ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΕΤΕΡΟΓΕΝΩΝ ΜΕΙΓΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΠΥΡΑΣΦΑΛΕΙΑ ΔΟΜΙΚΩΝ

Transcript

1 ΡΟΗ η Επιστημονική Συνάντηση για τις Ερευνητικές Δραστηριότητες στη Μηχανική Ρευστών στην Ελλάδα Κοζάνη, 28 Νοεμβρίου, 2008 ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΕΤΕΡΟΓΕΝΩΝ ΜΕΙΓΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΠΥΡΑΣΦΑΛΕΙΑ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ι. Μανδηλαράς, Μ. Σταματιάδου, Δ. Κοντογεώργος, Δ. Κολαϊτης, Μ. Φούντη Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων & Συστημάτων Καύσης, Τομέας Θερμότητας, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Κτίριο Ο, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Αθήνα Τηλ.: , Fax: , mfou@central.ntua.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εργασία παρουσιάζει πρόσφατες ερευνητικές δραστηριότητες του Εργ. ΕΜΣΚ-ΕΜΠ που αφορούν: Α) τη βελτίωση ενεργειακών ιδιοτήτων δομικών υλικών. Μελετάται πειραματικά και υπολογιστικά η επίδραση ενσωμάτωσης Υλικών Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ) - πολυφασικά-πολυσυστατικά μείγματα με αυξημένη θερμοχωρητικότητα - σε δομικά υλικά με στόχο τη χρήση τους σε εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας σε κτήρια. Β) πρόληψη και έλεγχο της διάδοσης φωτιάς σε κλειστούς χώρους. Η φωτιά, η οποία χαρακτηρίζεται από τη μη ελεγχόμενη εξάπλωση ενός μετώπου καύσης, αποτελεί ένα από τα πλέον σύνθετα φαινόμενα, καθώς ενσωματώνει μια μεγάλη ποικιλία φυσικών και χημικών διεργασιών, οι οποίες παρατηρούνται στις πολυφασικές, πολυσυστατικές και αντιδρώσες ροές. Οι διεργασίες αυτές περιλαμβάνουν φαινόμενα καύσης, μεταφοράς ορμής, μάζας και θερμότητας, τα οποία αλληλεπιδρούν συνθέτοντας ένα εξαιρετικά πολύπλοκο φυσικό και χημικό φαινόμενο. Λέξεις Κλειδιά: Πολυφασικές-πολυσυστατικές ροές, Υπολογιστική Ρευστομηχανική, καύση 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βασική Ευρωπαϊκή Κατευθυντήρια Οδηγία 89/106/ΕΟΚ-CPD (Construction Products Directive) καθορίζει τις βασικές απαιτήσεις για τα δομικά υλικά οι οποίες είναι: μηχανική αντοχή και ευστάθεια, πυρασφάλεια, υγιεινή, υγεία και περιβάλλον, ασφάλεια χρήσης, προστασία κατά του θορύβου και εξοικονόμηση ενέργειας και συγκράτηση θερμότητας. Στα πλαίσια αυτά το Εργ. ΕΜΣΚ του ΕΜΠ αναπτύσσει τη τελευταία 5ετία ερευνητικές δραστηριότητες με στόχο τη βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς δομικών υλικών για εξοικονόμηση ενέργειας και βελτίωση της συμπεριφοράς τους σε συνθήκες φωτιάς. Παρουσιάζονται πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα που καταδεικνύουν τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας σε πλακίδια μαρμάρου με χρήση Υλικών Αλλαγής Φάσης-ΥΑΦ (Phase Change Materials). Τα ΥΑΦ έχουν τη δυνατότητα ετεροχρονισμού της διαθέσιμης και απαιτούμενης θερμότητας για θέρμανση και ψύξη ενός δομικού στοιχείου. Αποτέλεσμα της ενσωμάτωσης ΥΑΦ σε δομικά υλικά είναι η μείωση της μέγιστης/ελάχιστης θερμοκρασίας που αποκτά το στοιχείο σε σχέση με τις συνθήκες που επικρατούν στον περιβάλλοντα χώρο, η μείωση διακύμανσης της θερμοκρασίας καθώς και η χρονική μετατόπιση θερμικών φορτίων. 1

