2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống tạo áp cầu thang

Hệ thống tạo áp cầu thang (Staircase Pressurization System) là một trong những hạng mục quan trọng trong hệ thống thông gió hút khói và phòng cháy chữa cháy của các công trình cao tầng. Mục đích chính của hệ thống là duy trì môi trường không khói trong buồng thang thoát hiểm, đảm bảo lối thoát nạn an toàn cho người sử dụng khi xảy ra sự cố cháy nổ.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa buồng thang thoát hiểm và các khu vực xung quanh bằng cách cấp liên tục một lượng gió tươi từ bên ngoài thông qua quạt tạo áp chuyên dụng. Khi quạt vận hành, áp suất không khí bên trong buồng thang sẽ được duy trì ở mức cao hơn áp suất tại khu vực hành lang, sảnh hoặc tầng đang xảy ra cháy.

Thông thường, áp suất chênh lệch được duy trì trong khoảng từ 40 Pa đến 60 Pa, tùy thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế, chiều cao công trình và đặc điểm sử dụng của tòa nhà. Mức áp suất này đủ để tạo ra dòng không khí chuyển động từ trong buồng thang ra bên ngoài khi cửa được mở, ngăn cản khói và khí độc xâm nhập vào khu vực thoát nạn.

Trong quá trình vận hành thực tế, hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở nhiều trạng thái khác nhau, bao gồm:

• Trạng thái toàn bộ cửa đóng, đây là điều kiện mà hệ thống cần duy trì áp suất thiết kế thông qua việc bù đắp lượng không khí thất thoát qua các khe hở xung quanh cửa, khe kỹ thuật và các vị trí rò rỉ tự nhiên của công trình.
• Trạng thái một hoặc nhiều cửa mở đồng thời, thường xảy ra trong quá trình thoát nạn hoặc lực lượng cứu hỏa tiếp cận hiện trường. Khi đó lưu lượng gió cấp phải đủ lớn để tạo vận tốc dòng khí qua cửa, ngăn khói lan vào buồng thang.
• Trạng thái chuyển tiếp giữa đóng và mở cửa, đây là điều kiện vận hành phức tạp nhất vì áp suất trong hệ thống thay đổi liên tục, đòi hỏi quạt tạo áp và hệ thống điều khiển phải có khả năng phản ứng nhanh nhằm duy trì các thông số thiết kế.

Do đó, việc tính toán chính xác lưu lượng gió và lựa chọn công suất quạt phù hợp đóng vai trò quyết định đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống tạo áp cầu thang.

3. Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống tạo áp cầu thang

Việc thiết kế hệ thống tạo áp cầu thang phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm đảm bảo khả năng ngăn khói hiệu quả, đồng thời không gây khó khăn cho người sử dụng khi mở cửa thoát hiểm.

Một số tiêu chuẩn và quy chuẩn thường được áp dụng trong thiết kế bao gồm:

• BS 5588-2004 (Anh) quy định các yêu cầu về kiểm soát khói, áp suất tạo áp và vận tốc dòng khí trong hệ thống bảo vệ lối thoát nạn của công trình.
• NFPA 92 (Hoa Kỳ) hướng dẫn phương pháp thiết kế hệ thống kiểm soát khói bằng cơ khí, bao gồm tính toán áp suất, lưu lượng gió và mô phỏng sự lan truyền khói.
• QCVN 06:2022/BXD (Việt Nam) quy định các yêu cầu về an toàn cháy cho nhà và công trình, trong đó có yêu cầu đối với hệ thống tăng áp buồng thang thoát hiểm và sảnh đệm.

Theo các tiêu chuẩn trên, hệ thống tạo áp cầu thang cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản như sau:

• Khi tất cả cửa đều đóng, áp suất chênh lệch giữa buồng thang và khu vực bên ngoài phải được duy trì trong khoảng từ 40 Pa đến 60 Pa nhằm ngăn chặn khói xâm nhập nhưng vẫn đảm bảo lực mở cửa nằm trong giới hạn cho phép.
• Khi một hoặc nhiều cửa mở, vận tốc không khí đi qua ô cửa phải đạt tối thiểu từ 1,0 m/s đến 2,0 m/s để hình thành màn chắn khí hiệu quả, ngăn khói và khí nóng lan vào buồng thang.
• Số lượng cửa mở đồng thời trong tính toán thường được giả định từ 2 đến 4 cửa tùy theo chiều cao công trình, số tầng phục vụ và yêu cầu của cơ quan thẩm duyệt phòng cháy chữa cháy.
• Thời gian đáp ứng của hệ thống phải đủ nhanh để duy trì áp suất thiết kế ngay khi nhận tín hiệu báo cháy hoặc khi xảy ra thay đổi trạng thái đóng mở cửa.

Việc lựa chọn các thông số thiết kế cần được cân nhắc kỹ lưỡng để tránh tình trạng áp suất quá cao gây khó khăn cho việc mở cửa thoát hiểm hoặc áp suất quá thấp làm giảm hiệu quả ngăn khói của hệ thống.

