Investigation of smoke movement induced from solar roof fires

Abstract

Abstract: Nowadays, there is a consensus, specifically among the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), that human activities have a huge impact on the ecosystem. Among all human activities, the release of greenhouse gases (GHG) plays an extremely important role in the impact on the environment, e.g., heat waves, global warming, sea level elevation, etc. Meanwhile, it is a frequently stated issue that GHG emissions from the building sector account for 40% of overall growth. To avoid further environmental deterioration, the concept of carbon neutrality was proposed, in other words, to limit the world average temperature rise to 1.5 ºC by 2050. To achieve this goal, the share of total energy from non-fossil sources (new energy technology) must increase from 27% (2019) to 60% (2050). Solar power, as one of the best choices of new energy technology, reaches a total installed capacity of 942 GW in 2021, furthermore, the total installed capacity is forecast to exceed 1 terawatt (TW) cumulatively in 2022. On the other hand, the increasing installed capacity of photovoltaic (PV) panels poses a new challenge; PV-related fire. According to statistical analysis, each megawatt of installed capacity of PV panels causes 0.0289 fires per year. That is, in 2022, there will be nearly 30,000 PV-related fires worldwide. These are not just predictions. PV-related fires are actually occurring. From 2005 to 2012, annual PV-panel-related fires increased from 1 to 53 in Germany; there were more than 600 PV-panel-related fires in Italy in 2016, and from 2018 to 2020, 66 PV-panel-related fires were reported in the Netherlands. Despite the public's concern about the increasing number of PV-related fires, there is still very little research on the subject. This not only threatens the safety of public life but also hinders the promotion of new energy technologies (solar energy). Previous studies have shown that solar panels emit large amounts of toxic gases containing heavy metals when burned. Meanwhile, most solar panels are installed on the roof of a house. Therefore, to bridge these research gaps, it is necessary and urgent to investigate the mechanism of smoke spread from solar roof fires with wind effect. To achieve the objective, a non-fireproof wind tunnel experiment is designed based on the helium-smoke similarity and Froude modeling. First, a new theory of helium similarity is proposed, which uses helium release as the surrogate of real fire smoke. Fluid velocities remain consistent between the helium test and fire smoke test, simultaneously, the dimensionless concentration will be equal to the dimensionless temperature. Second, a new scale method is also built to achieve compatibility among the sub-scale helium model, sub-scale smoke model, and full-scale smoke model. Third, the wind tunnel test is conducted based on vent size, various roof angles, wind speed, and heat release rate (HRR). Fourth, the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are run and validated by the Fire Dynamics Simulator (FDS) based on the wind tunnel test in the sub-scale model and full-scale model, as well as fire smoke scenarios and helium scenarios. Then, the theory of helium similarity and the proposed scale method are verified by comparing the simulation results. Finally, the parametric study is performed to obtain the critical values of vent size, roof angle, wind speed, and HRR. By comparing the results between the simulation and experiment, the FDS model is validated with good agreement: average differences of 11.95% for velocity and 19.04% for helium concentration. The similarity between the helium test and the fire smoke test is also justified by the difference in simulation results (0.39% of velocity and 1.95% of dimensionless temperature and concentration). Then compatibility can be achieved between the sub-scale model and full-scale model results (the average difference of 7.02% for dimensionless velocity and 7.87% for temperature). Once the compatibility between the fire smoke test in the full-scale model and the helium test in the sub-scale model is verified, the parametric study is conducted. The results show that the occupants only have four minutes of evacuation time during a solar roof fire with a skylight. The 15° roof is the most dangerous scenario; conversely, 45° and 60° roof angles are the safest solar roof design. The critical wind speed is 10 m/s at full scale and has the most negative impact on the occupant’s safety. The higher the HRR, the more the smoke infiltrates. The smaller roof vent can effectively avoid smoke infiltration. The results of the vector field illustrate that smoke infiltration is caused by the reverse flow at the region of separation.