2 Επίσης γίνεται παρουσίαση της χρήσης κωδίκων υπολογιστικής ρευστομηχανικής σε εφαρμογές διάδοσης φωτιάς σε κτίρια, με έμφαση στη συμπεριφορά των δομικών υλικών του κελύφους και της τοιχοποιίας. Συγκεκριμένα μελετώνται οι φυσικοί μηχανισμοί έναυσης, διάδοσης και κατάσβεσης της φωτιάς. Στόχος των προσομοιώσεων είναι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση νέων μεθόδων παθητικής πυροπροστασίας. Τα αριθμητικά αποτελέσματα παρέχουν σημαντικές πληροφορίες οι οποίες συμβάλλουν στην κατανόηση της συμπεριφοράς της φωτιάς, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων καταπολέμησής της. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΔΟΜΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΜΑΡΜΑΡΟ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Πειραματική διερεύνηση Μετά από συγκριτική μελέτη της συμπεριφοράς 4 διαφορετικών ΥΑΦ, επιλέχθηκε το προϊόν Micronal DS 5001 της εταιρίας BASF. Το συγκεκριμένο υλικό (Σχήμα 1) είναι σε μορφή υπέρλεπτης σκόνης με μέγεθος κόκκου μικρότερο των 150 μm. Το κέλυφος κάθε κόκκου αποτελείται από πολυμερές υλικό το οποίο εμποδίζει τη διαρροή του μείγματος παραφινών που βρίσκονται στο εσωτερικό του και αποτελούν το ΥΑΦ. Το μείγμα στο εσωτερικό των μικροκόκκων απορροφά και αποδίδει θερμότητα κατά την αλλαγή φάσης από στερεό σε υγρό και αντίστροφα σε μία περιοχή θερμοκρασιών κοντά στους 26 ο C. Η απορροφώμενη ενέργεια, οφειλόμενη στην αλλαγή φάσης, είναι της τάξης των 110 kj/kg και η πυκνότητα του υλικού είναι περίπου 300 kg/m 3. Σχήμα 1. Φωτογραφία από στερεοσκόπιο του Micronal DS 5001 της εταιρείας BASF. Στη συνέχεια έγινε επικάλυψη πλακιδίων λευκού δολομιτικού μαρμάρου με μείγμα ΥΑΦ και ρητινών, με βάση εργαστηριακά αποτελέσματα των Founti et al. (2006). Προκειμένου να γίνει αξιολόγηση της θερμικής συμπεριφοράς των νέων υλικών σε μεταβατικές συνθήκες, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε κατάλληλη πειραματική διάταξη. Πρέπει να σημειωθεί ότι συμβατικές μετρητικές μέθοδοι (π.χ. μέτρηση του συντελεστή ειδικής θερμοχωρητικότητας, Cp) δεν μπορούν να εφαρμοσθούν στη περίπτωση των δομικών υλικών με ιδιότητες αποθήκευσης ενέργειας διότι το ποσό της ενέργειας που αποθηκεύεται ή εκλύεται από το υλικό είναι συνάρτηση του εύρους θερμοκρασιών τήξης πήξης του ΥΑΦ και το Cp δεν μπορεί να μετρηθεί στη περιοχή αλλαγής φάσης. Μέσω της πρωτότυπης πειραματικής διάταξης μπορεί να μετρηθούν οι θερμοκρασίες και η ροή θερμότητας σε δομικά υλικά τα οποία υπόκεινται σε θέρμανση/ψύξη με σταθερή θερμοκρασιακή διαφορά, σε σταθερή ροή θερμότητας, και σε θερμικούς κύκλους με διαφορετικές θερμοκρασίες. 2

