Wymagania dotyczące wentylacji pomieszczeń z akumulatorami stosowanymi w układach zasilania gwarantowanego
![Rys. 1. Zasada powstawania wybuchu lub pożaru [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202002/instalacje-elektryczne-w-pomieszczeniach-zagrozonych-wybuchem.jpg)
Rys. 1. Zasada powstawania wybuchu lub pożaru [9]
Zgromadzenie dużej liczby baterii akumulatorów stanowiących zasobnik energii zasilacza UPS może stwarzać zagrożenie wybuchowe za sprawą wydzielającego się z nich wodoru. Podczas ładowania oraz rozładowywania każdy akumulator, bez względu na swoją budowę, wydziela mniejsze lub większe ilości wodoru, który tworzy z powietrzem mieszaninę. Po przekroczeniu określonego stężenia mieszanina wodoru z powietrzem uzyskuje właściwości wybuchowe.
Zobacz także
Michał Przybylski, Starszy Inżynier Wsparcia Technicznego EVER Sp. z o.o., EVER Sp. z o.o. Ekspert radzi: Dodatkowe funkcjonalności UPS-ów a realne oszczędności finansowe
Układy zasilania gwarantowanego (UPS) w wielu sytuacjach są ważnymi elementami systemu zasilania, pozwalającymi uzyskać prawidłowe funkcjonowanie zabezpieczanych odbiorników. Bardzo ważnym elementem w...
Układy zasilania gwarantowanego (UPS) w wielu sytuacjach są ważnymi elementami systemu zasilania, pozwalającymi uzyskać prawidłowe funkcjonowanie zabezpieczanych odbiorników. Bardzo ważnym elementem w jego funkcjonowaniu jest zapewnienie ciągłości oraz prawidłowych parametrów zasilania elektrycznego, czyli dostarczenie energii o właściwej jakości. Oprócz podstawowego zadania, jakim jest podtrzymanie zasilania podczas zaników napięcia sieciowego oraz bieżącej poprawy jakości zasilania i filtracji...
Michał Przybylski, Starszy Inżynier Wsparcia Technicznego EVER Sp. z o.o., EVER Sp. z o.o. Ekspert radzi: Kryteria doboru UPS-a
W dzisiejszych czasach, przy wszechobecnej elektronice, dość istotne jest zabezpieczenie się przed nagłymi i niekontrolowanymi przerwami w dostawach prądu, które mogą sparaliżować nasze codzienne życie,...
W dzisiejszych czasach, przy wszechobecnej elektronice, dość istotne jest zabezpieczenie się przed nagłymi i niekontrolowanymi przerwami w dostawach prądu, które mogą sparaliżować nasze codzienne życie, oraz ich skutkami w postaci uszkodzenia posiadanego sprzętu elektronicznego. Najbardziej zalecanym sposobem zapewnienia poprawności zasilania urządzeń wrażliwych jest zastosowanie systemów zasilania gwarantowanego UPS.
Michał Przybylski, Starszy Inżynier Wsparcia Technicznego EVER Sp. z o.o., EVER Sp. z o.o. UPS-y do podtrzymania zasilania automatyki kotłów c.o.
Z roku na rok coraz większa liczba konsumentów zmaga się zimą z okresowymi zakłóceniami lub przerwami w dostawie prądu. Szczególnie dla mieszkańców terenów podmiejskich i wiejskich posiadających inteligentne...
Z roku na rok coraz większa liczba konsumentów zmaga się zimą z okresowymi zakłóceniami lub przerwami w dostawie prądu. Szczególnie dla mieszkańców terenów podmiejskich i wiejskich posiadających inteligentne domy lub piece c.o. to uciążliwy problem. Jak się uchronić przed tego typu zdarzeniami?
Ilość wydzielanego wodoru zależy od typu baterii oraz wartości prądu ładowania lub rozładowania. Wbrew powszechnym opiniom, że baterie z zaworem VRLA są bateriami bezobsługowymi, wydzielają one również wodór, który w określonych warunkach może tworzyć z powietrzem mieszaninę wybuchową. Do zainicjowania wybuchu tej mieszaniny wymagane jest dostarczenie określonej energii.
