Sulu Söndürme Sistemlerinin Hidrolik Hesabı

Yılın bu zamanlarında katlandığımız sert soğuk hava dalgasının çok tehlikeli olabileceğini, hafife alınacak bir şey olmadığını geçtiğimiz ay ülkece gördük. Sadece bireyin genel sağlığından endişe değil, aynı zamanda soğuktan korunmak içinde bulundukları binada bireylerin güvenliğinden endişe duymak gerekir. Sonuç olarak kış, ısınmayla ilgili yangınların en yüksek düzeyde görüldüğü zamanlardır. Yılın bu zamanında gardınızı düşürmemelisiniz ve yangınların mevsimi olmadığı için tüm yıl boyunca dikkatli olmalısınız. 

Standart, kod ve yönetmeliklerin gerektirdiği yangın ve can güvenliği denetimlerini düzenlemek, tesis yöneticilerinin üzerine düşen bir sorumluluktur. Yangından korunma sistemlerinin yıllık denetimleri, tasarım ve kurulum eksikliklerini bulmaya yönelik değildir. Çünkü bir yangın koruma sistemi kurulduktan sonra kontrol, test ve bakım standartları kurulan sistemlerin doğru kurulduğunu, tasarlandığını varsayar ve yıllık denetimlerde tasarım ve kurulum hataları aranmaz. Bunu anlamanız gerçekten çok önemli. Yangın yönetmeliğine, standartlara ve kodlara göre sistemler denetlenip kabul edilse bile yanlış kurulan, tasarlanan, asgari gerekliliklere uymayan bir sistemin yine de yanlış olduğu açıktır. Görsel 1, yangın pompası test başlığı olarak düşünülen ancak itfaiye su verme ağzı olarak tasarlanan, etiketlenmeyen bir sistem örneğidir. Bu tesis yaklaşık otuz yaşındaydı ve işletmeye bunun uygunsuzluk olduğu hiç söylenmemişti. Neyse ki, bir yangın yaşamadılar ve itfaiye, acil bir durumda kullanımları için bir bağlantılarının olduğunu zor yoldan öğrenmedi. Bu nasıl oluyor?

Görsel 1 – Etiketlenmemiş İtfaiye Su Verme Ağzı 

Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik gereği; sistemin uygun çalışmaması işletmeden kaynaklanıyor ise, işletmeci kuruluş doğrudan sorumlu olur. Bu durumun işletmeye ait bir sorumluluk olduğu NFPA 25 (paragraf 4.1.1, 2020 sürümü) standardında da yer verilmektedir. Bir tesis yöneticisinin günlük işleri bunaltıcı olabilir ve bu da doğal olarak bazı önemli işlerin dikkatten kaçmasına neden olabilir. Yangın güvenliği, erteleyemeyeceğiniz ve tam olarak dikkatinizi vermeniz gereken bir güvenliktir. Bunu yapmak yalnızca tesis bütçeniz için değil aynı zamanda olası bir yangın durumunda tesiste bulunan bireyleri tehlikeye atması açısından çok daha maliyetli olabilir. Bu yazımızda birçok tesiste karşımıza çıkan çarpıcı eksikliklerden biri olan sulu söndürme sistemlerine ait hidrolik hesapları ele alacağız. Teknik derinliği sınırlı olan bu yazının amacı hidrolik hesap açısından temel seviyede bilgi verilmesidir. 

Tüm sulu söndürme sistemlerine ait borular, yangına müdahaleye su sağlamak için kurulur. Sulu söndürme sistemleri tasarımında, tasarımcının yeterli bir süre boyunca gerekli olan basınç ve debide su akışını sağlayabilecek bir su kaynağının bulunacağından emin olmalıdır. Su kaynağı, yangına müdahale için ayrılmış sabit veya itfaiye tarafından getirilen taşınabilir bir kaynak olabilir. Uygulama süresi içerisinde,  gerekli su basınç-debi değerleri olası yangın durumunda hazır olmasını sağlamak için yapılması gereken hesaplara ‘hidrolik hesaplar’ denir. 

