ТР-5045. Противодымная защита атриумных зданий: обзор зарубежных источников
Обзор систем дымоудаления и подпора воздуха для атриумов и зимних садов, включая расчётные подходы к определению параметров вытяжки.
Объём оцифровки: 485,835 знаков. Ссылки внутри текста ведут на карточки источников и публикаций библиотеки.
ТР-5045
ПРОТИВОДЫМНАЯ ЗАЩИТА
АТРИУМНЫХ ЗДАНИЙ
Обзор зарубежных источников
СИТИС
Строительные Информационные Технологии и Системы www.sitis.ru
ТР-5045
Противодымная защита атриумных зданий.
Обзор зарубежных источников.
Редактор:
Грачев В.Ю.
Переводчики:
Борноволокова Е. А.
Патрушева Н. А.
Слепушкин В. А.
Грачева Д. В.
ООО «СИТИС»
620028 Екатеринбург, ул. Долорес Ибаррури, 2
Тел: 310-00-99 e-mail: support@sitis.ru www.sitis.ru
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 2
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СОКРАЩЕНИЯ
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
ПРИНЦИПЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ
СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ В АТРИУМАХ
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ
NFPA 92B. РУКОВОДСТВО ПО СИСТЕМАМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ, МОЛЛОВ И БОЛЬШИХ
ПОМЕЩЕНИЙ
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ФАКТОРЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
МЕТОДЫ РАСЧЁТА
ОБОРУДОВАНИЕ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ
СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ПОЖАРЕ
КВАДРАТИЧНЫЕ ПОЖАРЫ
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ ПОМОЩИ УРАВНЕНИЙ, ПРИВЕДЁННЫХ В СТАНДАРТЕ NFPA 92B
NFPA 5000. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЕ АТРИУМОВ И СМЕЖНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
АТРИУМЫ
СМЕЖНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ
IBC 2003. ПРОТИВОДЫМНАЯ ЗАЩИТА АТРИУМОВ И ЗДАНИЙ КРЫТЫХ МОЛЛОВ
ЗДАНИЯ КРЫТЫХ МОЛЛОВ
АТРИУМЫ
СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ
РУКОВОДСТВО К IBC 2003. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЕ
СТАДИИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА
СКОРОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ГОРЕНИИ РАЗНЫХ ПРЕДМЕТОВ
РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ ПОЖАРЫ
СПРИНКЛЕРЫ
РАСЧЕТНЫЕ ПОЖАРЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современных российских строительных нормах и руководствах аспекты противодымной защиты атриумов и больших помещений освещены в небольшом объеме, что вызывает много вопросов при проектировании,
экспертизе, строительстве и эксплуатации атриумных зданий. В данном обзоре приводится описание подхо дов, принятых в зарубежной практике, и выдержки из ряда строительных норм по соответствующим вопро сам. Эта информация может помочь специалистам при разработке и уточнении принимаемых решений.
В обзор включены теоретические основы из книги американских специалистов Джона Клоута и Джеймса
Милке «Принципы противодымной защиты», положения зарубежных строительных норм IBC 2003 и NFPA
5000, стандарта NFPA 92B и ряда других источников.
Обзор не претендует на всеобъемлющее и объективное описание данной проблематики, а является только изложением информации из источников по теме, которые были обобщены составителями обзора.
Коллектив авторов
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 4
ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ
Обзор «Противодымная защита атриумных зданий» составлен на основе информации, изложенной в сле дующих зарубежных источниках:
— Книга Дж. Клоута и Дж. Милке «Принципы противодымной защиты»; — Стандарт Национальной ассоциации по противопожарной защите (США) - NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых центров и больших помещений»; — NFPA 5000 «Строительные нормы и правила»; — Стандарт NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сигнализации»; — Книга Э. Бученена «Противопожарное проектирование конструкций»; — IBC 2003 «Международные строительные нормы»; — Руководство «Требования к противодымной защите в Международных строительных нормах IBC 2003», Эванс Д. и Клоут Дж.
В тексте сохранены порядок изложения и стилистика зарубежных источников.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 5
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Атриум (atrium) – большое свободное пространство, образованное одним или несколькими проемами в перекрытиях, объединяющими два и более этажа, покрытое над проемами кровлей и используемое для раз личных целей, но не в качестве огражденной лестницы, шахты лифта, проема для эскалатора, шахты для размещения инженерных коммуникаций, таких как водопровод, электропроводка, системы кондиционирова ния воздуха или средства связи [NFPA 92B] (и не являющееся моллом. [IBC 2003])
Безопасные условия (tenable environment) – условия, при которых распространение дыма и тепла ограничено, либо их влияние на людей сокращено так, чтобы их уровень не представлял угрозу жизни людей.
[NFPA 92B]
Большое помещение (large-volume space) – не разделенное на отсеки пространство высотой обычно в два или более этажа, внутри которого дым от пожара, будь то в самом помещении или в смежном с ним по мещении, может беспрепятственно перемещаться и накапливаться. [NFPA 92B]
Верификация модели (model verification) – процесс установления, что реализация расчетного мето да точно отражает концептуальное описание расчетного метода, сделанное разработчиком, и решение к рас четному методу. Основной стратегией проверки вычислительных моделей является выявление и оценка ошибки в вычислительной модели и её решении. [NFPA 92B]
Граница дымового слоя (smoke layer interface) – теоретическая граница между дымовым слоем и не задымленным воздухом. На практике граница дымового слоя является расчётной границей внутри переходной зоны, которая может достигать нескольких десятков сантиметров в толщину. Под расчетной границей плот ность дыма в переходной зоне снижается до нуля. [NFPA 92B]
Дым (smoke) – смесь твердых и жидких частиц и газов, возникающих при пиролизе или горении мате риала, вместе с вовлекаемым воздухом или воздухом иным образом смешивающимся с этой массой. [NFPA
92B]
Дымовой слой (smoke layer) – скопление дыма под физической или тепловой преградой. Дымовой слой
не является однородной смесью и не имеет одинаковой температуры. Представленные в обзоре методы рас чета могут допускать наличие однородных условий. Дымовой слой включает в себя переходную зону, которая неоднородна и отделяет горячий верхний слой дыма от незадымленного воздуха. [NFPA 92B]
Дымозащитная преграда (smoke barrier) – непрерывная перегородка, вертикальная или горизонталь ная, такая как элемент стены, пола или потолка, спроектированная и возведенная с целью ограничения пере мещения дыма. Дымозащитная преграда может иметь или не иметь класс огнестойкости. Такие преграды мо гут иметь защищенные проёмы. [NFPA 92B]
Дымозащитный клапан (smoke damper) – устройство для предотвращения проникновения воздуха или дыма. [NFPA 92B]
Здание крытого молла (covered mall building) – отдельное здание, вмещающее ряд арендаторов и пользователей, например, магазины, предприятия общественного питания, развлекательные и игровые зоны,
пассажирские транспортные терминалы, офисы и другие аналогичные предприятия, где два или более поль зователя имеют основной вход в одну или несколько галерей. В контексте международных строительных норм якорные здания не рассматриваются как часть здания крытого молла. [IBC 2003]
Изолированные помещения (separated spaces) – помещения внутри здания, изолированные от больших помещений дымозащитными преградами, которые не зависят от воздушного потока в плане ограни чения перемещения дыма. [NFPA 92B]
Квадратичный пожар (t-squared fire) – пожар, при котором скорость горения изменяется пропорцио нально квадрату времени. [NFPA 92B]
Комплексная проверка (end-to-end verification) – метод самодиагностики, дающий положительное
подтверждение, что желаемый результат (т.е. поток воздуха или положение клапана) достигнут при актива ции контролируемого устройства, например, во время дымоудаления, тестирования или ручной корректиров ки. Отсутствие или прекращение такого положительного подтверждения указывает на сбой системы. [NFPA
92B]
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 6
Крытый молл (covered mall) – крытая внутренняя зона или зона с кровлей, используемая в качестве пешеходной зоны, и соединённая со зданием (зданиями) или частями здания с одним или многими арендато рами. [NFPA 92B]
Молл (mall) – крытая сверху крышей или перекрытием общая пешеходная зона внутри здания крытого молла, в которой располагаются два или более пользователей, не превышающая трех этажей, выходящих в общее пространство. [IBC 2003]
Общая арендная площадь (gross leasable area) – общая площадь этажа, предназначенная для арен ды и эксплуатации. Площадь арендных помещений измеряется от средних линий разделительных перегородок до внешней границы наружных стен арендного помещения. В расчете общей арендной площади должны учи тываться все используемые площади, включая складские помещения. [IBC 2003]
Первые признаки дыма (first indication of smoke) – граница между переходной зоной и незадымлён ным воздухом. Уравнения (3) и (4) используются для прогнозирования высоты этой границы для заполнения дымом (задымления) при отсутствии механического дымоудаления. [NFPA 92B]
Переходная зона (transition zone) – слой между границей дымового слоя и уровнем первых признаков дыма, в котором температура дымового слоя снижается до температуры окружающей среды. [NFPA 92B]
Припотолочная струя (ceiling jet) – поток дыма под потолком, растекающийся радиально от места со прикосновения с потолком основной струи от огня. Как правило, температура припотолочной струи выше температуры прилегающего дымового слоя. [NFPA 92B]
Руководство (guide) – документ, имеющий рекомендательный или справочный характер, содержащий необязательные условия. Руководство может включать в себя обязательные положения, например, о случаях его применения, но в целом как документ оно не подлежит узакониванию. [NFPA 92B]
Система противодымной защиты (smoke management system) – спроектированная система, вклю чающая в себя все методы, которые могут использоваться как по отдельности, так и в совокупности для кор ректирования перемещения дыма. [NFPA 92B]
Смежное помещение (communicating space) – помещение в здании, напрямую выходящее в большое помещение либо соединенное с ним открытыми проходами так, что дым от пожара либо в смежном помеще нии, либо в большом помещении может без ограничений перемещаться из одного помещения в другое. [NFPA
92B]
Фудкорт (food court) – общественная зона в молле, обслуживаемая расположенными рядом помеще ниями для приготовления пищи. [IBC 2003]
Эффект прокалывания (plugholing) – подсасывание незадымленного воздуха в вытяжную противо дымную вентиляцию из-под дымового слоя за счет высокой скорости дымоудаления. [NFPA 92B]
Эффект тяги (stack effect) – вертикальный воздушный поток в зданиях, возникающий за счёт разности плотностей вследствие перепада температур снаружи и внутри здания или между двумя помещениями внутри здания. [NFPA 92B]
Якорное здание (anchor building) – внешнее обрамляющее здание всех групп, кроме группы Н, с пря мым доступом в здание крытого молла и независимыми от молла необходимыми путями эвакуации. [IBC 2003]
СОКРАЩЕНИЯ
HRR (Heat Release Rate) – скорость выделения тепла, мощность тепловыделения.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 7 СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ Anchor building якорное здание
Atrium атриум
Ceiling jet припотолочная струя
Communicating space смежное помещение
Covered mall building здание крытого молла
Covered mall крытый молл
End-to-end verification комплексная проверка
First indication of smoke первые признаки дыма
Food court фудкорт
Gross leasable area общая арендная площадь
Guide руководство
Heat release rate (HRR) скорость выделения тепла (HRR)
Large volume space большое помещение
Mall молл
Model verification верификация модели
Plugholing эффект прокалывания
Separated space изолированное помещение
Smoke barrier дымозащитная преграда
Smoke damper дымозащитный клапан
Smoke layer дымовой слой
Smoke layer interface граница дымового слоя
Smoke management system система противодымной защиты
Smoke дым
Stack effect эффект тяги
Tenable environment безопасные условия
Transition zone переходная зона
T-squared fire квадратичный пожар
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 8
ПРИНЦИПЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ
Информация в данной главе представлена на основе книги Дж.Клоута и Дж.Милке «Принципы противо дымной защиты» [6].
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ
В последние годы строительство атриумов стало обычным явлением. К другим большим открытым про странствам относятся крытые моллы, аркады, спортивные комплексы, выставочные залы и ангары. Методы,
описанные в этом и следующем разделе, применимы и к этим пространствам. Как было упомянуто выше, тер мин «атриум» используется здесь в обобщающем смысле и применяется к любому из этих больших про странств.
Большинство положений, применяемых в сфере противодымной защиты, напрямую связаны с зонным мо делированием пожаров или исходят из основ зонного моделирования пожаров. В данном разделе представле ны основные положения противодымной защиты атриумов, включая динамику струи дыма, «эффект прокалы вания» дымового слоя (подсасывание воздуха из незадымлённого слоя ниже уровня дыма), горизонтальный поток дыма, подпор воздуха для предотвращения обратного потока дыма, и эмпирические уравнения по за дымлению.
Осесимметричная струя
Большинство людей наблюдали за дымом, поднимающимся от сигареты, и видели, как дым слегка клубит ся около сигареты и затем распрямляется на некоторой высоте от неё. Для больших пожаров, которые пред ставляют особый интерес в плане противодымной защиты, характерны струи дыма, которые пульсируют и образуют много клубов по мере того, как дым поднимается вверх.
Мортон, Тейлор и Тёрнер (Morton, Taylor and Turner, 1956 [8]) разработали классический анализ среднего
по времени потока струй. Они рассматривали струю, исходящую из точечного источника (или линейного ис точника). Что касается высоты струи, они считали, что воздух, захваченный на краю струи, пропорционален
некоторой характеристической скорости струи на этой высоте. Колебания плотности в струе считались малы ми по сравнению с плотностью окружающей среды. Профили средней скорости по вертикали и средней вы талкивающей силы в горизонтальном сечении рассматривались как имеющие сходную форму на всех высотах.
На рис.13.1 изображена струя рядом с теоретической моделью струи.
Струя на рис.13.1 называется осесимметричной. Другие исследователи продолжили работу Мортона, Тей лора и Тёрнера и разработали модели турбулентных струй, возникающих при пожарах в строящихся помеще ниях (например, McCaffrey, 1983 [9]; Cetegan et al., 1982 [10]; Heskestad, 1984 [12]). Уравнение струи, пред ложенное Хескестадом, и другие его работы в этой области легли в основу многих инструкций и стандартов в
США.
Рис. 13.1 Осесимметричная струя из точечного источника
(а) эскиз, (b) теоретическая модель: вид сбоку, и (с) теоретическая модель: вид сверху
Массовый расход с поправкой на гипотетический источник возгорания
Уравнение Хескестада для массового расхода осесимметричной струи выглядит так:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 9 ⎡ ⎤ & = 0,071 Q& с1/ 3 ( z − z0 )5 / 3 ⎢1+ 0,026 Qc 2 / 3 ( z − z0 )−5 / 3 ⎥ для (z≥z1) m (13.1) ⎣ ⎦ и
0,0054Q& c z m& = для z < z1 (13.2)
0,166Q& c + z0
2/5
где m& = массовый расход в осесимметричной струе на высоте, кг/с;
Q& c = конвективная теплоотдача при пожаре, кВт;
z = высота над топливом, м;
z0 = поправка на гипотетический источник осесимметричной струи, м;
z1 = средняя высота пламени, м.
Поскольку по заданному определению дым включает в себя воздух, захваченный с продуктами сгорания, весь массовый расход в осесимметричной струе определяется как дым. Отсюда следует, что эти уравнения могут рассматриваться как уравнения для генерации дыма при пожаре. Упрощённые уравнения массового расхода для осесимметричной струи будут представлены далее, и к ним применимы эти же замечания.
По условию осесимметричной струи пожар имеет круговую форму, и во многих экспериментальных иссле дованиях использовались пожары пролива в круглых резервуарах. Однако, пожар не обязательно должен быть круговой формы, чтобы можно было применять уравнения осесимметричной струи. Расчётный диаметр пожара может быть выражен следующим образом:
Df = 2 A / π (13.3)
где A – площадь пожара. На некотором расстоянии над огнём струя дыма от пожара, не являющегося кру говым, будет почти такой же, что и при круговом пожаре.
Гипотетический источник возгорания
Соотношение Хескестада (Heskestad, 1983 [11]) для гипотетического источника z0 выглядит так:
z 0 = 0,083 Q& 2 / 5 − 1,02 D f (13.4) где Q& = теплоотдача пожара, кВт; Df = диаметр пожара, м.
На рис.13.1 гипотетический источник показан над топливом, но он также может быть и под топливом.
Правило знаков: для гипотетического источника над поверхностью топлива, z0 - положительно, а для гипоте тического источника под поверхностью топлива z0 - отрицательно. Конвективная составляющая теплоотдачи
Q& c может быть выражена так:
Q& c = χ c Q& (13.5)
где χ с – доля конвективной теплоотдачи. Доля конвективной теплоотдачи варьируется от приблизи тельно 0,15 до 0,9; в большинстве программных средств для проектирования используется значение χ с =
0.7.
Высота пламени
Уравнения (13.1) и (13.2) зависят от средней высоты пламени при пожаре. Высота пламени зависит от геометрии пожара, внешних условий, выделяемой при сгорании теплоты и стехиометрического отношения.
Соотношение (Heskestad, 2002 [14]) для высоты пламени, которое может использоваться для многих видов топлива, выглядит так:
z 1 = 0 , 235 Q& 2 / 5 − 1 , 02 D f (13.6)
где z1 = средняя высота пламени, м.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 10
В данном случае высота пламени – это высота, на которой максимальная температура струи равна 500 K.
Высота потолков в атриумах относительно большая, поэтому для противодымной защиты атриумов характер но то, что интересующие нас значения высоты, z, значительно больше гипотетического источника, z0, или высоты пламени, z1.
Температура струи по осевой линии
Температура варьируется по поперечному сечению, с наибольшим значением по осевой линии струи, как показано на рис.13.2. Температура по осевой линии представляет интерес в необычных случаях, когда испы тания атриумов проводятся с применением настоящего пожара. Уравнение температуры по осевой линии
(Heskestad, 1986 [13]) выглядит так:
1/ 3
⎛ T0 ⎞ Q& c
2/3
Tcp = T0 + 9,1⎜ ⎟ (13.7) ⎜ gC 2 ρ 2 ⎟ (z − z0 )5 / 3 ⎝ p a ⎠ где Tcp = абсолютная температура осесимметричной струи по оси на высоте z, K;
T0 = абсолютная температура окружающей среды, K;
ρa = плотность окружающего воздуха, кг/м ;
g = ускорение силы тяжести, м/с .
При условии 294 K, pa = 1,2 кг/м3, g = 9,8 м/с2 и Cp = 1,00 кДж/кг °C, уравнение (13.7) выглядит так:
Q& c
2/3
Tcp = T0 + 25 (13.8)
( z − z0 ) 5 / 3 где
T p = температура осесимметричной струи по оси на высоте z, °C;
T0 = температура окружающей среды, °C.
Рис. 13.2 Изменение радиальной температуры осесимметричной струи
Диаметр струи
Учитывая то, что струя пожара состоит из клубов дыма, определить диаметр струи сложно. Определение
диаметра струи строится на зрительном наблюдении и температурах. Согласно одному из определений, дан ный диаметр – это положение, при котором температура струи сократилась до некоторой доли температуры по осевой линии. Следующее уравнение отражает ожидаемые пределы диаметра (рис. 13.1) осесимметричной струи:
z
Dp = (13.9)
C PD где
D p = диаметр видимой осесимметричной струи, м;
z = высота над топливом, м;
C PD = коэффициент диаметра струи от 2 до 4.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 11
Это уравнение демонстрирует, что диаметр осесимметричной струи может значительно варьироваться. В связи с этим, предлагается выбрать значение CPD, чтобы получить устойчивые результаты расчетов.
Осесимметричная струя без z0
Уравнения осесимметричной струи, которые не учитывают гипотетический источник возгорания, часто при меняются для атриумов, поскольку z значительно больше z0. Упрощенные уравнения приводятся ниже, а ре зультаты такого упрощения мы обсудим далее.
Массовый расход
m& = 0 , 071 Q& c z 5 / 3 + 0 , 0018 Q& c
1/3 для z≥z1 (13.10) и m& = 0 , 032 Q& c z
3/5 для z<z1 (13.11) где m& = массовый расход в осесимметричной струе на высоте z, кг/с;
Q& c = конвективная теплоотдача при пожаре, кВт;
z = высота над топливом, м;
z1 = средняя высота пламени, м.
Следует отметить, что когда z меньше z1, условие z намного больше z0, возможно, не будет соблюдаться.
Тем не менее, отдельное уравнение для z<z1 приводится выше для полноты картины.
Высота пламени z1 = 0,166Q& c
2/5
(13.12)
Температура по осевой линии: 1/ 3 ⎛ Ta ⎞ Q& c 2/3 Tcp = T0 + 9,1⎜ ⎟ (13.13) ⎜ gC 2 ρ 2 ⎟ z5/3 ⎝ p a ⎠ где Tcp = абсолютная температура осесимметричной струи по оси на высоте z, K T0 = абсолютная температура окружающей среды, K; pa = плотность окружающего воздуха, кг/м3; g = ускорение силы тяжести, м/с2.
При условии 294 K, pa = 1,2 кг/м3, g = 9,8 м/с2, и Cp = 1,00 кДж/кг °C, уравнение (13.13) выглядит так:
Q& c
2/3
Tcp = T0 + 25 5 / 3 (13.14) z где
Tcp = температура осесимметричной струи по оси на высоте z, °C;
T0 = температура окружающей среды, °C.
Пример 13.1 Простые расчёты струи
При пожаре мощностью 4220 кВт, каков массовый расход и температура струи по оси, если z=10,7 м над топливом, конвективная доля 0,7 и температура окружающей среды 22°С ?
Согласно уравнению (13.5), конвективная теплоотдача составляет:
Q& c = χ c Q& = 0,7(4220) = 2954 кВт.
Согласно уравнению (13.12), средняя высота пламени равна:
& z1 = 0,166 Q
2/5
= 0,166(2954)0,4 = 4 м.
c
Поскольку z1 < z, массовый расход струи рассчитывается по уравнению (13.10):
m& = 0,071Q& c z 5 / 3 + 0,0018Q& c = 0,071(2954)1 / 3 (10,7) 5 / 3 + 0,0018(2954) = 58,2кг / с.
1/ 3
Согласно уравнению (13.14), температура струи по оси равна:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 12
Q& c
2/3
(2954) 2 / 3
Tcp = T0 + 25 5/3
= 22 + 25 5/3
= 121o C z (10,7)
Обсуждение
Цель данного раздела - оценить влияние пренебрежения поправкой на гипотетический источник возгора ния. Чтобы это сделать, необходимо обратиться к диаметру пожара. Плотность теплоотдачи пожара:
q = Q& / A . Подставив это соотношение в уравнение (13.3), получаем следующее уравнение для расчетного диаметра:
Q&
Df = 2 (13.15) πq
В таблице 2 «Скорость выделения тепла при горении некоторых материалов на единицу площади» (см.
раздел «Расчётные пожары» в главе «Руководство к IBC 2003. Требования к противодымной защите») пред ставлены значения скорости выделения тепла на единицу площади для некоторых складских материалов и
пожаров пролива. В этой таблице q колеблется от 90 кВт/м2 до 14,000 кВт/м2. Низкое значение - для фирмен ного силиконового трансформаторного масла, а наивысшее значение – для полистироловых сосудов в картон ных коробках с ячейками, поставленных друг на друга и достигающих в высоту 4,57 м. Такие крайние вариан ты горючих материалов вряд ли встречаются в атриумах, и если их исключить, остаются значения q в диапа зоне от 400 кВт/м2 до 10000 кВт/м2.
Рис. 13.3 Влияние скорости выделения тепла на единицу площади, q, на гипотетический источник возгорания
На рис.13.3 показано воздействие скорости выделения тепла на единицу площади, q, на расположение ги-
& = 2000 кВт и –4,3 потетического источника. Для 400 кВт/м2, значение z0 равно приблизительно –0,8 м при Q
& =25000 кВт. Отрицательные значения z0 указывали, что гипотетический источник находится ниже м при Q
& = 2000 кВт и 3 м при Q& =25000 кВт.
поверхности пожара. Для 10000 кВт/м2, z0 составляет около 1,2 м при Q
На рис.13.4 показано, как поправка на гипотетический источник влияет на массовый расход для q = 400
кВт/м2 и q =10000 кВт/м2. Игнорирование поправки на гипотетический источник приводит к перепрогнозиро ванию для q = 400 кВт/м2 и недопрогнозированию для q = 10000 кВт/м2. Эти пере- и недопрогнозирования имеют отношение к уравнению (13.1).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 13
Рис. 13.4 Сравнение прогнозируемых значений массового расхода с поправкой на гипотетический источник возгорания и без нее
Оценка погрешности уравнения (13.1) недоступна, но следует отметить, что состояние технологии струи таково, что вышеприведённый диапазон может быть в зоне погрешности уравнения (13.1). В дальнейшем,
распространение пожара, расходящегося из одного центра, может привести к возникновению поблизости не скольких пожаров, когда отдельные струи, поднимаясь, соединяются вместе. Для таких множественных струй
пожара еще предстоит разработать теории. Безусловно, оба уравнения (13.1) и (13.10) отражают важные на правления массового расхода, являющегося сильной функцией высоты, z, и слабой функцией конвективной
& . Однако, при использовании уравнения (13.10), рекомендуется выбрать заниженное место теплоотдачи, Qc расположения источника возгорания. Например, в ситуации, когда возникновение пожара возможно на любом уровне от пола до 3 м над уровнем пола, заниженным выбором поверхности возгорания является пол.
На рис.13.5 сравниваются прогнозируемые высоты пламени из уравнения (13.6) с приближенным соотно шением уравнения (13.12). Вновь приближенное соотношение находится в центре диапазона прогнозируемых
значений. Очевидно, что высота пламени, z1, возрастает с q. В сфере противодымной защиты при проектиро вании атриумов высота пламени в основном используется, чтобы удостовериться в том, что уравнения массо вого расхода в струе являются целесообразными. Высота пламени, z1, варьируется от 2,4 м до 4,4 м при 2100 кВт и от приблизительно 4,3 м до 12 м при 26000 кВт.
Рис. 13.5 Сравнение значений средней высоты пламени с поправкой на гипотетический источник возгорания и без нее
Пристенные и угловые струи
Огонь, разгоревшийся у стены, захватывает воздух в меньшем периметре, чем огонь, расположенный вдали от стены. Пристенная и угловая струя могут считаться половиной осесимметричной струи (рис.13.6). Таким образом, массовый расход пристенной струи является половиной массового расхода осесимметричной струи, но
аналогичный пожар для осесимметричной струи в два раза превышает значения для «реального» пожара, вы зывающего пристенную струю. Массовый расход для пристенной струи можно рассчитать следующим образом:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 14
1. & в два раза больше значения для пристенной струи.
Пусть Q
2. Примените уравнение струи для расчета массового расхода, m& , осесимметричной струи.
3. Генерация дыма пристенной струи составляет m& /2.
Такой подход даёт неточные результаты для высот в диапазоне высоты пламени, но расчёт массового рас хода становится более реалистичным при бульших значениях высоты, z. Данный подход может быть приме ним к любой модели осесимметричной струи, но в целях согласованности с информацией, изложенной выше, m& будет рассчитываться по уравнению (13.10).
Рис. 13.6 Пристенный пожар
(а) Пожар вдали от стен (b) Пожар у стены
(с) Пожар во внутреннем углу (d) Пожар во внешнем углу
Рис. 13.7 Конфигурации пожаров по отношению к стенам
Описанный выше подход может быть применён и к струям угловых пожаров. При относительно больших высотах над топливом, уравнение (13.10) может быть расширено, и применяться в качестве общего уравнения для пристенных струй.
m& = n
[
0,071n1 / 3Q& c z 5 / 3 + 0,0018nQ& c
1/ 3
] для z≥z 1 (13.16)
где n – показатель расположения пожара, который отражён на рис.13.7.
Пример 13.2 Пристенные и угловые струи
&,z и
При Q χ c из примера 13.1, каков массовый расход струи для каждого из мест расположения пожа ра, показанных на рис.13.7?
Массовые расходы рассчитываются на основе уравнения (13.16) следующим образом:
&
Массовый расход, m кг/с
Пожар вдали от стен 1
Пожар во внешнем углу 4/3
Пожар у стены 2
Пожар во внутреннем углу 4
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 15
Предполагается, что массовый расход, рассчитанный по уравнению (13.16) для пожара вдали от стен, такой же, как массовый расход в осесимметричной струе в примере 13.1. Наличие стены или угла снижает подсос воз духа к струе, поэтому массовый расход этих струй меньше, чем в осесимметричной струе.
Струи, проникающие с балкона
Растекающиеся балконные струи возникают при пожаре, когда дым распространяется под балконом и проникает в атриум (рис. 13.8). Когда пожар возникает в помещении, которое имеет выход на балкон, коэф фициент массового расхода может приблизительно равняться следующему:
m& = 0,36(Q& W 2 )1 / 3 ( z b + 0,25H ) (13.17) где m& = массовый расход в струе на высоте zb, кг/с;
Q& = скорость выделения тепла, кВт;
W = ширина струи, растекающейся под балконом, м;
zb = высота над балконом, м;
H = высота балкона над поверхностью топлива, м.
Когда zb больше ширины приблизительно в 13 раз, предполагается, что растекающаяся балконная струя имеет такую же скорость дымообразования, что и осесимметричная струя. Следовательно, если zb > 13W, скорость дымообразования от растекающейся балконной струи должна рассчитываться на основе уравнения
(8) (см. подраздел «Осесимметричные струи» в разделе «Методы расчёта» главы «Принципы противодымной защиты атриумов»)
При использовании противодымовых штор (рис. 13.8), ширина, W, растекающейся струи – это расстояние между шторами. При отсутствии противодымовых штор может использоваться следующая аппроксимация:
W=w+b (13.18) где w = ширина проёма горящего помещения, м;
b = расстояние от проёма до края балкона, м.
Рис. 13.8 Растекающаяся балконная струя
Уравнения (13.17) и (13.18) применяются только когда высота проёма горящего помещения значительно ниже уровня потолка, т.ч. движущая сила припотолочной струи в помещении с пожаром не влияет напрямую
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 16 на поток, выходящий из проёма. Толщина припотолочной струи составляет 10%-20% высоты от основания пожара до потолка. Основываясь на этом, можно утверждать, что движущая сила припотолочной струи не является дополнительным фактором воздействия, когда высота проёма не превышает 80% расстояния от ос нования пожара до потолка.
Для растекающихся струй, не согласующихся с условиями уравнения (13.18), может быть использовано масштабное моделирование, моделирование на основе вычислительной гидродинамики или другие корреля ции.
Уравнение (13.17) широко используется при проектном анализе, но существуют противоречивые мнения относительно степени его применения. Технический комитет 5.6 Американского общества инженеров по ото плению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) планирует научно-исследовательский проект, состоящий из широкомасштабных экспериментов с пожарами с целью проверки применимости уравнения
(13.17) и получения информации по некоторым растекающимся струям, не согласующимся с условиями урав нения (13.18).
Пример 13.3 Струя, проникающая с балкона
Каков массовый расход растекающейся балконной струи для параметров, перечисленных ниже?
& = 528 кВт
Скорость выделения тепла, Q
Высота над балконом, zb = 6,10 м
Высота балкона над поверхностью топлива, H = 3,05 м
Ширина проёма горящего помещения, w = 1,83 м
Расстояние от проёма до края балкона, b = 3,66 м
Согласно уравнению (13.18), ширина струи, растекающейся под балконом, приблизительно равна:
W = w+b = 1,83+3,66 = 5,49 м.
Согласно уравнению (13.17), массовый расход растекающейся струи равен:
[ m& = 0 ,36 ( Q& W 2 ) 1 / 3 ( z b + 0 , 25 H ) = 0 ,36 ( 528 )( 5 , 49 ) 2 ]
1/ 3
[6 ,10 + 0 , 25 ( 3, 05 ) ] = 62 ,1кг / с .
Оконные струи
Оконная струя – это струя, вытекающая через проём, например, оконный или дверной проём помещения, полностью охваченного пожаром (рис. 13.9).
Рис. 13.9 Струя из окна
Как описано в главе 2, пожар, полностью охвативший помещение – это пожар, при котором горят все го рючие материалы, находящиеся в помещении. Высокая мощность такого пожара объясняет тот факт, что оконные струи обычно не рассматривают как расчётные пожары в зданиях с системой спринклеров. При таком пожаре топливо, улетучивающееся в помещении, будет гореть снаружи проёма. Скорость выделения тепла при сильном пожаре ограничена воздухом для горения, достигающим пожара. Такой пожар называют пожа ром, регулируемым вентиляцией. Соответственно, мощность пожара зависит от размеров и формы проёма помещения и горящих материалов. Основываясь на экспериментальных данных по пожарам для дерева и по лиуретана в помещении с одним прямоугольным проёмом, средняя скорость выделения тепла равна:
Q& = 1260 Aw H w
1/ 2
(13.19)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 17 где
Q& = скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
Aw = площадь вентиляционного отверстия, м2;
H w = высота вентиляционного отверстия, м.
