (9 m²) is de sprinkler activatie tijd slechts 138 s met een brandvermogen van 212 kW. Voor een grotere kamer zoals een klein appartement van 56 m² bedraagt de sprinkler activatie tijd al 174 s met een brandvermogen van 336 kW, dit is 58% hoger. Voor hele grote kamers wordt de sprinkler activatie tijd nog langer, 262 s met een brandvermogen van 763 kW.

Gevoeligheid tot: brand groeisnelheid

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: RTI 80 m^0.5s^0.5, 77 °C activatie temperatuur, 10cm vanaf het plafond met een spacing van 3m.
-Kamer: Oppervlak 56 m² , Plafondhoogte 2.4 m, Gipsplaat
-Brand: 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
De brand groeisnelheid heeft een grote invloed op de sprinkler activatie tijd omdat de temperatuur van de sprinklerkop achterloopt ten opzichte van de rook temperatuur. Wanneer de sprinklerkop zijn activatie temperatuur heeft bereikt is bij een snel groeiende brand het brandvermogen hoger vergeleken met een matig groeiende brand. Het brandvermogen bij sprinkleractivatie is bij een matig groeiende brand 336 kW ten opzichte van 472 kW voor een snel groeiende brand, dit is een verhoging van 40%.

Gevoeligheid tot: Ruimte hoogte

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: RTI 80 m^0.5s^0.5, 77 °C activatie temperatuur, 10cm vanaf het plafond met een spacing van 3m.
-Kamer: Oppervlak ongelimiteerd (open zijkanten), Gipsplaat
-Brand: Matig groeiende brand, 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
Een plafondhoogte van 2.4 en 3.5 m wordt vaak toegepast bij woningen. Het verhogen van de plafondhoogte van 2.4 m tot 3.5 m zorgt voor een verhoging van de sprinkler activatie tijd van 277 s tot 313 s, dit verhoudt zicht tot een verhoging van het brandvermogen van 853 kW tot 1089 kW.

Gevoeligheid tot: Thermische eigenschappen van de gebruikte materialen

Effect op sprinkler activatie tijd:
De invloed van de gebruikte materialen (isolerend of juist niet) op de sprinkler activering tijd is beperkt. De sprinklerkop wordt net sneller geactiveerd in een ruimte waar meer isolerende materialen worden gebruikt.

Gevoeligheid tot: RTI

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: 77 °C activatie temperatuur, 10cm vanaf het plafond met een spacing van 3m.
-Kamer: Oppervlak 56 m² , Plafondhoogte 2.4 m, Gipsplaat
-Brand: Matig groeiende brand, 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
Zoals verwacht zorgt een lagere RTI voor een snellere sprinkler activatie tijd. Een verhoging van de RTI van 50 tot 200 m^0.5s^0.5 verlengt de sprinkler activatie tijd van 162 s tot 204 s, oftewel een verhoging van het brandvermogen van 292 kW tot 460 kW. Dit houdt een verhoging in van 57%.

Gevoeligheid tot: Sprinkler activatie temperatuur

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: RTI 80 m^0.5s^0.5, 10cm vanaf het plafond met een spacing van 3m.
-Kamer: Oppervlak ongelimiteerd (open zijkanten), Plafondhoogte 8 m, Gipsplaat
-Brand: Matig groeiende brand, 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
Zoals ook bij de gevoeligheidsanalyse van de RTI te zien was, zorgt een lagere activatie temperatuur voor een snellere sprinkler activatie. Een verhoging van de sprinkler activatie temperatuur van 57 tot 77 °C verhoogt de sprinkler activatie tijd van 256 tot 336 s, oftewel een toename van het brandvermogen van 728 kW tot 1251 kW, wat een verhoging van 72% inhoudt. Het verder verhogen van de sprinkler activatie temperatuur tot 93 °C verhoogt de sprinkler activatie tijd tot 384 s met 1638 kW. Let op dat een grote ruimte met een hoge plafondhoogte is gebruikt voor dit onderzoek, zoals toegepast bij grote ruimtes zoals atria of warenhuizen.

Gevoeligheid tot: Afstand sprinklerkop tot het plafond

Eigenschappen die constant zijn gehouden:
-Sprinkler: RTI 80 m^0.5s^0.5, 77 °C activatie temperatuur met een spacing van 3m.
-Kamer: Oppervlak ongelimiteerd (open zijkanten), Plafondhoogte 8 m, Gipsplaat
-Brand: Matig goeiende brand, 250 kW/m²

Effect op sprinkler activatie tijd:
De afstand van de sprinklerkop tot het plafond heeft een groot effect op de sprinkler activatie tijd. Het vergroten van de afstand tot het plafond van 0.1 tot 0.3 m vergroot de sprinkler activatie tijd van 387 tot 595 s, ofwel van 1660 tot 3934 kW, wat een verhoging van 237% betekend. Let op dat dit type ruimte niet vaak voorkomt, maar bijvoorbeeld wel voor kan komen in productiehallen.

Gevoeligheid tot: Brand intensiteit per vierkante meter

Effect op sprinkler activatie tijd:
De invloed van de brandintensiteit per vierkante meter op sprinkler activatie tijd is beperkt. Een kleine verlaging van de sprinkler activatie tijd is waarneembaar bij een grotere brand intensiteit. Het verhogen van intensiteit van 250 tot 500 kW/m² verkort de sprinkler activatie tijd van 174 tot 158 s, ofwel van 336 tot 276 kW, wat een verkleining van 18% betekend.