Wybuch to gwałtowna reakcja utleniania lub rozkładu, wywołująca wzrost temperatury lub ciśnienia. Zjawisko zobrazowano na rysunku 1. Może on powstać w określonych warunkach, a dokładnie wtedy, gdy stężenie składnika palnego znajduje się w ściśle określonym przedziale. Przedział ten nazywamy granicą wybuchowości. Poza tymi granicami stężenia składników palnych w mieszaninie z utleniaczem zapłon mieszaniny nie nastąpi nawet wtedy, jeśli źródło zapłonu będzie miało nieskończenie wielką energię. Wyznaczając granicę, w której może nastąpić wybuch, operujemy pojęciem dolnej i górnej granicy wybuchowości.
Dolna granica wybuchowości (DGW) jest to najniższe stężenie paliwa w mieszaninie palnej, poniżej której nie jest możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych warunkach badania.
Górna granica wybuchowości (GGW) jest to najwyższe stężenie paliwa w mieszaninie palnej, powyżej której nie jest możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych warunkach badania.
Samo stężenie składnika palnego w określonym przedziale wybuchowości nie powoduje wybuchu. Do powstania wybuchu potrzebna jest jeszcze pewna energia, której inicjatorami mogą być takie czynniki jak iskry powstałe podczas pracy urządzeń i instalacji elektrycznych, elementy instalacji rozgrzane do niebezpiecznie wysokiej temperatury, wyładowania atmosferyczne i elektrostatyczne. Energia ta zwana jest minimalną energią zapłonu Emin i definiowana jako najmniejsza energia kondensatora w obwodzie elektrycznym, którego wyładowanie powoduje zapłon mieszaniny i rozprzestrzenianie się płomienia w określonych warunkach badania. Dla gazów i par minimalną energię zapłonu oznacza się dla składników stechiometrycznych, zaś dla pyłów – dla mieszanin bogatych w paliwo (powyżej składu stechiometrycznego) są to warunki optymalne pod względem składu mieszaniny.
Wartość minimalnej energii zapłonu jest parametrem, który pozwala na ocenę zagrożenia wybuchem pochodzącego od istniejących w rozpatrywanym obszarze źródeł, takich jak iskry elektryczne, elektrostatyczne, iskry pochodzące od pojemnościowych lub indukcyjnych obwodów elektrycznych, a także iskry mechaniczne. Zależność energii zapłonowej od składu mieszaniny wodoru z powietrzem przedstawia rysunek 2. Przy stężeniu przekraczającym 4,1% wodoru w powietrzu do wybuchu wystarczy energia o wartości zaledwie 0,19 mJ. Jest to bardzo mała energia, która może powstać przy iskrzeniu powstającym przy tarciu lub wskutek przepływu ładunku elektrostatycznego.
Klasyfikacja przestrzeni zagrożonych wybuchem
Ocena zagrożenia wybuchem obejmuje wskazanie pomieszczeń zagrożonych wybuchem, wyznaczenie w pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych odpowiednich stref zagrożenia wybuchem oraz wskazanie czynników mogących w nich zainicjować zapłon.
Ocenę zagrożenia wybuchem należy przeprowadzić komisyjnie zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719) [1].
Ocena zagrożenia oraz wyznaczenie stref zagrożenia wybuchem mają decydujące znaczenie dla bezpieczeństwa funkcjonowania obiektu, kosztu inwestycji i eksploatacji danej inwestycji. Ma również wpływ na rodzaj przyjętych rozwiązań: instalacji i urządzeń elektrycznych, ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, wentylacji, wielkości powierzchni odciążających itp. Zasięg stref zagrożonych wybuchem zależy od:
- parametrów czynnika (źródła emisji) powodującego zagrożenie (DGW, emisyjność, geometria, lotność, stężenie itp.),
- warunków otoczenia (temperatura, wentylacja, ciśnienie itp.),
- przeszkody, zapory, ściany, sufitu, podłogi, które mogą ograniczyć zasięg strefy,
- gęstości względnej pary/gazu (wpływa na kierunek przemieszczania).
W pomieszczeniach należy wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem, jeżeli może w nim wystąpić mieszanina wybuchowa o objętości co najmniej 0,01 m3 w zawartej przestrzeni.
Pomieszczenie, w którym może wytworzyć się mieszanina wybuchowa, powstała z wydzielającej się takiej ilości palnych gazów, par, mgieł lub pyłów, której wybuch mógłby spowodować przyrost ciśnienia w tym pomieszczeniu przekraczający 5 kPa, określa się jako pomieszczenie zagrożone wybuchem [1].