4. Các thông số đầu vào trong tính toán thiết kế

Để xác định chính xác lưu lượng gió tạo áp cần thiết cho hệ thống, kỹ sư thiết kế phải thu thập và xác định đầy đủ các thông số đầu vào của công trình.

Các thông số sử dụng trong bảng tính thực tế bao gồm:

• Kích thước cửa đi của buồng thang: rộng 900 mm và cao 2.100 mm, tương đương diện tích thông thủy 1,89 m² cho mỗi cửa.
• Tổng số cửa trong hệ thống: 56 cửa, phân bố tại các tầng của tòa nhà và kết nối giữa buồng thang với hành lang hoặc sảnh đệm.
• Số cửa mở đồng thời giả định: 4 cửa, đây là điều kiện bất lợi thường được sử dụng để tính toán lưu lượng gió lớn nhất của hệ thống.
• Hệ số diện tích rò rỉ qua khe cửa (Ae): 0,010 m², đại diện cho tổng diện tích khe hở xung quanh cửa khi ở trạng thái đóng.
• Áp suất chênh lệch thiết kế (ΔP): 50 Pa, nằm trong khoảng yêu cầu của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
• Vận tốc gió yêu cầu qua cửa mở (v): 1,5 m/s nhằm đảm bảo khả năng ngăn khói hiệu quả trong điều kiện cháy.

Những thông số này là cơ sở để xác định lưu lượng gió cần cấp cho cả hai trường hợp cửa đóng và cửa mở, từ đó lựa chọn quạt tăng áp phù hợp.

5. Phương pháp tính toán lưu lượng gió khi cửa đóng (Q₁)

Trong điều kiện toàn bộ hoặc phần lớn cửa của buồng thang ở trạng thái đóng, lượng không khí cấp vào hệ thống chủ yếu bị thất thoát thông qua các khe hở quanh cửa, khe kết cấu và các vị trí rò rỉ tự nhiên khác của công trình.

Để duy trì được áp suất chênh lệch yêu cầu, hệ thống cần cung cấp một lượng gió đủ để bù đắp phần thất thoát này.

Công thức tính lưu lượng rò rỉ

Q1=(m−n)×0.827×Ae×ΔP​

Trong đó:

• Q₁: Lưu lượng gió rò rỉ qua các cửa đóng (m³/s).
• m: Tổng số cửa của hệ thống.
• n: Số cửa mở đồng thời.
• Aₑ: Diện tích khe hở quy đổi của một cửa (m²).
• ΔP: Áp suất chênh lệch thiết kế (Pa).

Thay số vào công thức

Tổng số cửa: m=56m = 56m=56

Số cửa mở đồng thời: n=4n = 4n=4

Số cửa đóng: m−n=52m – n = 52m−n=52

Diện tích khe hở: Ae=0.010  m2

Áp suất chênh lệch: ΔP=50  Pa

Khi thay các giá trị vào công thức: Q1=(56−4)×0.827×0.010×50​

Kết quả: Q1=3.041  m3/sQ_1 = 3.041 \; m^3/sQ1​=3.041m3/s

Hay quy đổi sang đơn vị m³/h: Q1=3.041×3600=10,948  m3/h

Giá trị này thể hiện lưu lượng gió tối thiểu cần thiết để duy trì áp suất tạo áp trong trường hợp hầu hết các cửa đều đóng.

6. Phương pháp tính toán lưu lượng gió khi cửa mở (Q₂)

Khi xảy ra cháy và có người di chuyển qua các cửa thoát hiểm, hệ thống phải đảm bảo tạo ra vận tốc gió đủ lớn tại các cửa đang mở nhằm ngăn khói lan vào buồng thang.

Đây thường là trường hợp quyết định công suất quạt tạo áp vì yêu cầu lưu lượng gió lớn hơn rất nhiều so với trạng thái cửa đóng.

Công thức tính lưu lượng qua cửa mở

Q2=n×v×F. Trong đó:

• Q₂: Lưu lượng gió qua các cửa mở (m³/s).
• n: Số cửa mở đồng thời.
• v: Vận tốc gió yêu cầu qua cửa (m/s).
• F: Diện tích thông thủy của một cửa (m²).

Tính diện tích cửa

Chiều rộng cửa: B=0.9m

Chiều cao cửa: H=2.1m

Diện tích cửa: F=B×H=0.9×2.1F =1.89m2

Thay số vào công thức

Số cửa mở đồng thời: n=4

Vận tốc gió yêu cầu: v=1.5  m/s

Do đó:

$$=4\times 1.5\times 1.89$$

Kết quả: Q2=11.34  m3/s

Quy đổi sang đơn vị m³/h: Q2=11.34×3600=40,824m3/h

Giá trị Q₂ lớn hơn đáng kể so với Q₁, cho thấy lưu lượng yêu cầu trong điều kiện cửa mở là yếu tố chi phối chính khi thiết kế hệ thống tạo áp cầu thang. Vì vậy, trong đa số dự án thực tế, công suất quạt tăng áp sẽ được lựa chọn dựa trên trường hợp cửa mở kết hợp với các hệ số dự phòng và tổn thất áp suất của toàn hệ thống đường ống gió.