3 Η πειραματική διάταξη (Σχήμα 2) επιτρέπει τη μέτρηση επίπεδων δοκιμίων επιφάνειας 20 x 20 cm. Τα δοκίμια τοποθετούνται και συσφίγγονται μεταξύ δύο αλουμινένιων πλακών της ίδιας διάστασης που μπορούν να θερμαίνονται ή να ψύχονται ανεξάρτητα. Με αυτόν τον τρόπο η διάταξη επιτρέπει την επιβολή οποιασδήποτε θερμοκρασιακής κατανομής στις επιφάνειες του δοκιμίου. Η μελέτη της θερμικής απόκρισης των δοκιμίων γίνεται με τη μέτρηση της ροής θερμότητας από τις πλάκες προς το δοκίμιο και τη μέτρηση των θερμοκρασιών στις επιφάνειες του. Τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε δύο διαφορετικές μετρήσεις: α) Στην πρώτη περίπτωση δοκίμια ομοιόμορφης θερμοκρασίας 15 ο C εισάγονται στη μετρητική διάταξη, οι πλάκες της οποίας είναι ρυθμισμένες στους 45 ο C. β) Στην δεύτερη περίπτωση δοκίμια αρχικής θερμοκρασίας 25.5 ο C υποβάλλονται σε κυκλική θερμοκρασιακή μεταβολή. Η μία πλάκα διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία της στους 25.5 ο C ενώ η θερμοκρασία της άλλης μεταβάλλεται ημιτονοειδώς από τους 17 ο C ως τους 32 ο C. Και στις δύο περιπτώσεις καταγράφονται οι θερμοκρασίες στις επιφάνειες των δοκιμίων. Για την εξαγωγή συμπερασμάτων οι μετρήσεις συγκρίνονται κάθε φορά με αντίστοιχες μετρήσεις σε δοκίμια αναφοράς του ίδιου υλικού χωρίς ΥΑΦ. Σχήμα 2. Πειραματική διάταξη για τη μέτρηση θερμικής συμπεριφοράς δοκιμίων με ΥΑΦ. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται ένα συγκριτικό διάγραμμα θέρμανσης δοκιμίου με και χωρίς ΥΑΦ. Ο άξονας των θερμοκρασιών αναφέρεται στη θερμοκρασία στην επιφάνεια του δοκιμίου. Η μέτρηση γίνεται με αισθητήρες τύπου θερμίστορ ακρίβειας 0,1 ο C. Είναι εμφανές ότι στην περιοχή από 25 ο C έως 30 ο C η αύξηση της θερμοκρασίας του δοκιμίου με ΥΑΦ ακολουθεί πιο αργό ρυθμό. Αυτό οφείλεται στο ποσό της θερμότητας που αποθηκεύεται ως λανθάνουσα θερμότητα κατά την αλλαγή φάσης του ΥΑΦ που ξεκινά στους 25 ο C και ολοκληρώνεται περίπου στους 30 ο C. Η μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δοκιμίου με και χωρίς ΥΑΦ ανέρχεται μέχρι τους 5 ο C. 45 Συγκριτικό διάγραμμα θέρμανσης Θερμοκρασία [C] Χρόνος [s] Χωρίς ΥΑΦ ΥΑΦ Σχήμα 3. Συγκριτικό διάγραμμα θέρμανσης. 3