Hidrolik hesapların yapılmasının bir diğer nedeni de kullanılacak boru boyutlarını hesaplamak ve bu boyutların uygun olup olmadığının belirlemektir. Maliyet bir sorun olmasaydı, sulu söndürme sistemlerinin tümü çok büyük çaplı borular (10’’ veya 12’’) kullanırdı. Böylece hidrolik hesaplamaların bir veya iki adımda gerçekleştirilmesi basit olurdu. Ancak maliyet, tüm sistemlerde olduğu gibi yangından korunma sistemlerinde bir sorundur. Ayrıca her işletme veya tesis sahibinin tüm sulu söndürme sistemi için 10’’ veya 12’’ boru kurmak isteyeceğini düşünmek gerçekçi değildir. Bu gerçekliğe rağmen işletmeler teknik yeterliliği olmayan taraflarca her şeyin doğru şekilde yapıldığına kolayca ikna ediliyorlar. Tasarımcı hidrolik hesap programı kullanmadan veya ihtiyacın üzerinde büyük çaplarda borular kullanarak sistemi tasarlıyor. Bu durum tasarım aşamasında tesis bütçesinin boşa harcanmasına neden oluyor. Yaptığımız kontrollerde 6’’ ,8’’, 10’’ kullanılan besleme boruları için gereken debi ve basınç temel alındığında 3’’,4’’, 6’’ boyutlarının yeterli olduğunu görebiliyoruz. Tüm tasarımı etkiyen bu durum haliyle maliyetleri ciddi oranında arttırmaktadır. Yüksek risk içeren bazı tesislerde yapılan özel tasarımların hidrolik hesap programı kullanılmadan tasarlanması mümkün olmadığı halde herhangi bir hidrolik hesap programının kullanılmadığını görüyoruz.  Hesap makinasıyla hesaplanacak kadar kolay bir iş değildir. Kaldı ki hidrolik hesap programı kullanılarak hedeflenen debi ve basıncı elde etmekle verimli bir sonuç almak açısından yeterli değildir. Aslında tüm mühendislik bu noktadan sonra başlıyor. Herkesin sonucu yeterli ve başarılı olarak kabullendiği noktada mühendislik yeni başlıyor. Kısacası sonucu değerlendirerek tasarımınızı maliyet ve işçilik açısından optimize etmeniz gerekiyor. 

• Hidrolik hesap sonucu elde edilen debi talebin çok üzerinde mi? Çok üzerinde ise su baskınına neden olabilecek bir tasarımla mı karşı karşıyayım? 
• Tasarım da çok fazla çap daraltması yaparak, gereksiz iniş-çıkış yaparak, çok fazla dallandırma yaparak gereksiz ara parçalar kullanarak maliyeti arttırıp ilave olarak işçiliği kötü zor uygulanabilecek bir sistem mi tasarladınız? 
• Hidrolik hesap sonucu elde edilen debi ve basınç sınır değerler sahadaki gerçek durum ile karşılaştığında tasarımınız verimli olarak çalışabilecek mi? Dikkate almadığınız hava kanalı, kolon, kiriş, eşik vb. engeller tasarladığınız sisteminizi yetersiz hale getirecek mi? Uygulama sonrası sistemin yeterliliğini kontrol ettiniz mi? 

Kısacası tasarımcılar sonuçları temel alarak yukarıdaki soruları sormuyor ve herhangi bir optimizasyon yapmıyor ise mühendislik tasarımı yapmamış oluyor. Bu durum optimizasyon yapılmamış tasarımda maliyetleri ortalama %25 oranında arttırmaktadır. 

Gerçek şu ki, çok az işletme veya tesis sahibi Yangın ve Can güvenliğini ilgilendiren konularda yönetmelik, standart ve kodları tamamen anlıyor. Genel olarak işletme yetkilileri yüklenici planlarını, hesaplamalarını, tasarımlarını veya kurulumlarını dikkatli ve kapsamlı bir şekilde incelemiyor. İşveren tarafından bağımsız ve üçüncü tarafa görev verilerek, maliyet/fayda oranı açısından maksimum verim sağlanabilir. 

Daha büyük çaplarda boruların satın alınması ile beraber montajıyla ilgili işçilik maliyetleri, boru boyutu arttıkça artar. Böylece, boru boyutlandırma sulu söndürme sisteminin ihtiyaç duyduğu debi ve basıncı sağlamaya devam ederken boru boyutunu küçük tutarak maliyeti en aza indirmeye çalışan ve sahada uygulanması kolay olan tasarımın bir dengeleme eylemi kısacası optimizasyonu gereklilik haline gelir. Hidrolik hesaplamalar ile kullanılan boru boyutlarının çok küçük seçilmediği ve gerekli su debi-basıncın binanın uzak kısımlarına, hidrolik açıdan en olumsuz alanlara iletilebileceğini kanıtlamak açısından kritik hale gelir.

Örneğin; NFPA 14, boru boyutu için bazı minimum gereksinimleri vurgular. Çoğu sabit boru sistemi (Class I ve III) için geçerli olan kural, minimum boyutun en az 4 inç olmasıdır. NFPA 13 veya NFPA 13R gereksinimlerini karşılamayan sprinkler sisteminin bir parçası olan borunun, en az 6 inç olmasıdır. Ancak seçilen boyut ne olursa olsun, hidrolik hesaplamalarla teyit edilmesi gerekir. 

Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik gereği; sabit boru tesisatı, yangın dolapları sistemi, hidrant sistemi ve yağmurlama (sprinkler) sistemi gibi sulu söndürme sistemleri için yapılmış hidrolik hesaplar neticesinde gerekli olan su basınç ve debi değerleri, merkezi şebeke veya şehir şebekeleri tarafından karşılanamıyor ise yapılarda, kapasiteyi karşılayacak yangın pompa istasyonu ve deposu oluşturulması gerekir.

Hidrolik hesaplama yapan tasarımcıların anlaması gereken üç temel terim vardır: debi, basınç ve uygulama süresi. Bu üç terimin hızlı bir tanımını yapalım:

Debi: Belirli bir zaman diliminde belirli bir noktadan geçen su miktarı.
Basınç: Suda depolanan enerji. Enerji; suyu hareket ettirmek, akış oluşturmak ve suyun olası yangına müdahalesini sağlamaktan sorumludur.
Süre: Suyun uygulanması gereken süre.

Debi genellikle metrik sistemde l/dak (lpm) birimiyle ifade edilir. Su, yangın tarafından gelen ısıyı emer. Yangın ne kadar büyük olursa, yangını söndürmek için gereken su miktarı da o kadar fazla olur. Su debisinin, olası yangını söndürebileceğinden emin olmak gereklidir. Bu nedenle debi kritik değişken haline gelir. Debi ilgili formüllerde yaygın olarak "Q" değişkeni ile temsil edildiğinden “Q” değişkeni olarak kullanılacaktır.

Çoğu hidrolik denklemde "P" değişkeni ile temsil edilen basınç, enerjinin bir birim alan üzerindeki kuvvet cinsinden ifadesidir. En yaygın kuvvet birimi bar (atmosfer basıncını ölçen barometre) ile ifade edilir. Bir boru hattındaki su akışıyla ilişkili birçok farklı basınç vardır. Bu yazımızda, suyun toplam gösterge basıncı olan bir basınca odaklanacaktır. Hız basıncını (suyu hareket ettirmek için kaybedilen enerjiyi) göz ardı eden bu tür hidrolik analiz yangından korunma sisteminde yaygındır. Bu tür bir analiz aynı zamanda daha basit ve gerçekleştirilmesi daha kolaydır. Hız basıncını hesaba katarak daha kesin (daha karmaşık) hesaplamalar yapılabilir, ancak okuyucunun bu tür hesaplamada uzmanlaşmak için hidrolikle ilgili teknik derinliği daha yüksek kaynaklara başvurması gerekecektir.
 

Görsel 2 – Boru Hattındaki Basınçlar

Basınç iki şekilde oluşturulabilir: yükseklik ve mekanik sistemler. Su belirli bir konuma yükseltildiğinde, o konuma göre yerçekimi nedeniyle enerji kazanır. Dünyanın yüzeyinden suyun yükselmesiyle oluşan basınç, dünyanın yerçekimi alanının yarattığı bir sabittir. Diğer gezegenlerde, suyun yükselmesinin yarattığı basınç farklıdır.

Su bir boru sisteminden akarken, yükseklik değiştikçe su basıncı kaybeder veya kazanır. Sulu söndürme sistemlerinde yükseklik değişiklikleri sıklıkla meydana geldiğinden, sistem tasarımcısı su kaynağından ne kadar basınca ihtiyaç duyulduğunu bulmak için bu değişiklikleri hesaba katmalıdır. Suyun iletileceği alan ile kot farkı pozitif yönde arttıkça su basıncı artar, tersi durumda azalır. Yerçekimi dünyanın her yerinde sabit olduğundan, suyun izlediği yolun yerçekiminin yarattığı basınç üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Yükseltiden kaynaklanan su basıncının hesaplanmasında önemli olan tek şey, hesaplamanın başlangıç kotu ve bitiş kotudur.

Su borudan akıp iç yüzeylere sürtündüğünde enerji kaybeder, bu da basıncın düştüğü anlamına gelir. Suyun ne kadar enerji kaybettiği, borudaki suyun akışına, borunun iç çapına ve boru iç yüzeylerinin ne kadar düzgün olduğuna bağlıdır. Su, boru iç yüzeyine sürtünmekten enerji kaybederken aynı zamanda borularda yön değiştirdiğinde de enerji kaybeder. Suyun bir dönüş veya dirsekten aktığı her seferde, yön değişikliği akış akışında türbülans yaratır ve bu da suyun basınç kaybına neden olur. Tüm bu kayıplar, “sürtünme kaybı” adı verilen tek bir terimde toplanır.

