W dużych miastach, gdzie trudno o przestrzeń, a cena metra kwadratowego gruntu jest wysoka, coraz trudniej znaleźć jakąkolwiek powierzchnię parkingową. Samochodów wciąż przybywa, a ilość wolnej przestrzeni w miastach kurczy się. Z tego powodu tworzone są parkingi zamknięte wkomponowane w bryłę budynku (biurowego, handlowego czy też mieszkalnego) oraz niezależne parkingi podziemne – na przykład pod placami miejskimi i stadionami. Osoby przebywające w takich obiektach muszą być bezpieczne. Służy temu między innymi detekcja szkodliwych i niebezpiecznych gazów, których emiterami są samochody.
Fot. 1. Zestaw do detekcji gazów CO i LPG wraz z tablicą sygnalizacyjną (detektor CO z wyjściem przekaźnikowym, głowica pomiarowa do pomiaru stężenia LPG, tablica sygnalizacyjna)
W procesie spalania paliw w silnikach samochodowych wydzielają się dwutlenek i tlenek węgla, para wodna, LZO (lotne związki organiczne), WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), cząstki stałe, tlenki azotu i siarki. Innym zagrożeniem jest mieszanka gazów LPG, która może wydostać się z nieszczelnych lub uszkodzonych instalacji samochodowych. Zadaniem systemu detekcji jest szybkie wykrycie nadmiaru tych substancji w powietrzu i – w połączeniu z systemem wentylacji – utrzymanie bezpiecznego stężenia gazów toksycznych bądź niebezpiecznych w garażu podczas jego eksploatacji.
Fot. 2. Detektor tlenku węgla z wyjściem przekaźnikowym
Za największe zagrożenie w garażach przyjmuje się nagromadzenie nadmiaru tlenku węgla w powietrzu. Wynika to z jego toksycznego, szybkiego oraz ukrytego oddziaływania na organizmy żywe. Jest to gaz toksyczny, bezwonny. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. (Dz.U nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, w garażach zamkniętych, w których jest więcej niż dziesięć stanowisk postojowych, należy stosować wentylację mechaniczną sterowaną za pomocą czujników wykrywających niedopuszczalne stężenie tlenku węgla.
W garażach, w których poziom podłogi znajduje się poniżej poziomu terenu i w których dopuszczalne jest parkowanie samochodów zasilanych LPG, należy stosować wentylację mechaniczną sterowaną za pomocą czujników wykrywających niedopuszczalne stężenie mieszaniny propan-butan. Pary LPG są łatwopalne. Granice wybuchowości tej mieszaniny gazów to przedział od 2% do 10% (dolna i górna granica wybuchowości). Jej charakterystyczny zapach wyczuwamy bardzo szybko. W związku z tym nawet niewielka jej ilość, która nie stwarza zagrożenia wybuchem, może zaniepokoić użytkowników parkingu. O możliwości lub zakazie parkowania samochodów zasilanych LPG decydują właściciele lub zarządcy (przy wjazdach zamieszczana jest stosowna informacja). Niektórzy wprowadzają zakaz, gdyż obawiają się zagrożenia, lub obniżają do minimum koszty wyposażenia oraz eksploatacji garażu. W nowoczesnych i bezpiecznych garażach powinno być możliwe wykrycie przekroczenia dopuszczalnego stężenia propanu-butanu w powietrzu, gdyż ponad 15% (ponad trzy miliony) samochodów jeżdżących w Polsce jest wyposażonych w instalację gazową. Rocznie w Polsce przybywa średnio około 100–150 tys. pojazdów z taką instalacją i nic nie wskazuje na zmianę tej tendencji w najbliższym czasie (źródło: http://www.biznes.newseria.pl).
Gęstość tlenku węgla jest tylko nieco mniejsza niż gęstość powietrza, dlatego początkowo gromadzi się on w górnej części garażu, jednak później szybko miesza się z powietrzem i wypełnia całą przestrzeń. Oznacza to, że detektory tlenku węgla powinny być umieszczane na wysokości od 1,6 do 1,8 m od posadzki (w strefie przebywania ludzi). Takie rozwiązanie wydaje się najrozsądniejsze z punktu widzenia bezpieczeństwa.
Fot. 3. Głowica pomiarowa do pomiaru stężenia propanu-butanu
Gęstość LPG (w fazie gazowej) jest dwukrotnie większa niż gęstość powietrza, dlatego gromadzi się on przy ziemi, spływa do zagłębień i wypełnia najniższe kondygnacje. Aby zwiększyć wykrywalność LPG i móc zmierzyć jego rzeczywiste stężenie, czujniki należy montować w pobliżu posadzki. Zazwyczaj montuje się detektory LPG ok. 30 cm nad podłogą. Nie jest to najlepsze rozwiązanie. Z badań przeprowadzanych przez naszą firmę wspólnie z Politechniką Łódzką wynika, że różnice stężeń propanu-butanu na wysokościach 10 i 30 cm od podłogi znacznie się różnią (nawet kilkukrotnie). Prawdopodobieństwo wykrycia wycieku propanu-butanu przez czujnik umieszczony na wysokości 10 cm od podłogi wynosi 90–100% (w promieniu 9 m od źródła wycieku), natomiast 30 cm nad podłogą wykrywalność jest o 40–60% niższa.
