Probabilistische Bewertung von Entrauchungsanlagen

Wesseling, Mark Thomas; Müller, Dirk; Kriegel, Martin

doi:40273

Probabilistische Bewertung von Entrauchungsanlagen = Probabilistic evaluation of smoke extraction systems

Wesseling, Mark Thomas^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeMark Wesseling Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-948234-01-0

ReiheEBC, Energy efficient buildings and indoor climate ; 87

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Kriegel, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03977
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817507/files/817507.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Auslegung (frei) ; Entrauchung (frei) ; MRA (frei) ; Monte-Carlo-Simulation (frei) ; NRA (frei) ; Rauchfreihaltung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Weltweit gibt es sehr viele Todesfälle durch Brände in Gebäuden, die häufig durch den dabei entstehenden Rauch verursacht werden. Dieser stellt dabei nicht nur ein Atemgift dar, er verringert zusätzlich die Sichtweite und erschwert somit aus dem Gebäude flüchtenden Personen die Orientierung. Um den Rauch im Brandfall aus dem Gebäude abzuführen, können Rauch- und Wärmeabzugsanlagenverwendet werden. Zu diesen zählen insbesondere die natürlichen Rauchabzugsanlagen (NRA), die das Rauchgas aufgrund des hydrostatischen Drucks durch Dachöffnungen abtransportieren, und die maschinellen Rauchabzugsanlagen (MRA), die durch Ventilatoren betrieben werden. Die Leistungsfähigkeit der Anlagen ist von verschiedenen Randbedingungen abhängig, die – wie beispielsweise das Wetter – kaum vorhersagbar sind und einer großen Streuung unterliegen. Trotz dieser Abhängigkeit wird die Unsicherheit der Randbedingungen im Planungsprozess nach aktuellem Stand der Technik nicht hinreichend berücksichtigt. Zur Schließung dieser Lücke im Planungsprozess wird mit der vorliegenden Arbeit ein neues simulatives Verfahren vorgestellt, das die Randbedingungen und deren realitätsnahe Streuung bei der Berechnung von Leistungskriterien berücksichtigt. Hierzu wird ein Strömungssimulationsmodell für den CFD-Code Fire Dynamics Simulator (FDS) erstellt und mit der Monte-Carlo-Methode gekoppelt. Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse zeigt, dass unterschiedliche Parameter zur Beschreibung des Wetters sowie des Brandherds einen besonders großen Einfluss auf die Leistungskriterien haben. Aus diesem Grund werden im probabilistischen Simulationsmodell die Windgeschwindigkeit und -richtung sowie die Außentemperatur, die maximale Brandleistung, der Brandentwicklungsfaktor, die Rußausbeute und die Position des Brandherds mit entsprechenden Verteilungsfunktionen implementiert. Um den Wind bei akzeptablen Rechenzeiten berücksichtigen zu können, wird im Modell eine Entkopplung der Umgebungssimulation von der Innenraumströmung angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Monte-Carlo-Simulation mit 1 000 Parameterkombinationen für eine einfache Gebäudegeometrie mit quadratischer Grundfläche angewendet. Für jede Parameterkombination wird jeweils eine Simulation mit NRA und MRA als Rauchfreihaltungsmaßnahme durchgeführt. Die Simulationen stellen nicht nur einen ersten Anwendungsfall für das Berechnungstool dar, sondern lassen auch einen Vergleich der Personensicherheit zwischen NRA und MRA zu. Zur Ermittlung dieser wird der Anteil der Simulationen bestimmt, bei denen die gewählten Leistungskriterien erfüllt sind. Dieser Wert stellt eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit dar, mit der Personen im Brandfall überleben können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Personensicherheit im Innenraum in den ersten sechs Minuten nach Brandbeginn bei MRA im Vergleich zu NRA größer ist. Während zwei Minuten nach Brandbeginn bei MRA noch mit einer Wahrscheinlichkeit von 100 % von sicheren Bedingungen ausgegangen werden kann, liegt diese bei NRA bei 80 %. Erst ab der siebten Minute führen die gewählten Parametergrenzen zu gleichen Bedingungen bei NRA und MRA, bei denen in 50 % der Fälle von einem sicheren Zustand ausgegangen werden kann.

There are many deaths worldwide from fires in buildings, often caused by the resulting smoke. Smoke is not only a respiratory poison; it also reduces visibility and thus prevents people from finding their way out of the building. Smoke and heat exhaust systems can be used to remove smoke from the building in the event of a fire. These include the natural smoke extraction systems (NSE), which transport the smoke through roof openings using hydrostatic pressure, and the mechanical smoke extraction systems (MSE), which are operated by fans. The performance of the systems depends on many boundary conditions. These are hardly predictable and subject to large fluctuations, such as the weather. According to the current state of the art, despite the importance of the boundary conditions, their unstable nature is not sufficiently considered in the building planning process. To close this gap in the process, this thesis presents a new simulative approach that considers the boundary conditions and their realistic variations in the calculation of performance criteria. For this purpose, a flow simulation model for the CFD code Fire Dynamics Simulator (FDS) is created and coupled with the Monte Carlo method. The performed sensitivity analysis indicates that different parameters for the description of the weather and the source of the fire have a particularly large influence on the performance criteria. The probabilistic simulation model therefore includes the wind speed and direction as well as the ambient temperature, the maximum heat release rate, the fire development factor, the soot yield and the position of the fire source with corresponding distribution functions. To consider the wind at acceptable calculation times, this model applies a decoupling of the environmental simulation from the interior flow. This thesis performs a Monte Carlo simulation with 1 000 parameter combinations for a simple building geometry with a square base area. Two simulations, testing the smoke control performance of NSE and MSE respectively, are carried out for each parameter combination. The simulations are not only an initial application for the calculation tool but also a comparison between NSE and MSE to determine the personal safety provided by each. In the first six minutes after the start of the fire, the personal safety in the interior is greater with MSE as compared to NSE. Two minutes after the start of a fire, there is still 100% probability of safe conditions for people with MSE; for those with NSE, it is just 80%. After the seventh minute, the selected parameter limits confirm equal conditions for NSE and MSE, in which a safe condition can be assumed in 50% of the cases.

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