1900’lü yıllarda, Michigan Üniversitesi'nden iki inşaat mühendisi, Allen Hazen ve Gardner Stewart Williams, borudaki sürtünme kaybını hesaplamak için bir formül geliştirdi. Formülleri, yüz yıldan daha eski olmasına rağmen, hem basit hem de kullanışlı olduğu için bugün hala yangından korunmada kullanılmaktadır. Hazen-Williams formülü aşağıdaki görseldeki gibidir. (Bkz. The Haze-Williams Formula) 

Sayı ne kadar büyük olursa, boru yüzeyi o kadar pürüzsüz olur. Tablo 2, boru sistemlerini hesaplarken kullanılması gereken çeşitli ‘C‘ sürtünme kaybı katsayıları göstermektedir. Bu sayıların yeni borunun gerçek düzgünlüğünü temsil etmemektedir. Tabloda yer alan sayılar, boru içinde meydana gelebilecek olası korozyonu hesaba katarak, yıllarca kullanıldıktan sonra yıpranmış ve eskimiş borunun düzgünlüğünü temsil eder. Tablo 2, karşılaştırma amacıyla birçok farklı boru tipini içermektedir. Tablo 2'de gösterilen tüm boru türlerinin sulu söndürme sistemlerinde yer üstünde kullanılmasına izin verilmez, ancak içlerinden bazılarının yer üstünde veya yer altında kullanılmasına izin verilir.

Böylelikle ilgili formül temel alınarak, sistemin en uzak noktasından başlanır ve bu konumdaki debi ve basınç taleplerinin ne olduğu belirlenerek hidrolik hesaplamalar yapılır. Daha sonra su kaynağına doğru geri dönerek düğümler (node) arasında akarken yükseklik kayıplarını ve sürtünme kayıplarını birleştirilerek eklenir. Su kaynağına geri dönüldüğünde, toplam akış ve basınç talepleri su kaynağından elde edilenlerle karşılaştırılır. Su temini ihtiyaç duyulanı karşılayabiliyorsa, yeterli kabul edilir. İhtiyacı karşılamıyorsa, su miktarının arttırılması gerekecektir.

Su kaynağının basıncı yetersizse, mevcut basıncı artırmak için sisteme bir pompa eklenebilir. Su kaynağının akışı yetersizse, bir pompa sorunu kendi başına çözemez. Bir yangın pompası su üretmez, bu nedenle su kaynağının mevcut akışını artıramaz. Su kaynağının akışı yetersizse, sisteme bir tank veya başka bir su kaynağı eklenmesi gerekir. Bir pompa, suyu bu yeni kaynaktan sulu söndürme sistemine iletmeye yardımcı olabilir, ancak yalnızca bir pompa eklemek yeterli akış olmaması sorununu düzeltmeyecektir.

Daha önce de belirtildiği gibi su dönüş, dirsek ve vanalardan akarken, yön değişikliği nedeniyle basınç (enerji) kaybeder. Suyun ne kadar basınç kaybettiği; yön değişikliğinin dönüş, dirsek veya vana içinde ne kadar ani olduğuna bağlıdır. Basınçtaki bu kayıp, hidrolik hesaba katılmalıdır.

Bir dönüş, dirsek veya vanadan kaynaklanan basınç kaybını hesaba katmanın birçok yolu vardır. NFPA 13, yangından korunma endüstrisindeki herkesin hesaplamalarında takip edebileceği ve uygun kayıpların sayıldığından emin olabileceği şekilde bu kayıpların standartlaştırılmış bir yöntemini sunar. Bu yönteme “Eşdeğer Boru” yöntemi denir. Temel olarak, her bir bağlantı parçası ve vana tipine göre aynı miktarda sürtünme kaybı yaratan belirli bir boru miktarı (metre olarak) verilir. Bu "Eşdeğer Uzunluk" daha sonra, o bağlantı parçasındaki veya vanadaki sürtünme kaybını hesaba katmak için hidrolik hesaplama adımında boruya eklenir. 

Her bir farklı tipteki bağlantı parçası ve vanaların eşdeğer uzunluğunu bilmek, hidrolik hesaplamaları yapabilmek için önemli hale gelir. NFPA 13, kullanıcıya (Bkz. Table 1) farklı nominal boru boyutu üzerinden farklı tipte vana ve bağlantı parçası için eşdeğer uzunluklar sağlar. Ancak bu tablo yalnızca sch40 çelik boru olduğunda ve sistem manuel ıslak boru olduğunda (C faktörü 120'dir) kullanılabilir. Diğer boru türlerini kullanan diğer sistem türleri için bağlantı parçaları veya vananın eşdeğer uzunluğunun nasıl elde edileceğine ilişkin iki seçenek vardır:

1. Üretici firma, bir bağlantı parçası veya bir vana için eşdeğer bir uzunluk sağlayabilir.

2. C faktörü için bir düzeltme. (Bkz. Table 3)

DEF Yangın Güvenliği şirketi, yangın ve can güvenliğini ilgilendiren alanlarda kontrol, tasarım, test ve teknik-ticari danışmanlık süreçlerinizi sizin için olabildiğince basit ve anlaşılır hale getirmek için tam donanımlı bir kadroya sahiptir.