4 Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από μέτρηση κατά την οποία το δοκίμιο υποβάλλεται σε κυκλική (ημιτονοειδή) μεταβολή θερμοκρασίας. Στην περίπτωση αυτή φαίνεται η τάση του δοκιμίου που περιέχει ΥΑΦ να σταθεροποιεί τη θερμοκρασία γύρω από την περιοχή του σημείου αλλαγής φάσης. Αποτέλεσμα της σταθεροποίησης αυτής είναι η μείωση της συνολικής διακύμανσης της θερμοκρασίας του δοκιμίου με μείωση της μέγιστης και αύξηση της ελάχιστης θερμοκρασίας. Για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο των 10 ωρών η θερμοκρασία του πλακιδίου με ΥΑΦ είναι ως και 1 ο C χαμηλότερη του αντίστοιχου πλακιδίου χωρίς ΥΑΦ. Κυκλική Μεταβολή Θερμοκρασίας Θερμοκρασία [C] ,6 C 0,7 C Χρόνος [s] Χωρίς ΥΑΦ ΥΑΦ Σχήμα 4.Συγκριτικό διάγραμμα κυκλικής μεταβολής της θερμοκρασίας. 2.2 Υπολογιστική διερεύνηση SSF without SSF 10% SSF 20% 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Σχήμα 5. Εξοικονόμησης ενέργειας κάθ όλη τη διάρκεια του χρόνου για πλακίδια με ΥΑΦ. Εξετάσθηκε η περίπτωση ενός τυπικού αίθριου σε κατοικία στην Αθήνα, όπου το δάπεδο είναι χτισμένο με πλακίδια τα οποία έχουν ενισχυθεί με Υλικά Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ). Εγινε ενεργειακή ανάλυση με την εμπειρική μέθοδο Solar Load Ratio, η οποία είναι προσαρμοσμένη να περιλαμβάνει την αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας, με παράμετρο σύγκρισης τον λόγο SSF (Solar Saving Fraction). Ο λόγος SSF αναφέρεται στο ποσό της ενέργειας που παρέχει η εφαρμογή, εν προκείμενου η ενσωμάτωση του ΥΑΦ στο πλακίδιο, προς τη συνολική ενέργεια που απαιτείται. Εξετάσθηκαν τρία διαφορετικά είδη πλακιδίων: ένα συμβατικό, ένα που περιέχει 10%κβ ΥΑΦ και ένα με 20%κβ ΥΑΦ πλακίδιο. Στο Σχήμα 5 φαίνεται η δυνατότητα εξοικονόμησης 4

5 ενέργειας κάθ όλη τη διάρκεια του χρόνου, για κάθε είδος πλακιδίου, ενώ στον Πίνακα 1 φαίνεται αριθμητικά η επίδραση της ενσωμάτωσης του ΥΑΦ σε μέσες τιμές. Περαιτέρω ανάλυση της επίδρασης των υλικών αυτών σε σύγχρονες κατοικίες βρίσκεται σε εξέλιξη με χρήση του εμπορικού προγράμματος TRNSYS. Πλακίδιο SSF (χειμερινή περίοδος) % Πλακ.1 (χωρίς) Πλακ.2 (10%) Πλακ.3 (20%) Πίνακας 1. Επίδραση της ενσωμάτωσης του ΥΑΦ σε μέσες τιμές με βάση το λόγο SSF (solar saving fraction). Συμπερασματικά, οι μετρήσεις και οι υπολογισμοί κατέδειξαν τη δυνατότητα χρήσης των ΥΑΦ για εξοικονόμηση ενέργειας στον κτιριακό τομέα. Συγκεκριμένα η εξομάλυνση της ημερήσιας διακύμανσης της θερμοκρασίας καθιστά εφικτή τη μείωση του θερμικού φορτίου που απαιτείται για την ψύξη ή τη θέρμανση τους καλοκαιρινούς ή τους χειμερινούς μήνες, αντίστοιχα. 3. ΠΡΟΛΗΨΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΦΩΤΙΑΣ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ Η φωτιά, η οποία χαρακτηρίζεται από τη μη ελεγχόμενη εξάπλωση ενός μετώπου καύσης, αποτελεί ένα από τα πλέον σύνθετα φαινόμενα, καθώς ενσωματώνει μια μεγάλη ποικιλία φυσικών και χημικών διεργασιών, οι οποίες παρατηρούνται στις πολυφασικές, πολυσυστατικές και αντιδρώσες ροές. Οι διεργασίες αυτές περιλαμβάνουν φαινόμενα καύσης, μεταφοράς ορμής, μάζας και θερμότητας, τα οποία αλληλεπιδρούν συνθέτοντας ένα εξαιρετικά πολύπλοκο φυσικό και χημικό φαινόμενο. Ο εξαιρετικά πολυσύνθετος χαρακτήρας της φωτιάς αποτέλεσε μια από τις αιτίες για τις οποίες καθυστέρησε η διεξοδική επιστημονική έρευνα μέχρι περίπου τη δεκαετία του 1950 (Quintiere, 1998). Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σημαντικά βήματα στη μελέτη τόσο των φαινομένων φωτιάς, όσο και των τρόπων αντιμετώπισής της (πυρασφάλειας). Σε αυτό βοήθησε η ραγδαία εξέλιξη των υπολογιστικών μέσων σε συνδυασμό με την πρόοδο της Υπολογιστικής Ρευστόμηχανικής (ΥΡ). Εντούτοις, φαινόμενα όπως η τύρβη και η καύση αποτελούν προβλήματα τα οποία, ακόμη και σήμερα, δεν είναι δυνατόν να προσομοιωθούν με ακρίβεια. Κατά συνέπεια, η επιτυχής περιγραφή όλων των φυσικών και χημικών φαινομένων τα οποία εμφανίζονται κατά τη διάδοση της φωτιάς και η ενσωμάτωση των αντίστοιχων μοντέλων σε ένα υπολογιστικό εργαλείο, αποτελεί μια εξαιρετικά πολυσύνθετη διαδικασία. Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης ανάμεσα στο μέτωπο της φωτιάς, την κίνηση του καπνού και τη μεταφορά θερμότητας προς τα στερεά τοιχώματα αποτελεί σημαντικό στοιχείο για την πρόληψη και τον έλεγχο της εξάπλωσης μιας φωτιάς σε ένα κλειστό χώρο. Η αλληλεξάρτηση των παραπάνω φαινομένων καθώς και η αλληλεπίδρασή τους με τα υλικά κατασκευής του κελύφους σπάνια λαμβάνεται υπόψη στην πλειονότητα των υπολογιστικών μοντέλων τα οποία είναι διαθέσιμα σήμερα (Cox, 1999, Founti, 2000). Η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων ικανών να περιγράφουν με ακρίβεια τα τρία παραπάνω φαινόμενα αποτελεί μια καινοτομική διαδικασία, η οποία ανήκει στο ερευνητικό πεδίο αιχμής στον τομέα της πυρασφάλειας. Στόχος ενός τέτοιου εργαλείου είναι ο σχεδιασμός κτιρίων μεγαλύτερης ασφάλειας, η ανάπτυξη νέων συστημάτων εντοπισμού της φωτιάς και κατάσβεσής της, καθώς και η δημιουργία νέων υλικών με αυξημένη αντοχή στη φωτιά. Η σύγχρονη τάση για γρήγορη ανέγερση «ελαφρών κατασκευών» με συχνή χρήση εύφλεκτων υλικών (π.χ. πλαστικά) ενισχύει την ανάγκη συνδυασμένης ερευνητικής δραστηριότητας στις περιοχές της παθητικής πυροπροστασίας κτιρίων, της τεχνολογίας κατασκευών, της επιστήμης των υλικών, της τοξικολογίας κ.α. 5

6 Η δυνατότητα του υπολογισμού της θερμοκρασίας μιας επιφάνειας αποτελεί αντικείμενο της έρευνας σε αρκετούς τομείς εφαρμογών. Στον τομέα της πυρασφάλειας ενδιαφέρει η δυνατότητα αποτροπής της διάδοσης της φωτιάς με επιφανειακή εξάπλωση, μέσω της χρήσης κατάλληλων δομικών υλικών, τα οποία επιβραδύνουν ή και παρεμποδίζουν ολοκληρωτικά τη διάδοση της φωτιάς (fire retardants). Επίσης, στον κατασκευαστικό τομέα αναζητούνται αξιόπιστες υπολογιστικές μέθοδοι, οι οποίες να είναι σε θέση να προσδιορίσουν τη θερμοκρασία των δομικών στοιχείων μιας κατασκευής για τον έλεγχο και την εξασφάλιση της αντοχής της