Rozkład stężeń gazów powstających ze spalin jest zmienny w czasie i zależy w dużej mierze od funkcji obiektu budowlanego, natężenia ruchu oraz przewidywanego ruchu pojazdów mechanicznych. Inny rozkład będzie w budynkach mieszkalnych i biurowych, gdzie najsilniej wpłynie funkcja obiektu, a inny w galeriach handlowych, w których o rozkładzie stężeń będzie decydować typ galerii i układ konstrukcyjny obiektu powiązany z wykorzystaniem parkingu. Nie bez znaczenia jest również sama konstrukcja obiektu – należy wziąć pod uwagę dostępność wejść i sposób zabudowy parkingów (które mogą być częściowo otwarte). W wielu przypadkach dokonuje się okresowej wentylacji parkingów i garaży. Wentylacja jest sposobem na usunięcie nadmiaru ciepła z miejsc w parkingach i garażach, w których często instalowane są skraplacze urządzeń chłodniczych, a przewietrzanie garaży ma na celu usunięcie lotnych związków organicznych, ale bez dodatkowego ograniczenia w postaci detektorów zapewniających optymalizację sterowania w ustalonych przedziałach czasowych, w zależności od potrzeb, koszty eksploatacji są nadmierne. Można tego uniknąć, stosując kompleksowy system detekcji obejmujący pomiar nie tylko stężeń tlenku węgla i LPG, ale także LZO czy temperatury.
Fot. 4. Detektor tlenku węgla komunikujący się przez MODBUS
Podejście wykonawcy często mija się z oczekiwaniami inwestora, który chciałby mieć instalację poprawną technicznie, a jednocześnie tanią w eksploatacji.
Na rynku panuje dowolność ustalania progów alarmowych odpowiadających różnym stężeniom tlenku węgla. Dolny próg waha się w granicach od 10 do 40 ppm. Takie podejście jest sprzeczne z zapisami normy PN-EN 50545-1 Elektryczne przyrządy do wykrywania i pomiaru gazów toksycznych i palnych w garażach oraz tunelach, cz.1, według której za bezpieczne i jednocześnie uzasadnione ekonomicznie przyjmuje się wysokości progów alarmowych w detektorach tlenku węgla na poziomie 30, 60 i 150 ppm, przy czym dla dwóch pierwszych progów alarmowych jest to pomiar średniej ważonej 15-minutowej, a w przypadku trzeciego progu (150 ppm) jest to pomiar średniej ważonej 1-minutowej. Występujące w tak krótkim czasie stężenia 30 czy 150 ppm są o wiele mniejsze niż te, które powodują bezpośrednie zagrożenia naszego zdrowia i życia. Nieprzekraczalne stężenia tlenku węgla, podane w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 23 czerwca 2014 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. nr 817 z 2014 r.), to 23 mg/m3 (ok. 20 ppm) – najwyższe dopuszczalne stężenie – i 117 mg/m3 (ok. 102 ppm) – najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (15-minutowe).
Fot. 5. Detektor LPG komunikujący się przez MODBUS
Podane przez ustawodawcę progi – określające również metodologię pomiaru gazów w parkingach i garażach dla podanych progów 30, 60 i 150 ppm – powinny określać 15-minutowy i 1-minutowy pomiar średnioważony dla trzeciego progu alarmowego. Takie ustawienie progów alarmowych zapewnia optymalne ustawienie wykrywania stężeń tlenku węgla na poziomie bezpiecznym, a jednocześnie zapewnia ekonomiczną pracę instalacji wentylacyjnej bez zbyt częstych uruchomień wentylatorów. Czy to znaczy, że instalacja wentylacji mechanicznej powinna być sterowana trójstopniowo? Oczywiście można założyć algorytm trójstopniowego sterowania takimi wentylatorami, jednak o ile w przypadku kanałowej wentylacji mechanicznej sterowanie trzystopniowe ogranicza się jedynie do wentylatorów wyciągowych, w przypadku wentylacji bezkanałowej sterowanie powinno objąć również wentylatory typu jet, co jest trudne techniczne, jeżeli pełnią one również funkcję wentylatorów pożarowych (na rynku brakuje trzybiegowych wentylatorów strumieniowych). W tym przypadku optymalnym z ekonomicznego i technicznego punktu widzenia rozwiązaniem wydaje się być uruchomienie wentylacji z niższą wydajnością po przekroczeniu pierwszego progu alarmowego, a po przekroczeniu drugiego stopnia – uruchomienie instalacji z wyższą wydajnością. Trzeci próg alarmowy informuje o szybkim przyroście stężenia miejscowego w danej sekcji dozorowej, a w takim przypadku wentylacja mechaniczna powinna zostać uruchomiona z maksymalną wydajnością. A co z tablicami sygnalizacyjnymi, tak często stosowanymi na naszych parkingach? Wyświetlanie na nich ostrzeżeń bezpośrednio po przekroczeniu progów alarmowych nie oznacza jeszcze stężenia zagrażającego osobom przebywającym w parkingu lub w garażu. Ich uruchomienie po przekroczeniu pierwszego czy drugiego poziomu alarmowego jest niecelowe, bo te poziomy nie oznaczają przekroczenia progów NDS czy NDSCh. Tablice te powinny być uruchamiane po przekroczeniu trzeciego progu alarmowego i po czasie trwania alarmu przekraczającym około pięć minut, jeśli wentylacja mechaniczna nie jest w stanie w tym czasie usunąć nadmiernej ilości gazów.