Уравнения для осесимметричной струи или пристенных и угловых струй могут быть адаптированы для оконной струи. Это достигается путём определения коэффициента подсоса воздуха на конце пламени, выры вающегося из проёма, и определения высоты в уравнении осесимметричной струи, которая даёт такой же подсос воздуха к струе. Член уравнения осесимметричной струи «высота» необходимо скорректировать сле дующим коэффициентом:
a = 2,40 Aw − 2,1H w 2/5 1/ 5 Hw (13.20)
Подстановка этого коэффициента в уравнение (13.10) даёт уравнение для осесимметричных струй:
m& = 0,071Q& c 1 / 3 ( z w + a ) 5 / 3 + 0,0018 Q& c (13.21)
Подстановка этого же коэффициента в уравнение (13.16) даёт общее уравнение, которое учитывает нали чие стен:
m& = n
[
0,071 n 1 / 3 Q& c ( z w + a ) 5 / 3 + 0,0018 n Q& c
1/ 3
] (13.22)
где zw – высота над верхом окна. Подставив уравнения (13.19) и (13.20) в уравнение (13.22), получим:
m& = n
[
0,68(nAw H w )1 / 3 ( z w + a) 5 / 3 + 1,59nAw H w
1/ 2 1/ 2
] (13.23)
Уравнения (13.22) и (13.23) применимы к пристенным и угловым струям, и при n = 1, эти уравнения стано вятся такими же, что и уравнения для оконной струи. Стоит отметить, что уравнение (13.23) не содержит член
«скорость выделения тепла», и это может происходить из-за того, что пожар регулируется вентиляцией, и скорость выделения тепла зависит от вентиляционного отверстия. Данный расчёт оконных струй основан на допущениях, касающихся подсоса воздуха к струе и применимости общей модели пристенной струи, но он не был проверен экспериментально.
Средняя температура струи
Среднюю температуру струи можно рассчитать, анализируя струю на основе первого закона термодинами ки. Рассмотрим струю как устойчивый поток с контрольным объёмом, показанным на рис.13.10. Не учитывая небольшое количество массы, добавленной в поток струи при сгорании, первый закон для струи выглядит так:
Q& g + Q& t = m& (he − hi + ΔKE + ΔPE ) + W& (13.24) где
Q& g = теплота, выделяющаяся внутри контрольного объёма, кВт;
Q&t = теплота, передаваемая из окружающей среды в контрольный объём, кВт;
m& = массовый расход, кг/с;
hi = энтальпия потока, входящего в контрольный объём, кВт/кг;
he = энтальпия потока, выходящего из контрольного объёма, кВт/кг:
ΔKE = изменение в кинетической энергии, кВт/кг;
ΔPE = изменение в потенциальной энергии, кВт/кг;
W& = работа, совершённая системой над внешними телами, кВт.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 18
Рис. 13.10 Контрольный объем для теоретической модели струи
При устойчивой струе работа равна нулю, и изменения в кинетической и потенциальной энергии незначи тельны. Выделяемая теплота – это теплоотдача пожара ( Q& g = Q& ). Теплота передается от струи окружающей
среде посредством проводимости и излучения ( Q& t = − Q& r , где Q& r – излучаемая теплота), т.ч.
& = Q& + Q& ). Удельная теплоёмкость может считаться постоянной (h = CpT). Первый закон ведет к урав-
(Qc g t нению для температуры струи.
Q& c
T p = T0 + (13.25) m& C p где
T p = средняя температура струи на высоте z, °C;
T0 = температура окружающей среды, °C;
C p = удельная теплоёмкость газов струи, кДж/кг °C.
Струи пожара состоят в основном из воздуха, смешанного с продуктами горения, и за удельную теплоём кость газов струи обычно принимается удельная теплоёмкость воздуха [Cp = 1,00 кДж/кг°C)].
Пример 13.4 Средняя температура струи
Какова средняя температура струи в примере 13.1?
Согласно уравнению (13.25), средняя температура струи равна:
Q&c
Tp =T0 + = 22+ = 73o C
& mCp 58,2(1,00)
Как предполагается, средняя температура струи меньше температуры струи по осевой линии.
Максимальная высота струи
Уравнения массового расхода струи были разработаны для струй большой плавучести. Когда дым недоста точно горяч, чтобы подняться, он застаивается, или его уносят существующие воздушные потоки. Объедине ние уравнений (13.10) и (13.25) дает следующее выражение максимальной высоты струи, на которой струя может считаться значительно плавучей.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 19
3/5
⎡ 2 / 3 ⎛ 14 ⎞⎤
Z max = ⎢ Q& c ⎜⎜ − 0 , 0254 ⎟⎟ ⎥ (13.26)
⎣ ⎝ Δ T min ⎠⎦ где z max = максимальная высота, на которой струя считается плавучей, м;
Q& = конвективная теплоотдача, кВт;
c
ΔTmin = минимальное увеличение температуры струи над температурой окружающей среды, °C.
Уравнение (13.26) применяется для осесимметричных струй. Минимальное увеличение температуры – это наименьшее увеличение температуры, при котором струя обладает достаточной плавучестью, чтобы перерас ти в струю сильной плавучести.
Исследования по определению значения минимального увеличения температуры, соответствующего раз личным применениям и скоростям воздушных потоков, не проводились. Пока не появится более точная ин формация, предлагается использовать значение 2°C. Рис.13.11 показывает максимальную высоту струи для этого минимального увеличения температур.
При суммарной скорости выделения тепла 530 кВт, максимальная высота струи на рис.13.11 равна при мерно 40 м. При суммарной скорости выделения тепла 2100 кВт максимальная высота струи составляет при близительно 67 м. К большинству проектов максимальная высота струи не имеет отношения, но ее необходи мо учитывать для атриумов с высокими потолками.
Рис. 13.11 Максимальная высота струи
Объёмный расход
Объёмный расход струи равен m&
V& = (13.27) ρp где m& = массовый расход в струе на высоте z, кг/с;
V& = объёмный расход дыма на высоте z, м3/с:
ρp = плотность газов струи на высоте z, кг/м3.
Плотность воздуха и струи
Плотность воздуха и газов струи рассчитывается по закону идеального газа:
p ρ= (13.28)
RT где ρ = плотность воздуха или газов струи, кг/м3;
p = абсолютное давление, Па;
R = газовая константа, Дж/кг К;
T = абсолютная температура, K.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 20
За абсолютное давление обычно принимают стандартное атмосферное давление в 101325Па, а за газовую константу – константу воздуха, соответствующую 287 Дж/кг К.
В большинстве мест при расчёте плотности воздуха и дыма атмосферное давление можно считать посто янным. Это означает, что p/R можно считать константой и с учётом этого рассчитать плотность.
Tr ρ = pr (13.29)
T где ρ r = исходная плотность, кг/м3;
Tr = абсолютная исходная температура, K.
Существует бесконечное количество возможных пар pr - Tr , и одна из тех, что можно использовать для по добных расчётов - pr = 1,20 кг/м3, Tr = 294 K.
Замкнутый поток
Как уже отмечалось ранее, диаметр струи увеличивается с высотой. В высоком узком атриуме струя может касаться всех стен атриума, прежде чем достигнет потолка. Там, где струя касается стены, подсоса воздуха к струе не происходит. В целях управления дымоудалением, границей дымового слоя следует считать высоту, на которой дым соприкасается со всеми или с большинством стен атриума.
Естественная вентиляция
Вентиляционные отверстия естественной вентиляции представляют собой проёмы в потолке, через кото рые дым вытекает благодаря своей плавучести. Слой горячего дыма под потолком вытесняет дым через вен тиляционное отверстие и затягивает кондиционированный воздух через другие отверстия в атриум. Приводи мый ниже расчёт естественной вентиляции адаптирован на основе расчёта, проведённого Томасом и др. (Tho mas et al., 1963 [17]), и проиллюстрирован на рис.13.12. Температура в атриуме под дымовым слоем считается такой же, что и температура снаружи.
(а) Эскиз выпуска дыма под (b) Профиль давления дымового слоя действием силы тяжести
Рис. 13.12 Выпуск дыма под действием силы тяжести
Масса протекает через вентиляционное отверстие и во входном отверстии может быть выражена уравнением потока воздуха через отверстие:
m& v = C v Av 2 ρ s ( p s − p 0 ) (13.30)
и
m& i = C i Ai 2 ρ 0 ( p 0 − p b ) (13.31) где m& v = массовый расход через вентиляционное отверстие, кг/с;
m& i = массовый расход через входное отверстие, кг/с;
Сv = коэффициент расхода вентиляционного отверстия (в относительных единицах);
Сi = коэффициент расхода входного отверстия (в относительных единицах);
Av = площадь вентиляционного отверстия, м2;
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 21
Ai = площадь входного отверстия, м2;
ρ s = плотность дыма, кг/м3;
ρ 0 = плотность наружного воздуха, кг/м3;
p s = давление дымового слоя у потолка, Па;
p0 = наружное давление, Па;
pb = давление воздуха под дымовым слоем, Па.
Разность давлений плавучести дымового слоя равна
ps − pb = gdb (ρ0 − ρs ) (13.32) где g = ускорение силы тяжести, м/с2; db = глубина дымового слоя под вентиляционным отверстием, м.
Коэффициенты расхода считаются равными ( C = Cv = Ci ). Массовый расход на выходе вентиляционного
отверстия равен массовому расходу через входное отверстие ( mv = mi ). Плотность дыма можно выразить уравнением:
T0 ρ s = ρ0 (13.33)
Ts
Объединив уравнения с (13.30) по (13.33), получим:
CAv ρ 0 [2 gd b (Ts − T0 )(T0 / Ts )]
1/ 2 m& v =
[T + ( A / A ) T ] 1/ 2
(13.34) s v i где m& v = массовый расход через вентиляционное отверстие, кг/с;
С = коэффициент расхода (в относительных единицах);
Av = площадь вентиляционного отверстия, м2;
Ai = площадь входного отверстия, м2;
ρ 0 = плотность наружного воздуха, кг/м3;
g = ускорение силы тяжести, 9,80 м/с2;
d b = глубина дымового слоя под вентиляционным отверстием, м;
T0 = абсолютная температура наружного воздуха, K;
Ts = абсолютная температура дыма, K;
Временнуе отставание
Струе требуется время, чтобы подняться к потолку, и припотолочной струе требуется время для образова ния дымового слоя под потолком (Рис.13.13). Согласно теоретической зонной модели пожаров, (1) дым от струи достигает верхнего слоя в момент сгорания и (2) сплошной дымовой слой образуется уже в тот момент, когда любой дым достигает потолка.
Программы зонного моделирования пожаров были разработаны для таких помещений, как обычные спаль ни, столовые и комнаты отдыха. В этих помещениях ошибки, возникающие в результате подобных упрощений, были незначительными. Атриумы же представляют собой помещения бульших размеров, и в последующих разделах пойдёт речь о средствах оценки ошибок, возникающих при игнорировании временнуго отставания.
Игнорирование этого отставания приводит к неправильной оценке времени, требующегося на заполнение атриума дымом и активацию пожарных детекторов. При расчёте заполнения атриумов дымом это некритично, т.к. у пользователей атриума будет больше времени прежде, чем дым достигнет определённого уровня. При расчёте работы детекторов дыма, игнорирование этого отставания во времени приводит к преуменьшению времени, требуемого для срабатывания детекторов, что критично, поскольку у людей остаётся меньше време ни для спасения, чем было спрогнозировано.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 22
(а) Растущая основная струя
(b) Полностью сформировавшаяся основная струя и растущая припотолочная струя
(с) Полностью сформировавшаяся основная струя и припотолочная струя, заполнившая все пространство под потолком
Рис. 13.13 Формирование основной и припотолочной струи
Время запаздывания основной струи
Ньюман и Маурер (Newman, 1988 [18] and Mowrer, 1990 [19]) разработали соотношения временнуго отста вания для основных струй при стационарном и нестационарном пожарах. Поскольку огню свойственно разрас таться, временнуе отставание при стационарных пожарах, вероятно, является менее важным.
При стационарном пожаре,
H 4/3 t pl = 0,67 1 / 3 (13.35)
Q&
При квадратичном пожаре,
t pl = 0,1H 4 / 5 t g
2/5
(13.36) где t pl = временнуе отставание основной струи, с;
t g = время роста, с;
H = высота потолка над поверхностью топлива, м;
Q& = скорость выделения тепла, кВт.
В целом, при квадратичных пожарах временнуе отставание основной струи больше, чем при стационарных пожарах, что видно на рис.13.14. Это ожидаемо, поскольку квадратичные пожары и начинаются со скорости выделения тепла равной нулю и разрастаются пропорционально квадрату времени, в то время как стацио нарные пожары начинаются сразу с полного пожара, что во многом напоминает газовую горелку.
При медленном квадратичном пожаре с высотой потолка 30 м над поверхностью топлива, время запазды вания струи составляет всего около 18 секунд. Такое небольшое значение подтверждает разумность игнори рования временнуго отставания основной струи.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 23
Рис. 13.14 Временнуе отставание при развитии основной струи
Время запаздывания припотолочной струи
Ньюман и Маурер также разработали следующие соотношения для временнуго отставания припотолочных струй при стационарных и нестационарных пожарах.
При стационарном пожаре,
0,833r 11 / 6 t cj = (13.37)
Q& 1 / 3 H 1 / 2
При квадратичном пожаре,
2/5
0,72rt g t cj = (13.38)
H 1/ 5 где t cj = временнуе отставание при развитии припотолочной струи, с;
r = радиус или расстояние по горизонтали от осевой линии струи, м.
Как и в случае со временем запаздывания основной струи, квадратичные пожары характеризуются наи большим временем запаздывания припотолочной струи, как показано на рис.13.15. Припотолочная струя бы строго квадратичного пожара при высоте H = 6 м в течение около 25 секунд распространяется в радиусе 7,6 м.
Рис. 13.15 Временнуе отставание струи при развитии припотолочной струи
Общее время запаздывания
Общее время запаздывания есть сумма времени запаздывания основной и припотолочной струй:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 24 t t = t pl + t cj (13.39)
где t t - общее время запаздывания при развитии струй, с.
«Эффект прокалывания»
Эффект прокалывания – подсасывание воздуха в вытяжную противодымную вентиляцию из незадымлён ного слоя ниже уровня дыма. Когда глубина дымового слоя под вытяжным отверстием относительно неболь шая, высокая скорость дымоудаления может привести к вовлечению холодного воздуха из незадымлённого слоя (рис 13.16). Это явление называется «эффектом прокалывания».
Рис. 13.16 Попадание незадымленного воздуха в вытяжной канал может привести к сбоям в работе вытяжной противодымной вентиляции
Количество вытяжных отверстий
Чтобы предотвратить «эффект прокалывания», может потребоваться не одно вытяжное отверстие. Макси мальный массовый расход, который можно эффективно рассчитать, используя одно вытяжное отверстие, ра вен:
1/ 2 1/ 2
⎛ Ts − T0 ⎞ ⎛ T0 ⎞ mmax = 3,13β d 5/ 2
⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ (13.40)
⎝ Ts ⎠ ⎝ Ts ⎠ где mmax = максимальный массовый коэффициент при вытяжке без «эффекта прокалывания», кг/с;
Ts = абсолютная температура дымового слоя, K;
T0 = абсолютная температура окружающей среды, K;
d = глубина дымового слоя под основанием вытяжного отверстия, м;
β = коэффициент расположения вытяжки (в относительных единицах).
Когда речь идёт об «эффекте прокалывания», глубина дымового слоя всегда есть расстояние от границы дыма до основания вытяжного отверстия. Для вытяжного отверстия, расположенного в стене, глубина дымо вого слоя под основанием вытяжного отверстия изображена на рис.13.17.
Рис. 13.17 Глубина, d, дымового слоя ниже основания вытяжного отверстия
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 25
Основываясь на недостаточной информации, предлагаемые значения для β : 2,0 – для вытяжного отвер стия на потолке у стены, 2,0 – для вытяжного отверстия на стене у потолка, и 2,8 – для вытяжного отверстия
на потолке вдали от стен (рис.13.18). Предлагается, чтобы значение d/D было больше 2, где D – диаметр от верстия. Для вытяжных отверстий используйте D = 2ab/(a + b), где a и b – длина и ширина отверстия. Ре зультаты экспериментов, проведённых Национальным Канадским научно-исследовательским советом (National
Research Council of Canada), согласуются с данным подходом к «эффекту прокалывания». (Lougheed and Had jisophocleous, 1997, 2000 [20, 21]; Lougheed et al., 1999 [22]; Hadjisophocleous et al., 1999 [23]).
(а) Отверстие в потолке вдали от стен
(b) Отверстие в стене у потолка (с) Отверстие в потолке у стены
Рис. 13.18 Значения коэффициента расположения вытяжки, β
Уравнение (13.40) может быть выражено на основе коэффициента объёмного расхода:
V&max = 0,00887 βd 5 / 2 T0 (Ts − T0 ) (13.41)
где
V&max = максимальный объёмный расход при Ts , м3/с.
Принимая во внимание то, что значения расходов для каждого вытяжного отверстия равны, количество вытяжных отверстий, N inlets , рассчитывается следующим образом:
⎛ V& ⎞
N inlets = ROUND⎜⎜ ⎟ (13.42)
& ⎟
⎝ max ⎠ где функция ROUND указывает на то, что значение в скобках округляется до ближайшего целого числа.
Расстояние между вытяжными отверстиями
Когда выпуск на вытяжном отверстии близок к максимальному коэффициенту расхода, необходимо соблю дать соответствующее расстояние между вытяжными отверстиями для сведения к минимуму взаимодействия
потоков около отверстий. Один из критериев для интервала между отверстиями заключается в том, что дан ный интервал должен быть, по меньшей мере, равен расстоянию от единственного отверстия, что приведёт к произвольно малой скорости, основанной на стоке. При произвольной скорости в 12 м в минуту, минимальный интервал для отверстий, расположенных в стене около потолка (или в потолке около стены) равен:
Smin = 0,32β V&e (13.43) где
S min = минимальный интервал между отверстиями, м;
V& = объёмный расход, м3/с;
e β = коэффициент расположения вытяжки (в относительных единицах).
Минимальная глубина для предотвращения «эффекта прокалывания»
В подходе, описанном в предыдущем разделе, рассматривалось количество вытяжных отверстий, необхо димых для предотвращения «эффекта прокалывания», но данный вопрос можно также рассматривать с точки
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 26 зрения глубины дымового слоя, необходимого для предотвращения «эффекта прокалывания» при конкретной скорости дымоудаления.
Минимальная глубина дымового слоя для предотвращения «эффекта прокалывания» может быть выраже на уравнением:
V&e
2/5
dm =
0,15β 2 / 5 [T0 (Ts − T0 )]
1/ 5 (13.44)
где d m = минимальная глубина дымового слоя для предотвращения «эффекта прокалывания», м.
Удовлетворение уравнения (13.44) равнозначно удовлетворению критерия для количества вытяжных от верстий, описанного в предыдущем разделе. Это означает, что соответствия одному из этих критериев уже достаточно, чтобы обеспечить соответствие второму критерию.
Расход при «эффекте прокалывания»
Условия вытяжки отработанного воздуха и дыма показаны на рис.13.19. Массовый расход отработанного воздуха есть сумма удаляемого дыма и воздуха. Выпуск из вытяжного отверстия может быть выражен как:
m& e = m& eo + m& es (13.45)
где m& e = суммарный выпуск из отверстия, кг/с;
m& eo = воздух из нижнего слоя, выпускаемый из отверстия, кг/с;
m& es = дым, выпускаемый из отверстия, кг/с.
(а) Вытяжка воздуха при отсутствии дымового слоя
(b) Вытяжка воздуха с дымом, когда глубина дымового слоя, d, меньше минимальной глубины, dm, необходимой для предотвращения «эффекта прокалывания»
(с) Вытяжка одного только дыма, когда глубина дымового слоя, d, больше минималь ной глубины, dm, необходимой для предотвращения «эффекта прокалывания»
Рис. 13.19 Условия вытяжки дыма и отработанного воздуха
Когда глубина дымового слоя равна минимальной глубине дымового слоя, необходимой для предотвраще ния «эффекта прокалывания», или превышает её ( d ≥ d m ), массовые расходы соответствуют m& eo = 0 и
& es = ρsV&e где V&e - суммарный объёмный выпуск, м3/с и ρ s - плотность дыма, кг/м3. Когда глубина дымо m
& eo = ρ oV&e и m& es = 0 mes, где ρ o - плотность на вого слоя равна нулю (d = 0), массовые расходы равны m ружного или более низкого слоя воздуха, кг/м3.
Поскольку не существует официально разработанной и экспериментально подтверждённой теории расхода при «эффекте прокалывания», предлагаем использовать следующие соотношения:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 27 a
⎛d⎞
& es = ρsV&e ⎜⎜ ⎟⎟ для 0 ≤ d < d m m (13.46)
⎝ dm ⎠ или m& es = ρ sV&e для dm ≤ d и
⎡ ⎛ d − d ⎞α ⎤
& m& eo = ρ oVe ⎢1 − ⎜⎜ m ⎟⎟ ⎥ для 0 ≤ d < d m (13.47)
⎢⎣ ⎝ d m ⎠ ⎥⎦ или m& eo = 0 для dm ≤ d
где α - экспонента «эффекта прокалывания». Влияние этой экспоненты на высоту дымового слоя показа но на рис.13.20. Наибольшие показатели приводят к прогнозированию меньших дымовых слоёв.
Рис. 13.20 Влияние экспоненты «эффекта прокалывания»
на высоту дымового слоя согласно модели AZONE
Минимальная глубина дымового слоя
В предыдущем разделе шла речь о глубине дымового слоя, необходимой для предотвращения «эффекта прокалывания». В этом разделе речь пойдёт о минимальной глубине расчётного дымового слоя, необходимой
для того, чтобы вместить реальный поток дыма под потолком. Предупреждаем читателей о разнице в опреде лениях глубины дымового слоя. Для прикладных программ по расчёту «эффекта прокалывания», глубина ды мового слоя – это расстояние от границы дымового слоя до основания вытяжного отверстия. В данном разде ле, глубина дымового слоя – это расстояние от границы дымового слоя до потолка.
Когда струя дыма достигает плоской поверхности потолка, дым меняет направление и образует припото лочную струю, растекающуюся радиально от того места, где основная струя соприкасается с потолком. Как было описано выше, глубина припотолочной струи лежит в пределах 10% - 20% расстояния от основания топлива до потолка. Это значительное упрощение в том плане, что припотолочная струя составляет около
10% расстояния, поскольку, коснувшись стен, струя начинает обратное движение и протекает под собой. Если речь идёт о закрытом помещении или атриуме, где около потолка нет проёмов, дымовой слой образуется так, как показано на рис.13.21. Для такого закрытого помещения или атриума, рекомендуется принимать за рас чётную глубину дымового слоя величину не менее 20% расстояния от основания огня до потолка.
(а) Образование припотолочной струи
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 28
(b) Припотолочная струя, достигшая стены и повернувшая назад
(с) Образование дымового слоя минимальной глубины в замкнутом помещении
Рис. 13.21 Образование минимального дымового слоя в закрытом помещении или атриумах
В помещениях и атриумах с проёмами в потолке, дым припотолочной струи протекает через проём (рис.
13.22). При условии, что проём достаточно широкий, минимальная глубина дымового слоя составляет около
10% расстояния от основания огня до потолка.
Рис. 13.22 Дымовой слой в помещении или атриумах, где есть проем в потолке
Горизонтальный поток дыма
Горизонтальный поток, вытекающий из дымового слоя, и соответствующие показатели давления отражены
на рис.13.23. Эти показатели давления гидростатические, т.е. компоненты динамического давления незначи тельно малы. Проём считается достаточно большим – настолько, что давление под дымовым слоем может считаться равным давлению снаружи проёма. Кроме того, верхняя часть проёма находится значительно ниже потолка, т.ч. движущая сила припотолочной струи не влияет на истечение дыма через проём.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 29 (а) Эскиз горизонтального потока (b) Профили давления Рис. 13.23 Горизонтальный поток через проем или вентиляционное отверстие
Поток дыма, проходящий через проём зависит от плавучести дыма и толщины дымового слоя под первым уровнем.
CWh 3 / 2 2 ρ s g (ρ a − ρ s ) m& = (13.48) где m& = массовый расход из дымового слоя через проём, кг/с;
W = ширина проёма, м;
h = глубина дымового слоя, м;
g = ускорение силы тяжести [приблизительно 9,8 м/с2];
ρ a = плотность окружающего воздуха, кг/м3;
ρ s = плотность дыма, кг/м3;
C = коэффициент расхода (в относительных единицах – приблизительно 0,7).
Уравнение (13.48) может также быть записано следующим образом:
m& = 2,07Wh 3 / 2 ρ s (ρ a − ρ s ) (13.49)
Подставив уравнение идеального газа в уравнение (13.49) и переставив члены уравнения, получаем:
1 Ts m& = 730Wh 3 / 2 −1 (13.50)
Ts To где
Ts = температура дыма, K;
To = температура окружающей среды, K.
Как было сказано выше, этот расчёт применяется, когда (1) проём считается достаточно большим, что
давление ниже дымового слоя может считаться равным давлению снаружи проёма, и (2) движущая сила при потолочной струи не влияет на течение дыма через проём. Комментарии, касающиеся движущей силы припо толочной струи, приведённые выше в разделе о растекающихся балконных струях, также применимы и здесь.
Когда эти условия отсутствуют, горизонтальное течение дыма можно анализировать посредством физического моделирования или вычислительной гидродинамики.
Приведённый выше расчёт – это сокращённый вариант подхода, используемого моделями многозонных пожаров. Многозонные модели учитывают возможность протекания дыма в помещение, где имеется дымовой слой, спустившийся ниже верха проёма. Разница в давлении и расходах у проёмов между отсеками зонной модели может быть сложной.
Смежные помещения
Смежные помещения – это пространства внутри здания, имеющие открытый проход к атриуму таким обра зом, что дым от пожара в смежном помещении может беспрепятственно проникать в атриум. Дым от пожара в атриуме может также беспрепятственно проникать в смежное помещение. Смежные помещения могут выхо дить напрямую в атриум или соединяться с ним через другие открытые пространства.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 30
Подпор воздуха при пожаре в смежном помещении
Воздушный поток может быть использован для предотвращения или сдерживания проникновения в атриум дыма, возникающего в смежном помещении (рис.13.24).
Рис. 13.24 Воздушный поток, используемый для предотвращения или сдерживания проникновения в атриум дыма, возникшего в смежном помещении
Это достигается путём выпуска дыма из смежного помещения и нагнетания воздуха в атриум так, что ско рости у проёма смежного помещения достаточно для предотвращения попадания дыма в атриум. Для предот вращения такой миграции дыма, средняя скорость в проёме должна быть равна или быть больше предельной скорости потока (Heskestad, 1989 [15]).
gH (T f − To ) v = 0,64 (13.51)
Tf где v = предельная средняя скорость воздуха, м/с;
g = ускорение силы тяжести, м/с2;
H = высота проёма, м;
T f = абсолютная температура горящего пространства, K;
To = абсолютная температура окружающей среды, K.
Подпор воздуха при пожаре в атриуме
Воздушный поток может также быть использован для предотвращения попадания в смежное помещение дыма, возникшего в атриуме. Предельную скорость воздуха можно рассчитать по формуле:
1/ 3
⎛ Q& ⎞ ve = 0,057⎜⎜ ⎟⎟ (13.52)
⎝z⎠ где ve = предельная средняя скорость воздуха, м/с;
Q& = скорость выделения тепла, кВт;
z = расстояние от основания топлива до основания проёма, м.
Уравнение (13.52) неприменимо, когда z < 3 м. Более того, ve не должно превышать 1 м/с. Если проём, ведущий в смежное помещение, выше границы дымового слоя, предельную скорость дыма следует рассчиты вать по уравнению (13.51).
СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ В АТРИУМАХ
Известно, что способность спринклеров подавлять пожары в помещениях с потолками выше 11-15 метров ограничена. Поскольку температура дыма уменьшается по мере того, как дым поднимается вверх (благодаря вовлечению окружающего воздуха), дым может стать недостаточно горячим, чтобы активировать спринклеры, установленные под потолком атриума. Даже если спринклеры сработают, отсрочка активации может привести к разрастанию пожара до масштаба, который не поддаётся подавлению обычными спринклерами. Учитывая ограничения, связанные с делением атриумов на отсеки и с возможностями спринклеров, неудивительно, что вопрос о противодымной защите атриумов крайне важен.
Системы
Подходы, которые могут использоваться в целях организации противодымной защиты атриумов, включают
в себя: (1) задымление/заполнение дымом, (2) механическую вытяжную вентиляцию, (3) естественную венти ляцию, и (4) системы обеспечения безопасных условий. Целью большинства этих подходов, за исключением систем обеспечения безопасных условий, является защитить пользователей атриума от дыма во время эва-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 31 куации. Целью систем обеспечения безопасных условий является защитить пользователей атриума от условий несовместимых с жизнью.
При всех этих подходах расчётный пожар может быть стационарным или нестационарным. Место возник новения пожара является важным фактором: например, пожар в пространстве атриума может образовать осе симметричную струю, в то время как пожар в смежном с атриумом пространстве может образовать растекаю щуюся балконную струю (рис. 14.1). В Северной Америке системы обычно проектируются для борьбы с пожа рами в атриуме. В Австралии, Великобритании и других частях Европы расчётные пожары обычно сориенти рованы на помещения, примыкающие к атриуму, такие как магазины и офисы.
Анализ этих подходов может быть произведён с использованием уравнений или компьютерных программ
зонного моделирования пожаров (например, CFAST, ASET-C и AZONE). AZONE - программа, специально соз данная для расчёта движения дыма в атриуме. В конце этой главы приводится подробное описание програм мы AZONE.
(а) Пожар в атриуме, образующий осесимметричную струю
(b) Пожар в смежном с атриумом пространстве, образующий растекающуюся балконную струю
Рис. 14.1 Месторасположение пожара влияет на разновидность струи
Задымление (заполнение дымом)
Данный подход заключается в том, чтобы эвакуировать пользователей атриума или через атриум в про цессе того, как пространство атриума заполняется дымом (рис.14.2). Задымление применяется только в по мещениях очень большого объёма, где времени заполнения дымом достаточно для эвакуации, включая время, требуемое для того, чтобы понять, что произошёл пожар, и приготовиться двигаться к выходу. Расчёты по заполнению дымом могут выполняться с помощью компьютерных программ зонного моделирования пожаров или эмпирических уравнений, представленных ниже.
Эмпирические уравнения по заполнению атриума дымом
Эмпирические уравнения по заполнению атриума дымом основаны на испытаниях по задымлению (Heske stad and Delichatsios, 1977 [16]; Nowler, 1987 [34]; Mulholland et al., 1981 [36]; Cooper et al., 1981 [24, 37]; Hag glund et al., 1985 [35]).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 32
Примечание:
1. Если время эвакуации меньше времени заполнения атриума ды мом, подойдет система задымле ния атриума.
2. Время эвакуации состоит из смоделированного времени эва куации, умноженного на эффек тивность проведения эвакуации, плюс задержка во времени начала эвакуации.
3. Время заполнения атриума ды мом – время, за которое дымовой слой опускается до критического уровня над самым высоким эта жом, занимаемым людьми.
Рис. 14.2 Заполнение атриума дымом
Из-за трудности в определении нижней границы дымового слоя на основе экспериментальных данных, в приведённых ниже корреляциях используется уникальная концепция первых признаков дыма (рис.14.3). В теоретической зонной модели границей дымового слоя считается высота, выше которой есть дым, а ниже –
нет. При реальных пожарах между нижним прохладным и верхним горячим слоями образуется зона постепен ного перехода. Первыми признаками дыма можно считать нижнюю границу переходной зоны. Как можно ожи дать, прогнозы с использованием уравнений из данного раздела отличаются от прогнозов, сделанных с ис пользованием программы зонного моделирования пожаров.
Рис. 14.3 Изображение дымовых слоев для эмпирических уравнений задымления и программ зонного моделирования пожаров
Заполнение дымом при стационарном пожаре
При стационарном пожаре заполнение дымом можно приблизительно выразить соотношением:
⎛ ⎞ z ⎜ tQ& 1 / 3 H − 4 / 3 ⎟ = 1,11 − 0,28 ln⎜ ⎟ (14.1) H ⎜ A ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ H 2 ⎠ где z = высота появления первых признаков дыма над поверхностью огня, м; H = высота потолка над огнём, м; t = время, с; Q& = скорость выделения тепла при стационарном пожаре, кВт; A = площадь поперечного сечения атриума, м.
Уравнение (14.1) основано на струе, которая не касается стен. Поскольку соприкосновение со стеной сни жает подсос воздуха, это условие завышено.
Уравнение (14.1) относится к площади постоянного поперечного сечения с учётом высоты. Для других форм атриума можно использовать программу зонного моделирования пожаров AZONE, физическое модели-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 33 рование или вычислительную гидродинамику. Уравнение уместно, когда A/H2 находится в пределах от 0,9 до
14, и z больше или равно 20% от H. Если z/H>1, это означает, что дымовой слой под потолком ещё не начал опускаться. Эти условия могут быть выражены следующим образом:
A = константа с учётом z, (14.2) z
0,2 ≤ ≤ 1,0 , (14.3)
H и
A 0,9 ≤ ≤ 14 (14.4) H2 Когда с помощью уравнения (14.1) вычисляют z/H, выясняется, что z/H часто выпадает из допустимых гра ниц. Уравнение задымления при стационарном пожаре можно применить для вычисления времени: A H 4/3 ⎡ 1 ⎛ z ⎞⎤ t= 2 & 1/ 3 exp ⎢ ⎜1,11 − ⎟⎥ (14.5) H Q ⎣ 0,28 ⎝ H ⎠⎦
На рис.14.4 показано время, спрогнозированное на основе уравнения (14.5), требуемое на заполнение ды мом верхних 80% атриума (z/H = 0,2). Учитывая, что время эвакуации часто колеблется от 15 до 30 минут, из этих цифр видно, что подход «заполнение дымом» приемлем только для очень больших атриумов. Пунктир ные линии на этом рисунке показывают границы применения (0,09 ≤ A/H2 ≤ 14) уравнения задымления при стационарном пожаре.