Strefa zagrożenia wybuchem – to przestrzeń, w której może występować mieszanina substancji palnych z powietrzem lub innymi gazami utleniającymi, o stężeniu zawartym między dolną a górną granicą wybuchowości. Zgodnie z PN-EN 1127-1:2001 Atmosfery wybuchowe. Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Pojęcia podstawowe i metodologia [2] strefy zagrożone wybuchem dzielimy na:
- strefę 0 – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem występuje stale, w długim czasie lub często,
- strefę 1. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem może wystąpić w trakcie normalnego działania,
- strefę 2. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa tylko przez krótki okres,
- strefę 20. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa w postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu występuje stale, w długim czasie lub często,
- strefę 21. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa w postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu może czasami wystąpić w trakcie normalnego działania,
- strefę 22. – przestrzeń lub pomieszczenie, w którym atmosfera wybuchowa w postaci chmury palnego pyłu w powietrzu nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa przez krótki odcinek czasu.
Zagrożenie wybuchowe od wodoru wydzielanego podczas ładowania akumulatorów
Podczas ładowania akumulatorów (baterii) powstaje stały rozkład wody zawartej w baterii, związany z napięciem generacji wodoru wynoszącym około 1,23 V. Rozkład ten powstaje w każdej baterii i jest powodem wydzielania się wodoru do otaczającego powietrza (nawet w baterii zamkniętej nie występuje 100% rekombinacja). Bateria zamknięta z zaworem VRLA nie jest w rzeczywistości hermetyczna czy szczelna, gdyż część gazów powstających w ich wnętrzu po osiągnięciu określonego ciśnienia opuszcza poprzez zawór wnętrze akumulatora. Wydostająca się z nich w normalnych warunkach ilość wodoru jest niewielka.
Jednak w warunkach zakłóconych lub niewłaściwej eksploatacji nie można wykluczyć wydostawania się z nich większej ilości wodoru. Z uwagi na zagrożenie wybuchem, jakie stwarza wodór, w przypadku eksploatacji baterii dowolnego typu konieczne jest stosowanie wentylacji mającej na celu niedopuszczenie do stężenia przekraczającego DGW. Rozkład wody w bateriach ołowiowo-kwasowych został przedstawiony na rysunku 3.
Gromadzący się wodór tworzy z powietrzem mieszaninę, która przy stężeniu większym od 4,1% (dolna granica wybuchowości – DGW) staje się wybuchowa. Przy stężeniu przekraczającym DGW, do zainicjowania wybuchu wystarcza niewielka energia pochodząca np. z wyładowania elektryczności statycznej. To powód, dla którego w pomieszczeniach bateryjnych powinna być wykonana podłoga antyelektrostatyczna, umożliwiająca swobodny spływ do ziemi ładunku gromadzącego się w ciele człowieka. Rezystancja podłogi powinna spełniać warunek 50 kΩRΩ1·108Ω. Pozwala to zapewnić dobrą izolację stanowiska roboczego w myśl wymagań normy PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41. Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym oraz zachować dostatecznie dobry spływ ładunku elektrostatycznego. Zależność energii zapłonowej od składu mieszaniny wodoru z powietrzem przedstawiono na rysunku 1.
Wodór jest gazem lżejszym od powietrza i szybko unosi się w górę, tworząc w warstwie przysufitowej mieszaninę o stężeniu zależnym od intensywności gazowania baterii oraz intensywności wymiany powietrza w pomieszczeniu bateryjnym. W celu neutralizacji powstających zagrożeń konieczna jest wentylacja pomieszczenia, w którym zainstalowane są baterie systemu zasilania gwarantowanego. Liczba wentylatorów oraz liczba instalowanych detektorów jest uzależniona od kubatury pomieszczenia i stanowi przedmiot opracowania projektanta instalacji sanitarnej. Liczbę niezbędnych detektorów należy uzgodnić z producentem lub dystrybutorem systemu detekcji.