Niestety zapisy normy PN-EN50545 są sprzeczne z poziomem NDS określonym przez ustawodawcę, gdyż sygnalizacja przekroczenia pierwszego progu stężenia jest uruchamiana dopiero po wykryciu 30 ppm podczas pomiarów 15-minutowych. Co zatem w przypadku, gdy stężenie utrzymuje się na poziomie 22 ppm? Przy założeniu, że ludzie przebywają na parkingu lub w garażu przez osiem godzin (tutaj garaż jest traktowany jako miejsce pracy), próg NDS może zostać przekroczony (jeśli nie bierzemy pod uwagę pracującej wentylacji i przerw śniadaniowych lub obiadowych pracowników). Wprawdzie te rozważania maja charakter czysto teoretyczny, ale należy zastanowić się, czy w obiektach, w których ludzie mogą przebywać dłużej, nie należałoby dokonać obliczeń CFD, co umożliwi ocenę rozkładu stężeń dla powierzchni objętych systemem detekcji CO.
Instalatorzy często pytają, jak należy sprawdzać detektory. Dotychczas dostępne na rynku detektory nie mogły być sprawdzane w sposób unormowany. Producent mógł na przykład założyć, że tlenek węgla z nadpalonego materiału powinien być wykryty szybko. Jeśli postąpimy zgodnie z normą dotyczącą pomiaru, spowodujemy uruchomienie instalacji wentylacji tuż po przekroczeniu progu alarmowego, co jest nieprawidłowe i nieekonomiczne. Oczywiście test wykonany przy inspektorach nadzoru zawsze wypadnie pozytywnie. Niestety inwestor nie uświadamia sobie, jak w trakcie późniejszej eksploatacji wykonywane są pomiary, dlatego sposób pracy jego instalacji jest nieekonomiczny. Zgodnie z postanowieniami wspomnianej wyżej normy należy doprowadzić do przekroczenia trzeciego progu alarmowego poprzez zagazowanie czujnika pomiarowego przez ponad jedną minutę gazem o stężeniu wyższym niż 150 ppm. Można to zrobić za pomocą gazu testowego i ten sposób testowania zalecamy.
Fot. 6. Zestaw do detekcji CO i LPG, moduł sterujący oraz tablica sygnalizacyjna (detektory CO i LPG komunikujące się przez MODBUS, tablica pomiarowa)
Nieco inaczej jest w przypadku LPG. W Polsce stosuje się najczęściej dwuprogowe detektory LPG – progi to 10% i 20% DGW (dolna granica wybuchowości). Pary LPG są łatwopalne. Granice wybuchowości tego gazu to przedział od 2% (dolna granica wybuchowości) do10% (górna granica wybuchowości). Przeprowadzone przez nas badania wykazały, że nawet niewielki wyciek LPG doprowadzi do tego, że stężenie mieszaniny (w pobliżu źródła wycieku) przekroczy dolną granicę wybuchowości w kilkadziesiąt sekund.
Z naszych badań wynika, że można z powodzeniem stosować detektory jednoprogowe, z progiem alarmowym na poziomie 5–10% DGW, i jednocześnie ustawić wentylację w taki sposób, by od razu miała większą wydajność. Szybko pozbędziemy się zapachu gazu, a w przypadku większego wycieku, (którego nie jesteśmy w stanie wykluczyć) gaz zostanie szybko rozrzedzony i nie będzie stwarzać zagrożenia.
Wszelkie inne próby podziału detekcji na kilka progów alarmowych dla LPG mijają się z celem ze względu na specyfikę tej mieszaniny i jej rozprzestrzenianie się w pomieszczeniu. Zastosowanie dwóch progów detekcji spowoduje w konsekwencji przekroczenie od razu drugiego progu bezpośrednio w pobliżu źródła. W takim przypadku wentylacja nigdy nie zadziała z mniejszą wydajnością. Sam sposób pomiaru nie jest bez znaczenia. Zgodnie z naszymi symulacjami i badaniami zastosowanie jednominutowych pomiarów średnioważonych i długo trwających filtracji nie może wchodzić w rachubę, ponieważ zawsze obniży szybkość detekcji.
Badania, na które się powołujemy, zostały przeprowadzone przez naszą firmę w 2014 r., wspólnie z Politechniką Łódzką, i opisane w numerze 4/2015 Rynku Instalacyjnego – w artykule Doroty Brzezińskiej zatytułowanym LPG w garażach podziemnych.
mgr inż. Iwona Żupańska
członek zarządu Hekato Electronics
HEKATO Electronics Sp. z o.o.
ul. Robotnicza 4, 53-608 Wrocław
www.hekato.pl