De nos jours, il existe un consensus sur le fait que les activités humaines ont un impact énorme sur l'écosystème, plus précisément le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Parmi toutes les activités humaines, l'émission de gaz à effet de serre (GES) joue un rôle extrêmement important dans l'impact sur l'environnement, par exemple, les vagues de chaleur, le réchauffement de la planète, l'élévation du niveau de la mer, etc. Parallèlement, il est fréquent de constater que les émissions de GES du secteur du bâtiment représentent 40 % de la croissance globale. Pour éviter toute détérioration supplémentaire de l'environnement, le concept de neutralité carbone a été proposé, en d'autres termes, limiter l'augmentation de la température moyenne mondiale à 1,5 ºC d'ici 2050. Pour atteindre cet objectif, la part de l'énergie totale provenant de sources non fossiles (nouvelles technologies énergétiques) doit passer de 27 % (2019) à 60 % (2050). L'énergie solaire, qui constitue l'un des meilleurs choix en matière de nouvelles technologies énergétiques, atteint une capacité totale installée de 942 GW en 2021. En outre, la capacité totale installée devrait dépasser 1 TW cumulé en 2022. D'autre part, l'augmentation de la capacité installée des panneaux photo-voltaïques (PV) pose un nouveau défi : les incendies liés en PV. Selon une analyse statistique, chaque mégawatt de capacité installée de panneaux PV provoque 0,0289 incendie par an. Autrement dit, en 2022, il y aura près de 30 000 incendies liés au PV dans le monde. Il ne s'agit pas de simples prédictions. Les incendies liés au PV se produisent réellement. De 2005 à 2012, les incendies annuels liés aux panneaux photo-voltaïques sont passés de un à 53 en Allemagne ; plus de 600 incendies liés aux panneaux photo-voltaïques ont été recensés en Italie en 2016 et, de 2018 à 2020, 66 incendies liés aux panneaux photo-voltaïques ont été signalés aux Pays-Bas. Malgré l'inquiétude du public face à l'augmentation du nombre d'incendies liés aux panneaux photovoltaïques, il existe encore très peu de recherches sur le sujet. Cela menace non seulement la sécurité de la vie publique, mais entrave également la promotion des nouvelles technologies énergétiques (énergie solaire). Des études antérieures ont montré que les panneaux solaires émettent de grandes quantités de gaz toxiques contenant des métaux lourds lorsqu'ils brûlent. Par ailleurs, la plupart des panneaux solaires sont installés sur le toit de la maison. Par conséquent, pour combler ces lacunes dans la recherche, il est nécessaire et urgent d'étudier le mécanisme de propagation de la fumée d'un feu de toit solaire avec effet du vent. Pour atteindre cet objectif, une expérience de soufflerie non résistante au feu est conçue sur la base de la similitude hélium-fumée et de la modélisation de Froude. Tout d'abord, une nouvelle théorie de la similitude de l'hélium est proposée, qui utilise le dégagement d'hélium comme substitut de la véritable fumée d'incendie. Les vitesses des fluides restent cohérentes entre l'essai à l'hélium et l'essai à la fumée d'incendie, simultanément, la concentration sans dimension sera égale à la température sans dimension. Deuxièmement, une nouvelle méthode d'échelle est également mise au point pour assurer la compatibilité entre le modèle à l'hélium à échelle réduite, le modèle de fumée à échelle réduite et le modèle de fumée à échelle réelle. Troisièmement, le test en soufflerie est réalisé en fonction de la taille de l'évent, des différents angles du toit, de la vitesse du vent et du taux de dégagement de chaleur (HRR). Quatrièmement, les simulations de dynamique des fluides numériques (CFD) sont exécutées et validées par le Fire Dynamics Simulator (FDS) sur la base des essais en soufflerie dans le modèle à échelle réduite et le modèle à échelle réelle, ainsi que dans les cas de fumée de feu et d'hélium. Ensuite, la théorie de la similitude de l'hélium et la méthode d'échelle proposée sont vérifiées en comparant les résultats de la simulation. Enfin, l'étude paramétrique est réalisée pour obtenir les valeurs critiques de la taille de l'évent, de l'angle du toit, de la vitesse du vent et du HRR. En comparant les résultats entre la simulation et l'expérience, le modèle FDS est validé avec un bon accord: différences moyennes de 11,95 % pour la vitesse et de 19,04 % pour la concentration d'hélium. La similitude entre l'essai à l'hélium et l'essai aux fumées d'incendie est également justifiée par la différence entre les résultats de la simulation (0,39 % pour la vitesse et 1,95 % pour la température et la concentration sans dimension). Ensuite, la compatibilité peut être obtenue entre les résultats du modèle à échelle réduite et ceux du modèle à échelle réelle (la différence moyenne est de 7,02 % pour la vitesse sans dimension et de 7,87 % pour la température). Une fois que la compatibilité entre l'essai de fumée d'incendie dans le modèle à l'échelle réelle et l'essai à l'hélium dans le modèle à l'échelle secondaire est vérifiée, l'étude paramétrique est menée. Les résultats montrent que les occupants ne disposent que de quatre minutes d'évacuation lors d'un incendie de toiture solaire avec lanterneau. Le toit de 15° est le scénario le plus dangereux, à l'inverse, les angles de toit de 45° et 60° sont les conceptions les plus sûres pour le toit solaire. La vitesse critique du vent est de 10 m/s à l'échelle réelle et a l'impact le plus négatif sur la sécurité des occupants. Plus le HRR est élevé, plus la fumée s'infiltre. L'évent de toit plus petit peut éviter efficacement l'infiltration de fumée. Les résultats du champ vectoriel montrent que l'infiltration de fumée est causée par l'écoulement inverse dans la région de séparation.