Рис. 14.4 Время, за которое при пожаре мощностью 5280 кВт дым заполняет верхние 80% ат риума (z/H = 0,2) по прогнозам на основании эмпирического уравнения задымления
Пример 14.1 Заполнение дымом при стационарном пожаре
Какое время требуется при пожаре мощностью 5280 кВт для заполнения верхних 21,3 м атриума дымом, если высота атриума составляет 30,5 м, а площадь – 9290 м2 ?
Высота первых признаков дыма над поверхностью пожара, z, составляет 30,5 – 21,3 = 9,2 м, и z/H =
9,2/30,5 = 0,3. Из уравнения (14.5) время заполнения дымом равняется:
A H 4 /3 ⎡ 1 ⎛ z ⎞⎤ t = exp ⎢ ⎜ 1 ,11 − ⎟ =
H 2
Q& 1 / 3
⎣ 0 , 28 ⎝ H ⎠ ⎥⎦
⎛ 9290 ⎡ 1 ⎞
= ⎜⎜
( 30 , 5 ) 4 / 3
1/3 exp ⎢ (1 ,11 − 0 , 3 )⎤⎥ = 1020 c (16 , 9 мин )⎟⎟
⎝ ( 30 , 5 ) 5280 ⎣ 0 , 28 ⎦ ⎠
Заполнение дымом при нестационарном пожаре
Квадратичный пожар может быть использован в качестве аппроксимации этапа роста при развитии пожа ра. Для уравнения задымления при нестационарном пожаре, описанного ниже, пожар продолжает разрас таться в процессе заполнения дымом. Как было указано выше, на эвакуацию часто требуется от 15 до 30 ми нут. Пожар к концу эвакуации может быть очень большим, что ограничивает применение этого уравнения
(таблица 14.1). Тем не менее, уравнение задымления при нестационарном пожаре приводится здесь для пол ноты картины.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 34
−1.45 z ⎡ − 2 / 5 − 4 / 5 ⎛ A ⎞ −3 / 5 ⎤
= 0,91⎢tt g H ⎜ 2⎟ ⎥ (14.6)
H ⎢⎣ ⎝ H ⎠ ⎥⎦ где z = высота первых признаков дыма над поверхностью пожара, м;
H = высота потолка над огнём, м;
t = время, с;
tg = время развития пожара, с;
A = площадь поперечного сечения атриума, м.
Как в случае с уравнением (14.1), уравнение (14.6) завышено в том, что оно определяет первые признаки дыма и рассчитано на струю, не имеющую контактов со стенами.
Уравнение (14.6) также относится и к постоянной площади поперечного сечения с учётом высоты, и заме чания касательно атриумов другой формы в разделе выше также имеют отношение и к этому разделу. Урав нение уместно, когда A/H2 находится в пределах от 1,0 до 23 и z ≥ 20% от H. Значение z/H >1 также означает, что дымовой слой под потолком ещё не начал опускаться. Эти условия можно выразить следующим образом:
A = константа с учётом H, (14.7) z
0,2 ≤ ≤ 1,0 (14.8)
H и
A
0,9 ≤ ≤ 23 (14.9)
H2
Время развития пожара, tg, обсуждалось выше. Как и в случае с уравнением задымления при стационар ном пожаре, с помощью уравнения задымления при стационарном пожаре можно рассчитать время:
3/5 −0 , 69
⎛ A ⎞ ⎛ z ⎞ t = 0,937t g H 4/5⎜ 2 ⎟ ⎜ ⎟
2/5
(14.10)
⎝H ⎠ ⎝H⎠
Таблица 14.1 Теплоотдача в конце времени эвакуации для уравнения задымления при не стационарном пожаре
Время эвакуации Медленный пожар Средний пожар Быстрый пожар Сверхбыстрый пожар tg=600 с tg=300 с tg=150 с tg=75 с Мин. кВт кВт кВт кВт 15 2 370 9 500 38 000 152 000 20 4 220 16 900 67 500 270 000 25 6 590 26 400 106 000 422 000 30 9 500 38 000 152 000 608 000
Примечания:
1. tg – это время развития квадратичного пожара, за которое пожар достигает мощности 1055 кВт.
2. Поскольку пожары к концу времени эвакуации сильные, уравнение задымления при нестационарном пожаре имеет ограниченное применение.
Компьютерное моделирование
Высоту дымового слоя над поверхностью топлива иногда называют чистой высотой, и на рис.14.5 показано сравнение чистых высот, смоделированных разными программами зонного моделирования пожаров и уравне нием задымления при стационарном пожаре. Эти прогнозы составлены для большого атриума с условием H =
30,5 м и A = 5280 м2 при стационарном пожаре мощностью 5270 кВт. Можно заметить, что прогнозы, полу ченные с помощью программ ASET-C и AZONE, почти совпадают. Прогнозы, полученные с помощью про граммы CFAST и уравнения задымления при стационарном пожаре, дают более низкие показатели чистой вы соты.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 35
Рис. 14.5 Сравнение чистых высот, смоделированных разными программами
Разница в прогнозируемых значениях чистой высоты может быть объяснена существенными различиями в инструментах прогнозирования. Эти инструменты включают в себя: (1) модели струи, (2) определение чистой высоты, и (3) подход к теплопередаче. В каждой зонной модели массовый расход струи рассчитывается в со ответствии с разными моделями струи.
Как указано выше, эмпирическое уравнение завышено в том, что оно прогнозирует значение чистой высо ты как первые признаки дыма над огнём, что показано на рис.14.3. Программы зонного моделирования про гнозируют значение чистой высоты как границу дымового слоя. По этим причинам ожидается, что прогнозы на основе эмпирического уравнения задымления при стационарном пожаре приведут к более низким показа телям высот, чем прогнозы программ зонного моделирования.
В каждой из программ зонного моделирования теплопередача рассчитывалась по-разному. При моделиро вании в программе CFAST расчёт теплопоглощения стенами и потолком из гипсокартона основан на разнице температур между дымовым слоем и гипсокартоном. Для расчёта теплопередачи в программах ASET-C и
AZONE используются параметры.
В программе ASET-C расчёт теплопередачи осуществляется с помощью коэффициента теплопотери, λс ,
который является долей выделения тепла при пожаре, поглощаемой ограничивающими поверхностями поме щения и его содержимым. Коэффициент теплопотери обычно находится в пределах от 0,6 до 0,9. В программе
AZONE подсчёт теплопередачи осуществляется с помощью конвективной доли, χ с , и доли теплопоглощения стенами, η. Конвективная доля – это конвективная составляющая теплоотдачи. Доля теплопоглощения сте нами – это доля энтальпии струи, втекающей в дымовой слой, поглощаемая стенами и потолком.
Температуры дыма, связанные с чистыми высотами, показанными на рис.14.5, отражены на рис.14.6. Для программы ASET-C было выбрано значение λс = 0,6. В программе AZONE использовались значения χ с = 0,7 и
η = 0,4. Параметры соотносятся как λс = 1 − χ с (1 − η ) и, таким образом, моделирование с помощью про граммы AZONE эффективно осуществлялось при λс = 1 – 0,7(1 – 0,4) = 0,58. Неудивительно, что температу ры дыма почти одинаковы для моделей, созданных с помощью программы ASET-C и программы AZONE
(рис.14.6).
Рис. 14.6 Сравнение температур дымового слоя, смоделированных разными программами
Температура дыма в модели, созданной с помощью программы CFAST, была выше, но коэффициенты кон векции, на которых основано теплопоглощение стенами, рассчитываются на основании общих корреляций.
Для противопожарных отсеков не было разработано специальных коэффициентов конвекции.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 36
Механическая вытяжная вентиляция
Механическая вытяжная вентиляция является, вероятно, наиболее распространённой формой противо дымной защиты атриумов в Северной Америке. Как и в случае с естественной вентиляцией, механическая дымовытяжная вентиляция может быть основана на стационарном или нестационарном расчётном пожаре.
Уравнения, представленные в следующем разделе относятся к стационарному пожару, а программы зонного моделирования пожаров могут использоваться для расчёта дымового потока при нестационарном пожаре.
Условия при стационарном пожаре
Метод расчёта, представленный в данном разделе, основан на упрощающих допущениях, приведённых ниже.
Единственный поток массы, входящий в дымовой слой – струя от пожара.
Единственный поток массы, выходящий из дымового слоя – вытяжной дымовой поток.
Вытяжная вентиляция удаляет только дым, и в неё не попадает воздух из-под дымового слоя. Высота ды мового слоя постоянна (рис.14.7). Потоки, входящие в дымовой слой и выходящие из него, находятся в рав новесии.
Теплообмен между дымовым слоем и окружающей средой достиг равновесия.
Прежде чем использовать этот метод, проектировщикам необходимо удостовериться, что эти допущения соответствуют их прикладной задаче.
Рис. 14.7 Механическая вытяжная вентиляция и постоянное значение чистой высоты
Чтобы рассчитать расход вытяжного потока, уравнения струи из раздела «Основные положения противо дымной защиты атриумов» адаптированы переменными, которые были переопределены для следующего практического применения:
m& = 0,071Q& c z 5 / 3 + 0,0018Q& c для z ≥ z1
1/ 3
(14.11)
и m& = 0,032Q& c z для z<z1
3/5
(14.12) где m& = массовый расход вытяжного воздуха, кг/с;
Q& c = конвективная теплоотдача при пожаре, кВт;
z = высота границы дымового слоя над топливом, м;
z1 = средняя высота пламени, м.
Средняя высота пламени равна:
z1 = 0,166Q& c
2/5
(14.13)
Собственно говоря, уравнения (14.11) и (14.12) предназначены для массового расхода осесимметричной струи в верхний слой. Когда уравнения осесимметричной струи не подходят, можно использовать другие уравнения струи. Уравнения растекающихся балконных струй и оконных струй смотрите в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов».
& , равна:
Конвективная теплоотдача, Qc
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 37 Q& c = χ cQ& (14.14)
где χ c = конвективная доля теплоотдачи;
Q& = суммарное выделение тепла, кВт.
Для удобства термин высота дымового слоя будет использоваться в значении высота границы дымового слоя. Значение z – это высота дымового слоя над поверхностью топлива.
Температура дымового слоя может быть выражена уравнением:
Q& c (1 − η )
T s = To + (14.15) m& C p где
Ts = температура дымового слоя, °C;
To = температура окружающей среды, °C;
m& = массовый расход вытяжного воздуха, кг/с;
Q& c = конвективная теплоотдача при пожаре, кВт;
C p = удельная теплоёмкость газов струи, кДж/кг °C;
η = доля теплопоглощения стенами (в относительных единицах).
Как описано выше, параметр «доля теплопоглощения стенами» есть конвективная доля теплоотдачи, пе реносимой к стенам и потолку атриума. Этот параметр зависит от ряда условий, включая геометрию про странства, температуру дымового слоя и материалы, из которых выполнены стены и потолок.
Атриум, в котором не происходит теплопередачи, называют адиабатическим ( η = 0 ). Адиабатическое ус ловие завышено в том, что при прогнозировании оно приводит к большим значениям объёмного удаления дыма, но оно не завышено в отношении «эффекта прокалывания». Из-за отсутствия исследований касательно доли теплопоглощения стенами, предполагается, что значения η находятся в пределах от 0,3 до 0,7 для стен и потолков из обычных стройматериалов (кирпич, бетон, стекло, гипсокартон, и т.д.).
Плотность выходящего газа может быть рассчитана по закону идеального газа,
p ρ = s
(14.16)
RT s где ρ s = плотность выходящего газа, кг/м3;
p = атмосферное давление, Па;
R = газовая константа, Дж/кг K;
Ts = абсолютная температура выходящего газа, K.
Кроме того, плотность выходящего газа можно вычислить с помощью уравнения:
Tr ρs = ρr (14.17)
Ts где
Tr = абсолютная исходная температура, K;
ρr = плотность при исходной температуре, кг/м3.
Существует бесконечное количество пар Tr – pr, которые могут быть использованы в уравнении (14.17), и одна из таких пар – 294 K и 1,20 кг/м3.
Объёмный расход выходящего газа в струе равен:
m&
V& = ρp (14.18)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 38 где
V& = объёмный расход выходящего газа, м3/с;
m& = массовый расход вытяжного воздуха, кг/с;
ρ p = плотность выходящего газа, кг/м3;
Пример 14.2 Удаление дыма при стационарном пожаре
Каково удаление дыма, необходимое для поддержания высоты дымового слоя на уровне 11,0 м при пара метрах моделирования, перечисленных ниже?
Температура окружающей среды 22°C Высота потолка 13,7 м Конвективная доля 0,7 Высота верхней границы топлива 0м Скорость выделения тепла 2110 кВт Доля теплопоглощения стенами 0,4 Удельная теплоёмкость газов струи 1,00 кДж/кг °С
Обратите внимание, что глубина дымового слоя равна: 13,7 – 11 = 2,7 м, что составляет 20% высоты от топлива до потолка атриума. Эта глубина включает в себя образование припотолочной струи (см. подраздел
«Минимальная глубина дымового слоя» в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов»).
Согласно уравнению (14.14), конвективная теплоотдача равна:
Q& c = χ cQ& = 0,7(2110) = 1477 кВт.
Согласно уравнению (14.13), средняя высота пламени равна:
z1 = 0,166Q& c = 0,166(1477)0.4 = 3,0 м
2/5
Высота дымового слоя, z, равна 11,0 м.
Поскольку z1 < z, массовый расход рассчитывается по уравнению (14.11):
m& = 0,071Q& c z 5 / 3 + 0,0018Q& c = 0,071(14771 / 3 )(115 / 3 ) + 0,0018(1477) = 46,6кг / с
1/ 3
Согласно уравнению (14.15), температура дыма равна:
Q& c (1 − η ) 1477 (1 − 0, 4 )
T s = To + = 22 + = 41 o С
& mC p 46 ,6 (1,00 )
Согласно уравнению (14.17), плотность дыма равна:
pr ρs = pr = 1,12кг / м3 .
Ts
Согласно уравнению (14.18), объёмный расход выходящего газа равен:
m& 46,6
V& = = = 41,6 м 3 / с.
ρ p 1,12
Условия при нестационарном пожаре
Анализ условий работы вытяжной системы атриума при нестационарном пожаре может быть проведён с целью:
• смоделировать сочетание заполнения дымом с дымоудалением,
• смоделировать условия нестационарного пожара, и
• определить влияние времени активации вытяжных систем на глубину дымового слоя.
Сочетание заполнения дымом с дымоудалением может быть использовано для атриума, который имеет не достаточно большие размеры, чтобы противодымная защита осуществлялась только на основе данных по за полнению дымом. Для этого комбинированного подхода вытяжные вентиляторы должны быть таких размеров, чтобы время заполнения дымом было больше времени эвакуации, включая время, необходимое на то, чтобы понять, что начался пожар и приготовиться двигаться к выходу.
По своей природе пожар является неустойчивым процессом. Причиной, объясняющей широкое примене ние стационарных пожаров в моделировании, вероятно, является то, что оно приводит к простому устойчиво му анализу наподобие того, что приводится выше. Несмотря на то, что большие стационарные расчётные по жары могут быть выбраны в целях получения завышенных моделей, такие расчётные пожары нереалистичны.
Программы зонного моделирования пожаров, такие как CFAST и AZONE могут применяться для расчёта рабо ты систем дымовытяжной вентиляции атриумов при нестационарных пожарах.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 39
Для того чтобы включилась дымовытяжная вентиляция, необходимо распознать пожар. Существует за держка между временем распознания пожара и срабатыванием дымовытяжной вентиляции. Кроме того, вен тиляционной установке требуется время, чтобы начать работать на полную мощность. Время распознания пожара может быть установлено на основе информации о времени запаздывания основной и потолочной
струи, о котором шла речь в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов». При необхо димости, распознание должно учитывать вероятность того, что под потолком может находиться стратифици рованный слой горячего воздуха. Это мы обсудим далее.
Существует вероятность того, что дымовой слой может опуститься значительно ниже уровня дымового слоя, полученного в результате расчёта условий при стационарном пожаре. Для проверки результата актива ции программа AZONE позволяет пользователю задавать время активации дымовытяжной вентиляции.
На рис.14.8a показано влияние площади атриума на высоту дымового слоя согласно расчётам в программе
AZONE для атриума высотой 9,14 м при времени активации вытяжной системы равном 90 с. Можно увидеть, что при площади атриума A ≥ 465 м2, отсрочка активации не оказывает неблагоприятного воздействия на высоту дымового слоя в условиях моделирования. Когда A ≤ 186 м2, дымовой слой опускается значительно ниже проектируемой высоты в условиях моделирования.
На рис.14.8b показано влияние времени активации вытяжной системы, tact, на высоту дымового слоя для атриума высотой 9,14 м и площадью A = 92,9 м2. Как предполагалось, чем меньше время активации, тем меньше влияние на высоту дымового слоя. При tact = 30 с, дымовой слой остаётся выше проектируемой высо ты в течение всего процесса моделирования.
На рис.14.8c показано влияние времени развития пожара, tg, на высоту дымового слоя для атриума высо той 9,14 м и площадью A = 92,9 м2. Как предполагалось, чем меньше время развития пожара (чем быстрее распространяется пожар), тем больше влияние на высоту дымового слоя.
(а) Изменение дымового слоя в зависимости от (b) Изменение дымового слоя в зависимости от площади атриума, А времени активации дымовытяжной системы, tact
Примечание:
1. Под пожаром здесь подразумевается квадратичный пожар мощностью до 2110 кВт, после чего скорость выделения тепла остаётся постоянной.
2. Скорость вытяжного потока выбрана с учётом того, чтобы толщина дымового слоя составляла 1,83 м при постоянной скорости выделения тепла 2110 кВт.
3. Как и в других программах зонного моделирования пожаров, элементы припотолочной струи не модели руются программой AZONE. Поэтому реалистичными являются только те участки этих графиков, где дымо вой слой ниже 7,3 м.
4. Другие параметры:
Температура окружающей среды, Ta = 22,2 °C
Высота потолка, H = 9,1 м
Высота верхней границы топлива, Hm = 0 м
Скорость вытяжного потока, V = 23,4 m3/s
Коэффициент расположения вытяжки, β = 2
(c) Изменение дымового слоя в зависимости от Коэффициент расположения вытяжки под потолком, времени развития пожара, tg di = 0 м
Количество вытяжных отверстий, Ninlets = 6
Доля теплопоглощения стенами, η = 0,4
Рис. 14.8 Колебания высоты дымового слоя, смоделированной в программе AZONE
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 40
Несмотря на то, что исследований о влиянии времени активации на высоту дымового слоя не проводилось, можно вывести некоторые общие правила. Для атриумов относительно большой площади (A/H2 > 5, где H – высота атриума) предполагается, что влияние активации вентиляции через 90 с. не будет иметь негативного воздействия на высоту дымового слоя. Для атриумов относительно малой площади (A/H2 < 5), дымовой слой может опускаться ниже расчётной высоты, что приведёт к контакту людей с дымом. Программа AZONE может использоваться для расчёта влияния времени активации на высоту дымового слоя.
Приточный воздух
Для устойчивого потока, массовый поток воздуха или дыма, удаляемого из верхней части атриума равен
массовому потоку воздуха, поступающему под дымовой слой. Поток воздуха, поступающего в атриум, назы вают приточным воздухом, и приточный воздух может подаваться либо естественным путём, либо с помощью механической вентиляционной системы.
Приточный воздух, поступающий через механическую вентиляционную систему, имеет скорость, которая обычно составляет 90% и 97% скорости вытяжного потока, и баланс воздуха, необходимого для того, чтобы вместить вытяжной поток, естественным образом нарушается из-за утечек через проёмы и другие каналы.
Приточный воздух, поступающий естественным путём, поступает через проёмы, такие как открытые двери и вентиляционные отверстия, и иногда путь, который проделывает приточный воздух, представляет собой сложную комбинацию помещений и коридоров. Компьютерные программы, исследующие взаимодействие воз душных потоков, такие как CONTAM, могут применяться для расчёта этих сложных потоковых систем.
Скорость приточного воздуха не должна нарушать структуру струи или значительным образом изменять направление струи под углом. Считается, что удерживание скорости на уровне 1 м/с или менее предотвраща ет такое нарушение струи.
Естественная вентиляция
Естественная дымовытяжная вентиляция распространена во многих частях света, таких как Европа, Авст ралия и Новая Зеландия. Она получила развитие в результате ряда трагедий, связанных с пожарами, произо шедшими в XIX и начале XX века.
Естественная вентиляция строится на силе плавучести горячего воздуха, выталкивающей дым из открытых вентиляционных отверстий на крыше атриума или рядом с ней (рис.14.9). Естественная вентиляция может строиться на основе стационарного или нестационарного расчётного пожара. Уравнения в следующем разде ле предназначены для стационарного пожара, а для расчёта дымового потока при нестационарном пожаре можно использовать программы зонного моделирования пожаров.
Рис. 14.9 Естественная вентиляция
Условия при стационарном пожаре
Уравнение, представленное в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов» для вы числения массового расхода через вентиляционное отверстие выглядит так:
CAv ρ o [2 gd b (Ts − To )(To / Ts )]
1/ 2 m& v =
[T + ( A / A ) T ] 1/ 2
(14.19) s v i o
где m& v = массовый расход через вентиляционное отверстие, кг/с;
С = коэффициент расхода (в относительных единицах);
Av = площадь вентиляционного отверстия, м2;
Ai = площадь входного вентиляционного отверстия, м2;
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 41 ρ o = плотность наружного воздуха, кг/м3;
g = ускорение силы тяжести, 9,80 м/с2;
d b = глубина дымового слоя ниже дымовытяжного вентиляционного отверстия, м;
To = абсолютная температура наружного воздуха, K;
Ts = абсолютная температура дыма, K;
Поскольку плавучесть горячего воздуха является движущей силой естественной вентиляции, массовый
& v , увеличивается вместе с увеличением температуры дыма, Ts .
расход через вентиляционное отверстие, m
По мере разрастания пожара массовый расход струи в верхний слой увеличивается, и температура дымового
слоя возрастает. При пожарах большего масштаба, чем расчётный пожар, температура дыма превышает про гнозируемое значение, и массовый расход через вентиляционное отверстие также превышает прогнозируемое значение. Это преимущество характерно для естественной вентиляции и благодаря ему удаётся нейтрализо вать бульшую часть дыма, возникающего при пожарах, превышающих по своим масштабам расчётный пожар.
В атриумах с кондиционерами возникает вероятность того, что температура дыма может оказаться ниже прогнозируемой наружной температуры в летний период. Это может привести к проникновению наружного воздуха в атриум через дымовытяжные вентиляционные отверстия. Во избежание подобного нисходящего потока через дымовытяжные вентиляционные отверстия естественную дымовытяжную вентиляцию не следует использовать, когда температура дыма может оказаться меньше прогнозируемой наружной температуры в летний период.
Температуру дыма и массовый расход струи можно рассчитать, используя те же уравнения, которые ис пользуются для механических вытяжных систем. Это мы обсудим далее.
Ветер
Если атриум находится рядом с высотным зданием, расположенным на открытой местности или примыкает
к нему, ветер может создавать положительное давление на верху атриума, как показано на рис.14.10. По скольку такие положительные значения давления могут нарушать естественную вентиляцию, не рекомендует ся использовать естественную вентиляцию в атриумах, подверженных таким условиям.
Рис. 14.10 Схема ветрового потока, вызывающего избыточное давление на крыше атриума при наличии рядом высотного здания
Приточный воздух
При естественной вентиляции, описанной уравнением (14.19), приточный воздух естественным путём про ходит через входной проём площадью Ai . Приточный воздух обычно поступает через открытые вентиляци онные отверстия или дверные проёмы. Вытянутый атриум может быть разделён на несколько больших про странств, имеющих дымовытяжные вентиляционные отверстия, так, чтобы дымовытяжные вентиляционные отверстия на территориях, незанятых пожаром, могли быть открыты для поступления приточного воздуха.
Системы обеспечения безопасных условий
Как уже упоминалось, вышеперечисленные подходы имеют своей целью уберечь пользователей атриума от дыма в ходе эвакуации, в то время как системы обеспечения безопасных условий создаются с целью под держания совместимых с жизнью условий во время воздействия дыма на пользователей здания.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 42
Анализ опасности заключается в оценке перемещения дыма, движения людей (времени эвакуации) и пре делов опасности. Перемещение дыма может быть смоделировано программами зонного моделирования пожа ров, в то время как моделирование на основе вычислительной гидродинамики имеет значительное преимуще ство в моделировании колебаний температур и концентрации продуктов сгорания в дымовом слое. Анализ влияния опасных факторов пожара должен рассматривать такие вопросы, как дальность видимости, отравле ние газами и тепловое воздействие.
Стратификация и обнаружение дыма
Слой горячего воздуха часто формируется под потолком атриума в результате солнечного излучения на крыше атриума. Несмотря на то, что исследования этого стратифицированного слоя не проводились, проек тировщики зданий отмечают, что температуры таких слоёв часто превышают 50°C. Температуры под этим слоем контролируются отопительно-охладительной системой здания, и можно считать, что профиль темпера туры значительно увеличивается при небольшом увеличении по высоте как показано на рис.14.11.
Рис. 14.11 Профиль температуры слоя горячего воздуха под потолком атриума
Когда средняя температура струи меньше температуры слоя горячего воздуха, дым образует стратифици рованный слой под ним, как показано на рис.14.12. Средние температуры струи показаны на рис.14.13, и
можно отметить, что средняя температура струи часто имеет меньшее значение, чем прогнозируемые темпе ратуры слоя горячего воздуха. Таким образом, когда под потолком атриума образуется слой горячего воздуха, нельзя ожидать, что дым сможет достичь потолка атриума, и что сработают детекторы дыма, закреплённые на потолке.
Рис. 14.12 Стратификация дыма под слоем горячего воздуха
Рис. 14.13 Средняя температура осесимметричной струи
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 43
Для устранения этого недостатка можно использовать лучевые детекторы дыма. Ниже перечислены под ходы к обнаружению дыма, используя которые можно обеспечить быстрое обнаружение дыма, независимо от температуры воздуха под потолком во время появления пожара.
a. Луч под восходящим углом для обнаружения дымового слоя
Целью данного подхода является быстрое обнаружение формирующегося дымового слоя при существую щих температурных условиях. Один или несколько лучей направлены вверх под углом, чтобы пересекать ды мовой слой, независимо от степени стратификации дыма.
С целью избыточности при использовании данного подхода рекомендуется устанавливать более одного детектора дыма.
b. Горизонтальные лучи для обнаружения дымового слоя на разных уровнях.
Целью данного подхода является быстрое определение развития дымового слоя, независимо от темпера турных условий. Один или более лучевых детекторов расположены на уровне крыши. Дополнительные детек торы расположены на других более низких уровнях. Точное расположение лучей является задачей специаль ного проектирования, но должно включать лучи в основании определённых помещений без кондициониро ванного воздуха и на уровне смоделированного дымового слоя или рядом с ним с несколькими промежуточ ными лучами на других уровнях.
c. Горизонтальные лучи для обнаружения дымовой струи
Целью данного подхода является обнаружение растущей струи, а не дымового слоя. При этом подходе комбинация лучей устанавливается на уровне ниже самого нижнего прогнозируемого уровня стратификации.
Необходимо, чтобы эти лучи располагались близко друг к другу, чтобы обеспечить пересечение струи с ними;
расстояние между лучами основано на ширине луча на наименьшей высоте над точкой потенциала пожара.
Описанные выше подходы отражены на рис.14.14, и преимущество подхода (a) заключается в том, что при нём не требуется расположение нескольких горизонтальных лучей. Некоторые лучевые детекторы дыма сра батывают под воздействием солнечных лучей, а вариант (a) сводит к минимуму вероятность такой ложной активации благодаря тому, что ресивер (приёмник) направлен под углом вниз.
Необходимо, чтобы все компоненты лучевого детектора дыма были расположены так, чтобы быть доступ ными для ремонта или технического обслуживания. При расположении, изображённом на рис.14.14, доступ для технического обслуживания может осуществляться через отверстие на крыше (не показано).
Вид в плане Разрез
(а) Лучи, направленные под углом вверх, для обнаружения дымового слоя
Вид в плане Разрез
(b) Горизонтальные лучи для обнаружения дымового слоя на разных уровнях
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 44 Вид в плане Разрез (с) Горизонтальные лучи для обнаружения дымовой струи
Рис. 14.14 Расположение лучевых детекторов дыма
Минимальная глубина дымового слоя
Дымовой слой должен быть достаточно глубоким, чтобы вместить припотолочную струю. Толщина припо толочной струи находится в пределах 10% - 20% высоты от поверхности топлива до потолка. В большинстве
прикладных программ требуется, чтобы дымовой слой составлял, как минимум, 20% высоты от верхней гра ницы топлива до потолка, чтобы вместить припотолочную струю как при механических системах дымовытяж ной вентиляции, так и естественной вентиляции.
«Эффект прокалывания»
Когда скорость дымового потока в вентиляционном отверстии относительно высока, воздух из-под дымо вого слоя может засасываться в дымовытяжную систему. Это явление называется «эффектом прокалывания», и оно может происходить и при естественной дымовытяжной вентиляции. Для предотвращения «эффекта
прокалывания» может потребоваться поделить площадь вытяжки или вентиляционного отверстия на несколь ко вытяжных отверстий. Уравнения для расчёта количества вытяжных отверстий, необходимого для предот вращения «эффекта прокалывания», и расчёта минимального расстояния между отверстиями приведены в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов».
Помещения, расположенные за пределами атриума
Помещения, расположенные за пределами атриума, могут быть либо отделены от атриума, либо напрямую соединяться с пространством атриума. Отделённые пространства изолированы от атриума противодымными барьерами, и эти противодымные барьеры являются вертикальными или горизонтальными перегородками, спроектированными и сооружёнными с целью противостоять движению дыма. Стены, пол и потолки могут быть противодымными барьерами, и эти барьеры могут иметь коэффициент огнестойкости. Противодымные барьеры могут иметь дверные или другие проёмы, снабжённые автоматически закрывающимися системами, такими как двери или дымовые заслонки. Отделённые пространства зависят от целостности противодымных барьеров, а также могут зависеть от противодымного контроля на основе подпора воздуха.
Смежное помещение – это помещение, которое соединено с атриумом открытой зоной. Подпор воздуха может использоваться для создания противодымной защиты смежных пространств, как описано в разделе
«Основные положения противодымной защиты атриумов». Поскольку подпор воздуха обеспечивает пожар воздухом для горения, этот метод следует использовать с осторожностью.
Атриумы неправильной формы
Большинство программ зонного моделирования пожаров предназначено только для помещений или ат риумов с площадью постоянного поперечного сечения. На рис.14.15a показано образование припотолочной струи в помещении с постоянной площадью поперечного сечения. Достигнув стены, припотолочная струя на чинает обратное движение и протекает под собой.
В помещениях с выгнутым потолком припотолочная струя, как правило, соединяется с потолком и стекает
по кривой. На рис.14.15b показана припотолочная струя, стекающая вниз вдоль кривой потолка; такое стека ние препятствует нормальному формированию дымового слоя. Такой вид течения струи нельзя смоделиро вать с помощью программ зонного моделирования пожаров, но можно смоделировать с помощью масштабно го моделирования и вычислительной гидродинамики.
Программа AZONE, описанная в следующем разделе, даёт возможность моделировать площади переменно го поперечного сечения и получать полезные результаты при условии, что форма атриума позволяет сформи роваться нормальному дымовому слою.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 45
(а) Припотолочная струя, достигнувшая стены, и начинающая обратное движение
(b) Припотолочная струя, стекающая вниз по кривой потолка
Рис. 14.15 Диаграммы течения припотолочной струи
AZONE: программа зонного моделирования пожаров в атриумах
Программа AZONE предназначена для зонного моделирования пожаров и выполнения инженерных расчё тов. Основные возможности программы AZONE:
• стационарные и нестационарные пожары,
• уравнение Хескестада для массового расхода струи (в соответствии со стандартом NFPA 92B [4]),
• площади постоянного и переменного сечения,
• «эффект прокалывания».
В России существует русскоязычная адаптация программы AZONE – программа СИТИС:Атриум, информация о которой доступна на сайте www.sitis.ru.
На рис.14.16 представлена упрощённая блок-схема программы AZONE.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 46
Рис. 14.16 Упрощенная блок-схема для программы AZONE
Концепция программы AZONE
В программе AZONE моделируется дымовой слой и считается, что давление в нижележащем слое равно
атмосферному давлению, а его температура – температуре окружающей среды. Поскольку программа не мо делирует ни приточный воздух, ни утечку воздуха из нижележащего слоя, их следует моделировать отдельно в специальном приложении.
Изменение массы дымового слоя может быть выражено следующим образом:
ΔM = (m& p − m& e )Δt (14.20)
где
ΔM = изменение массы дымового слоя в течение временнуго интервала, кг;
Δt = временной интервал, с;
m& p = массовый расход струи в дымовой слой, кг/с;
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 47 m& e = массовый расход из дымового слоя, кг/с.
Массовый расход струи, m
& p , рассчитывается на основе уравнений для осесимметричной струи, но можно использовать и уравнения для других видов струй. Массовый расход вытяжного воздуха, m
& e , включает в себя
«эффект прокалывания», как описано ниже.
Для простоты массовые расходы, m и me, рассчитываются на конец интервала, и используется маленький интервал с целью свести ошибки к минимуму. Однако, эти массовые расходы можно рассчитать на момент времени внутри выбранного интервала с тем, чтобы можно было использовать больший интервал.