στην περίπτωση εκδήλωσης μιας πυρκαγιάς. Στη συνέχεια παρουσιάζονται δυνατότητες που παρέχει η χρήση κωδίκων ΥΡ σε εφαρμογές έναυσης, διάδοσης και κατάσβεσης φωτιάς. Συγκεκριμένα, η προσομοίωση του πολυφασικού, πολυσυστατικού και αντιδρώντος πεδίου ροής, το οποίο αναπτύσσεται σε συνθήκες φωτιάς στο εσωτερικό κελύφους, επιτρέπει τη βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών έναυσης και διάδοσης της φωτιάς, ενώ παρέχει σημαντικές πληροφορίες για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση συστημάτων παθητικής πυροπροστασίας. 3.1 Επίδραση ακτινοβολίας σε φωτιά μέσα σε κλειστό χώρο Για τη διεξοδική μελέτη της σχετικής συνεισφοράς των τριών μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιήθηκε η περίπτωση φωτιάς σε τυπική γεωμετρία δωματίου για την οποία υπάρχουν διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις (Steckler et al., 1982). Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας υπολογιστικής ρευστομηχανικής FDS (έκδοση 4.07). Σχήμα 6. (α) Κατανομή θερμοκρασίας στην πόρτα του δωματίου, (β) Ροή θερμότητας στα τοιχώματα του δωματίου. Στο Σχήμα 6α απεικονίζεται ενδεικτικά η κατανομή της θερμοκρασίας στην πόρτα του δωματίου, για φωτιά ισχύος 62.9kW, η οποία βρίσκεται τοποθετημένη στο κέντρο του δωματίου. Στο σχήμα συγκρίνονται τα υπολογιστικά αποτελέσματα με τις πειραματικές μετρήσεις των Steckler et al. (1982). Παρατηρείται ότι στην περίπτωση που δεν λαμβάνεται υπόψη η ακτινοβολία, η θερμοκρασία στο ανώτερο αέριο στρώμα του δωματίου υπερεκτιμάται κατά περίπου 25%. Αντίθετα, όταν λαμβάνεται υπόψη η ακτινοβολία, βελτιώνεται σημαντικά η συμφωνία μεταξύ των πειραματικών τιμών και των αντίστοιχων προλέξεων. Όσον αφορά την απόδοση των δύο μοντέλων ακτινοβολίας που εξετάσθηκαν δεν παρατηρείται μεγάλη διαφορά στα αποτελέσματά τους. Στο Σχήμα 6β παρουσιάζονται οι θερμικές απώλειες από κάθε τοίχο του δωματίου, με και χωρίς ακτινοβολία. Είναι φανερό ότι ο ρυθμός ροής θερμότητας σε κάθε τοίχωμα αυξάνεται σημαντικά με την ακτινοβολία, ενώ ο συνολικός ρυθμός απώλειας σχεδόν διπλασιάζεται. Κατά συνέπεια, επιβεβαιώνεται η μεγάλη σημασία της προσομοίωσης των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία στην περίπτωση φωτιάς σε κλειστό χώρο. 6

7 3.2 Διάδοση φωτιάς σε τυπικό δωμάτιο Στα πλαίσια διερεύνησης των φαινομένων διάδοσης φωτιάς σε κλειστούς χώρους, εξετάστηκε η περίπτωση φωτιάς σε ένα τυπικό επιπλωμένο δωμάτιο καθιστικού. Στο Σχήμα 7 φαίνεται η γεωμετρία του δωματίου και το σημείο όπου εκδηλώνεται η φωτιά, καθώς και τα σημεία παρακολούθησης της θερμοκρασίας. Οι τοίχοι του δωματίου είναι επενδεδυμένοι με γυψοσανίδα, ενώ τα έπιπλα είναι από ξύλο (έλατο). Σχήμα 7. Γεωμετρία δωματίου και χαρακτηριστικά διάδοση φωτιάς Για την προσομοίωση της φωτιάς χρησιμοποιείται μια σταθερή πηγή θερμότητας 1000kW/m 2 σε επιφάνεια 0.06m 2, η οποία οδηγεί σε συνολική ισχύ φωτιάς 60kW. Το υπολογιστικό πλέγμα που χρησιμοποιήθηκε είναι ομοιόμορφο 52x52x24 κόμβων, ενώ ο χρόνος προσομοίωσης ήταν 15min. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας υπολογιστικής ρευστομηχανικής FDS (έκδοση 4.07). Στο Σχήμα 8 παρουσιάζονται χρονικά στιγμιότυπα της κατανομής του θερμοκρασιακού πεδίου στα τοιχώματα του δωματίου (1min, 3min, 4min και 5min από τη στιγμή της έναυσης). Η συνεχής αύξηση της θερμοκρασίας στις επιφάνειες των τοιχωμάτων με την πάροδο του χρόνου είναι εμφανής. Τα υλικά του δωματίου σταδιακά θερμαίνονται, ώσπου η θερμοκρασία τους φτάσει τη θερμοκρασία ανάφλεξής τους. Στο σημείο αυτό αρχίζουν να καίγονται εκλύοντας πτητικά αέρια, ενώ παρατηρείται περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασία τους, έως την πλήρη καύση τους. Σχήμα 8. Ισοσταθμικές καμπύλες θερμοκρασίας τοιχωμάτων (1min, 3min, 4min, 5min). 7

8 Τα αντικείμενα του δωματίου καίγονται και εκλύουν πτητικά αέρια, τα οποία με τη σειρά τους τροφοδοτούν εκ νέου τη φωτιά, μέχρι να ολοκληρωθεί η καύση. Επιπλέον, λόγω των ανωστικών δυνάμεων, τα θερμά καυσαέρια ανεβαίνουν προς την οροφή, με αποτέλεσμα να παρατηρούνται υψηλότερες θερμοκρασίες στα ανώτερα στρώματα του δωματίου. Τέλος, τα τοιχώματα του δωματίου θερμαίνονται σταδιακά, γεγονός το οποίο παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τις θερμικές τάσεις που αναπτύσσονται σε αυτά και κατ επέκταση στα δομικά στοιχεία της κατασκευής. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Founti, M., Mandilaras, I., Laskaridis, K., Patronis, M., Romero-Sánchez, M.D. & López-Buendía, A. M., Multi-Functional Building Products Based On Natural Stone And PCMs With Stabilised Thermal And Dynamic Load, in Proceedings of the 7 th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning (Dinan Brittany France September ), Association Francaise du Froid, Paris, France (2007) Μανδηλαράς, Ι., Phase Change Energy Storage: Phase Change Materials, Measurements and Applications, Μετατυχιακή Εργασία (υπό την επίβλεψη της Καθ. Μ. Φούντη) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού, Ε.Μ.Π., Αθήνα (2006) Cox, G., Fire Safety Lecture: Fire Research in the 21st Century, Fire Safety Journal, Vol. 32, (1999) Founti, M.A. & Cox, G., Fire Safety: A look in its past and future, in Proceedings of the International Conference on Technology Watch and innovation in the Construction Industry (Brussels Belgium April 5-6, 2000), Brussels, Belgium (2000) Quintiere J.G., 3 rd Asia-Oceania Symp on Fire Science and Technology, Singapore (1998) 3-14 Steckler, K.D., J.G. Quintiere, W. J. Rinkinen, Flow induced by fire in a compartment, National Bureau of Standards NBSIR (1982) 8