Aperture di smaltimento fumo e calore in emergenza: calcolo della quantità di fumo e dei tempi di smaltimento

Nel presente articolo si vuole valutare la quantità di fumo e i tempi di smaltimento delle aperture di smaltimento di fumo e calore d’emergenza’ così come descritte nel Codice di Prevenzione Incendi (Decreto Ministero dell’Interno del 3 agosto 2015, così come modificato dal Decreto Ministero dell’Interno del 18 ottobre 2019) al capitolo S.8 § S.8.5.
Si vuol far vedere inoltre, con degli esempi, come i risultati dipendono dalla posizione delle aperture a parità di superficie totale delle stesse.

A cosa servono le aperture di smaltimento fumo e calore in emergenza

Lo scopo principale di tale aperture è quello di consentire ai soccorritori la visibilità, compromessa dagli effetti dell’incendio (livello di prestazione II).
Lo scopo viene raggiunto diluendo il fumo tramite l’ingresso di aria esterna e contemporaneamente facendone fuoriuscire la stessa quantità.
Questo duplice processo viene svolto dalle aperture di smaltimento in base al principio fisico di conservazione della massa.

La diluizione del fumo

Dobbiamo precisare che cosa caratterizza il fumo nella nostra trattazione. Poiché l’aspetto che consideriamo è la visibilità, il fumo sarà caratterizzato dalla presenza di particolato.

Per concentrazione di fumo “C” si intenderà il rapporto tra la massa del particolato e il volume nell’ambiente in cui dimora.

Ricordiamo come si esprime la visibilità.

Per visibilità di oggetti non retro illuminati (a es. le pareti) la visibilità “V” può essere espressa come il reciproco della densità ottica del fumo “δ” espressa in m-1, risultando perciò

V=1/δ [m]     (1)

Se in un volume U in cui regna una concentrazione C si introduce una certa quantità “N” di aria esterna (priva di fumo) e, si suppone che, non vi sia miscelazione tra l’aria immessa e il fumo,allora, basterebbe un ricambio di un (1) volume per ottenere lo smaltimento di tutto il fumo.

In realtà l’aria esterna e il fumo in ambiente si mescolano e di conseguenza un solo ricambio non è sufficiente a smaltire tutto il fumo.

È stato dimostrato che in tale situazione vale l’equazione

C = C₀∙e^(-αt)    (2)

dove

C₀ è la concentrazione iniziale;
α=Q/U [1/min] è il valore dei “ricambi d’aria”, ossia il rapporto tra la portata d’aria Q [m3/min] e il volume U dell’ambiente [m³];
t è il tempo [min];
C la concentrazione al tempo t.

L’andamento qualitativo della concentrazione C è rappresentato graficamente dalla figura 1

Lo smaltimento del fumo

Consideriamo un locale di dimensione in pianta 5 m x 5 m e di altezza pari a 3 m.
Il carico d’incendio specifico del locale sia di 1200 MJ/m².
Il paragrafo S.8.5 impone una superficie totale di ventilazione di 1/25 della superficie in pianta e quindi di 1 m².
Nulla dice invece sulla posizione delle aperture di ventilazione (*).

Consideriamo due casi.

In entrambi i casi supporremo che la temperatura interna sia di 80 °C (353 K) e quella esterna di 20 °C (293 K).
Le densità saranno rispettivamente rg = 1 kg/m³ e  ra = 1,2kg/m³.

Dobbiamo calcolare la concentrazione iniziale del fumo.

Facciamo le seguenti ipotesi: il combustibile è un misto di materiale cellulosico e plastica con un potere calorifico di 20 MJ/kg e quindi risultano essere presenti 1200/20 = 60 kg/m².

Il combustibile totale è quindi 60 x 25 = 1500 kg

La quantità di combustibile bruciato sia il 30% del totale paria 450 kg.

Dalla letteratura ricaviamo il fattore di conversione del fumo “v” pari al rapporto tra la quantità di fumo prodotto e la quantità di combustibile bruciato. Tale fattore, nella fattispecie, può essere assunto pari a

v = 0,025

La densità otticaδpuò essere espressa come prodotto della densità ottica di massa “δ_m” e della concentrazione di particolato

δ=δ_m  M/U (3)

dove 

• δ è la densità ottica [m^-1];
• δ_m è la densità ottica di massa del combustibile bruciato [m^2/g];
• M è la quantità di particolato [g];
• U il volume dell’ambiente [m³].

Sempre dalla letteratura, per una miscela di combustibile composta da legno e materiale plastico,δ_mpuò essere posto pari a 0,20.
Per una quantità di combustibile bruciato “C_b” pari a  1'350 kg si avrà allora

M =v • C_b= 0,025 x 450 = 11,25 kg = 11250 g

U = 75 m³

δ=δ_m M/U =0,20 11250/75 = 30 [m^-1]

da cui  V=1/δ=0,033[m] = 3,3 cm

La concentrazione iniziale è tale per cui la visibilità è ridotta a 3,3cm!
Per poter portare la visibilità a 3 metri bisogna portare la concentrazione a 1/100 di quella iniziale.

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Si ringrazia la Commissione Prevenzione Incendi dell’Ordine degli Ingegneri di Venezia per la gentile collaborazione.