Масса дыма в слое на конец интервала может быть выражена следующим образом:
M 2 = M1 + ΔM (14.21)
где
M 1 = масса дымового слоя в начале временнуго интервала, кг.
M 2 = масса дымового слоя в конце временнуго интервала, кг.
[ ] Изменение энергии дымового слоя может быть выражено следующим образом: ΔE = Cp m & pTp − m & p (Tp −To) Δt &eTs1 −ηm (14.22)
где
ΔE = изменение энергии дымового слоя, кДж;
C p = удельная теплоёмкость дыма, кДж/кг K;
η = доля теплопоглощения стенами (в относительных единицах);
T p = абсолютная температура газов струи, проникающих в дымовой слой, K;
Ts1 = абсолютная температура газов дымового слоя в начале отрезка времени, K;
To = абсолютная температура окружающей среды, K.
Как и в случае с массовыми расходами, T p рассчитывается на конец временнуго интервала. Температура
окружающей среды считается неизменной на протяжении всех расчётов. Температура дыма, Ts1 , в начале временнуго интервала использовалась потому, что её значение в конце интервала неизвестно. Выбор малень кого интервала приводит к тому, что суммарная погрешность (итоговая ошибка) незначительна.
Энергия дымового слоя равна:
E2 = E1 + ΔE (14.23)
где
E1 = энергия дымового слоя в начале временнуго интервала (кДж);
E2 = энергия дымового слоя в конце временнуго интервала (кДж).
Температура дыма, Ts 2 , в конце временнуго интервала равна:
E2
Ts 2 = (14.24)
CpM 2
Плотность дымового слоя равна:
po ρs2 = (14.25)
RTs 2 где ρo 2 = плотность дыма в конце интервала времени, кг/м2;
po = давление окружающей среды, Па;
R = газовая константа, Дж/кг K.
Объём, V2 , дымового слоя равен:
M2
V2 = (14.26) ρs2
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 48
В атриуме с постоянным поперечным сечением высота дымового слоя над поверхностью топлива равна:
V2 z2 = H − H fuel − (14.27)
A где z2 = высота дымового слоя над поверхностью топлива, м;
H = высота атриума, м;
H fuel = высота топлива, м;
A = площадь поперечного сечения атриума, м2.
Следует отметить, что определение H в программе AZONE отличается от её определения, применяющего ся в эмпирических уравнениях задымления. Разные высоты, перечисленные выше, представлены на рис.14.17.
Определение значения z2 для атриума переменной площади мы обсудим далее. Значения на конец текущего временнуго шага становятся значениями на начало следующего временнуго шага.
(a) Атриум с площадью постоянного поперечного сечения
(b) Атриум с площадью переменного поперечного сечения
Рис. 14.17 Диаграммы атриума для алгоритма AZONE
«Эффект прокалывания»
Для каждого интервала времени массовый расход вытяжного воздуха из дымового слоя, me, рассчитывает ся с учётом возможного «эффекта прокалывания». Минимальная глубина дымового слоя для предотвращения
«эффекта прокалывания» равна:
V&ee
2/5
dm = (14.28)
0,15β 2 / 5 [To (Ts1 − To )]
1/ 5
где d m = минимальная глубина дымового слоя для предотвращения «эффекта прокалывания», м;
V& = объёмный расход на каждое вытяжное отверстие, м3/с;
ee β = коэффициент расположения вытяжных отверстий (в относительных единицах).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 49
Объёмный расход на каждое отверстие равен: V&ee = V&e / N inlets , где N inlets - количество вытяжных отвер стий. Массовый расход вытяжного воздуха из дымового слоя равен:
α
⎛d ⎞ m& e = Ninlets ρsV&ee ⎜⎜ ⎟⎟ для 0 ≤ d < dm (14.29)
⎝ dm ⎠ или
m& e = NinletsρsV&ee для d ≤ d m где d = глубина дымового слоя ниже основания вытяжного отверстия, м;
α = экспонента «эффекта прокалывания» (в относительных единицах).
Переменная площадь атриума
Пары «высота – площадь» в убывающем порядке обозначаются hi и Ai с индексами от I до n. Для каж-
дой высоты, hi , объём атриума, Vai , над этой высотой равен:
Vai = ∑ (hj −1 − hj )(Aj −1 + Aj ) i
(14.30) j =1 2
Единицы измерения членов уравнения hi , Ai и Vai - м, м2 и м3 соответственно. Члены уравнения hi , Ai и
Vai являются членами массива (последовательностью чисел), а подстрочные индексы I и j – это так называе мые фиктивные переменные. Например, hi , где I = 3, является третьим значением массива «высота». Прежде
чем выполнять расчёты для интервалов времени, рассчитывают значения Vai от I до n.
Площадь атриума на высоте x равна:
A( x ) = Aj −1 +
(A − A )(h − x ) j j −1 j
(14.31) h j − h j −1 где
A(x) = площадь атриума над высотой x, м2;
x = высота над полом атриума, м.
j = такая фиктивная переменная, при которой h j < x ≤ h j −1 '
Объём над высотой x равен:
V ( x) = Vaj−1 +
(zaj−1 − x)(A(x) + Aj −1 ) (14.32) где V(x) – объём атриума (м3) над высотой x.
Высота дымового слоя над полом – значение x, которое удовлетворяет уравнению:
V2 − V ( x ) = 0 (14.33)
Значение x, которое удовлетворяет уравнению (14.33), можно определить любым из целого ряда способов нахождения корня. В программе AZONE использовался метод заключения в скобки и деления пополам.
Высота дымового слоя над поверхностью топлива равна:
z2 = x − H fuel . (14.34)
Временной интервал
Чтобы свести ошибки к минимуму, необходимо выбрать интервал времени, Δt (не следует путать времен ной интервал с интервалом вывода данных, расчёты производятся в каждом интервале времени, но данные записываются только в интервалах вывода данных). Теоретически, ошибки, связанные с величиной интервала возникают по причине погрешности чисел, использованных в предшествующих интервалах. В программе
AZONE значения Ts1 , M 1 , и E1 рассчитываются по предшествующему интервалу, а значения скорости вы деления тепла и потока вытяжного воздуха оцениваются на определённый момент интервала. При расчётах, осуществляемых с использованием последовательно уменьшающихся интервалов, абсолютные значения по добных теоретических ошибок тоже уменьшаются.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 50
Помимо теоретических ошибок с величиной интервала могут быть связаны погрешности округления. При рода числовых погрешностей округления такова, что прогнозы, сделанные для очень маленьких интервалов, могут содержать очень большие ошибки. В связи с этим необходимо подобрать такой временной интервал, который не будет ни слишком большим, ни слишком маленьким.
В таблице 14.2 перечислены погрешности расчётов задымления по нескольким значениям Δt в атриумах разных размеров: (1) малый, (2) малый вытянутый, (3) большой, и (4) большой вытянутый. Эти погрешности относятся к высоте дымового слоя, а погрешности в температуре дымового слоя (не отражены в таблице) бы ли меньше. Для интервалов времени, которые были использованы, погрешностей округления, вызванных иленькой величиной интервала, не возникло.
Самая большая погрешность, указанная в таблице 14.2, составила 65% для стационарного пожара в малом атриуме, что свидетельствует о том, что эти погрешности могут быть настолько большими, что результаты моделирования теряют смысл. Желательно подобрать такой интервал, при котором погрешности приемлемы для всех атриумов, которые могут подлежать анализу. Интервал в 0,05 с. приводит к погрешностям менее
0,05% для атриумов всех категорий, за исключением малых атриумов.
В малых атриумах этот интервал приводит к погрешностям в 0,1% при квадратичном пожаре и в 0,2% при стационарном пожаре. Таким образом, интервал в 0,05 с. был выбран в качестве временнуго интервала для программы AZONE.
Таблица 14.2 Влияние интервала времени на точность моделирования с помощью программы AZONE1 Высота ат- Площадь Интервал Стационарный пожар2 Быстрый квадратичный риума, H поперечно- времени пожар 3 го сечения, Δt Время Погреш- Время моде- Погреш- A модели- ность4 лирования ность4 рования м м2 с с % с % Малый атриум 9,14 93 0,005 30 0,0 90 0,0 0,01 30 0,0 90 0,0 0,05 30 0,2 90 0,1 0,20 30 1,2 90 0,2 0,50 30 3,7 90 0,6 1,00 30 7,7 90 1,2 5,00 30 65,0 90 6,1 Малый вытянутый атриум 9,14 1 110 0,01 240 0,0 300 0,0 0,05 240 0,0 300 0,0 0,20 240 0,1 300 0,1 0,50 240 0,1 300 0,1 1,00 240 0,3 300 0,3 5,00 240 1,5 300 1,5 20,00 240 6,3 300 6,4 Большой атриум 45,7 2 320 0,01 480 0,0 300 0,0 0,05 480 0,0 300 0,0 0,20 480 0,0 300 0,1 0,50 480 0,1 300 0,1 1,00 480 0,3 300 0,3 5,00 480 1,4 300 1,4 20,00 480 6,0 300 5,8 Большой вытянутый атриум 44,7 27 900 0,01 1 200 0,0 600 0,0 0,05 1 200 0,0 600 0,0 0,20 1 200 0,0 600 0,0 0,50 1 200 0,0 600 0,0 1,00 1 200 0,0 600 0,0 5,00 1 200 0,1 600 0,2 20,00 1 200 0,2 600 0,7 1.. Условия моделирования: (1) температура окружающей среды равна 21°C; (2) постоянное поперечное сечение; (3) удаление дыма отсутствует; (4) поверхность топлива на уровне пола; (5) доля теплопередачи стенам равна 0,3. 2. Стационарный пожар мощностью 5 275 кВт. 3. При квадратичном пожаре время развития составляло 150 с. 4. Погрешность δ - погрешность высоты дымового слоя, z, вычисленная по уравнению: δ = 100 (zm– z)/z, где zm – значение z при наименьшем временнум интервале для атриума соответствующего размера. ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 51 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ Когда традиционные методы анализа неприемлемы, одним из возможных вариантов является исследование пожара на примере модели меньшего масштаба. Накоплен большой опыт по применению физического моде лирования в сфере противопожарных технологий. Такое масштабное моделирование используется для вос создания картины пожара в целях проведения расследований. Два примера подобных реконструкций пожаров – это пожар на станции метро Кингз Кросс в Лондоне, Великобритания (Moodie et al., 1988 [25]), и пожар в торговом центре Харт Элбин (Quintiere and Dillon, 1997 [26]). Моделирование по Фруду является, вероятно, самым распространённым видом физического моделирова ния, применяемого для изучения распространения дыма. В стандарте NFPA 92B [4] моделирование по Фруду признано одним из методов анализа систем противодымной защиты атриумов. В данном разделе рассматрива ются основы физического моделирования движения дыма, и особое внимание уделяется моделированию по Фруду.
Анализ размерностей и теория подобия
Сутью анализа размерностей является выражение сложного процесса посредством относительно небольшого
числа безразмерных переменных. Это упрощает анализ и делает физическое моделирование возможным. Мно гие безразмерные параметры можно рассматривать как соотношения сил, действующих на жидкости или газы.
Три безразмерных параметра, представляющих особый интерес в рамках данной главы – это число Рейнольдса, число Фруда и число Прандтля.
Под числом Рейнольдса подразумевается отношение сил инерции к силам вязкости, и это число помогает определить переход от ламинарного течения к турбулентному. Число Рейнольдса выражается следующим обра зом:
lUρ
Re = (15.1) μ где
Re = число Рейнольдса, l = длина,
U = скорость, ρ = плотность, и μ = динамическая вязкость.
Данное уравнение немного отличается от уравнения числа Рейнольдса, приводимого в других источниках,
в которых число Рейнольдса выражено через кинематическую вязкость, ν , где ν = μ / ρ . Большинство урав нений, приведённых в разделе «Физическое моделирование пожаров», предназначены для описания физиче ского моделирования, а не для осуществления расчётов. В связи с этим, единицы измерения для переменных не указаны в большинстве уравнений данной главы. Тем не менее, во всех этих уравнениях могут использовать ся единицы измерения системы СИ или любой другой системы однородных единиц.
Под числом Фруда подразумевается соотношение между силами инерции и гравитационными силами. По скольку плавучесть горячего дыма есть гравитационная сила, число Фруда является очень важным в физиче ском моделировании движения дыма. Число Фруда* равно:
U2
Fr = (15.2) gl где
Fr = число Фруда, g = ускорение силы тяжести, и
U = скорость.
Число Прандтля – безразмерное число, являющееся сочетанием следующих свойств жидкостей/газов:
μC p
Pr = (15.3) k где
Pr = число Прандтля,
Cp = удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении, μ = динамическая вязкость, и k = коэффициент теплопроводности.
* Другой вариант числа Фруда: Fr = U /(gl )
1/ 2
. Это просто квадратный корень из числа Фруда, используемого в книге Дж. Клоута и Дж. Милке «Принципы противодымной защиты» [6], а основные концепции, касающиеся числа Фруда и соотношений подобия для моделирования Фруда одинаковы независимо от того, какой вариант числа Фруда используется.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 52
Формулы размерности
За систему основных (или базовых) размерностей можно принять длину L, время t, температуру T и массу
M. Формула размерности физической величины происходит из определений или физических законов. Напри мер, формула размерности ширины дверного проёма есть [L], исходя из определения. Квадратные скобки [ ] указывают на то, что величина имеет формулу размерности внутри скобок. Формула размерности скорости –
[L/t], а ускорения – [L/t2].
В системе однородных единиц Второй закон Ньютона выглядит так:
F = ma (15.4) где
F = сила, m = масса, и a = ускорение.
Формула размерности силы равна формуле размерности массы, умноженной на ускорение, т.е. [ML /t2].
Работа есть сила на перемещение, т.е. единица работы – это [ML2/t2]. Формулы размерности некоторых физи ческих величин приведены в таблице 15.1.
Безразмерная величина не имеет размерности: например, размерность числа Фруда может быть выражена таким образом:
U2
Fr = ;
gl
(L / t)2 единицы: = нет (15.5)
(L / t 2 )L
Таблица 15-1: Величины и соответствующие формулы размерности
Величина Обозначение Формула размерности Длина L, x, Z L Время t t Масса m M Температура T T Сила F ML/t2 Теплота Q ML2/t2 Скорость U L/t Ускорение a L/t2 Работа W ML2 /t2 Давление p M/t2L Плотность ρ M/L3 Внутренняя энергия e L2/t2 Энтальпия h L2/t2 Удельная теплоёмкость твёрдого тела C L2 /t2T Удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении Cp L2 /t2T Удельная теплоёмкость среды при постоянном объёме Cv L2 /t2T Динамическая вязкость μ M/Lt Кинематическая вязкость ν = μ/ρ L2/t Теплопроводность k ML/t2T
Подобным образом могут быть выражены и другие безразмерные величины.
Пи-теорема
Согласно Пи-теореме, для любого физического приложения или процесса, включающего в себя n величин,
использующих m размерностей, величины могут быть скомпонованы в n – m независимых безразмерных па раметров. Более того, существует некоторая функциональная зависимость этих n – m независимых безраз мерных параметров, которая описывает физическое приложение или процесс.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 53
Рассмотрим приложение, при котором A1, A2, A3, …,An являются определяющими величинами, такими как длина, скорость, давление, масса и т.п. Через функциональную зависимость этих величин можно описать приложение:
F(A1,A2,A3,…, An) = 0 (15.6)
Величины A1, A2. A3,, .... An можно скомпоновать по безразмерным группам или параметрам
Π 1, Π 2, Π 3..., Π n − m . Через функциональную зависимость этих П-групп также можно описать приложение:
f (Π 1, Π 2, Π 3..., Π n −m ) = 0. (15.7)
Преимущество использования П-групп заключается в том, что число независимых переменных сокращает ся от m до n - m. Для конкретного приложения некоторые из П-групп могут иметь постоянное значение.
Алгебраический метод определения П-групп, основанный на Пи-теореме, описан рядом авторов, однако, недостаток данного метода заключается в том, что не существует одного единственного решения для П групп, в связи с чем может возникнуть необходимость оценить ряд возможных комбинаций П-групп.
Подобие
Физическое моделирование применяется во многих областях инженерного дела, таких как: испытания ле тательных аппаратов в аэродинамической трубе, исследования течений в реках и перемещения дыма в здани ях. Основной принцип заключается в том, что создаётся масштабная модель объекта-оригинала, и задаются такие условия испытаний, при которых сохраняются П-группы. Это означает, что в определённом месте в модели каждая П-группа имеет такое же значение, как и в соответствующем месте в объекте-оригинале.
Для полного подобия необходимо сохранение всех П-групп. К счастью, полное подобие не всегда необхо димо. Полезных результатов можно достичь и при сохранении нескольких П-групп при условии, что влияние остальных Π -групп не является важным. Подробнее об этом будет написано далее.
Создание безразмерных групп
Альтернативой создания П-групп c использованием Пи-теоремы является подход на основе дифференци альных уравнений. Он более изящен и приводит к более высокому уровню понимания. Кроме того, подход на
основе дифференциальных уравнений может использоваться для создания П-групп для физического модели рования движения дыма в целом, а затем эти группы можно вычислить для конкретных подходов моделиро вания.
Для создания интересующих нас безразмерных групп, перечисленные ниже основные уравнения гидро аэродинамики представлены в линейном виде.
Сохранение массы:
∂ρ ∂ ( ρu )
+ =0 (15.8)
∂t ∂x
Сохранение импульса в вертикальном направлении:
⎛ ∂u ∂u ⎞ ∂p′ 4 ∂ 2u ρ⎜ + u ⎟ = − + g (ρo − ρ ) + μ 2 (15.9)
⎝ ∂t ∂x ⎠ ∂x 3 ∂x где p ′ = p − po (15.10) и dpo
= − ρ o g. (15.11) dx где ρ o - распределение давления окружающей среды.
Сохранение энергии:
⎛ ∂T ∂T ⎞ ∂ 2T 4π ∂p ρС p ⎜ +u ⎟ = k 2 − 4κσT + ∫0 κIdϖ + Q& ′′′ +
(15.12)
⎝ ∂t ∂x ⎠ ∂x ∂t
Состояние:
Уравнение состояния идеального газа:
p = ρRT (15.13)
В приведённых выше основных уравнениях используются следующие переменные:
С p = удельная теплоёмкость,
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 54 g = ускорение силы тяжести, k = коэффициент теплопроводности,
T = температура, p = давление, p0 = давление окружающей среды, u = x-составляющая скорости, x = положение (координаты),
Q& ′′′ = выделение теплоты химической реакции на единицу объёма, ρ o = плотность окружающей среды,
I = интенсивность излучения, κ = коэффициент поглощения, σ = постоянная Стефана-Больцмана, μ = динамическая вязкость.
Для идеального газа газовая постоянная, R, составляет:
R = C p − Cv (15.14) где
Cv - удельная теплоёмкость при постоянном объёме.
Безразмерные переменные представлены ниже.
x xˆ = (15.15) l u uˆ = (15.16)
U p pˆ = (15.17) p* p′ pˆ ′ = (15.18) p* ρ ρˆ = (15.19) ρo
T
Tˆ = (15.20)
To t tˆ = (15.21) τ
Q′′′l
Qˆ = (15.22) ρ oVC pTo
Iˆ = (15.23) σTo
где l = характерный размер,
U = характеристическая скорость, τ = характеристическое время,
T0 = температура окружающей среды, p0 = давление окружающей среды, ρ o = плотность среды,
P* = отклонение характеристического давления (p* = p0U 2 ).
Подставив безразмерные переменные уравнений с (15.15) по (15.23) в основные уравнения, получаем сле дующие безразмерные основные уравнения:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 55
Масса:
∂ρˆ ∂ ( ρˆuˆ )
Π1 + =0 (15.24)
∂tˆ ∂xˆ
Импульс:
⎛ ∂uˆ ∂uˆ ⎞ ∂pˆ ′ 1 4 ∂ 2 uˆ ρˆ ⎜ Π1 + uˆ ⎟ = −Π 2 + (1 − ρˆ ) + (15.25)
⎝ ∂tˆ ∂xˆ ⎠ ∂xˆ Π 3 3Π 4 ∂xˆ 2
Энергия:
⎛ ∂Tˆ ∂Tˆ ⎞ 1 ∂ 2Tˆ ⎛ 4π ˆ ˆ 4 ⎞⎟ ˆ ∂pˆ
7 ⎜ ∫ Idϖ − 4T ⎟ + Q + Π 8 ρˆ ⎜⎜ Π 1 + uˆ ⎟= + Π Π Π Π ⎜ (15. 26)
∂tˆ ⎟
∂xˆ ⎠ Π 3 Π 5 ∂xˆ 2 3 5 6
∂tˆ
⎝ ⎝0 ⎠
Состояние:
⎛ Π −1 ⎞ pˆ = ⎜⎜ 9 ⎟⎟ ρˆTˆ (15.27)
⎝ Π 8Π 9 ⎠
Первая П-группа:
l
Π1 = (15.28)
Uτ где характеристическое время, τ , представлено как l/U. Это означает, что П1= 1. Поскольку эта П группа – константа, она всегда сохраняется, и её можно не учитывать.
Вторая П-группа:
p*
Π2 = (15.29) ρ oU 2 где p* - отклонение характеристического давления (p* = p0U 2). Подставив это выражение p* в уравнение
(15.29), получаем П2= 1, т.е. эту П-группу тоже можно не учитывать.
Третья П-группа:
U2
Π3 = . (15.30) gl
П4 - число Фруда. Как указано выше, под числом Фруда подразумевается соотношение между силой инер ции и силами плавучести.
Четвёртая П-группа:
lUρ o
Π4 = . (15.31) μ
П4 - число Рейнольдса.
Пятая П-группа:
μС p
Π5 = . (15.32) k
П5 - число Прандтля. Для многих газов, включая воздух, число Прандтля почти всегда постоянно по отно шению к температуре. Дым – это воздух с примесью относительно небольшого количества продуктов сгора ния, и принято считать, что дым имеет те же свойства, что и воздух. Таким образом, П5 можно не учитывать при моделировании, выполняемом в воздухе.
Следующие три П-группы имеют отношение к теплопередаче:
Π 6 = κl , (15.33)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 56 σTo3l
Π7 = , (15.34) k и lp*
Π8 = . (15.35) ρ o C pUToτ
Последняя П-группа:
Cp
Π9 = . (15.36)
Cv
П9 - широко используемое соотношение удельных теплоёмкостей, и для идеальных газов это соотношение постоянно. Для воздуха соотношение удельных теплоёмкостей почти всегда имеет постоянное значение 1,4.
Таким образом, П9 можно не учитывать при моделировании, выполняемом в воздухе.
Виды моделирования
Моделирование по Фруду, моделирование с использованием солёной воды и моделирование давления
применяются для моделирования движения дыма в прикладных программах. Каждый из этих видов модели рования имеет далеко не полное подобие в том смысле, что ни один из практических подходов не может со хранить все П-группы. Тем не менее, эти подходы к моделированию принесли хорошие качественные резуль таты и помогли лучше понять такое явление как движение дыма.
Моделирование по Фруду
Как описано выше, моделирование по Фруду является, вероятно, наиболее распространённым подходом к физическому моделированию движения дыма. Создаётся масштабная модель комнаты, атриума или иного сооружения. В модели проводятся испытания в воздухе при нормальных атмосферных условиях. Соотношения подобия используются, чтобы определить величину расчётного пожара и всех принудительных потоков воз духа, а также чтобы перенести измерения с модели на объект-оригинал. Более подробно эти соотношения подобия мы обсудим далее.
Поскольку плавучесть есть гравитационная сила, и она оказывает решающее влияние на поток, возни кающий при пожарах, число Фруда (П3) должно быть сохранено. По причинам, описанным выше, также со храняются П1 , П2 , П5 и П9.
Если размер модели подобран должным образом, поток становится полностью турбулентным, и эффекты вязкости на твёрдых поверхностях пренебрежимо малы. В связи с этим число Рейнольдса (П4) можно не учи тывать. Информация по определению величины модели с целью сведения эффектов вязкости к минимуму, чтобы можно было не учитывать число Рейнольдса, приводится далее.
При моделировании по Фруду температуры в модели такие же, что и в соответствующих местах объекта оригинала. Поскольку температуры в обоих случаях одинаковы, то и теплопередача примерно одинакова. Тем
не менее, группы теплопередачи (П6, П7,П8) не сохраняются. Температура дыма вдали от пламени достаточ но низкая, поэтому нет необходимости сохранять группы теплопередачи. Однако, для газов высокой темпера туры, таких как газы пламени, данные группы нельзя не учитывать.
Накоплен значительный опыт по применению моделирования по Фруду. Сравнение температур в объекте оригинале и в модели масштаба 1:7 (рис.15.1), произведённое Квинтьером, МакКэффри и Кашиваги (Quintiere,
McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27]), демонстрирует степень ожидаемого соответствия. Чоу и Ло (Chow and Lo,
1995 [28]) использовали моделирование по Фруду для моделирования движения дыма в атриуме и заполне ния атриума дымом.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 57
Рис. 15.1 Моделирование по Фруду: сравнение температуры газа в коридоре
(адаптировано на основе Quintiere, McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27])
Моделирование с использованием солёной воды
Использование одной жидкости (или газа) для моделирования течения другой жидкости (или газа) называет ся аналоговым моделированием. Моделирование с использованием солёной воды широко применяется для мо делирования движения дыма. Принцип моделирования с использованием солёной воды заключается в том, что масштабную модель погружают в резервуар с пресной водой и добавляют солёную воду, чтобы смоделировать
тепловой источник. Поскольку солёная вода имеет более высокую плотность, чем пресная, она имеет тенден цию стекать вниз. Дым же обычно поднимается кверху. С учётом этого модель переворачивают в резервуаре вверх дном.
Часто модель создаётся из прозрачного полимера, а солёная вода подкрашивается в голубой цвет. Это по могает увидеть, сфотографировать или заснять на видео поток солёной воды. Основное преимущество моде лирования с помощью солёной воды состоит именно в том, что оно помогает визуализировать дымовой поток.
Моделирование с помощью солёной воды похоже на моделирование по Фруду в том, что число Фруда со храняется. Концентрация соли регулируется таким образом, чтобы плотность солёной воды в модели соответст вовала плотности дыма в объекте-оригинале. В моделировании с помощью солёной воды отсутствует теплопе редача, но в процессе заполнения модели солёная вода смешивается с пресной водой. Поскольку теплопере дача отсутствует, использование моделирования с помощью солёной воды неприемлемо для моделирования потока пламени или потока рядом с пламенем.
Чоу и Сю (Chow and Siu, 1993 [29]) провели эксперименты по визуализации заполнения дымом нескольких атриумов на основе моделирования с помощью солёной воды. Йий (Yii, 1998 [30]) провёл серию экспериментов по моделированию растекающихся балконных струй с помощью солёной воды.
Моделирование давления
Информация о моделировании давления приводится здесь для полноты картины. При этом моделировании сохраняется как число Фруда, так и число Рейнольдса. Число Рейнольдса сохраняется посредством изменения давления окружающей среды. Давления можно представить следующим образом:
−3 / 2 p m ⎛⎜ l m ⎞⎟
= (15.37) p f ⎜⎝ l f ⎟⎠ где pm = давление в модели, Па;
pf = давление в объекте-оригинале, Па;
lm = длина в модели, м;
h = длина в объекте-оригинале, м.
Единицы, приведённые в уравнении (15.37), являются единицами, которые можно было бы употребить в
данном случае, но это не единственный возможный вариант, при условии, что оба давления выражены в од них единицах, также как и обе длины. Например, давления могут быть выражены в атмосферах, а длины - в дюймах.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 58
Модель в масштабе 1:8 будет необходимо испытать в резервуаре высокого давления под давлением око ло 23 атмосфер. Моделирование давления применяется крайне редко, вероятно, по причине того, что прове дение испытаний в резервуаре высокого давления является дорогостоящим, а также того, что при моделиро вании по Фруду эффекты числа Рейнольдса могут быть сведены к минимуму. При моделировании давления, как и при моделировании по Фруду, группы теплопередачи не сохраняются.
Соотношения подобия при моделировании по Фруду
Основной принцип масштабной модели может быть выражен следующим образом:
⎛l ⎞ xm = x f ⎜ m ⎟ (15.38)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где xm = положение (координаты) в модели, м;
xf = положение (координаты) в объекте-оригинале, м;
lm = длина в модели, м;
lf = длина в объекте-оригинале, м.
Соотношение (lm /lf) – это масштаб модели. Например, для модели в масштабе 1:10 соотношение lm / lf =
1/10.
Как было описано выше, при моделировании по Фруду температуры в модели совпадают с температурами в соответствующих местах объекта-оригинала. Таким образом, соотношение подобия для температуры пред ставлено как:
Tm = T f (15.39) где
Tm = температура газа в модели, °C;
Tf = температура газа в объекте-оригинале, °C.
Поскольку модель и объект-оригинал имеют одинаковую температуру и давление, соотношение подобия для плотности составляет:
ρm = ρ f (15.40) где pm = плотность газа в модели, кг/м3 и
Pf = плотность газа в объекте-оригинале, кг/м3.
Сохранение числа Фруда можно выразить следующим образом:
U m2 U f
Fr = = (15.41) gl m gl f где
Um = скорость в модели, м/с;
Uf = скорость в объекте-оригинале, м/с; и g = ускорение силы тяжести, м/с2.
Из уравнения (15.41) следует, что соотношение подобия для скорости составляет:
lm
Um =U f (15.42) lf где
Um = скорость в модели, м/с;
Uf = скорость в объекте-оригинале, м/с;
lm = длина в модели, м; и lf = длина в объекте-оригинале, м.
Единицы, приведённые выше для переменных уравнения (15.42), являются единицами, которые можно было бы употребить в приложении, но это не единственный возможный вариант при условии, что единицы, в которых выражены Um и Uf, совпадают, как и единицы, в которых выражены lm и lf. Например, обе скорости могут быть выражены в футах в минуту, а обе длины в дюймах. Все соотношения подобия, обсуждаемые в данном разделе, имеют схожую форму, и основная идея о возможности использования широкого спектра еди ниц также верна для всех остальных приведённых здесь соотношений подобия.
Объёмный расход есть скорость, умноженная на площадь, и соотношение можно представить в виде:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 59
5/ 2
⎛l ⎞
V&m = V& f ⎜ m ⎟ (15.43)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где
Vm = объёмный расход в модели, м3/с;
V f = объёмный расход в объекте-оригинале, м3/с.
Массовый расход есть объёмный расход, умноженный на плотность. Совместив уравнения (15.40) и
(15.43), получим:
5/ 2
⎛l ⎞ m& m = m& f ⎜ m ⎟ (15.44)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где m& m = массовый расход в модели, кг/с;
m& f = массовый расход в объекте-оригинале, кг/с.
Скорость есть длина за единицу времени. Подставив U m = l m / t m и U f = l f / t f в уравнение (15.43), по лучим:
lm tm = t f (15.45) lf где tm = время в модели, с;
tf = время в объекте-оригинале, с.
Если представить конвективную составляющую теплоотдачи в качестве потоков энтальпии,
Q& m = m& m C p ΔT и Q& f = m& f C p ΔT (ΔT = ΔTm = ΔT f ) , уравнение (15.44) преобразуется в:
5/ 2
⎛l ⎞
Q& m = Q& f ⎜ m ⎟ (15.46)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где
Q& m = теплоотдача в модели, кВт;
Q& = теплоотдача в объекте-оригинале, кВт.
f
Если конвективная доля пожара в модели, χ с,m , равна конвективной доле в объекте-оригинале, χ с, f , то соотношение подобия для конвективной теплоотдачи выглядит так:
5/ 2
⎛l ⎞
Q& c ,m = Q& c , f ⎜ m ⎟ (15.47)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где
Q& c ,m = конвективная теплоотдача в модели, кВт;
Q&c, f = конвективная теплоотдача в объекте-оригинале, кВт.
Перепад давления в связи со скоростью составляет: Δpm = ρ U 2m / 2 и Δpf = ρ U 2f / 2. Подставив это со отношение в уравнение (15.42), получаем (помните, что ρ = ρm = ρf ):
⎛l ⎞
Δp m = Δ p f ⎜ m ⎟ (15.48)
⎜l ⎟
⎝ f ⎠ где
Δpm = перепад давления в модели, Па;
Δpf = перепад давления в объекте-оригинале, Па.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 60
Применение некоторых соотношений подобия проиллюстрировано в примерах 15.1 и 15.2. Цудзимото, Та кэноу-чи и Уехара (Tsujimoto, Takenou-chi, and Uehara, 1990 [31]) провели эксперименты, подтвердившие кор ректность выше приведённых уравнений для движения дыма в атриумах. Квинтьер, МакКэффри и Кашиваги
(Quintiere, McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27]) провели эксперименты по движению дыма, подтвердившие кор ректность применения этих соотношений подобия для моделирования перемещения дыма по коридору и внутри помещения.
Пример 15.1 Пожар в масштабе
Если мощность пожара в объекте-оригинале составляет 5280 кВт, какова мощность соответствующего пожара в модели масштаба 1:7?
Используя уравнение (15.46), получаем:
5/ 2
⎛l ⎞ ⎛1⎞
5/ 2
Q& m = Q& f ⎜ m ⎟ = 5280⎜ ⎟ = 40,7 кВт
⎜l ⎟ ⎝7⎠
⎝ f ⎠
Пример 15.2 Преобразование данных о дымовом слое
В модели масштаба 1:8 уровень дымового слоя опускается до 0,533 м над уровнем пола через 42 с. после возгорания. Как эти данные соотносятся с объектом-оригиналом?