Wentylacja i klimatyzacja pomieszczenia bateryjnego
Podstawowe wymagania w zakresie wentylacji przedziału bateryjnego wynikają bezpośrednio z normy PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych. Przybliżoną wartość przepływu zapotrzebowanego powietrza w ciągu godziny, w [m3/h], można obliczyć ze wzoru [5]:
gdzie:
v – wymagane rozcieńczenie wodoru (100–4)/4=24,
q – wytworzony wodór: 0,45·10–3 m3/Ah,
s – współczynnik bezpieczeństwa,
Ig – prąd gazowania o wartości:
- 1 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy zmiennym napięciu,
- 5 mA – dla baterii otwartych przy zmiennym napięciu,
- 8 mA – dla baterii” zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy stałym napięciu ładowania,
- 20 mA – dla baterii otwartych przy stałym napięciu ładowania,
n – liczba ogniw baterii, w [-],
CB – pojemność baterii, w [Ah].
Przyjmując współczynnik bezpieczeństwa s=5, wzór na obliczenie Qp może być uproszczony przez wprowadzenie wartości wypadkowej:
stąd:
W przypadku akumulatorów z zaworem VRLA, gdzie gazowanie jest mniejsze:
Jeżeli w pomieszczeniu z akumulatorami wolna przestrzeń V, w [m3], obliczona jako [9]:
gdzie:
Vp – objętość pomieszczenia z akumulatorami, w [m3],
Vu – objętość, jaką zajmują akumulatory ze stojakami oraz inne wyposażenie pomieszczenia, w [m3],
jest co najmniej 2,5-krotnie większa od wymaganej ilości wymienianego powietrza Q lub odpowiednio QVRLA, to wystarczające jest zastosowanie wentylacji grawitacyjnej, z umieszczonymi po przeciwnych stronach pomieszczenia otworami: dolotowym i wylotowym. Każdy z tych otworów musi posiadać powierzchnię nie mniejszą od określonej wzorem [9]:
gdzie:
Ap – suma przekrojów otworów zewnętrznych i wewnętrznych, w [cm2].
W takim przypadku otwory wentylacyjne należy umieścić na przeciwległych ścianach (jeżeli jest to niemożliwe i otwory wentylacyjne muszą zostać wykonane na tych samych ścianach, to odległość pomiędzy nimi nie może być mniejsza niż 2 m). Ten sam wymóg dotyczy instalowania wentylatorów wyciągowych, których odległość nie może być mniejsza niż 2 m. Podane wymagania mają charakter orientacyjny. Opracowanie projektu wentylacji pomieszczenia bateryjnego jest zagadnieniem wymagającym specjalistycznej wiedzy i powinno być opracowane przez uprawnionego projektanta instalacji sanitarnych. Rola projektanta elektryka ogranicza się do zaprojektowania układu sterowania i zasilania wentylatorów.
Zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719) [1] za pomieszczenie zagrożone wybuchem należy uznać pomieszczenie, w którym spodziewany przyrost ciśnienia przekracza wartość 5 kPa. Dotychczasowa analiza zjawisk zachodzących w akumulatorach pozwala wyciągnąć wniosek, że wydzielający się z nich wodór może stwarzać zagrożenie wybuchowe. Ponieważ pomieszczenie z bateriami akumulatorów musi być bezpieczne w eksploatacji, należy zastosować układ wentylacji mechanicznej sterowanej przez układ wykrywania stężenia wodoru. Przykładowe rozwiązania wentylacji pomieszczeń z zainstalowanymi bateriami z zaworami VRLA przedstawia rysunek 4. i rysunek 5.
Przy stosowaniu klasycznych baterii akumulatorów konieczne jest zastosowanie wentylatora z silnikiem dwubiegowym. Wentylator jest włączony przez cały czas pracy baterii i pracuje na wolnych obrotach gwarantując przewietrzanie pomieszczenia bateryjnego. Przekroczenie stężenia wodoru powyżej 10% DGW spowoduje, że centralka uruchomi sygnalizację świetlną przez rozświecenie diody LED zainstalowanej na panelu operatorskim. Po wykryciu stężenia wodoru przekraczającego 30% DGW, następuje automatyczne przełączenie na wyższe obroty silnika napędzającego wentylator z jednoczesnym wystawieniem sygnału przez automatykę do przerwania ładowania lub rozładowania baterii. Jednocześnie powinna zostać uruchomiona sygnalizacja akustyczna i należy przerwać ładowanie baterii do chwili zneutralizowania powstałego zagrożenia.