Преобразуем уравнение (15.45):
lf t f = tm = 42 8 = 119c.
lm
Преобразуем уравнение (15.38):
⎛lf ⎞ x f = xm ⎜⎜ ⎟⎟ = 0,533(8) = 4,27 м.
⎝ lm ⎠
Это означает, что в объекте-оригинале через 119 с. уровень дымового слоя опустится до 4,27 м над уровнем пола.
Приблизительное масштабирование теплопередачи
Несмотря на то, что группы теплопередачи и число Рейнольдса не были сохранены, некоторые из эффек тов теплопередачи могут быть частично сохранены путём учёта поверхностной теплопередачи и теплообмена между твёрдыми телами. Для полубесконечной поверхности к материалам стены и потолка можно применить следующее соотношение:
0,9
⎛ ⎞
(kρC )w,m = (kρC )w, f ⎜⎜ lm ⎟⎟ (15.49)
⎝lf ⎠ где
(k pC)w,m = тепловая инерция материалов стены или потолка модели, кВт2 м-4К-2с;
(k pC)w,f = тепловая инерция материалов стены или потолка объекта-оригинала, кВт2 м-4К-2с.
Тепловая инерция (k pC) некоторых материалов приведена в таблице. В примере 15.3 приведён расчёт терми ческих свойств в масштабной модели. В этом примере уравнение (15.49) используется для пропорционального уменьшения тепловой инерции в модели до 0,44 кВт2м-4К-2с. Тепловую инерцию достаточно масштабировать лишь приблизительно, и для этих целей подойдут материалы от бетона до гипсокартона.
Таблица А-11. Термические свойства материалов
Материал Плотность Удельная теп- Теплопроводность k pC ρ лоёмкость k x 103 кВт2 м-4 K-2 c (кг/м3) (кДж/кг К) (кВт/м К) Алюминий (чистый) 2710 0,895 206 Сталь (0,5% углерод) 7850 0,465 54 Бетон 2400 0,75 1,6 2,9 Кирпич 2600 0,8 0,8 1,7 Стекло, плита 2710 0,8 0,76 1,6 Кирпичный/бетонный блок 1900 0,84 0,73 1,2 Гипсовая плита 960 1,1 0,17 0,18
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 61 Фанера 540 2,5 0,12 0,16 Плита волокнистой изоля- 240 1,25 0,53 0,16 ции ДСП 800 1,25 0,15 0,15 Газобетон 500 0,96 0,26 0,12 Гипсокартон 950 0,84 0,16 0,12 Панель из силиката каль- 700 1,12 0,11-0,14 0,086-0,11 ция (Marinite XL) Алюмосиликатный блок 260 1 0,14 0,036 (Kaowool) Стекловолоконная изоля- 60 0,8 0,037 0,036 ция Пенополистирол 20 1,5 0,034 0,0010
Пример 15.3 Масштабирование термических свойств
Стены и потолок объекта-оригинала выполнены из бетона. Пересчитайте значения термических свойств для модели в масштабе 1:8.
Согласно таблице, k pC бетона составляет 2,9 кВт2 м-4 K-2 c. Используя уравнение (15.49), получаем:
0,9
⎛ ⎞ ⎛1⎞
0,9
(kρC )w,m = (kρC )w, f ⎜⎜ lm ⎟⎟ = 2,9⎜ ⎟ = 0,44кВт 2 м −4 К −2 с
⎝ lf ⎠ ⎝8⎠
Термические свойства достаточно масштабировать лишь приблизительно, и для этих целей подойдёт широкий спектр материалов.
Практические вопросы моделирования по Фруду
Предполагается, что масштабная модель должна создаваться таким образом, чтобы каждый из её размеров был полностью пропорционален соответствующим размерам объекта-оригинала, но при этом необязательно моделировать каждую мелкую деталь объекта-оригинала. Небольшие предметы, такие как электроарматура, выключатели, дверные ручки, декоративные элементы, детекторы дыма и спринклеры не должны повлиять на поток дыма в целом, и эти предметы можно не учитывать. При отсутствии хорошо разработанных критериев о размере таких небольших предметов, предлагается не учитывать предметы менее 0,23 м.
Как было указано выше, размер модели должен быть подобран правильно, так чтобы эффекты вязкости
были ничтожно малы, и число Рейнольдса (П4) можно было бы не учитывать. Модель должна быть достаточ но большой, чтобы поток был полностью турбулентным в тех местах, которые представляют интерес. Общее правило таково, что наименьшая длина, которая способна поддерживать такой турбулентный поток, состав ляет 0,3 м.
В следующем примере приводятся пояснения к выбору масштаба для модели. Предположим, что требуется
правильно определить потоки, проходящие через проёмы из атриума в смежные помещения. Эти проёмы вы сотой - 2,4 м и шириной – 3,7 м. Будем считать, что эта высота есть наименьшее значение, где будет прохо дить полностью развитый поток. Тогда соответствующий проём в масштабной модели должен быть не менее
0,3 м. Таким образом, модель должна быть в масштабе 1:8. Масштаб для каждой ситуации моделирования должен определяться с учётом того, какие потоки важно смоделировать.
Поскольку некоторые из эффектов теплопередачи могут быть частично сохранены путём масштабирования тепловой инерции с использованием уравнения (15.49), достаточно осуществить лишь приблизительное мас штабирование, как было описано выше. Чтобы была возможна визуализация дымового потока, некоторые стены делают из стекла.
Как указано выше, моделирование по Фруду приемлемо для температур вдали от пламени. Моделирование
по Фруду подходит для моделирования движения дыма при пожаре в атриуме, где пламя не достигает потол ка. Пламя, по-видимому, не будет смоделировано правильно, но ожидается, что потоки дыма вдали от пламе ни будут смоделированы реалистично.
Моделирование по Фруду также подходит для моделирования дымовых потоков в здании, возникающих при пожаре, полностью охватившем помещение. Из-за высоких температур моделирование неприемлемо для горящего помещения или любого пламени, вырывающегося из этого помещения, но ожидается, что модели рование дымового потока вдали от горящего помещения будет реалистичным.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 62
NFPA 92B. РУКОВОДСТВО ПО СИСТЕМАМ ПРОТИВОДЫМНОЙ
ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ, МОЛЛОВ И БОЛЬШИХ ПОМЕЩЕНИЙ
Информация в данной главе представлена на основе стандарта Национальной ассоциации по противопо жарной защите (США) NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых цен тров и больших помещений» [4].
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ Целью данного руководства является обеспечить заказчиков, проектировщиков, представителей надзор ных органов и пожарных подразделений методикой противодымной защиты в больших, цельных (не поделен ных на отсеки) помещениях. В руководстве представлена следующая информация: (1) Вопросы перемещения дыма внутри помещения; (2) Физические процессы, лежащие в основе перемещения дыма в помещениях; (3) Методы противодымной защиты; (4) Данные и технологии; (5) Оборудование в здании и элементы управления; (6) Методы проведения проверок, технического обслуживания и ремонта.
В данном руководстве представлена методология оценки нахождения дыма внутри большого помещения при пожаре в нём либо в прилегающем к нему помещении. Эти методы составляют техническую основу для помощи в проектировании, установке, проверке, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте новых и модернизированных систем противодымной защиты, установленных в зданиях с большими помещениями для
защиты от дыма в помещении, где произошло возгорание, или между пространствами, не разделенными ды мозащитными преградами. К зданиям, рассматриваемым в данном руководстве, относятся здания с атриума ми, крытыми моллами и другими подобными большими помещениями. Данное руководство не предназначено для применения к складским, производственным или прочим аналогичным помещениям.
Алгебраические подходы к противодымной защите, содержащиеся в данном руководстве, предполагают, что дымоудаление будет производиться механическими средствами.
Целью данного руководства является предоставить рекомендации по системам противодымной защиты для обеспечения ими следующего:
(1) поддержание безопасных условий в путях эвакуации из зданий с большими помещениями в течение времени, требующегося на эвакуацию;
(2) контроль и снижение перемещения дыма между зоной пожара и смежными помещениями;
(3) обеспечение условий внутри и снаружи зоны пожара для помощи персоналу по борьбе с чрезвычай ными ситуациями в проведении поисково-спасательных операций и обнаружении и контролировании распространения пожара;
(4) помощь в защите жизни людей и снижении ущерба имуществу;
(5) помощь в удалении дыма после пожара.
Принципы проектирования
Пожар в больших помещениях, моллах и атриумах
Предполагается, что дым, возникающий при пожаре в большом свободном пространстве, является плаву чим, поднимающимся в виде струи над огнём и достигающим потолка либо претерпевающим стратификацию из-за температурной инверсии. После того, как дым достигнет потолка, или произойдёт его стратификация, пространство начнёт заполняться дымом, а граница дымового слоя опускаться. Скорость снижения границы
дымового слоя зависит от скорости, с которой дым поступает в дымовой слой из дымовой струи. Такое запол нение дымом представлено в двухзонной модели, где есть чёткая граница между низом дымового слоя и ок ружающим воздухом. В инженерных целях скорость поступления дыма из струи в дымовой слой может быть определена как скорость вовлечения воздуха в струю под границей дымового слоя. Воздействие спринклеров может привести к снижению скорости выделения тепла и скорости вовлечения воздуха в струю.
Вследствие методологии зонного моделирования в модели используется допущение об однородности свойств (концентрации дыма и температуры) от границы дымового слоя до потолка и в горизонтальном на правлении – сквозь весь дымовой слой.
Равновесное положение границы дымового слоя может быть достигнуто при удалении дыма при такой же скорости, с которой дым поступает в дымовой слой. Кроме того, дымоудаление может вызвать задержку в скорости опускания дымового слоя.
Там, где дымовой слой опустился до уровня прилегающих помещений, в которых есть люди, предотвраще ние перемещения дыма из атриума или молла в эти помещения может осуществляться с помощью физических
преград или встречного воздушного потока. Встречный воздушный поток может использоваться для ограни чения перемещения дыма в открытые прилегающие помещения, при этом воздух подаётся изнутри приле гающего помещения. Необходимый объёмный расход подаваемого воздуха, требующегося для достижения необходимой скорости, может быть значительным.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 63
Чтобы работа вытяжных вентиляторов была эффективной, необходимо наличие приточного воздуха. По ступление приточного воздуха должно происходить с низкой скоростью. В целях эффективной противодымной
защиты поток приточного воздуха должен быть достаточно рассеянным, чтобы не повлиять на пламя, дымо вую струю или границу дымового слоя. Точки подачи приточного воздуха должны быть расположены под гра ницей дымового слоя. Скорость потока приточного воздуха не должна превышать скорость дымоудаления, чтобы в атриуме или молле было достигнуто избыточное давление по сравнению с прилегающими помеще ниями. Если воздух поступает в дымовой слой над границей дымового слоя, это необходимо учитывать при расчёте дымоудаления.
Пожары в смежных помещениях
Пожары в смежных помещениях могут приводить к возникновению плавучих газов, растекающихся в большое помещение. В таком случае расчёт должен быть аналогичным расчёту пожара в большом помеще нии. Однако, расчёт должен учитывать разницу в вовлечении воздуха в основную и растекающуюся струи.
Если смежные открытые помещения защищены автоматическими спринклерами, вычисления, приведённые в
данном руководстве, могут показать, что дополнительная вентиляция не требуется. С другой стороны, неза висимо от того, работают спринклеры в смежных помещениях или нет, попадание дыма в большое помещение можно предотвратить, если дымоудаление в смежном помещении осуществляется со скоростью, при которой возникает достаточная скорость притока сквозь границу в большое пространство.
Системы пожаротушения
Системы автоматического пожаротушения проектируются для ограничения скорости горения массы топли ва и, как следствие, ограничения возникновения дыма. При ограничении скорости горения массы снижается дымообразование. Пожары в помещениях со спринклерами, прилегающих к атриумам и пешеходным зонам
крытых моллов, также могут быть эффективно ограничены с целью снизить воздействие на атриумные про странства или пешеходные зоны крытых моллов и, соответственно, повысить эффективность системы дымо удаления.
Задача функционирования автоматических спринклеров, установленных в соответствии с документом NFPA
13 «Стандарт по установке спринклерных систем» [38], состоит в обеспечении противопожарного контроля,
который можно описать следующим образом: ограничение мощности пожара путём распределения воды та ким образом, чтобы снизить скорость выделения тепла и смочить прилегающие горючие материалы, контро лируя при этом температуру припотолочных газов с целью предотвращения разрушения конструкции. Было
проведено небольшое число исследований, в ходе которых проводились полномасштабные пожарные испыта ния, при которых спринклерная система была подвергнута большой нагрузке, но обеспечила предполагаемый уровень функционирования. Эти исследования продемонстрировали, что в условиях противопожарной защиты скорость выделения тепла ограничивается, но образование дыма может продолжаться. Тем не менее, темпе ратура дыма уменьшается.
Полномасштабные пожарные испытания спринклерных систем проводились для офисов открытой плани ровки. Эти испытания показали, что при пожарах в помещениях со спринклерами после их активации и дос тижения ими контроля над огнём наблюдается экспоненциальный спад скорости выделения тепла. Результаты этих испытаний также указывают на то, что расчётный пожар с установившейся скоростью выделения тепла в
500 кВт даёт завышенную оценку для офисов открытой планировки со спринклерами.
Существуют ограниченные данные полномасштабных испытаний для определения мощности расчётного
пожара для других типов помещений со спринклерами. Исследователи Ханселл и Морган предлагают завы шенную оценку для конвективной теплоотдачи, основываясь на статистике пожаров в Соединённом Королев стве Великобритании и Северной Ирландии: 1 МВт для офиса со спринклерами, от 0,5 до 1,0 МВт для гости ничного номера со спринклерами и 5 МВт для торгового помещения со спринклерами. Эти стационарные рас чётные пожары предполагают, что помещения оснащены спринклерами стандартного реагирования.
В Австралии были проведены полномасштабные испытания для торговых помещений. Эти испытания пока зали, что в некоторых распространённых типах торговых помещений (магазинах одежды и книжных магази нах) пожар регулируется и в итоге ликвидируется одним спринклером. Кроме того, эти испытания показали, что сложность при тушении пожара спринклерными системами может возникать в торговых помещениях с большой топливной нагрузкой, например, в магазинах игрушек.
Вероятность активации спринклеров зависит от многих факторов, включая скорость выделения тепла при пожаре и высоту потолка. Таким образом, при пожарах небольшой мощности срабатывание спринклеров с
наибольшей вероятностью произойдёт в разумный срок в помещениях с более низкой высотой потолка, на пример, от 2,4 м до 7,6 м. Активация спринклеров в зоне пожара вызывает остывание дыма, что приводит к снижению его плавучести. Сниженная плавучесть может приводить к опусканию дыма и снижению видимости.
Уравнения в разделе «Методы расчёта», иллюстрирующие заполнение дымом [(3) и (4)] и дымообразование
[(8), (9) в данной главе и (13.17), (13.23) в главе «Принципы противодымной защиты атриумов»], не приме няются, если произошла потеря плавучести при работе спринклеров.
На начальном активном этапе развития пожара при работе спринклеров дымовой слой остаётся стратифи цированным под потолком. Около спринклеров дым затягивается каплями воды в холодный нижний слой и
затем благодаря плавучести возвращается в дымовой слой. Как только спринклеры начинают функциониро вать на полную мощность и начинают тушить пожар, температура газов в дымовом слое быстро падает и дым рассеивается по всему объёму помещения, т.к. его плавучесть снижается.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 64
Активация спринклеров в помещениях, прилегающих к атриуму, приводит к остыванию дыма. При пожарах с низкой скоростью выделения тепла температура дыма, вытекающего из отсека, приближена к температуре окружающей среды, и дым будет рассеян над высотой проёма. При пожарах с высокой скоростью выделения тепла температура дыма будет выше температуры окружающей среды, и дым, поступающий в атриум, явля ется плавучим.
Температура дыма, образующегося при пожаре в помещении со спринклерами зависит от таких факторов, как скорость выделения тепла при пожаре, количество работающих спринклеров и плотность применения спринклеров. Полномасштабные пожарные испытания при температуре воды 10°C показывают, что при четы рёх работающих спринклерах температура дыма снижается до уровня температуры окружающей среды или ниже, если скорость выделения тепла <200 кВт при плотности применения спринклеров 0,07 мм/с и <500 кВт при плотности применения спринклеров 0,14 мм/с. При более высоких значениях скорости выделения тепла температура дыма выше температуры окружающей среды, и дым, покидающий зону работы спринклеров, не теряет свою плавучесть.
При пожарах с низкой скоростью выделения тепла в помещениях со спринклерами дым разнороден по всей высоте помещения. Дымовой поток через большие проёмы в атриум имеет постоянную температуру в зависимости от высоты.
При более высоких значениях скорости выделения тепла формируется горячий верхний дымовой слой.
Температура верхнего слоя будет находиться между температурой окружающей среды и рабочей температу рой спринклера. Если температура дыма выше рабочей температуры спринклера, сработают другие спринкле ры, и температура дыма понизится. В целях проектирования можно использовать допущение, что температура дыма равна рабочей температуре спринклеров.
Техническое состояние
Компоненты системы противодымной защиты должны быть пригодны к непрерывному использованию при максимальных ожидаемых температурах, рассчитанных с помощью методов, содержащихся в данном руково дстве.
Анализ опасных факторов пожара
Когда проектирование систем противодымной защиты основано на поддержании безопасных условий в
определённой части помещения, можно использовать один из двух подходов. Во-первых, расчёт может зави сеть от предотвращения развития дымового слоя в этой части помещения. Во-вторых, расчёт может быть ос нован на сравнении свойств дымового слоя с пороговыми значениями опасности. Такое основание требует оценки влияния дыма на людей. Опасные факторы пожара, которые могут быть учтены, включают в себя, но не ограничиваются, следующим:
(1) температурное воздействие;
(2) токсичность дыма;
(3) видимость.
Расчёт эвакуации
Если проектирование систем противодымной защиты основано на учёте людей, выходящих из помещения до появления в нём дыма, либо до того, как достигнуты пороговые значения опасности, для этого помещения должен быть осуществлён расчёт времени эвакуации.
Критерии проектирования
Критерии проектирования должны быть основаны на понимании компетентными органами ожидаемых ра бочих характеристик системы и процедур проведения приёмочных испытаний.
Зона утечки
Критерии проектирования и приёмочные испытания систем противодымной защиты должны быть основа ны на следующих факторах с учётом зоны задымления и смежных зон:
(1) с маленькими отверстиями в дымозащитных преградах, такими как рабочие швы, щели, проме жутки под закрытыми дверями и аналогичные зазоры, следует обращаться с позиции поддержа ния необходимой разницы давлений через дымозащитную преграду с избыточным давлением за пределами задымленной зоны;
(2) с большими отверстиями в дымозащитных преградах, таких как открытые двери и другие большие проёмы, можно обращаться с позиции поддержания необходимой скорости воздуха через проёмы с направленностью воздушного потока в зону возникновения пожара.
Данные о погоде
Разность температур внутри и снаружи здания приводит к эффекту тяги и определяет его направление и мощность. Эффект тяги должен учитываться при выборе дымовытяжных вентиляторов. Влияние температуры и скорость ветра изменяются в зависимости от высоты здания, конфигурации, утечки и проёмов и отверстий в конструкции стен и перекрытий.
В главе 26 «Информация о проектировании климатических систем» Руководства по основам проектирова ния, выпущенного Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха [32], предлагается использовать в качестве расчётных условий для зимнего и летнего периода сле-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 65 дующие значения: 99,6% температуры нагрева по сухому термометру и 0,4% температуры охлаждения по сухому термометру, соответственно. Кроме того, в качестве расчётного условия рекомендуется использовать
1% предельной скорости ветра. По возможности, следует учитывать условия, характерные для конкретной местности.
Перепад давлений
Следует учитывать максимально и минимально допустимые перепады давлений на границах зон дымоуда ления. Минимальная разность давлений должна быть такой, чтобы не происходило значительной утечки дыма в ходе эвакуации из здания. На рабочие характеристики системы влияют силы ветра, эффект тяги и плаву честь горячего дыма во время пожара.
ФАКТОРЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Основные факторы
Выбор разных задач и методов проектирования зависит от целей защиты, таких как защита путей эвакуа ции, содержание в исправном состоянии зон безопасности, обеспечение доступа пожарным подразделениям или защита имущества. Следует учитывать следующие факторы:
(1) высота, площадь поперечного сечения и площадь в плане большого помещения, защиту которого необходимо осуществить;
(2) типы и расположение помещений внутри большого помещения и смежных с ним;
(3) преграды (если имеются), отделяющие смежное помещение от большого помещения;
(4) пути эвакуации из большого помещения и любого из смежных помещений;
(5) зоны безопасности;
(6) расчётный пожар, используемый для вычисления дымообразования (см. подраздел «Предупреж дение о минимальной мощности расчётного пожара»). Расчёт должен включать в себя тип, место нахождение и количество топлива, автоматическое пожаротушение и вентиляцию.
Методология проектирования
В задачи проектирования обычно входит противодымная защита внутри большого помещения и любых смежных с ним помещений. Источником дыма может быть как пожар в большом помещении, так и пожар в смежном помещении. Задачи проектирования включают в себя, к примеру, следующее:
(1) поддержание безопасных условий во всех путях, ведущих к выходу и к зонам безопасности, в те чение времени, достаточном для того, чтобы люди, находящиеся в здании, добрались до выхода или зоны безопасности;
(2) поддержание границы дымового слоя на заранее установленной высоте;
(3) обеспечение возможности для пожарных подразделений приблизиться к огню, определить его ме стоположение и потушить пожар;
(4) ограничение повышения температуры дымового слоя, концентрации токсичных газов и снижения видимости.
Ограничения проектирования
Глубина заполнения дымом
Скорость снижения дымового слоя в большом помещении лишь в небольшой степени связана со скоростью
выделения тепла при пожаре. Опускание дымового слоя, однако, в большой степени связано с высотой поме щения и площадью его поперечного сечения. Необходим тщательный расчёт на основе приведенных в данном руководстве уравнений и методов в любой ситуации, где задачей является обеспечение противодымной за щиты посредством использования объёма, в котором не происходит дымоудаление, такого как, например, коллектор дыма.
Минимальная расчётная глубина дымового слоя определяется как толщина (глубина) припотолочной струи и толщина, требующаяся для предотвращения «эффекта прокалывания». По этим причинам расчёт не должен быть основан на поддержании дымового слоя на уровне выше уровня припотолочной струи или выше уровня устранения «эффекта прокалывания» – того из уровней, который окажется ниже.
Толщина припотолочной струи составляет от 10 до 20% расстояния от огня до верха помещения.
Нарушение границы дымового слоя
Любой фактор, вызывающий увеличенную турбулентность в дымовом слое или увеличенный массовый приток в него или у его границы может повлиять на дымовой слой. Сюда относятся следующие факторы:
(1) работа автоматических спринклеров над границей дымового слоя может утягивать дым под гра ницу дымового слоя;
(2) мощные воздушные потоки от систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или элементов системы противодымной защиты, расположенных у границы дымового слоя, могут вы зывать её нарушение, вызывая опускание дыма ниже границы;
(3) воздушные потоки скоростью более 61 м/мин, попадающие в восходящую дымовую струю под границей дымового слоя, могут вызывать отклонение струи и увеличение скорости вовлечения воздуха, что приводит к опусканию слоя ниже уровня, вычисленного на основе уравнений, приве-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 66
дённых в данном руководстве. Необходимо рассчитать расположение пожарной нагрузки, потен циальную дымовую струю при такой пожарной нагрузке, размещение приточных отверстий и ско рость у приточных отверстий в отношении расположения струи;
(4) направленные кверху воздушные потоки, расположенные под границей дымового слоя и обла дающие достаточным импульсом, чтобы достичь его, могут приводить к тому, что турбулентное перемешивание вызовет нарушение границы дымового слоя и добавление массы к нему, приводя к его опусканию;
(5) воздух, нагнетаемый или вовлекаемый в верхний слой иным, чем со струей, способом, приведёт к повышению массы в верхнем слое, вызывая опускание слоя ниже расчётной глубины, если оно не будет скомпенсировано за счёт учета этого фактора при проектировании системы противодымной защиты.
Особые факторы, касающиеся естественной вентиляции
Способность подъёмных сил перемещать дым сквозь естественное вентиляционное отверстие является функцией как глубины, так и температуры горячего слоя. Массовый расход через вентиляционные отверстия под действием силы тяжести увеличивается с увеличением глубины и температуры слоя. Методика оценки массового расхода через вентиляционное отверстие описана в документе NFPA 204 «Руководство по противо дымной и тепловой вентиляции» [40].
Как правило, естественная и механическая вентиляция несовместимы друг с другом в пределах одного
воздушного объёма. Существует значительная вероятность блокировки естественной вентиляции за счёт воз никновения обратной тяги, когда естественные вентиляционные отверстия становятся источником воздуха
для механической вентиляции. Для проекта, в котором рассматривается подобное сочетание методов венти ляции, необходим тщательный технический анализ или физическое (масштабное) моделирование, чтобы удо стовериться, что спроектированная система будет функционировать, как положено.
По каждому проекту, зависящему от естественных вентиляционных отверстий, необходимо рассчитать по тенциальные ветровые условия, включая учёт влияния находящихся поблизости частей здания или других сооружений, которые могут приводить к возникновению тяги. Масса дыма лишь в незначительной степени связана со скоростью выделения тепла при пожаре, в то время как изменения в температуре дымового слоя практически напрямую связаны со скоростью выделения тепла. Следовательно, пожар, мощность которого значительно меньше расчётного пожара, приведёт к образованию только низкотемпературного дымового слоя с меньшим массовым расходом, чем при расчётном пожаре. Однако, для обеспечения вентиляции при менее
мощном пожаре и расход также требуется меньший. На рис.2.3.3(a) представлена оценка эффективности мас сового расхода через вентиляционное отверстие, где температура воздуха внутри помещения равна темпера туре воздуха снаружи. График построен с сохранением всех параметров постоянными за исключением повы шения температуры дымового слоя.
Рис. 2.3.3(a) Эффективность массового расхода через вентиляционное отверстие
Хотя на рис.2.3.3(a) показано существенное снижение эффективности естественного вентиляционного от верстия, при небольших пожарах приводящее к небольшому повышению температуры дымового слоя, при таких пожарах образуется и меньше дыма, а, следовательно, требуется меньше вентиляции. Джеймс Милке и
Джон Клоут провели оценку влияния разной теплоотдачи при пожарах на площадь вентиляционного отвер стия, необходимого для поддержания определённой чистой высоты. Данный расчёт показывает, что необхо димая площадь вентиляционного отверстия относительно нечувствительна к теплоотдаче при пожаре.
На рис.2.3.3(b), взятом из проведенного Джеймсом Милке и Джоном Клоутом расчёта, отражены площади вентиляционных отверстий, необходимые для поддержания различных высот границы дымового слоя для за данных значений мощности пожаров и высоты потолков.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 67
Рис.2.3.3(b) Площадь вентиляционных отверстий, необходимая для поддержания чистой вы соты
Эффективность естественных вентиляционных отверстий может быть существенно снижена или сведена к нулю, если температура снаружи здания высока. Один из сценариев, требующих особого внимания, касается пожара, происходящего в помещении, когда температура внутри этого помещения ниже температуры снаружи здания (т.е. сочетание летних погодных условий с условиями в атриуме с кондиционированным воздухом).
Хотя дым может быть плавучим относительно воздуха внутри помещения и подниматься к потолку, как только вентиляционное отверстие откроется, наружный воздух попадёт в здание, если температура воздуха снаружи здания выше температуры дымового слоя. В связи с этим дым удаляться не будет, и граница дымового слоя может опуститься.
Пример ограничений естественных вентиляционных отверстий из-за температуры снаружи здания приве дён на рис.2.3.3(c). В этом примере предполагается, что температура снаружи составляет 38°C. Температура дымового слоя по отношению к чистой высоте определяется уравнением повышения температуры (∆T) в
верхнем слое при вентилируемом пожаре (см. таблицу 3.5) для трёх пожаров с разными скоростями выделе ния тепла. Если температура дымового слоя меньше температуры снаружи здания, дымоудаления не про изойдёт. По этой причине естественная вентиляция не является целесообразным методом дымоудаления при
пожаре мощностью 2,7 МВт, при котором планируемая чистая высота больше 18 м. Аналогичным образом чис тые высоты более 24 м и 27 м не могут быть достигнуты с помощью естественной вентиляции при пожарах мощностью 5,3 МВт и 7,9 МВт.
Рис.2.3.3(c) Ограничения естественных вентиляционных отверстий в зависимости от темпе ратуры воздуха снаружи
Подходы к проектированию (методология)
Проектные решения при проектировании противодымной защиты зависят от помещения, в котором долж но быть организовано дымоудаление, и от помещения, в котором образуется дым, как описано ниже. Необхо димо учитывать метод расчёта, если таковой имеется, для удаления дыма из помещения (механическое дымо удаление по отношению к естественной вентиляции) или для сдерживания дыма в пределах помещения (ме тод воздушного потока по отношению к методу подпора воздуха).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 68
Противодымная защита в большом помещении
Существует ряд методов, подходящих для противодымной защиты при пожаре в большом помещении. В таблице 2.4.1 приведены основные моменты по каждому из методов, включающие в себя следующее:
(1) использование большого помещения в качестве резервуара дыма и моделирование опускания ды мового слоя с целью определения, достигнет ли граница дымового слоя высоты, при которой лю ди, находящиеся в помещении, подвергнутся воздействию дыма до того, как смогут эвакуировать ся;
(2) удаление дыма из большого помещения с использованием мощностей механической вентиляции, достаточных для поддержания границы дымового слоя в помещении на предварительно рассчи танной высоте на протяжении неопределенного периода времени;
(3) удаление дыма из большого помещения с использованием мощностей механической вентиляции, замедляющей скорость опускания дымового слоя на срок, позволяющий людям, находящимся в помещении, безопасно эвакуироваться из этого помещения;
(4) обеспечение естественной вентиляции, достаточной для поддержания границы дымового слоя в помещении на предварительно рассчитанной высоте на протяжении неопределённого периода времени;
(5) обеспечение естественной вентиляции, достаточной для снижения скорости опускания дымового слоя на срок, позволяющий людям, находящимся в помещении, безопасно эвакуироваться из этого помещения.
По каждому из подходов к проектированию, перечисленных в таблице 2.4.1, приведены только методы ал гебраических вычислений. Также можно использовать масштабное моделирование, зонное моделирование или вычислительную гидродинамику, описанные в других частях данного документа.
Таблица 2.4.1 Методы противодымной защиты для больших помещений
Подход Расчётный пожар Алгебраические методы Расчёт пере для расчёта перемещения мещения лю дыма дей Заполнение дымом в со- Стационарный Уравнение (3) поставлении с расчётом Обязателен времени эвакуации Нестационарный Уравнение (4) Механическое дымоудале ние для достижения посто- Стационарный Уравнения (8), (9), Не обязателен янной высоты дымового (13.17), (13.23) слоя* Механическое дымоудале- Стационарный ние в сопоставлении с рас- Уравнения (8), (9), (13.17), Обязателен чётом времени эвакуации Нестационарный (13.23) Естественная вентиляция с постоянной высотой дымо- Стационарный См. руководство NFPA 204 Не обязателен вого слоя* Естественная вентиляция в Стационарный сопоставлении с расчётом См. руководство NFPA 204 Обязателен времени эвакуации Нестационарный
*Нестационарный пожар не подходит для данного подхода, поскольку только стационарный пожар приво дит к постоянной высоте дымового слоя.
Заполнение дымом в сопоставлении с расчётом времени эвакуации
Применение дымоудаления из большого помещения необязательно, если можно продемонстрировать, что эвакуация людей из помещения может быть осуществлена до того, как дымовой слой опустится до уровня, на котором люди подвергаются воздействию дыма. Опасное воздействие может проявляться в наличии дыма или опасных факторов, влияющих на людей, находящихся в помещении.
Уровень первых признаков дыма даёт заниженную оценку положения дымового слоя, как показано на рис.
A.1.4.6, и рассчитано на основе полученных эмпирическим путем уравнений (3) и (4) в подразделе «Высота
уровня первых признаков дыма в любой момент времени». Уравнение (3) применяется к стационарным пожа рам, а уравнение (4) – к нестационарным, как описано в подразделе «Расчётный пожар». Уравнения (3) и (4) косвенным образом учитывают временнуе отставание, связанное с перемещением дыма от огня в верхний слой.
Уравнение (3) не может быть объединено с уравнением (4) для расчёта опускания дымового слоя при рас тущих пожарах со стационарным максимальным значением. Каждое из этих уравнений получено эмпириче ским путем и не может быть использовано в сочетании со вторым уравнением. Расчёт опускания дымового
слоя при растущих пожарах со стационарным максимальным значением следует выполнять способом, анало гичным тому, что описан в подразделе «Дымоудаление в сопоставлении с временным расчётом эвакуации».
Примечание.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 69
Уровень первых признаков дыма (рис. A.1.4.6; также см. рис.14.3 в подразделе «Эмпирические уравнения по заполнению атриума дымом» в главе «Принципы противодымной защиты атриумов»).
Для оценки проекта с использованием физического моделирования или вычислительной гидродинамики
требуется метод определения высоты границы дымового слоя и уровня первых признаков дыма с использова нием ограниченного количества точечных измерений по высоте атриума. В основе одного из подходов лежит линейная интерполяция точечных измерений. Используя данные о температуре, можно определить высоту границ. Она будет соответствовать той высоте, на которой температура равна:
Tn = C n (Tmax − Tb ) + Tb где
Tn – температура на высоте границы;
Tmax – температура дымового слоя;
Tb – температура холодного нижнего слоя;
Cn – интерполяционная постоянная со значениями 0,1-0,2 для уровня первых признаков дыма и 0,8-0,9 для границы дымового слоя, соответственно.
Рис. A.1.4.6 Граница дымового слоя
Дымоудаление с целью обеспечения постоянной высоты дымового слоя
Выполнять расчёт времени эвакуации не требуется, если можно продемонстрировать, что граница дымово го слоя сохраняется на высоте, при которой люди, находящиеся в помещении, не подвергаются воздействию дыма на протяжении неограниченного срока. Постоянная высота дымового слоя достигается, если обеспечи вается мощность дымоудаления равная объёму образования дыма на расчётной высоте границы дымового слоя. Иными словами, объём дыма, поступающего в дымовой слой, равен объёму дыма, удаляемому механи ческой вентиляцией. Как правило, данный метод применим только к стационарным пожарам, за исключением случаев, когда известно максимальное значение дымообразования при нестационарном пожаре на протяже нии расчётного периода работы системы противодымной защиты. Скорость дымообразования на заданной
высоте границы дымового слоя может быть вычислена с помощью уравнений (8), (9), (13.17) и (13.23). Тем пературу дыма, поступающего в дымовой слой, вычисленную с помощью уравнений в таблице 3.5, необходи мо учитывать при расчёте плотности дыма, используемой в уравнении (13.27).
Поскольку уравнения (8), (9), (13.17) и (13.23) ссылаются на высоту границы, соответствующую верхней границе переходной зоны, показанной на рис.A.1.4.6, необходимо выбрать такую расчётную высоту границы, при которой люди не будут подвержены воздействию дыма. При выборе этой расчётной высоты границы не обходимо учитывать ожидаемую толщину переходной зоны.
Опасное воздействие может проявляться в наличии дыма или опасных факторов, влияющих на людей, на ходящихся в помещении.
Дымоудаление в сопоставлении с временным расчётом эвакуации
Дымоудаление может применяться для снижения скорости опускания дымового слоя на срок, позволяю щий людям осуществить безопасную эвакуацию из помещения. Данный подход может использоваться в слу чаях, когда невозможно обеспечить мощность дымоудаления достаточную для поддержания дыма на расчёт ной высоте границы дымового слоя в течение неопределенного периода времени. Для расчёта положения дымового слоя за период времени необходимо провести анализ переходных процессов, который учитывает изменение в дымообразовании как функцию положения границы дымового слоя, а также дымоудаление, обеспечиваемое механической системой вентиляции. Данный подход подробно обсуждается в подразделе
«Расчёт положения дымового слоя» раздела «Справочная информация». Уравнения (8), (9), (13.17) и (13.23) применяются для определения объёма дыма, поступающего в дымовой слой в заданный временной шаг. Ука занное количество удаляемого механическим способом дыма затем удаляется из дымового слоя за такой же временной шаг. Затем рассчитывается новое положение слоя на конец временного шага. Температура дыма,
входящего в дымовой слой, вычисленная на основе уравнений из таблицы 3.5, должна учитываться при рас чёте плотности дыма, применяемой в уравнении (13.27). Временнуе отставание, связанное с перемещением
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 70
дыма от огня в верхний слой, может быть включено, а может и не быть включено в этот расчёт. Игнорирова ние временнуго отставания даёт завышенный объём дымоудаления, поскольку подразумевается, что дым не медленно попадает в верхний слой, что приводит к более быстрому опусканию дымового слоя. Временнуе отставание может быть существенным при рассмотрении пожаров в больших помещениях.
Поскольку уравнения (8), (9), (13.17) и (13.23) ссылаются на высоту границы, соответствующую верху пе реходной зоны, изображенной на рис.A.1.4.6, необходимо выбрать расчётную высоту границы, при которой люди не подвергнутся воздействию дыма. При выборе этой расчётной высоты границы необходимо учитывать ожидаемую толщину переходной зоны.
Опасное воздействие может проявляться в наличии дыма или опасных факторов, влияющих на людей, на ходящихся в помещении.
Естественная вентиляция с целью достижения постоянной высоты слоя
В некоторых случаях естественная вентиляция может использоваться для поддержания границы дымового слоя на заданной высоте в течение неограниченного срока. Это может быть осуществлено, если количество
удаляемого дыма равно объёму дымообразования на расчётной высоте границы слоя. Объёмное дымоудале ние, обеспечиваемое естественной вентиляцией, может быть рассчитано с использованием методов, описан ных в документе NFPA 204 «Руководство по противодымной и тепловой вентиляции» [40].
Естественная вентиляция в сопоставлении с временным расчётом эвакуации
В некоторых случаях естественная вентиляция может применяться аналогичным указанному в подразделе
«Дымоудаление в сопоставлении с временным расчетом эвакуации» способом, чтобы замедлить скорость опускания дымового слоя на срок, необходимый для безопасной эвакуации людей из помещения. Данный
подход может использоваться, когда нет возможности обеспечить механическое дымоудаление или естест венную вентиляцию достаточной мощности для поддержания дыма на высоте расчётной границы слоя в тече ние неопределенного срока. Для расчёта положения дымового слоя за период времени необходимо провести анализ переходных процессов, который учитывает изменение в дымообразовании как функцию положения границы дымового слоя, а также дымоудаление, обеспечиваемое естественной вентиляцией. Аналогичный подход для механического дымоудаления подробно обсуждается в подразделе «Расчёт положения дымового слоя» раздела «Справочная информация». Объёмное дымоудаление, обеспечиваемое естественной вентиля цией, может быть рассчитано с использованием методов, описанных в документе NFPA 204 «Руководство по противодымной и тепловой вентиляции» [40].
Защита от распространения дыма в смежные помещения
Дымозащита смежных помещений может осуществляться одним из следующих методов:
(1) поддержание границы дымового слоя на уровне выше уровня самого высокого проёма, ведущего в смежное пространство;
(2) установка дымозащитной преграды с целью ограничения распространения дыма в смежное поме щение (Возможно, потребуется применить перепад давлений через дымозащитную преграду);
(3) обеспечение встречного воздушного потока на поверхности проёма для предотвращения распро странения дыма в смежное пространство;
(4) помощь в пожаротушении с целью предотвратить развитие горячей дымовой струи.
Дымоудаление может обеспечиваться внутри большого помещения с целью ограничить глубину накопле ния дыма или увеличить время заполнения большого помещения дымом, чтобы граница дымового слоя оста валась над уровнем самого высокого проёма, ведущего в смежное помещение, на срок, необходимый для дос тижения задач проектирования.
Для ограничения распространения дыма в смежное помещение могут быть установлены дымозащитные преграды. В зависимости от количества отверстий в преграде может понадобиться применить метод перепада давлений к дымозащитной преграде. Этот метод описан в стандарте NFPA 92A «Рекомендуемые правила для систем дымоудаления» [39]. Перепада давлений можно достичь, удаляя дым из большого помещения так, чтобы в нём образовалось отрицательное давление по отношению к давлению в смежном помещении. Пере пад давлений также может обеспечиваться путём подачи воздуха в смежное помещение.
Метод воздушного потока может использоваться для предотвращения перемещения дыма из большого по мещения в смежные помещения для больших проёмов, когда метод подпора воздуха является непрактичным.
При методе воздушного потока используется скорость в сечении всего проёма. В подразделе «Требования к встречному воздушному потоку» приведен метод расчёта необходимой минимальной скорости. Данный метод
также применим для прилегающих помещений ниже границы дымового слоя с целью ограничения распро странения дыма в эти помещения путём его поперечного распространения от пересекающихся струй. При ис пользовании метода воздушного потока поток должен быть практически перпендикулярен плоскости проёма.
Противодымная защита внутри смежных помещений
Пожар в помещениях, окружающих большое помещение
Среди конфигураций соотношения между большим помещением и окружающими помещениями возможны следующие варианты:
(1) изолированное помещение;
(2) смежное помещение.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 71
Пожар в изолированных помещениях
Когда конструкция, отделяющая большое помещение от окружающих его помещений достаточно прочная, чтобы перепад давлений между зоной пожара и зоной, где нет пожара, можно было контролировать, большое помещение можно рассматривать как одну из зон в зонной системе противодымной защиты.
Пожар в смежных помещениях
Смежные помещения могут быть спроектированы так, чтобы дым мог растекаться в большое помещение. В
этот момент растекающийся в большое помещение дым должен регулироваться системой противодымной за щиты, спроектированной с целью поддержания расчётной высоты границы дымового слоя. Смежные помеще ния могут также быть спроектированы таким образом, чтобы предотвратить перемещение дыма в большое помещение. Такой проект требует достаточного дымоудаления из смежного помещения, чтобы свести дымо вой поток между ним и большим помещением к минимуму.
Дымоудаление через большое помещение. При пожарах в помещениях без спринклерных систем необхо димо провести оценку скорости дымоудаления из большого помещения не только для свободной струи от огня в большом помещении, но и для струи, возникающей в смежном помещении. Система противодымной защиты должна быть способна регулировать одно из этих условий, но не оба одновременно. Методы расчёта объём ного дымообразования для растекающихся и оконных струй описаны в подразделах «Струи, проникающие с
балкона» и «Оконные струи», соответственно. Уравнения в этих подразделах действительны только для по жаров в помещениях без спринклерных систем, поскольку они были выведены эмпирическим путём на основе данных, полученных в ходе испытаний. Когда дым попадает в большое пространство, существует вероятность того, что дым повернёт назад на верхние этажи или столкнется с нависающими потолками верхних этажей, и это необходимо учитывать. Существует вероятность того, что этот дым проникнет на верхние этажи смежных помещений, в связи с чем необходимо провести оценку опасности, которую дым может представлять для этих помещений.
Сдерживание дыма внутри смежных помещений. Смежные помещения также могут быть спроектированы
таким образом, чтобы предотвращать перемещение дыма в большое помещение. Такой проект требует доста точного дымоудаления из смежного помещения, чтобы свести дымовой поток между ним и большим помеще нием к минимуму. Скорость через проём, при которой это достигается, описана в подразделе «Защита от рас пространения дыма в смежные помещения», а в разделе «Методы расчёта» представлены методы расчёта дымообразования в смежном пространстве. Количество удаленного дыма, требующееся в данной ситуации, может во многом превзойти мощность обычных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и потребовать установки специализированной системы противодымной защиты в смежном помещении.
Оценку размещения вытяжных вентиляционных отверстий следует проводить с большим вниманием. Впу скные и выпускные отверстия вытяжной системы должны располагаться таким образом, чтобы перемещение дыма не затрудняло доступ к выходам. Выпускные отверстия для удаления дыма наружу должны размещаться
дальше от впускных отверстий наружного воздуха для сведения к минимуму вероятности рециркуляции воз духа. Кроме того, между большим помещением и смежными помещениями могут быть установлены противо дымные преграды. Если конструкция, отделяющая большое помещение от окружающих помещений, достаточ но прочная, чтобы перепад давлений между зоной пожара и зонами, где нет пожара, можно было контроли ровать, большое помещение можно рассматривать как одну из зон в зонной системе противодымной защиты.
Зонные системы дымоудаления описаны в стандарте NFPA 92A «Рекомендуемые правила для систем дымоуда ления» [39].
Учет опасных факторов пожара при проектировании систем противодымной защиты
Проектные решения для систем противодымной защиты, описанные в подразделах «Дымоудаление через большое помещение» и «Сдерживание дыма внутри смежных помещений», основаны на задаче поддержания
слоёв дыма на достаточных высотах на протяжении периода времени, достаточного для того, чтобы предот вратить воздействие дыма на людей, находящихся в помещении. В некоторых случаях системы дымоудаления
могут быть спроектированы таким образом, что контакт людей с дымом допускается, при условии, что обес печиваются основные безопасные условия. Опасные факторы пожара, которые могут учитываться при расчё те, включают в себя следующие:
(1) дальность видимости;
(2) токсичность дыма;
(3) температура дыма.
Определение степени токсичности дыма обычно включает в себя расчёт воздействия угарного газа (CO).
Также может учитываться воздействие других токсичных газов в зависимости от вида топлива. Пороговые значения опасности, как в отношении токсичности дыма, так и в отношении температуры дыма, обычно опре деляется с учётом времени, в течение которого люди находятся под его воздействием.
Вычисления, имеющие отношение к определению дальности видимости, описаны в подразделе «Расчёт концентрации газов и снижения видимости при пожаре» раздела «Справочная информация».
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 72
Эксплуатация систем противодымной защиты
Системы противодымной защиты больших помещений предназначены для удержания дымового слоя в верхней части большого помещения или ограничения количества дыма, распространяющегося в зоны за пре делами большого помещения. Для достижения этих целей необходимы следующие условия:
(1) раннее обнаружение пожара (до того как уровень дыма или скорость его опускания превысит за дачи проектирования). Если целью системы противодымной защиты является помощь в обеспече нии условий для безопасной эвакуации, необходимо учесть время реакции людей на пожар и вре мя эвакуации;
(2) работу системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, обслуживающей большое помещение и смежные помещения, необходимо остановить, если она будет отрицательно влиять на систему противодымной защиты;
(3) дым должен удаляться из большого помещения над заданной границей дымового слоя;
(4) должно быть обеспечено достаточное количество свежего воздуха для компенсации удаляемого воздуха. Необходимо, чтобы приточное отверстие для подачи очищенного воздуха и вытяжное от верстие были отделены друг от друга так, чтобы удаляемый загрязнённый воздух не попадал в здание.
Автоматическая активация
При выборе типа детектора для использования с целью активации системы противодымной защиты необ ходимо учитывать конфигурацию большого помещения. Необходимо оценить размер, форму и высоту поме щения. Эти факторы в значительной степени отличаются друг от друга в зависимости от проектов атриумов и должны внимательно учитываться при выборе детекторов для большого помещения. Кроме того, необходимо провести оценку ограждающих конструкций большого помещения на предмет их влияния на температурную стратификацию. Высота большого помещения и его архитектурные особенности, такие как верхний свет, яв ляются основными факторами при определении стратификации.
Факторы окружающей среды, такие как конвекционные потоки и механическое перемещение воздуха, также необходимо учитывать при выборе типа и места расположения детектора. Рекомендации по выбору детекторов приведены в стандарте NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сигнализации» [3]. Автома тическая активация системы противодымной защиты может быть осуществлена следующими способами:
(1) детекторы дыма точечного типа;
(2) детекторы дыма лучевого типа;
(3) поток воды из автоматической спринклерной системы;
(4) другие подходящие детекторы;
(5) сочетание вышеприведённых способов.
Как правило, все устройства автоматического обнаружения пожара внутри большого помещения и смеж ных помещений должны активировать систему противодымной защиты. Исключение могут составлять детек торы для особых целей, например, повторный вызов лифта и механизм открывания двери, и для особых рис ков, например, специальные системы пожаротушения. Чтобы избежать ненужной работы системы при актива ции детектором дыма, следует рассмотреть возможность активации системы двумя или более детекторами дыма или проверки сигнала тревоги.
Устройства автоматического обнаружения не должны быть напрямую подсоединены к системе противо дымной защиты без дальнейшего учета вопросов целостности системы обнаружения пожара. Целостность системы обнаружения пожара рассматривается в стандарте NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сиг нализации» [3].
Детекторы дыма точечного типа могут использоваться на низких потолках или рядом с низкими потолками больших помещений при условии, что детекторы доступны для технического обслуживания и размещены с учётом влияния стратификации и воздушных потоков, вызванных естественными и механическими силами.
Детекторы дыма лучевого типа могут использоваться на высоких потолках или рядом с ними в больших помещениях и располагаться таким образом, чтобы выпускать луч горизонтально или в других приемлемых направлениях. Стратификация и естественные или механические воздушные потоки могут привести к необхо димости использования дополнительных лучей на промежуточных уровнях больших помещений, где из-за высоты потолков может происходить отставание в активации системы противодымной защиты.
Поток воды из автоматической спринклерной системы также следует использовать для активации системы противодымной защиты. Чтобы получить правильный отклик системы противодымной защиты, важно, чтобы спринклерная система была в одной и той же зоне, что и система обнаружения дыма в большом помещении.
Чтобы установить время отклика системы противодымной защиты при её активации с помощью спринклеров, следует рассчитать высоту большого помещения и месторасположение спринклеров. Время активации с по мощью спринклеров может быть слишком долгим, если спринклеры расположены в нескольких этажах над полом помещения, и в этом случае эффективной активации системы противодымной защиты не произойдет.
Для расчёта каждой ситуации следует использовать уравнения из раздела «Методы расчёта». Тем не менее, поток воды от спринклеров должен быть одним из средств активации системы противодымной защиты, даже если он и применяется в качестве резервного способа. Активация с помощью спринклеров может служить эффективным основным средством активации в тех случаях, когда спринклеры расположены на более низких потолках.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 73
Ручное управление
Средство ручного включения и отключения системы противодымной защиты должно быть установлено в месте, доступном для сотрудников пожарного подразделения.
Надёжность систем противодымной защиты
Анализ неисправностей
Каждая система противодымной защиты должна подвергаться анализу неисправностей с целью определе ния влияния неисправности, неправильной работы или частичной работы каждого из основных компонентов системы в процессе её запланированной работы. Особое внимание следует обратить на те системы, которые предназначены поддерживать давление или баланс потоков между прилегающими помещениями с целью кон троля над перемещением дыма. Если обнаружено, что неисправная работа компонента приводит к обратному движению дымового потока или опусканию границы дымового слоя на уровень опасный для жизни людей, необходимо определить вероятность возникновения этого события и степень, до которой работа этого компо нента может быть сокращена.
Надёжность
Надёжность системы противодымной защиты зависит от надежности отдельных компонентов, функцио нальной зависимости компонентов друг от друга и степени избыточности. Надежность отдельных компонентов
(например, аппаратное обеспечение, программное обеспечение и интерфейсы других систем) включает в себя их функционирование при нормальных условиях эксплуатации под влиянием факторов окружающей среды на протяжении срока службы системы и их способность противостоять нагрузкам при пожаре. Как правило, такая
проверка компонентов проводится в форме оценки этих компонентов независимой исследовательской лабора торией. Однако, списка или классификации компонентов недостаточно для обеспечения их надёжности. Кро ме того, влияние функциональной зависимости компонентов друг от друга невозможно легко установить по средством оценивания отдельных компонентов. Для этого необходим анализ надежности систем целиком.
Также необходимы частое техобслуживание и проверки для оценки надёжности системы на протяжении её срока службы. Контроль над компонентами системы увеличивает надёжность системы посредством своевре менного визуального или слухового указания на неисправность компонента и облегчает незамедлительный ремонт.
Периодические испытания
Периодические испытания необходимы для того, чтобы удостовериться, что система функционирует и бу дет надёжно работать в случае необходимости. Необходимо обеспечить средства для проведения периодиче ских испытаний системы противодымной защиты с целью проверки её функционирования. Системы должны
быть спроектированы таким образом, чтобы была возможность проводить испытания без использования спе циального оборудования, за исключением того, что входит в комплект системы. Поскольку проводить измере ния при проверке рабочих характеристик системы зачастую сложно из-за трудности доступа, желательно, чтобы по возможности контрольно-измерительные приборы были полностью или частично встроены в систе му, либо часть их была снабжена портативными мониторами.
МЕТОДЫ РАСЧЁТА
Основные принципы
Подходы к проектированию (методология)
Три разных подхода к проектированию систем противодымной защиты описывают следующим образом:
(1) Масштабное моделирование с использованием физической модели меньшего масштаба с соблю дением установленных законов масштабирования, в соответствии с чем проводятся мелкомас штабные испытания с целью определения требований и возможностей моделируемой системы противодымной защиты.
(2) Алгебраические уравнения для анализа ряда решений, полученные преимущественно на основе корреляции результатов крупно- и мелкомасштабных испытаний.
(3) Модели пожаров в помещении, в которых используются как теоретические значения, так и значе ния, полученные эмпирическим путем, для оценки условий в помещении.
Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и ограничения. Ни один из них не является исчерпы вающим. Несмотря на то, что результаты, полученные с использованием разных подходов, обычно должны быть схожими, они не всегда идентичны. Современный уровень разработок при всей своей прогрессивности имеет под собой эмпирическую основу, а итоговая теория, доказуемая средствами фундаментальной физики ещё не разработана. По своей сути каждый метод вычислений основан на вовлечении воздуха (или других окружающих газов) в восходящую струю от огня. Разница приблизительно в 20% в вовлечении наблюдается
между широко применяемыми эмпирическими уравнениями вовлечения, такими, какие представлены в дан ной главе, или в зонных моделях пожара. У пользователей может возникнуть желание добавить соответст вующий коэффициент безопасности к вытяжной мощности для учета этой неопределённости. Далее приведе но краткое описание преимуществ выше перечисленных подходов.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 74
Масштабное моделирование
Масштабное моделирование предпочтительно в случаях, когда оцениваемое помещение имеет выступаю щие части или другое необычное устройство, мешающие формированию свободно восходящей струи. При масштабном моделировании модель обычно пропорциональна в размерах реальному зданию. Мощность по жара и интерпретация результатов подвержены законам масштабирования, как описано в разделе «Законы масштабирования». Несмотря на его разумность, данный подход является дорогостоящим и трудоёмким, и результаты его действительны только для проведённых испытаний. Поскольку данный подход обычно приме няется для сложных конструкций, важно, чтобы серия испытаний охватывала все потенциальные изменения факторов, таких как положение и мощность пожара, размещение и мощность вытяжных и приточных потоков,
изменения температуры внутри помещения (стратификация или температурные градиенты от пола до потол ка) и другие переменные. Есть вероятность того, что с помощью масштабных моделей не удастся оценить об наружение пожара.
Алгебраические уравнения
Алгебраические уравнения, содержащиеся в данном руководстве, представляют собой средство расчёта
отдельных факторов на настольном компьютере, которые в совокупности могут использоваться с целью уста новки требований к проектированию системы противодымной защиты. Представленные уравнения считаются наиболее точными, простыми алгебраическими выражениями доступными для предложенных целей. В целом, они ограничены случаями, включающими в себя пожары с постоянной скоростью выделения тепла ("стацио нарные пожары", как описано в подразделе с одноимённым названием) или пожары, при которых скорость
выделения тепла возрастает как функция квадрата времени ("нестационарные пожары", как описано в под разделе с одноимённым названием). Уравнения не подходят для других условий пожара или для условия, ко гда огонь изначально разрастается как функция времени, а затем, достигнув максимума, горит в стационар ном режиме. В большинстве случаев это ограничение можно устранить разумным использованием уравнений.
Каждое из уравнений получено на основе экспериментальных данных. В некоторых случаях данные испыта ний ограничены либо собраны в пределах ограниченного числа мощностей пожаров, размеров помещения или точек измерения. В руководство, где это возможно, включены комментарии по диапазону данных, исполь зованных при выведении представленных уравнений. Важно учитывать эти ограничения.
Следует соблюдать осторожность при применении уравнений для решения переменных, помимо тех, что представлены слева от знака равенства, за исключением случаев, когда очевидно, насколько результат чув ствителен к незначительным изменениям в любой из участвующих переменных. Если данные ограничения представляют собой предел, препятствующий потребностям пользователя, следует рассмотреть возможность совместить использование уравнений в совокупности с масштабной моделью или моделями пожаров в поме щении. При использовании уравнений необходимо принимать во внимание чувствительность изменений в решаемых переменных.
Модели пожаров в помещении
Возможности современных компьютеров позволяют выполнять некоторые модели из серии моделей пожа ров в помещении. Все модели пожаров в помещении решают уравнения сохранения для отдельных областей
(контрольных объемов). К моделям пожаров в помещении, как правило, относятся зонные модели или модели вычислительной гидродинамики.
Зонные модели. Зонные модели представляют собой более простые модели, и с ними можно работать на персональных компьютерах. Зонные модели делят помещение на две зоны: верхнюю зону, содержащую дым и
горячие газы, выделяющиеся от огня, и нижнюю зону, являющуюся источником вовлекаемого воздуха. Разме ры этих двух зон меняются в течение пожара в зависимости от скорости потока из нижней в верхнюю зону, скорости дымоудаления в верхней зоне и температуры дыма и газов в ней. Из-за малого количества зон в зонных моделях используются проектные формулы по переносу тепла и массы для оценки переноса массы и энергии из нижней зоны в верхнюю, потери тепла и массы из верхней зоны и других свойств. Как правило, уравнения допускают, что условия однородны в каждой соответствующей зоне.
В зонных моделях источником потока, направленного в верхнюю зону, является струя от огня. Все зонные модели имеют уравнение струи. Некоторые модели позволяют пользователю выбирать одно из нескольких уравнений струи. В основе самых современных моделей лежит понятие осесимметричной струи.
Поскольку разработанные в настоящее время зонные модели допускают, что в помещении нет уже суще ствующих изменений в температуре, они не могут напрямую учитывать стратификацию. Кроме того, зонные
модели допускают, что припотолочный дымовой слой формируется мгновенно и равномерно от стены до сте ны. Это не позволяет учесть начальное поперечное распространение дыма под потолком. Итоговая погреш ность может оказаться существенной в помещениях с большой площадью потолков.
Тем не менее, зонные модели, могут рассчитывать многие важные факторы в процессе событий (напри мер, уровень, температуру, состав и скорость опускания дыма) при любом пожаре, заданном пользователем.
Большинство зонных моделей рассчитывают степень потери тепла на границах помещения. Одни модели рас считывают воздействие механического дымоудаления, а другие прогнозируют отклик систем обнаружения пожара, реагирующих на дым или повышение температуры.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 75
Модели вычислительной гидродинамики. Модели вычислительной гидродинамики, также называемые по левыми моделями, обычно требуют наличия компьютеризованных рабочих мест большой мощности или уни версальных ЭВМ и отличных навыков работы с ними и интерпретации данных. Тем не менее, модели вычисли тельной гидродинамики могут по своему потенциалу преодолеть ограничения зонных моделей и дополнить или заменить масштабные модели.
Как и зонные модели, модели вычислительной гидродинамики решают основные уравнения сохранения. В моделях вычислительной гидродинамики помещение поделено на множество ячеек (или зон), и для расчета перемещения тепла и массы между зонами используются уравнения сохранения. Из-за большого количества зон в моделях вычислительной гидродинамики стараются не использовать более общие инженерные уравне ния, применяемые в зонных моделях. Благодаря использованию маленьких ячеек модели вычислительной гидродинамики могут исследовать ситуацию более подробно и учитывать влияние неправильных форм и не обычного перемещения воздуха, которые не могут быть учтены ни зонными моделями, ни алгебраическими уравнениями. Уровень детализации превышает уровень, который обычно наблюдается при использовании масштабных моделей или может быть выведен из них.
Примечание.
Широко распространённые упрощения зонных моделей приведены в таблице А3.1.1.3(a).
Верификация результатов пожарных моделей важна, поскольку иногда проще получить результаты, чем определить их точность. Результаты компьютерных пожарных моделей прошли проверку на достоверность в сравнении с ограниченным диапазоном экспериментальных условий; ознакомление с этими результатами
должно повысить уровень доверия пользователя. Тем не менее, поскольку сама природа применения пожар ных моделей состоит в том, чтобы быть инструментом для исследования неизвестных условий, будут возни кать условия, для которых необходимо проводить верификацию любой из моделей. Именно в таких случаях пользователю потребуется помощь в определении точности модели.
Чтобы достичь точного пожарного моделирования условий, проверка которых не была проведена, сущест вуют три сферы, требующие понимания. Первая сфера подразумевает понимание того, какие объекты моде лируются. Вторая сфера подразумевает соответствующий перевод объектов реального мира во входные па раметры пожарной модели. Третья сфера включает в себя понимание процесса преобразования моделью входных данных в выходные.
Специалист по моделированию должен безошибочно охарактеризовать следующие объекты: топливо, по мещение и условия окружающей среды, как указано в таблице А3.1.1.3(b). Скорость выделения тепла от топ лива является важной характеристикой, которую необходимо описать. Существует много других характери стик топлива, которые также влияют на рост пожара, такие как образование продуктов горения, доля лучи стой теплопотери, соотношение массы топлива к массе воздуха при горении и теплота сгорания. Тем не ме нее, желаемая точность ответа определяет, какие из этих характеристик следует включить, а какие можно не учитывать. Описания вентиляционных отверстий в помещении также должны быть надлежащим образом оце нены. Часто зоны утечки могут являться причиной значительных непредвиденных потоков газа, особенно в условиях предельных погодных условий с учётом температуры или ветра.
Перевод фактических характеристик в формат входных данных модели является второй основной сферой моделирования. Некоторые объекты не учитываются, поскольку их влияние незначительно. Другие объекты должны быть представлены в несколько изменённой форме. Примером первого случая может быть исключе ние воздуховода механической вентиляции, когда большая дверь в помещение остаётся открытой. Примером
второго случая является огонь, горящий на поверхности стены на расстоянии 1,5 м по вертикали. Принимает ся, что огонь расположен на уровне пола – самом нижнем уровне, где может происходить вовлечение воздуха в струю.
Последняя сфера является, пожалуй, наиболее сложной для начинающего специалиста; она касается по нимания того, как в модели происходит преобразование входных данных в выходные. Для начинающего спе циалиста нецелесообразно пытаться постичь все подробности процесса преобразования, однако, он может предугадать многие результаты, имея базовое представление о динамике пожара и практические знания трёх законов сохранения. Законы сохранения могут быть выражены с помощью дифференциальных уравнений для воспроизведения плавных непрерывных изменений свойств, происходящих при реальных пожарах. Чем боль ше отклонение от дифференциального представления законов сохранения, тем больше неопределённость в
точности модели за пределами диапазона верификации. Потенциальная неточность модели связана с относи тельным влиянием конкретного члена уравнения. Члены уравнения, оказывающие наибольшее влияние, со держат переменные, которые возрастают с показателем экспоненты >1.
Для верификации точности модели могут использоваться алгебраические соотношения, другие пожарные
модели, масштабные модели и здравый смысл. Верификация с помощью алгебраических уравнений применя ется только при наличии экспериментальных условий, на основе которых они были выведены. Выход за пре делы этих экспериментальных условий может быть основан на тенденциях в экспериментальных граничных точках. Использование одной модели для верификации другой модели обеспечивает её воспроизводимость, но не обязательно точность, за исключением случаев, когда верификация второй модели проведена отдельно.
Экспериментальные масштабные модели всегда могут использоваться для верификации результатов ком пьютерных моделей. Уменьшенные модели наиболее экономичны; на основе подобных измерений легко опре делить тенденции, но более точные данные получить сложно.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 76
Таблица А 3.1.1.3(a) Упрощения в зонных моделях
Топливо
• Скорость выделения тепла не увеличивается при обратном потоке тепла из дымового слоя.
• Нет чёткого представления о скорости выделения тепла на стадии пожара после вспышки, и лишь в нескольких моделях реализуется попытка её моделирования.
• Моделируется образование CO, но его механизм не до конца понятен на стадии вспышки.
• Некоторые модели не учитывают горение избыточного пиролизата на выходе из вентиляционного отверстия.
Струи
• Вовлечение массы в струю составляет ±20%, и в помещениях с высокими потолками его достовер ность не достаточно подтверждена.
• Нет временнόго отставания при перемещении дыма от огня до конкретного уровня в основной струе или припотолочной струе.
• Модели растекающихся струй недоработаны.
• Не все модели струй учитывают геометрию зоны топлива.
• Вовлечение воздуха в лестничных шахтах не моделируется.
• Вовлечение воздуха из горизонтальных вентиляционных отверстий моделируется не во всех моде лях.
Слои
• Слои застойного горячего дыма под потолком не моделируются.
• Температура однородна.
Теплопередача
• Некоторые модели не делают различия между термически тонкими и термически толстыми стенами.
• Нет теплопередачи через преграды из помещения в помещение.
• Влияние моментов сил не учитывается.
Вентиляция
• Смешивание воздуха у вентиляционных отверстий определяется на основе корреляций.
Таблица А 3.1.1.3(b) Упрощения в полевых моделях
Описание горящего топлива
• Изменение скорости выделения тепла в зависимости от времени
• Высота огня
• Лучистая доля
• Скорость образования продуктов горения
• Площадь пожара (твёрдая поверхность, пролив, горелка)
Описание помещения
• Высота потолка;
• Размер, расположение и динамическое состояние (открыто или закрыто) вентиляционного отвер стия (включая зону утечки)
• Теплофизические свойства материалов стен, потолка и пола
• Расположение, мощность и состояние механической вентиляции
• Наличие балок или ферм
• Временнόе отставание при перемещении дыма в основной струе или припотолочной струе
• Разрушение конструкции
• Начальная температура
Описание условий окружающей среды
• Высота
• Давление окружающей среды
• Температура окружающей среды
• Скорость и направление ветра
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 77
• Относительная влажность
• Температура снаружи помещения
Законы масштабирования
Важность процессов масштабирования в данном руководстве приписывается моделированию перемещения горячих газов сквозь конфигурации здания при пожаре. Горение и излучение от пламени не учитываются.
Рост пожара не моделируется. Необходимо, чтобы пожар был задан на основе постоянной или меняющейся со временем скоростью выделения тепла.