Stosowanie baterii klasycznych w systemach zasilania gwarantowanego jest niekorzystne, gdyż zbyt silne gazowanie może doprowadzić do przekroczenia stężenia wodoru wynoszącego 30% DGW, co spowoduje wyłączenie systemu zasilania gwarantowanego. Znacznie korzystniejsze jest stosowanie baterii z zaworem VRLA, gdzie gazowanie jest znacznie mniejsze, a tym samym neutralizacja zagrożeń dużo prostsza. Przykładowy układ sterowania wentylacją przy zastosowaniu baterii klasycznych przedstawia rysunek 6. i rysunek 7.
W przypadku stosowania baterii klasycznych wydzielanie wodoru następuje bez przerwy, dlatego wymagane są środki ostrożności takie same, jakie stosuje się w klasycznych akumulatorowniach. W przypadku stosowania baterii z zaworem VRLA, wodór wydziela się w znacznie mniejszych ilościach i jest wynikiem niepełnej rekombinacji gazów powstającej najczęściej w warunkach zakłóconych. Wskutek wzrostu ciśnienia ponad dopuszczalną wartość, nadmiar wodoru usuwany jest przez zawór bezpieczeństwa na zewnątrz. Wydzielane ilości wodoru są jednak znacznie mniejsze niż w przypadku baterii klasycznych gdzie gazowanie jest przez cały czas pracy baterii (ładowanie i rozładowanie).
Często baterie z zaworami VRLA mylnie nazywane są „szczelnymi” lub „hermetycznymi”. W rzeczywistości nie są one ani szczelne, ani hermetyczne, gdyż część gazów powstających w ich wnętrzu po uzyskaniu określonego ciśnienia opuszcza poprzez zawór bezpieczeństwa wnętrze akumulatora. W normalnych, prawidłowych warunkach eksploatacji akumulatory z zaworami VRLA wydzielają nieznaczne ilości wodoru. Jednak w warunkach niewłaściwych lub w warunkach awaryjnych nie można wykluczyć wydobywania się z akumulatorów większej ilości wodoru, przez co w żaden sposób nie można traktować ich jako w pełni bezpiecznych w czasie eksploatacji. Dlatego konieczne jest stosowanie niezbędnych środków bezpieczeństwa, jak na przykład detekcja stężenia wodoru i właściwa wentylacja pomieszczeń, w których zostały one zainstalowane.
W pomieszczeniach bateryjnych ważna jest również klimatyzacja – z uwagi na znaczne ilości ciepła wydzielanego przez ładowane lub rozładowywane akumulatory. Wzrost lub zmniejszenie temperatury pomieszczenia od wartości 20°C skutkuje odpowiednio zwiększeniem, lub zmniejszeniem pojemności baterii. Przy wyższej temperaturze żywotność akumulatora znacznie się skraca. Dla celów praktycznych ilość ciepła wydzielanego podczas rozładowywania akumulatorów można oszacować ze wzoru [9]:
gdzie:
I – przewidywany maksymalny prąd rozładowania, w [A],
n – liczba gałęzi równoległych pracujących w czasie rozładowania, w [-],
Q – ilość ciepła wydzielanego w czasie t, w [J],
R – rezystancja jednej gałęzi szeregowej akumulatorów (rezystancję dla pojedynczego ogniwa podają producenci baterii w swoich katalogach), w [Ω],
T – przewidywany czas rozładowania, w [s].
Przedstawione w artykule wymagania stanowią jedynie podstawy mające na celu zorientowanie czytelnika w problemie bardzo skomplikowanych zagadnień, jakim jest eksploatacja przedziału bateryjnego. Projekt wentylacji oraz klimatyzacji należy powierzyć projektantowi instalacji sanitarnych. Po stronie projektanta elektryka pozostaje opracowanie sterowania układem wentylacji oraz zasilania obwodów wentylacji oraz klimatyzacji.
Literatura
- Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21.04.2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719).
- PN-EN 1127-1:2001 Atmosfery wybuchowe. Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Pojęcia podstawowe i metodologia.
- Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 maja 2003 roku w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochrony przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (DzU nr 143/2003 poz. 1393).
- PN-EN 50014:2004 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.
- S. Kanoza, „Baterie”, materiały seminarium SPE O/Wrocław „Układy zasilania gwarantowanego i awaryjnego”, Wrocław 9.11.2006 r.
- Katalog i podręcznik instalacyjny firmy „GAZEX”
- PN-HD 60364-4-41:3009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym
- PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych.
- T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COSiW SEP 2007.