Моделирование дымового потока для зданий основано на поддержании равновесия между плавучестью дыма и конвективными «силами» без учета влияния вязкости и теплопроводности. Однако, игнорирование этих членов вблизи границ твёрдых тел не даст достоверных результатов. Определённой компенсации можно достичь в масштабной модели при выборе других материалов конструкции.
Масштабная модель может быть разработана, основываясь на соотношениях в таблице 3.1.2.2. Модель должна быть достаточно большой, чтобы можно было добиться турбулентного потока полномасштабной сис темы. Уравнения масштабирования, соотносящие полномасштабные условия (F) с условиями в масштабной модели (m) представлены в таблице 3.1.2.2, при допущении, что существуют одинаковые условия окружаю щей среды.
Таблица 3.1.2.2 Уравнения масштабирования
Геометрическое положение xm = xF (lm/lF)
Температура Tm = TF
Перепад давлений ∆pm = ∆pF (lm/lF)
Скорость vm = vF (lm/lF)1/2
Суммарная скорость выделения тепла Qm = QF (lm/lF)5/2
Конвективная теплоотдача Qc, m = Qc, F (lm/lF)5/2
Объёмный расход воздуха при дымоудалении Vfan, m = Vfan, F (lm/lF)5/2
Тепловые свойства помещения (kρc)w, m = (kρc)w,F(lm/lF)0.9 где c – удельная теплоёмкость материалов помещения (стена, потолок);
k – удельная теплопроводность материалов помещения (стена, потолок);
l – длина;
∆p – перепад давлений;
Q – скорость выделения тепла;
t – время;
T– температура (окружающей среды и дыма);
v – скорость;
V – объёмная скорость дымоудаления;
x – положение;
ρ – плотность;
c – конвективный;
F – полномасштабная модель;
m– мелкомасштабная модель (макет);
w – стена.
Дополнительную информацию смотрите в подразделе «Соотношения масштабирования» раздела «Спра вочная информация».
В остальной части раздела «Методы расчёта» описаны методы вычисления разных расчётных параметров, основанные на алгебраических уравнениях.
Образование двухслойной среды
Задержка в активации вытяжных вентиляторов может привести к опусканию дыма ниже расчётной высоты
границы дымового слоя. Кроме того, начинающееся накопление дыма на нижних уровнях может быть усугуб лено начинающейся температурной стратификацией по вертикали, приводящей к задержке перемещения ды ма в верхние уровни большого помещения. Однако, при активированных системах дымоудаления и кондицио нирования воздуха можно ожидать образование чистого нижнего слоя в соответствии с проектными допуще ниями.
Расчётный пожар
Все проектные вычисления, представленные в данном руководстве, зависят от скорости выделения тепла при пожаре. Таким образом, в качестве первого шага необходимо определить мощность расчётного пожара.
Мощность расчётного пожара определяется на основе технического анализа характеристик топлива либо на основе эффектов, вызванных пожаром, либо и того, и другого. Кроме того, пожары могут рассматриваться как стационарные либо нестационарные.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 78
Для торговых помещений часто приводится значение мощности расчётного пожара равное 5275 кВт. Оно
преимущественно основано на статистическом распределении мощностей пожара в магазинах Великобрита нии со спринклерными системами. Менее 5% пожаров в этой категории имели мощность 5275 кВт. Геометри чески пожар мощностью 5275 кВт в магазине описан как квадрат со стороной 3 м при приблизительном зна чении скорости выделения тепла на единицу площади равном 568 кВт/м2.
Стационарные пожары
Стационарный пожар – это пожар с постоянной скоростью выделения тепла. Являясь стационарным, по жар будет быстро разрастаться, пока не достигнет некоторого предела. Дальнейшее его распространение ограничено либо противопожарными действиями (в ручном или автоматическом режиме), либо наличием дос таточно большого расстояния до ближайших горючих материалов.
Влияние спринклеров на мощность пожара
Если нет причины ожидать, что пожар будет распространяться после активации спринклеров, влияние
спринклеров на мощность расчётного пожара можно учесть, допуская, что рост пожара прекратится с их ак тивацией. Иными словами, расчётный пожар – это расчётная мощность пожара в момент активации спринкле ров. Предполагается, что огонь продолжает гореть с этой мощностью вплоть до того, как сгорит всё имею щееся топливо, и при этом распыляемая спринклерами вода не оказывает дальнейшего воздействия на про цесс горения. Как вариант, если пожарные испытания будут регулироваться работой спринклеров, но не будут незамедлительно потушены под их воздействием, можно допустить экспоненциальное уменьшение скорости выделения тепла. Однако, если испытания для преобладающей высоты потолка покажут, что пожар горючего материала будет быстро потушен с помощью встроенной спринклерной системы, можно допустить, что горе ние в основном прекратится во время работы спринклеров.
Примечание.
Полномасштабные пожарные испытания для офисов открытой планировки показали, что когда спринклеры установили контроль над огнём, но не способны потушить его немедленно из-за конфигурации топлива, ско рость выделения тепла уменьшается экспоненциально следующим образом:
Q(t ) = Q
− kt act e где
Q(t) – скорость выделения тепла в момент времени, t, после активации спринклеров, кВт;
Qact – скорость выделения тепла при активации спринклеров, кВт;
t – время с момента активации спринклеров, с;
k – постоянная затухания, с-1.
Значение постоянной затухания для офисных помещений при плотности распределения спринклеров 0,07 мм/с составляет 0,0023 для ситуаций с небольшими пожарными нагрузками на ограниченных площадях и
0,00155 с-1 для ситуаций с большими пожарными нагрузками.
Разделительное расстояние между участками с пожарной нагрузкой
Расчётный пожар следует определять с учётом типа топлива, его расположения и конфигурации помеще ния. Выбор расчётного пожара следует начинать с определения основного набора горючих материалов и его
максимально возможного размера. Расчётный пожар следует увеличить, если в пределах расстояния, R, ука занного на рис.3.2.2.2(a) и определяемого с помощью уравнения (1), имеются иные горючие вещества. Обра тите внимание, что если основной набор горючих материалов не круглой формы, необходимо рассчитать со ответствующий радиус путём приравнивания площади пола, занимаемой набором горючих материалов, к площади круга равноценного радиуса. В расчётах необходимо учитывать всю площадь пола, заставленную предметами или находящуюся между ними. Например, если набор горючих материалов состоит из предметов мебели, изображённых на рис.3.2.2.2(b), площадь набора горючих материалов включает в себя площадь, по крытую мебелью, а также площадь между предметами мебели.
1/ 2
⎛ Q ⎞
R = ⎜⎜ ⎟⎟ (1)
⎝ 12πq′′ ⎠ где
R – разделительное расстояние от горящего объекта до центра набора горючих материалов, м;
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
q" – падающий тепловой поток, необходимый для самопроизвольного возгорания, кВт/м2.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 79
Рис. 3.2.2.2(a) Разделительное расстояние, R
Рис. 3.2.2.2(b) Единицы топлива
Мощность расчётного пожара
Описать фиксированную мощность расчетного пожара, применимую ко всем ситуациям, не представляется реалистичным. При определении мощности расчётного пожара необходимо учитывать тип и количество топ лива.
Нестационарные пожары
Нестационарный пожар – пожар, изменяющийся относительно времени. Для нестационарных пожаров обычно используется зависимость от квадрата времени. В таком случае скорость выделения тепла в любой момент времени может быть вычислена с помощью уравнения (2):
⎛ t ⎞
Q = 1000⎜ ⎟ (2)
⎜t ⎟
⎝ g⎠ где
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
t – время от момента расчётного возгорания, с;
tп – время роста, с.
Время роста пожара – это временной интервал от момента расчётного возгорания до момента, когда мощ ность пожара превысит 1000 кВт. Более подробную информацию по квадратичным пожарам смотрите в под разделе «Квадратичные пожары» раздела «Справочная информация».
Благодаря динамике вторичных возгораний, профиль квадрата времени может использоваться в инженер ных целях до момента, когда пожар распространится на большую территорию. Таким образом, профиль квад рата времени разумно использовать до того момента, когда рост пожара ограничивается либо противопожар ными мероприятиями, либо наличием достаточного расстояния до соседних участков с горючей нагрузкой, что позволяет предотвратить дальнейшее возгорание. После этого момента предполагается, что мощность пожа ра больше не увеличивается.
Предупреждение о минимальной мощности расчётного пожара
За мощность расчётного пожара выбирается самый неблагоприятный сценарий из возможных. Предостере гаем проектировщиков и инженеров-исследователей от выбора средних мощностей пожара, основанного ис-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 80 ключительно на типе или ограниченном количестве горючих материалов, имеющихся в наличии или предпо лагаемых.
В помещениях с низкими потолками [высота потолка ниже 7,6 м] при наличии спринклерных систем рас чётный пожар состоит либо из стационарного расчётного пожара, либо из пожара, растущего до некоторого устойчивого порога мощности, например, благодаря работе автоматической системы пожаротушения.
В помещениях с высокими потолками [высота потолка больше либо равна 7,6 м], где спринклерные систе мы либо отсутствуют, либо ожидается, что их работа начнётся с существенной задержкой, расчётный пожар может состоять либо из стационарного расчётного пожара, либо из пожара, который растёт до некоторого
устойчивого порога мощности. Скорость выделения тепла для стационарной стадии расчётного пожара долж на быть, по меньшей мере, 2110 кВт. Расчётные пожары с меньшей скоростью выделения тепла основываются на строгом контроле топлива и поддержании минимальных расстояний между участками и не учитывают те кущие либо сезонные «временные» варианты применения помещения или его видоизменения.
Обнаружение пожара и активация спринклеров
Реакция пожарных детекторов и спринклеров, закреплённых под потолком, может быть оценена на основе повышения температуры, вызванного огнём в этих местах. Повышение температуры зависит от расстояния по вертикали от основания огня и радиуса от центральной оси огня. В стандарте NFPA 72 «Национальные нормы
по пожарной сигнализации» [3] содержится методика определения расстояния между детекторами повыше ния температуры [для высоты менее 9 м], основанная на мощности и скорости роста пожара, который необ ходимо обнаружить, разных высотах потолка и температуре окружающей среды. Для потолков высотой более
9 м необходимо провести технический анализ.
Стратификация дыма
Потенциальная возможность стратификации связана с разницей между температурой дыма и температу рой окружающего воздуха на любом из уровней. Максимальная высота, на которую поднимается дымовая струя, особенно сразу после возгорания, зависит от конвективной скорости выделения тепла и колебания температуры окружающей среды в свободном пространстве.
Особый интерес представляют ситуации, в которых температура воздуха в верхней части большого сво бодного пространства выше температуры на нижних уровнях до пожара. Это может происходить в результате солнечной нагрузки, если потолок содержит остекление. Для оценки промежуточной стратификации сущест вуют вычислительные методы.
Один из примеров представлен на рис.3.4.1. В данном случае температура окружающего воздуха относи тельно постоянная вплоть до уровня, над которым есть слой тёплого воздуха однородной температуры. Такая ситуация может происходить, если верхняя часть молла, атриума или другого большого пространства не заня та, т.е. воздух в этой части остаётся некондиционированным.
Рис. 3.4.1 Профиль температуры до пожара.
Ступенчатое изменение температуры
Если воздух внутри помещения имеет прерывистое изменение температуры на некоторой высоте над
уровнем пола, потенциальную возможность стратификации можно оценить, используя соотношение темпера туры струи по осевой линии. Если температура струи по осевой линии равна температуре окружающей среды, струя более не является плавучей, теряет способность подниматься кверху и расслаивается на этой высоте.
Учёт стратификации дыма при проектировании систем противодымной защиты
После того, как система дымоудаления заработала в атриуме или другом большом помещении, стратифи кация будет устранена посредством удаления горячего дымового слоя. Задача, стоящая перед проектировщи ком, состоит в том, чтобы обеспечить быстрое обнаружение дыма, используя все возможные профили темпе ратуры до пожара. При некоторых условиях, например, в ночное время и в холодные дни, есть вероятность, что стратификации не произойдёт, и любая дымовая струя будет быстро подниматься к крыше или потолку
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 81 помещения, и в этом случае детекторы дыма в верхней части или на самом верху помещения сработают. В других случаях, например, в жаркие летние дни или в дни с высокой солнечной нагрузкой, струя может не достигать верха помещения, и дым может распространяться на более низком уровне, чем предполагалось. В таком случае детекторы наверху помещения не сработают, и система противодымной защиты не включится.
Нельзя с уверенностью сказать, какие условия могут быть в помещении на начало пожара. Независимо от условий на момент начала пожара, любая из приведённых ниже схем может обеспечить быстрое обнаружение дыма:
(a) Луч, направленный вверх, для обнаружения дымового слоя. Цель данного подхода заключается в быстром обнаружении образования дымового слоя при любых температурных условиях. Один или более лучей направлены вверх под углом и пересекают дымовой слой, независимо от уровня стратификации дыма. При использовании данного подхода в целях дублирования рекомендуется использовать более одного лучевого детектора дыма.
(b) Горизонтальные лучи для обнаружения дымового слоя на разных уровнях. Цель данного подхода за ключается в том, чтобы быстро обнаружить образование дымового слоя при любых температурных условиях. Один или более лучевых детекторов находятся на потолке. Дополнительные детекторы расположены на других уровнях помещения. В задачу каждого конкретного проекта входит точное
расположение лучей, и оно должно учитывать, что лучи должны находиться в основании любых вы явленных некондиционируемых пространств (зон застойного воздуха) и на уровне или вблизи от рас чётного уровня дыма с несколькими промежуточными положениями лучей на других уровнях.
(c) Горизонтальные лучи для обнаружения дымовой струи. Целью данного подхода является обнару жение восходящей струи, а не дымового слоя. Для данного подхода на уровне под самым низким прогнозируемым уровнем стратификации устанавливается ряд лучей на достаточно близком рас стоянии друг от друга, чтобы обеспечить их пересечение со струёй. Расстояние между лучами рассчитывается на основе самой узкой возможной ширины струи на уровне обнаружения.
Аналогичная информация приведена в главе «Принципы противодымной защиты атриумов» (см.
рис.14.14).
Свойства дымового слоя
Уравнения для расчёта глубины дымового слоя, среднего повышения температуры, оптической плотности
и концентрации газов на этапе заполнения дымом и этапе квазистационарного пожара, регулируемого венти ляцией, приведены в таблице 3.5. Эти уравнения применимы к пожарам с постоянной скоростью выделения тепла и к квадратичным пожарам. Эти уравнения могут также использоваться для вычисления условий внутри дымового слоя от начала работы вентиляции.
Высота уровня первых признаков дыма в любой момент времени
Положение уровня первых признаков дыма в любой момент времени определяется на основе соотношений
в подразделе «Высота уровня первых признаков дыма при отсутствии дымоудаления» и подразделе «Положе ние границы дымового слоя при работе дымовытяжных систем». Соотношения касаются следующих трёх си туаций:
(1) Дымоудаление не осуществляется (см. подраздел «Высота уровня первых признаков дыма при от сутствии дымоудаления»).
(2) Массовый расход дымоудаления равен массовому расходу дыма, поступающего из струи в дымо вой слой (см. подраздел «Массовый расход удаляемого дыма равен массовому расходу поступаю щего дыма»).
(3) Массовый расход дымоудаления меньше, чем массовый расход дыма, поступающего из струи в дымовой слой (см. подраздел «Массовый расход удаляемого дыма не равен массовому расходу по ступающего дыма»).
Примечание.
Ограничение размера воздухозаборников вытяжных вентиляторов и их рассредоточение предназначено для предотвращения остывания дыма до того, как его можно будет удалить, удерживая дымовой слой под потолком. Это особенно важно для помещений, длина которых больше высоты, таких как моллы.
Воздухозаборники вентиляторов должны быть рассредоточены, потому что высокая скорость дымоудале ния в любой из точек в дымовых слоях малой толщины может вызвать подсасывание незадымлённого воздуха из-под дымового слоя, создавая ситуацию, напоминающую закупорку стока воды в ванной. Соответственно, задачей рассредоточения воздухозаборников вентиляторов является установление умеренной и однородной скорости дымоудаления по всему дымовому слою.
Таблица 3.5 Уравнения для расчета свойств дымового слоя
Параметры Нерегулируемые вентиляцией пожары Регулируемые вен-
Стационарные пожа- Квадратичные пожары тиляцией пожары
ры
∆T T0{[exp(Qn/Q0)] -1} T0{[exp(Qn/Q0)] -1} [60(1 - χ1)Qc]/(ρ0cpV)
D (DmQt)/[χα∆HcA(H – z)] (Dmαt3)/[3χα∆HcA(H – z)] (60DmQ)/(χα∆HcV)
Yi (fiQt)/[ρ0χα∆HcA(H – z)] (fiα t3)/[3ρ0χα∆HcA(H – z)] (60fiQ)/(ρ0χα∆HcV)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 82 где
A – площадь горизонтального поперечного сечения помещения, м2;
Cp – удельная теплоёмкость, кДж/кг°С;
D = L-1 log(I0/I), оптическая плотность;
Dm DV/mƒ – массовая оптическая плотность (м2/кг), измеряемая в потоке, содержащем весь дым из испы тываемого образца материала;
fi – коэффициент выделения продуктов горения i (кг продуктов горения i/кг топлива);
H – высота потолка, м;
∆HC – теплота полного сгорания, кДж/кг;
Q– скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
Qс – конвективная доля скорости выделения тепла, кВт;
Qn = ∫(1 - χ1)Qdt;
для стационарных пожаров: Qn = (1 - χ1) Qt, Дж;
для квадратичных пожаров: Qn = (1 - χ1)αt 3/3, Дж;
Q0 = ρ0cpT0A(H – z), Дж;
t – время с момента возгорания, с;
T0 – абсолютная температура окружающей среды, К;
∆T– повышение температуры дымового слоя, °С;
V – объёмный расход воздуха при вентиляции, м3/мин;
Yi – массовая доля продуктов горения i (кг продуктов горения i/кг дыма);
z – расстояние от верха топлива до границы дымового слоя, м;
α – коэффициент роста квадратичного пожара, Дж/с3;
ρ0 – плотность окружающего воздуха, кг/м3;
χa – коэффициент полноты сгорания с максимальным значением равным 1;
χ1 – коэффициент суммарной теплопотери из дымового слоя на границах атриума, максимальное значение
- 1, максимальное повышение температуры произойдёт, если χ1 = 0.
Высота уровня первых признаков дыма при отсутствии дымоудаления
Стационарные пожары
Для стационарных пожаров высота уровня первых признаков дыма над поверхностью огня, z, может быть определена для любого значения времени, t, с использованием уравнения (3); при этом, если в результате расчётов получилось значение z/H > 1,0, это означает, что дымовой слой ещё не начал опускаться.
z ⎛ tQ1 / 3 / H 4 / 3 ⎞
= 1,11 − 0,28 ln⎜⎜
⎟⎟ (3)
H ⎝ A/ H ⎠ где z – высота уровня первых признаков дыма над поверхностью огня, м;
H – высота потолка над поверхностью огня, м;
t – время, с;
Q – скорость выделения тепла при стационарном пожаре, кВт;
A – площадь поперечного сечения помещения, заполняемого дымом, м2.
Уравнение (3) основано на экспериментальных данных из исследований с использованием однородных
площадей поперечного сечения относительно высоты со значениями A/H2 в диапазоне от 0,9 до 14 и для зна чений z/H3 ≥ 0,2. Данное уравнение используется для применения в случае наиболее неблагоприятного сце нария, огня вдали от всех стен. Уравнение даёт завышенную оценку опасности, поскольку z относится к высо те уровня первых признаков дыма, а не границы дымового слоя.
Нестационарные пожары
Опускание уровня первых признаков дыма также может быть оценено для некоторых типов нестационар ных пожаров, например, квадратичных пожаров. На основе базовой теории и небольших экспериментальных данных высота уровня первых признаков дыма над поверхностью огня, z, может быть оценена на заданный момент времени в соответствии с указанным ниже соотношением; при этом, если в результате расчётов полу чилось значение z/H > 1,0, это означает, что дымовой слой ещё не начал опускаться.
−1, 45 z ⎛ t ⎞
= 0,91⎜ 2 / 5 4 / 5 ⎟ (4)
H ⎜ t H (A/ H ) ⎟ 2 3 / 5
⎝ g ⎠ где z – высота уровня первых признаков дыма над поверхностью огня, м;
H – высота потолка над поверхностью огня, м;
t – время, с;
tg – время роста, с.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 83
Уравнение (4) основано на экспериментальных данных из исследований со значениями A/H2 в диапазоне от 1,0 до 23 и для значений z/H ≥ 0,2. Уравнение (4) также основано на однородных площадях поперечного
сечения с учётом высоты. Данное уравнение используется для применения в случае наиболее неблагоприят ного сценария, огня вдали от стен. Уравнение также даёт завышенную оценку опасности, поскольку z отно сится к высоте уровня первых признаков дыма, а не границы дымового слоя.
Расход массы
Уравнения, представленные в двух предыдущих подразделах, пригодны для оценки положения дымового слоя в любой момент времени после возгорания. Для стационарного пожара суммарный расход массы, необ ходимый для поддержания постоянной скорости выделения тепла за определённый период времени, может быть определён следующим образом:
QΔt m= (5)
Hc где m – суммарный расход массы топлива, кг;
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
∆t – продолжительность пожара, с;
Hc – теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Для квадратичного пожара суммарный расход массы за конкретный период времени может быть опреде лён на основе уравнения:
333Δt 3 m= (6)
H c t g2 где m – суммарный расход массы топлива, кг;
∆t – продолжительность пожара, с;
Hc – теплота сгорания топлива, кДж/кг;
Tg – время роста, с.
Различные геометрические характеристики поперечных сечений и сложные геометрические характеристи ки
Уравнения (3) и (4) основаны на экспериментах, проведенных в однородных площадях поперечного сече ния. На практике признаётся, что оцениваемые пространства не всегда имеют простую однородную геомет рию. На опускание уровня первых признаков дыма в разных поперечных сечениях или сложных геометриче ских пространствах могут оказать такие условия, как наклонные потолки, изменения в площадях поперечного
сечения в помещении и выступающие части на пути восходящей струи. В таких нестандартных случаях следу ет рассмотреть применение иных методов расчёта, которые различаются по степени сложности, но могут быть полезны при работе со сложными и неоднородными геометрическими характеристиками помещений:
(1) Масштабные модели (см. подразделы «Масштабное моделирование» и «Законы масштабирова ния»);
(2) Модели вычислительной гидродинамики (см. одноимённый подраздел);
(3) Видоизменённые зонные модели:
Зонная модель, основанная на заполнении дымом помещения с однородными геометрическими харак теристиками поперечного сечения, подвергается изменениям с учётом изменённых площадей попе речного сечения пространства. Источник вовлечения воздуха может быть изменён с учетом прогнози руемого увеличения или сокращения вовлечения воздуха вследствие геометрических характеристик помещения, таких, как выступающие элементы;
(4) Комплексный анализ:
Расчёт помещений неравномерной формы производится при помощи уравнений (3) и (4) с применени ем максимальных, минимальных и промежуточных значений высоты помещения, вычисляемых по гео метрическим характеристикам помещения в соответствии с эквивалентными геометрическими харак теристиками высоты или объёма.
Более подробную информацию смотрите в подразделе «Расчёт для помещений сложных геометрических форм» раздела «Справочная информация».
Положение границы дымового слоя при работе дымовытяжных систем
Массовый расход удаляемого дыма равен массовому расходу поступающего дыма
После того, как система дымоудаления проработала значительный период времени, граница дымового слоя достигает равновесного положения, массовый расход удаляемого дыма равен массовому расходу дыма,
поступающего из струи в основание дымового слоя. После того, как это положение будет достигнуто, его сле дует поддерживать на протяжении того времени, пока массовые расходы остаются равными. Массовый расход дыма, поступающего в основание дымового слоя при разных конфигурациях струи, описан ниже в подразделе
«Массовая скорость дымообразования».
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 84
Массовый расход удаляемого дыма не равен массовому расходу поступающего дыма
Если массовый расход поступающего дыма больше удаляемого дыма, равновесное положение границы дымового слоя достигнуто не будет. Можно ожидать, что граница дымового слоя будет опускаться, но с
меньшей скоростью, чем при отсутствии дымоудаления (см. подраздел «Высота уровня первых признаков ды ма при отсутствии дымоудаления»). В таблице 3.7.2 представлена информация о положении дымового слоя как функции времени для осесимметричных струй при стационарных пожарах с условием неравных значений массовых расходов. Для других конфигураций струи необходим компьютерный расчёт.
Таблица 3.7.2 Увеличение во времени, необходимом для достижения дымовым слоем выбранного положения t/t0 z/H m/me = 0,25 0,35 0,5 0,7 0,85 0,95
0,2 1,12 1,19 1,3 1,55 1,89 2,49
0,3 1,14 1,21 1,35 1,63 2,05 2,78
0,4 1,16 1,24 1,4 1,72 2,24 3,15
0,5 1,17 1,28 1,45 1,84 2,48 3,57
0,6 1,20 1,32 1,52 2,00 2,78 4,11
0,7 1,23 1,36 1,61 2,20 3,17 4,98
0,8 1,26 1,41 1,71 2,46 3,71 6,25 где z – расчётная высота границы дымового слоя над источником огня;
H – высота потолка над источником огня;
t – время опускания границы дымового слоя до уровня z;
t0 – значение t при отсутствии дымоудаления [см. уравнение (3)];
m – массовый расход дымоудаления (минус массовый расход в дымовой слой из других источников, по мимо струи) me – значение m, необходимое для сохранения границы дымового слоя на уровне z неограниченное ко личество времени [см. уравнение (8)].
Массовая скорость дымообразования
Высота границы дымового слоя может поддерживаться на постоянном уровне посредством удаления тако го же массового расхода из дымового слоя, какой поступает в него из струи. Массовый расход, поступающий
со струёй, зависит от конфигурации дымовой струи. В данном руководстве рассматриваются три конфигура ции струи. Воздухозаборники вытяжных вентиляторов должны быть подобраны по размеру и распределены по
помещению таким образом, чтобы свести к минимуму вероятность того, что воздух из-под дымового слоя бу дет засасываться сквозь дымовой слой, образуя явление, называемое «эффектом прокалывания». Для этого скорость в вытяжном воздухозаборнике не должна превышать то значение, после которого начинается подса сывание незадымлённого воздуха в дымовой слой.
Осесимметричные струи
Предполагается, что осесимметричная струя (см. рис.3.8.1) происходит от огня, возникающего на полу ат риума вдали от всех стен. В этом случае происходит вовлечение воздуха со всех сторон и по всей высоте струи до уровня, на котором струя растворяется в дымовом слое.
Рис. 3.8.1 Осесимметричная струя
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 85
Массовую скорость дымообразования можно определить, основываясь на скорости вовлечённого воздуха, поскольку количество продуктов горения, возникающих при пожаре, как правило, намного меньше скорости воздуха, вовлекаемого в струю.
Существует несколько уравнений для осесимметричных струй. Представленные далее уравнения приведе ны на основе стандарта NFPA 204 «Руководство по противодымной и тепловой вентиляции» [40]. Воздействия гипотетического источника не учитывается, поскольку они обычно малы при подобном применении, и до сих пор их можно было достаточно точно спрогнозировать только для пожаров пролива. Определить предельный уровень, соответствующий приблизительно высоте светового пламени, можно с помощью уравнения:
zl = 0,166Qc2 / 5 (7) где zl – предельная высота пламени, м;
Qc– конвективная теплоотдача при пожаре, кВт.
Массовый расход струи, m, над предельным уровнем рассчитывается на основе следующего уравнения:
m = 0,071Qc1 / 3 z 5 / 3 + 0,0018Qc (z > zl ) (8) где m – массовый расход в струе на высоте z, кг/с;
z – высота над топливом, м.
Массовый расход струи под языками пламени определяется на основе уравнения:
m = 0,032Qc3 / 5 z (z ≤ zl ) (9)
Массовый расход, поступающий со струёй в дымовой слой, подсчитывается на основе уравнения (9), если чистая высота меньше высоты пламени [см. уравнение (7)], в остальных случаях - на основе уравнения (8).
Чистая высота принимается за расчётную высоту границы дымового слоя над источником огня.
Следует отметить, что уравнения (8) и (9) напрямую не учитывают типы горящих материалов при пожаре,
а лишь опосредованно – через скорость выделения тепла. Это связано с тем, что массовый расход вовлекае мого воздуха значительно больше массового расхода образуемых продуктов горения и с тем, что количество вовлекаемого воздуха является лишь функцией мощности, т.е. скорости выделения тепла при пожаре.
Огонь может находиться у края или в углу свободного пространства. В таком случае вовлечение воздуха в струю может происходить не со всех сторон струи, что приведёт к меньшему дымообразованию, чем в случае, когда вовлечение воздуха происходит со всех сторон. Таким образом, завышенные расчёты должны основы ваться на допущении, что вовлечение воздуха в струю происходит со всех сторон.
Примечание.
Испытания стационарных пожаров методом физического моделирования показали, что уравнение (8) даёт довольно точную оценку массового расхода дымовой струи для системы противодымной защиты атриумов,
работающей при равновесных условиях. Результаты также показали, что дымовой слой был сильно смешан ным. Средняя температура в дымовом слое может быть приблизительно выражена при помощи адиабатиче ского расчёта температуры струи на высоте границы дымового слоя [см. уравнение (13.25) в главе «Принци пы противодымной защиты атриумов»].
При равновесных условиях высота z в уравнении (8) обозначает положение границы дымового слоя над уровнем горения (рис. A.1.4.6). Ниже границы дымового слоя находится переходная зона. Для эффективной работы системы противодымной защиты глубина переходной зоны должна составлять приблизительно 10% от высоты атриума. Температура и другие параметры дыма в переходной зоне снижаются линейно по высоте между границей дымового слоя и нижней границей переходной зоны.
Струи, проникающие с балкона
Растекающаяся балконная струя – это струя, которая протекает под балконом, огибает его, что создаёт впечатление, будто она растекается с самого балкона, и поднимается кверху. Сценарии с растекающимися
балконными струями включают в себя дым от огня, достигающий потолка, балкона или другого горизонталь ного выступа значительных размеров, а затем растекающегося горизонтально до края «балкона». Свойства образующейся в результате этого растекающейся балконной струи зависят от характеристик пожара, ширины растекающейся струи и высоты потолка над огнём. Кроме того, важен путь горизонтального перемещения дыма от осевой линии струи до края балкона.
Уравнения (13.17, 13.18) и рисунки (рис.13.8), касающиеся струй, проникающих с балкона, смотрите в од ноимённом разделе главы «Принципы противодымной защиты атриумов».
Оконные струи
Струи, вытекающие из проёмов в стенах, дверных или оконных, в большое помещение, свободное про странство называют оконными струями (см. рис.3.8.3.1). Уравнения (13.19–13.23) и рисунки (рис.13.9), ка сающиеся оконных струй, смотрите в одноимённом разделе главы «Принципы противодымной защиты атриу мов».
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 86 Рис. 3.8.3.1 Оконная струя
Ширина струи
По мере того, как струя поднимается вверх, происходит вовлечение воздуха в неё, и она расширяется. Как правило, общий диаметр струи может быть рассчитан по формуле:
d = Kd z (10) где d – диаметр струи, м;
z – высота, м;
Kd – постоянная диаметра.
Постоянная диаметра может варьироваться от 0,25 до 0,5. Рекомендуется выбирать такое значение Kd, чтобы итоговые вычисления были завышенными:
(1) Kd = 0,5 приводит к завышенной оценке контакта струи со стенами;
(2) Kd = 0,25 приводит к завышенным оценкам при учёте обнаружения дымовой струи с помощью де текторов лучевого типа.
Температура струи
Информацию о средней температуре струи и температуре струи по осевой линии, а также соответствую щие уравнения (13.25 и 13.7) смотрите в главе «Принципы противодымной защиты атриумов».
Количество вытяжных отверстий
Информацию о расчёте количества вытяжных отверстий и соответствующие уравнения (13.40–13.43) смотрите в одноимённом подразделе главы «Принципы противодымной защиты атриумов».
Уравнения для расчёта «эффекта прокалывания» первоначально разрабатывались для расчёта отверстий
естественной вентиляции. Они также применяются для расчёта системы механического дымоудаления. Чис ленные коэффициенты, включенные в уравнения (13.40) и (13.41), даны с расчётом, что вытяжные отверстия расположены близко к стене. При размещении вытяжных отверстий ближе к центру резервуара дыма, могут использоваться коэффициенты с бульшими значениями.
Несмотря на то, что данные уравнения были разработаны для естественной вентиляции, исследования пу тём физического и численного моделирования показали, что они также пригодны для систем механического
дымоудаления. В исследованиях использовались физические модели высотой 5,5 м и 12,2 м с объёмным рас ходом до 25 м3/с на каждое вытяжное отверстие (при средней скорости дымоудаления через отверстие до 30
м/с). Результаты физического моделирования указывают на то, что глубина дымового слоя может быть сни жена приблизительно до 10% от чистой высоты при использовании нескольких вытяжных отверстий с целью
минимизировать массовый/объёмный расход на каждом отдельном вытяжном отверстии. Исследования мето дом численного моделирования показали, что результаты можно масштабировать и для более высоких атриу мов.
Увеличив количество вытяжных отверстий, можно снизить скорость дымоудаления через каждое отвер стие. Наибольшая эффективность физической модели вытяжной системы была получена при снижении скоро сти через отверстие до 10 м/с и более. Также рекомендуется, чтобы отношение глубины дымового слоя к диаметру вытяжного отверстия (d/D) превышало значение 2 (для прямоугольных вытяжных отверстий следует применять формулу D = 2 ab/(a + b), где a и b являются длиной и шириной вытяжного отверстия). В таком
случае, скорость потока в нижнем слое переходной зоны, производимого вытяжной системой, будет сущест венно ниже скорости через вытяжное отверстие, и доминирующий поток будет направлен из дымового слоя к вытяжному отверстию.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 87
Попытки сократить глубину дымового слоя до уровня меньше минимальной глубины при помощи высокой вытяжной скорости оказались безуспешными. В этом случае система дымоудаления вызывает смешивание холодного воздуха с дымовым слоем. Дымовой слой охлаждается и становится более разряженным, но его глубина увеличивается.
Рис. A.3.9 Влияние глубины и температуры дымового слоя на скорость дымоудаления.
Влияние глубины дымового слоя и температуры дыма на максимальную скорость дымоудаления представ лено на рис.A.3.9. Эффективность системы дымоудаления стремительно растёт при увеличении глубины ды мового слоя и в меньшей степени - при увеличении температуры в дымовом слое. Эти факторы в сочетании со снижением массового расхода дыма при снижении значения z обеспечивают механизм самокомпенсации сис темы дымоудаления в атриумах. Вопросы, рассмотренные в данном подразделе, имеют большое значение при работе с системами, в которых согласно проектным требованиям чистая высота должна быть прямо под вы тяжным отверстием.
Объёмный расход
Информацию об объёмном расходе, а также соответствующее уравнение (13.27) смотрите в одноимённом подразделе главы «Принципы противодымной защиты атриумов».
Максимальная скорость подачи воздуха
Скорость подачи очищенного воздуха по периметру большого свободного пространства необходимо огра ничить достаточно низкими значениями, чтобы не происходило значительного отклонения дымовой струи, которое будет вызывать увеличение скорости вовлечения воздуха в струю или приведёт к нарушению грани цы дымового слоя. Основываясь на данных об отклонении пламени, рекомендуется максимальная скорость подачи воздуха около 1 м/c. В случаях, когда поддержание уровня границы дымового слоя на одной высоте не является целью проектирования системы, нарушение дымовой струи из-за скорости подачи воздуха можно считать не наносящим ущерба.
Требования к встречному воздушному потоку
Для предотвращения проникновения в большое помещение дыма, возникающего в смежном помещении,
дымоудаление в смежном помещении должно производиться с достаточной скоростью, чтобы средняя ско рость воздуха в проёме из большого помещения была больше минимального предела. Предел средней скоро сти, v, может быть вычислен на основе уравнения, предложенного Хескестадом:
v = 0,64[ gH (T f − T0 )/ T f ]1 / 2 (11) где v – скорость воздуха, м/с;
g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2);
H – высота проёма, м;
Tf – температура нагретого дыма, K;
T0 – температура окружающей среды, K.
Например, при H = 3,05 м, Tf = 347 К (значение, считающееся реалистичным для помещений со спринкле рами) и T0 = 294 К, предельная скорость равна 1,37 м/с. При тех же условиях, но с Tf = 1166°K (значение, считающееся реалистичным для помещений без спринклеров) предельная скорость равна 3 м/с.
Для предотвращения проникновения в смежное помещение дыма, возникающего в большом помещении, воздух из смежного помещения должен подаваться с достаточной скоростью, чтобы средняя скорость воздуха в проёме, ведущем в большое помещение, была больше минимального предела [т.е. предела средней скоро-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 88 сти (ve) согласно уравнению (12)]. Можно выделить два случая. В одном случае, проём, ведущий в смежное
помещение, располагается ниже уровня границы дымового слоя, и смежное помещение подвергается влия нию дыма от струи у края периметра свободного пространства. В таком случае предельная средняя скорость может быть вычислена по формуле:
ve = 0,057[Q / z ]1 / 3 (12) где ve – предельная средняя скорость, м/с;
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
z – расстояние от основания огня до низа проёма, м (см. рис.3.13.2).
Предельная средняя скорость (ve) не должна превышать 1 м/с. Данное уравнение не следует применять,
когда z < 3,05 м. В другом случае, проём, ведущий в смежное помещение, располагается выше уровня грани цы дымового слоя, и тогда для вычисления предельной средней скорости используется уравнение (12) (с ус ловием v = ve), где Tf — T0 является значением ∆T из таблицы 3.5 и Tf = ∆T+ T0.
Рис. 3.13.2 Измерение расстояния от основания огня до низа проёма
ОБОРУДОВАНИЕ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
При выборе системы противодымной защиты необходимо учитывать динамику, плавучесть, струю и стра тификацию при потенциальном пожаре, а также ширину и высоту большого помещения. Как правило, системы
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, спроектированные для этих помещений, не имеют воз можности использоваться в качестве систем противодымной защиты, и вентиляционные решётки подачи воз духа и дымоудаления расположены не в тех местах, где положено для систем противодымной защиты. В связи с этим, в большинстве случаев следует рассмотреть вопрос установки специализированной системы противо дымной защиты.
По данным из отчётов, некоторые существующие большие помещения, имеющие стеклянные стены или за стеклённую крышу, нагреваются до 93°C под воздействием солнечных нагрузок. Строительные материалы, расположенные в таких зонах, должны быть способны выдерживать такие условия нагрева.
Вытяжные вентиляторы
Необходимо подобрать такие вытяжные вентиляторы, которые смогут функционировать в расчётных по жарных и дымовых условиях. Хотя при смешивании с окружающим воздухом может происходить значительное снижение температуры дыма, в некоторых случаях огонь может оказывать прямое воздействие на оборудова ние.
Система подачи очищенного воздуха
Самый простой способ подачи свежего воздуха в помещение – это его поступление через проёмы, ведущие
наружу, такие как двери и вентиляционные решётки, которые могут открываться при активации системы. Та кие проёмы могут быть соотнесены с архитектурным проектом и расположены в соответствии с требованиями ниже расчётного дымового слоя. В местах, где такие проёмы располагать непрактично, следует рассмотреть
возможность установки механической вентиляции. Этой системой может стать и адаптированный проект сис темы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, если мощности и скорости системы, а также рас положение выпускных вентиляционных решёток являются подходящими. Для таких систем необходимо обес печить средства, предотвращающие работу систем подачи воздуха до момента, когда вытяжной поток устано вится, чтобы избежать повышения давления в зоне пожара. Для тех мест, где среда такова, что ущерб поме щению или его содержимому может оказаться значительным во время испытаний или частого случайного функционирования системы, следует рассмотреть возможность нагревания очищенного воздуха.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 89
Системы управления
В основе любой системы противодымной защиты должна быть простота. Сложных систем следует избе гать, поскольку с такими системами может происходить путаница, они могут быть неправильно установлены, некорректно протестированы, иметь низкий уровень надёжности, и им может быть не обеспечено необходи мое техническое обслуживание и ремонт.
Система управления должна полностью координировать взаимоблокировку и области взаимодействия сис темы противодымной защиты с системой, извещающей о пожаре, спринклерной системой, системой отопле ния, вентиляции и кондиционирования воздуха и другими сопряжёнными системами.
Средства управления системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха должны включать в себя режим противодымной защиты, который должен быть самым приоритетным среди других режимов управления.
Активация системы противодымной защиты должна происходить немедленно после получения соответст вующей команды об активации. Система противодымной защиты должна активировать отдельные компонен ты, такие как клапаны и вентиляторы, в той последовательности, которая необходима для предотвращения физического ущерба оборудованию. Также следует уделить особое внимание остановке работы оборудования в надлежащем порядке, поскольку до окончательной остановки некоторых вентиляторов проходит большое
количество времени, и закрытие клапанов при воздушном потоке может привести к серьёзному ущербу. Сум марное время отклика системы, включая время необходимое на обнаружение пожара, выключение функцио нирующего оборудования и активацию системы противодымной защиты, должно учитывать, что система должна войти в режим полной работоспособности до того, как условия в помещении выйдут за пределы рас чётных дымовых условий.
Необходимо обеспечить возможность проверки каждой из систем, чтобы убедиться, что при активации система будет функционировать нормально. Методы и частотность зависят от сложности и важности системы.
Проверка может включать в себя:
(1) комплексную проверку электропроводки, оборудования и устройств методом самодиагностики, кото рый включает обеспечение положительного подтверждения при активации, периодическом тестировании и работе в режиме ручного управления;
(2) проверку наличия рабочей мощности ниже всех разрывов цепи;
(3) положительное подтверждение активации вентилятора при помощи давления в вентиляционном кана ле, воздушного потока или соответствующих датчиков, срабатывающих при потере рабочей мощности; сбои в разводке цепи управления или цепи энергоснабжения; ограничения воздушного потока; отказ ремня, привод ной муфты или самого двигателя;
(4) положительное подтверждение работы дымозащитного клапана путём установления контакта, при ближения или при помощи соответствующих датчиков, срабатывающих при потере рабочей мощности или сжатом воздухе; неисправности в цепи управления, цепи энергоснабжения или пневмолиниях; отказ привода дымозащитного клапана, соединений или самого дымозащитного клапана;
(5) другие средства или методы (при необходимости).
В пунктах (1) - (4) приведены некоторые методы, которые могут использоваться как по отдельности, так и в комбинации для проверки работы всех компонентов управления и оборудования. Например, может быть осуществлён традиционный контроль (электрическим методом) для проверки целостности проводников от приёмно-контрольного прибора системы пожарной сигнализации к релейному выключателю, расположенному
на расстоянии 1 метра от входного устройства системы управления, а комплексная проверка может быть про ведена для оценки работы от входного устройства системы управления до желаемого конечного результата.
Если используются разные системы для проверки разных компонентов цепи управления и контролируемого оборудования, или и того и другого, то каждая из систем должна указывать на условия сбоя по соответст вующему ей сегменту.
Комплексная проверка отслеживает как электрические, так и механические компоненты системы дымоуда ления. Комплексная проверка дает положительное подтверждение, что желаемый результат был достигнут в течение времени, когда управляемое устройство было активировано. Задачи комплексной проверки выходят за рамки выявления сбоев в цепи, в них входит подтвердить, был ли достигнут желаемый результат (то есть, воздушный поток или положение клапана). Таким образом, подлинная комплексная проверка требует сопос тавления желаемых результатов функционирования с фактическими конечными результатами.
Разрыв в цепи управления, отказ ремня вентилятора, размыкание приводной муфты, засорение воздушно го фильтра, отказ двигателя или другие аварийные условия, которые могут препятствовать нормальному
функционированию, не могут указывать на сбой, пока управляемое устройство не активировано, следова тельно, измеряемый результат в это время соответствует ожидаемому результату. Если какое-либо условие, препятствующее нормальному функционированию, сохраняется в течение последующей активации устройст ва, тогда должен быть зафиксирован сбой.
Ручное управление всеми системами должно обеспечиваться из централизованного пункта управления.
Такое управление должно быть способным блокировать взаимосвязанные элементы, встроенные в систему, находящуюся под автоматическим управлением.
Электроснабжение
Стандартное энергоснабжение для работы систем кондиционирования воздуха обычно бывает достаточно надёжным для неспециализированных систем зонного дымоудаления. Для систем дымоудаления и систем
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 90 управления ими следует рассмотреть вопрос о том, существует ли необходимость в наличии источника ре зервного питания.
Материалы, узлы и детали оборудования
Необходимо выбрать материалы воздуховодов и спроектировать воздуховоды так, чтобы они перемещали
дым, были устойчивыми к дополнительному давлению (как положительному, так и отрицательному) от при точных и вытяжных вентиляторов при работе в режиме дымоудаления и сохраняли свою структурную целост ность в течение предполагаемого периода функционирования системы.
Оборудование (включая, но не ограничиваясь вентиляторами, воздуховодами и балансирующими клапа нами) должно подходить целям его предполагаемого использования и температурам, воздействию которых оно может быть подвергнуто.
ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ
В данном разделе представлены рекомендации по испытанию систем противодымной защиты. Каждая сис тема должна быть испытана на соответствие критериям проектирования. Описанные ниже методы испытаний поделены на следующие три категории:
(1) испытания компонентов системы;
(2) приёмочные испытания;
(3) периодические испытания и техническое обслуживание.
Рекомендуется, чтобы представители заказчика, проектировщика и надзорного органа встретились на эта пе планирования проекта для обмена идеями и обсуждения задач проектирования системы противодымной защиты, а также согласования критериев проектирования системы и прохождения эксплуатационных испыта ний. Такое согласование помогает предотвратить многочисленные проблемы, возникающие в ходе итоговых приёмочных испытаний, и помогает пройти процедуру сдачи здания в эксплуатацию.
Контрактная документация должна включать в себя все приёмочные испытания, чтобы все стороны имели чёткое представление о задачах системы, процедурах проведения испытаний и критериях их прохождения.
Испытания компонентов системы
Задачей испытания компонентов системы является подтвердить, что итоговая установка соответствует за данному проекту, функционирует надлежащим образом и готова к прохождению приёмочных испытаний. Сто рона, ответственная за проведение испытаний, должна быть чётко определена до проведения испытаний компонентов системы.
Перед началом проведения испытаний сторона, ответственная за данное испытание, должна проверить законченность строительства здания, включая следующие архитектурные детали:
(1) целостность любой перегородки, перекрытия или другого элемента, предназначенного для пре дотвращения прохождения дыма;
(2) противопожарные преграды;
(3) двери и запорные устройства;
(4) остекление, ограждающее большое помещение.
Испытания в реальных условиях каждого отдельного компонента системы должно выполняться по мере
завершения его изготовления. Эти испытания в реальных условиях, как правило, выполняются разными про изводителями перед тем, как происходит соединение компонентов в единую систему противодымной защиты.
В письменном виде должно быть зафиксировано, что установка каждого отдельного компонента завершена, и компонент функционирует нормально. Испытание каждого компонента (включая такие параметры как ско рость, объём, калибровка чувствительности, электрическое напряжение и амперная нагрузка) должно быть задокументировано.
Испытание должно включать следующие подсистемы (с учётом той степени, в какой они влияют на работу системы противодымной защиты, либо она влияет на них):
(1) система пожарной сигнализации;
(2) система управления энергоснабжением;
(3) система управления зданием;
(4) система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;
(5) электрооборудование;
(6) система регулирования температуры;
(7) источники питания;
(8) резервное питание;
(9) системы автоматического пожаротушения;
(10) двери и запорные устройства, срабатывающие автоматически;
(11) иные системы дымоудаления;
(12) аварийный лифт.
Приёмочные испытания
Задачей приёмочных испытаний является продемонстрировать, что итоговая установка комплексной сис темы соответствует конкретному проекту и функционирует должным образом. Для проведения приёмочных испытаний необходимо присутствие представителей одной или более сторон:
(1) надзорный орган;
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 91
(2) заказчик;
(3) проектировщик.
Вся документация по испытаниям компонентов системы должна быть доступна для инспектирования.
Параметры испытаний
Во время приёмочных испытаний следует измерить следующие параметры:
(1) суммарный объёмный расход;
(2) скорости воздушного потока;
(3) направление воздушного потока;
(4) усилие для открывания дверей;
(5) перепад давлений;
(6) температура окружающей среды.
Стендовое оборудование
Для проведения приёмочных испытаний может потребоваться следующее оборудование:
(1) дифференциальные манометры, наклонные водяные манометры или электронные манометры [диапа зон измерений от 0 до 62,5 Па и от 0 до 125 Па с трубками 15,2 м];
(2) динамометр для измерения усилия открывания дверей;
(3) анемометр;
(4) амперметр;
(5) дверные клинья;
(6) рулон тонкой бумаги (салфеток) или иной удобный инструмент для указания направления воздушно го потока;
(7) таблички с указанием, что проходит испытание системы противодымной защиты, и что двери откры вать нельзя;
(8) несколько переносных раций (их применение целесообразно для помощи в координировании работы оборудования и регистрации данных).
Процедура проведения испытаний
Перед началом приёмочных испытаний всё оборудование в здании должно быть переведено в режим нор мальной работы, включая оборудование, которое не используется для противодымной защиты, например, вытяжная вентиляция в туалетах, вентиляционные отверстия в шахтах лифтов, вентиляторы в лифтовых и иные аналогичные системы.
Скорость и направление ветра и температура воздуха снаружи должны регистрироваться каждый день ис пытаний. Если условия меняются в значительной степени в ходе испытаний, новые условия также должны быть зарегистрированы.
Если для работы системы противодымной защиты предусмотрено резервное питание, то приёмочные ис пытания должны проводиться как при обычном, так и при резервном питании. Для моделирования реальных эксплуатационных условий в этом режиме необходимо отключить обычное энергоснабжение здания.
Приёмочные испытания должны продемонстрировать, что для каждого заданного входного параметра по лучены предусмотренные выходные данные по каждой из заданных последовательностей управления. Следу ет рассмотреть следующие последовательности управления, чтобы продемонстрировать полную последова тельность управления системой противодымной защиты:
(1) обычный режим;
(2) автоматический режим противодымной защиты по первому срабатыванию пожарной сигнализации;
(3) ручная корректировка обычного и автоматического режимов противодымной защиты;
(4) возврат к обычному режиму.
Допускается проведение приёмочных испытаний системы пожарной сигнализации в сочетании с системой противодымной защиты. Одна или более цепей системы пожарной сигнализации могут подать однократный входной сигнал системе противодымной защиты. В связи с этим, следует рассмотреть вопрос об установке соответствующего числа пусковых устройств и их цепей для демонстрации работы системы противодымной защиты.
Системы противодымной защиты в больших помещениях
Большие помещения могут быть разных конфигураций, каждая из которых имеет свои особенности. Они могут быть высокими и узкими или низкими и широкими; иметь балконы и взаимосвязанные этажи; открытое или закрытое соединение со смежными этажами; коридоры и лестницы для эвакуации или только наружные стены и окна; и быть частью гостиницы, больницы, торгового центра или спорткомплекса. В каждом случае должны быть разработаны конкретные критерии противодымной защиты.
Необходимо проверить точное расположение внешних границ каждой из систем противодымной защиты в большом помещении, определить все дверные проёмы, ведущие в это помещение и все смежные зоны, кото рые должны оставаться открытыми и будут защищаться только с помощью воздушного потока. Для больших проёмов должна быть измерена средняя скорость посредством соответствующего распределения скоростей по поперечному сечению потока.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 92
При работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в обычном режиме необходимо измерить разность давлений по обе стороны дверей и скорости воздушных потоков на границах с открытыми пространствами. Пользуясь динамометром, определите усилие, необходимое для открывания каждой двери.
Активируйте систему противодымной защиты. Проверьте и зарегистрируйте работу всех вентиляторов, клапанов, дверей и комплектующего оборудования. Измерьте вытяжные мощности вентиляторов и скорости воздуха через створки воздухозаборника и вентиляционные решётки или приточные решётки при наличии механической приточной вентиляции. Измерьте усилие для открытия входных дверей.
Измерьте и зарегистрируйте разность давлений по обе стороны всех дверей, которые отделяют зону сис темы противодымной защиты от смежных помещений и скоростей на границах с открытыми пространствами.
Другие методы испытаний
Описанные выше методы испытаний предназначены обеспечить соответствующие средства для оценки функционирования системы противодымной защиты. Другие методы испытаний применялись ранее в случаях,
когда надзорный орган требовал проведения дополнительных испытаний. Эти методы испытаний имеют огра ниченное значение для оценки функционирования конкретной системы противодымной защиты и их надёж ность вызывает сомнения.
Как описано в предыдущих главах, динамика дымовой струи, подъёмные силы и стратификация дыма яв ляются основными определяющими элементами при проектировании системы противодымной защиты. Следо вательно, для того чтобы должным образом испытать систему, наиболее подходящим и эффективным испыта нием является испытание в условиях реального пожара. Существует, однако, множество веских причин, по которым проводить такое испытание в законченном здании нерационально. Испытание в условиях реального пожара может быть опасным, и обычно такие испытания проводить не следует. Приёмочные испытания в ус ловиях пожара несут реальную опасность для жизни и имущества, обусловленную количеством выделяемого тепла и токсичностью дыма. В качестве альтернативы может выступить любой другой тип испытания. Если же
проведение такого испытания системы противодымной защиты предписано надзорным органом в целях приё ма здания в эксплуатацию, данный тип испытания принимается за основу проектирования, и тогда имитация какого-либо условия реального пожара недопустима, поскольку она может привести к ложному представле нию о безопасности и надёжности работы системы противодымной защиты при пожаре.
Испытания с помощью дымовых шашек не дают той температуры, подъёмной силы и вовлечения воздуха в
струю, которые бывают в условиях реального пожара, и непригодны при оценке действительного функциони рования системы. Система, спроектированная в соответствии с данным руководством и способная обеспечи вать намеченную противодымную защиту, может не пройти испытания с применением дымовых шашек. И на оборот, есть вероятность, что система неспособная обеспечивать намеченную противодымную защиту, пока жет хорошие результаты при испытании с применением дымовых шашек. Из-за нерациональности проведения испытаний в условиях реального пожара приёмочные испытания, описанные в данном документе, направлены на те аспекты систем противодымной защиты, соответствие которых критериям может быть подтверждено путём проверки достоверности.
Документация по испытаниям
По завершении приёмочных испытаний экземпляр всей документации по испытаниям функционирования системы должен быть предоставлен заказчику. Эта документация должна быть доступна при проведении пе риодических испытаний, технического обслуживания и ремонта.
Руководства пользователя и инструктаж для заказчика
Заказчику должна быть предоставлена информация, характеризующая работу, техническое обслуживание и ремонт системы. Базовый инструктаж по эксплуатации системы должен быть проведён с представителями заказчика. Поскольку по окончании приёмочных испытаний заказчик может брать ответственность за эффек тивное использование системы противодымной защиты на себя, базовый инструктаж должен быть проведён до их начала.
Приёмка в эксплуатацию и пользование готовой частью строительного объекта
Для получения акта приёмки здания в эксплуатацию приёмочные испытания должны быть проведены за один этап. Тем не менее, если предстоит поэтапное строительство или заселение здания, приёмочные испы тания систем проводятся по каждому этапу для получения временных актов приёмки.
Изменения в проекте
Все эксплуатационные и приёмочные испытания должны быть проведены на соответствующей части сис темы в том случае, если она подверглась изменениям или преобразованиям. В документацию должны быть внесены соответствующие обновления, отражающие информацию об изменениях и преобразованиях.
Периодические испытания
Во время эксплуатации здания необходимо проводить техническое обслуживание, чтобы удостовериться в
том, что система противодымной защиты способна выполнять намеченную функцию в условиях пожара. Над лежащее техническое обслуживание должно, как минимум, включать в себя периодические испытания обору дования, такого как пусковые устройства, вентиляторы, клапаны, элементы управления, двери и окна. Обору дование должно проходить техническое обслуживание в соответствии с рекомендациями производителя.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 93
Периодические испытания должны подтверждать, что установленные системы продолжают функциониро вать в соответствии с утверждённым проектом. Предпочтительно включить в испытания как измерение свойств воздушного потока, так и перепады давлений в следующих местах:
(1) по обе стороны проёмов дымозащитных преград;
(2) на источниках приточного воздуха;
(3) на вытяжном оборудовании.
Все точки сбора данных должны совпадать с их расположением при приёмочных испытаниях для того, чтобы облегчить сравнение измерений.
Система должна проходить испытания, по крайней мере, раз в полгода. Испытания должны проводиться
лицами, компетентными в вопросах эксплуатации, тестирования, технического обслуживания и ремонта сис тем. Результаты испытаний должны быть задокументированы в журнале эксплуатации и технического обслу живания и должны быть доступны для проверки. Работа системы противодымной защиты должна быть прове рена по каждой из комбинаций текущих расчётных показателей. Необходимо отслеживать правильность вы ходных данных по каждому заданному входному параметру. Если необходимо, испытания также должны быть проведены с использованием резервного питания.
Особые меры могут потребоваться для внедрения больших объёмов наружного воздуха в арендуемые по мещения или компьютерные центры, когда температура воздуха снаружи и влажность достигают предельных значений и такой неудовлетворяющий требованиям воздух может нанести ущерб содержимому помещения.
Поскольку системы противодымной защиты могут блокировать элементы управления предельными парамет рами, такие как морозозащитные термостаты, испытания следует проводить, когда состояние наружного воз духа не нанесёт ущерба оборудованию и системам.
СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Расчёт положения дымового слоя
Компьютерная модель (написанная на языке программирования или использующая электронную таблицу) может быть разработана на основе алгебраических уравнений, содержащихся в разделе «Методы расчёта», для вычисления уровня границы дымового слоя при наличии и при отсутствии дымоудаления. Данный подход
включает в себя расчёт массового расхода дыма, поступающего в дымовой слой, температуру дыма, посту пающего в дымовой слой и массовый расход дыма, удаляемого из дымового слоя при механической или аэра ционной вентиляции. Шаги по расчёту уровня границы дымового слоя следующие:
(1) Выберите временной шаг для расчёта, ∆t.
(2) Определите расчётный пожар (например, стационарный, растущий, растущий с постоянным порогом мощности или другое описание скорости выделения тепла как функции времени).
(3) Вычислите или задайте скорость выделения тепла при расчётном пожаре, Q, при текущем временнόм шаге, а также конвективную теплоотдачу, Qс.
(4) Вычислите массовый расход дыма, поступающего в дымовой слой за текущий временной шаг. Для осе симметричной струи массовый расход струи следует вычислять на основе уравнения (8) или уравнения (9) в зависимости от положения дымового слоя на конец предыдущего временнόго шага по отношению к высоте пламени расчётного пожара. Для балконной растекающейся струи, расход массы струи следует вычислять на
основе уравнения (13.17), для оконной струи – на основе уравнений (13.20), (13.21) и (13.23). Для нестацио нарного пожара расход массы вычисляется при скорости выделения тепла в средней точке временнόго шага.
(5) Вычислите температуру дыма, поступающего в дымовой слой на основе уравнения (13.25).
(6) Вычислите массу дыма в дымовом слое на конец этого временнόго шага.
M 2 = M 1 + (m2 − m1 )Δt где
M2 – масса дыма в дымовом слое на конец текущего дымового шага, кг;
M1 – масса дыма в дымовом слое на начало текущего дымового шага, кг;
m2 – массовый расход струи, кг/с;
m1 – массовый расход дымоудаления, кг/с;
∆t – временной шаг, с.
(7) Вычислите новую температуру дымового слоя на основании сохранения энергии.
[ ] MΔt
Ts , 2 = Ts ,1 + (1 − η )m p (T p − T0 ) − me (Ts − T0 ) − (Ts − T0 )(m p − me ) где
Ts,2 – температура дымового слоя на конец текущего временнόго шага, °C;
Ts,1 – температура дымового слоя на начало текущего временнόго шага, °C;
Tp – температура струи, °C;
T0 – температура окружающей среды, °C;
η – доля теплопотери (безразмерная величина);
Mp – массовый расход струи, кг/с;
Me – массовый расход дымоудаления, кг/с.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 94
Доля теплопотери – это доля конвективной теплоотдачи, поступающей из дымового слоя к потолку и сте нам и имеющая максимальное значение 1,0. Максимальное повышение температуры происходит в случае, когда доля теплопотери равна нулю.
(8) Вычислите плотность дымового слоя:
1,2(T0 + 273) ρs =
T2 + 273 где ps – плотность дымового слоя на конец временного шага, кг/м3.
(9) Вычислите объём дымового слоя:
M2
V2 = ρs где V2 – объём дымового слоя на конец временнόго шага, м3.
(10) Определите новый уровень границы дымового слоя как функцию объёма верхнего слоя и геометрии дымового резервуара. Для постоянных площадей поперечного сечения уровень дымового слоя рассчитывает ся по формуле:
V2 z 2 = H потолок −
A резервуар где z2 – высота границы дымового слоя от уровня пола, м;
Hпотолок – высота потолка, м;
Aрезервуар – площадь резервуара, м2.
(11) Прекратите вычисления, если достигнуто максимальное количество временных шагов, либо если гра ница дымового слоя находится на уровне верхней границы топлива или ниже её.
(12) Вернитесь к шагу (3) и используйте полученные в результате вычислений значения для расчётов сле дующего временнόго шага.
Соотношения масштабирования
Безразмерные группы могут быть выражены в виде формулы для ситуации, в которой есть источник на гревания, представляющий огонь, а также вытяжные и приточные вентиляторы c заданным объёмным расхо дом. Соотношение температуры газа (T), скорости (v), давления (p) и температуры поверхности (Ts), выра женное в безразмерных членах и в виде функции x, y, z и времени (t), составляет:
⎧ T ⎫
⎪ T ⎪
⎪ 0 ⎪
⎪ v ⎪
⎪ gl ⎪ ⎛x y z t ⎞
⎨ p ⎬ = f ⎜⎜ , , , , Π1 , Π 2 , Π 3 ⎟
⎟
⎪ ⎪ ⎝ l l l l/g ⎠
⎪ ρ 0 gl ⎪
⎪ Ts ⎪
⎪ ⎪
⎩ T0 ⎭ где l – характеристическая длина;
g – ускорение силы тяжести;
T0 – температура окружающей среды;
ρ 0 – плотность окружающей среды.
Π 1 , Π 2 и Π 3 являются безразмерными группами, происходящими из выделения энергии при пожаре, потоков от вентиляторов и теплопередачи стенам:
Q энергия пожара
Π1 = ~ ρ 0 c pT0 gl
5/ 2 энергия потока где
Q – скорость выделения энергии при пожаре;
сp – удельная теплоёмкость окружающего воздуха.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 95
V fan поток от вентиляторов
Π2 = ~ gl
5/ 2 плавучий поток
где V fan – объёмный расход вытяжного вентилятора.
1, 6 1 ⎧ ρ0 ⎫ конвективная теплопередача Π3 = 0,3 2 0,9 ⎨ ⎬ g k l ~ (kρc ) w ⎩ μ ⎭ теплопередача стенам
где
(kpc)w – термические свойства (теплопроводность, плотность и удельная теплоёмкость) стены;
μ – вязкость газа;
k – удельная теплопроводность газа.
Выражение Π 3 применимо к термически толстому материалу конструкции. Дополнительные безразмер-
ные члены ( Π S ) необходимы, если важны толщина стены и влияние теплового излучения. Π 3 вводит по правку на тепловые потери у границы, допуская использование другого материала конструкции в масштабной модели в целях сохранения равновесия с учётом тепловых потерь.
Для типового здания рекомендуемое минимальное геометрическое масштабирование должно быть 1:8.
Выражение масштабирования для скорости выделения тепла следует из сохранения Π 1 . Аналогичным об разом, выражения для объёмного расхода воздуха при дымоудалении и термических свойств стены получены при сохранении Π 2 и Π 3 . Условие термических свойств стены легко удовлетворяется посредством выбора такого материала конструкции, который является невозгораемым и наиболее точно соответствует (kpc)w ма териала достаточной толщины для поддержания условия о термически толстом материале.
Приведённые ниже примеры дают представление о том, как использовать соотношения масштабирования при моделировании по Фруду.
Пример 1. Какую масштабную модель следует использовать для молла, если минимальная рассматривае мая зона, равная 3 м, является высотой от пола до потолка на балконах?
Обратите внимание на то, что поток в модели должен быть полностью развившимся турбулентным пото ком. Чтобы достичь этого, предлагается, чтобы рассматриваемые зоны в масштабной модели были, по край ней мере, равны 0,3 м. Соответствующая высота модели от пола до потолка должна составлять, по крайней мере, 0,3 м. Условие l m = 0,3 м и l F = 3 м , тогда l m / l F = 0,1 . Следовательно, модель может быть в мас штабе 1:10.
Пример 2. Расчётный пожар для конкретного помещения является пожаром с постоянной скоростью выде ления тепла 5000 кВт. Какая мощность пожара необходима для модели в масштабе 1:10?
lm
= 0,1 lF
5/ 2
⎛l ⎞
Qm = QF ⎜⎜ m ⎟⎟ = 5000(0,1) = 15,8 кВт
5/ 2
⎝ lF ⎠
Пример 3. Если для полномасштабного помещения объёмный расход воздуха при дымоудалении составля ет 250 м3/с, каков будет расход воздуха при дымоудалении для модели масштаба 1:10?
5/ 2
⎛l ⎞
V fan ,m = V fan , F ⎜⎜ m ⎟⎟ = 250(0,1) = 7,9 м 3 / с
5/ 2
⎝ lF ⎠
Пример 4. Стены в полномасштабном помещении выполнены из бетона. Каково влияние стен модели в масштабе 1:10, выполненных из гипсокартона?
kρc кирпича составляет 1,7 кВт2/м-4٠K-2٠c.
Наиболее подходящие термические свойства модели могут быть вычислены следующим образом:
0,9
⎛ ⎞
(kρc )w,m = (kρc )w,F ⎜⎜ lm ⎟⎟ = (1,7 )(0,1)
0,9
(
= 0,21 кВт 2 / м −4 ⋅ K −2 ⋅ c )
⎝ lF ⎠
Значение термических свойств гипсокартона равно 0,18 кВт2/м-4٠K-2٠c, что является близким к наиболее
подходящему значению, полученному выше, т.е. в модели можно использовать гипсокартон. Следует отме тить, что использование стеклянных стен для видео и фотосъёмки является более важным, чем масштабиро вание термических свойств.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 96
Пример 5. В модели масштабом 1:10 наблюдались следующие значения чистых высот: 2,5 м через 26 с, 1,5 м через 85 с и 1,0 м через 152 с. Каковы соответствующие значения чистых высот для полномасштабного по мещения?
Для первой пары значений чистой высоты и времени, где zm = 2,5 м и tm = 26 с:
⎛l ⎞ z F = z m ⎜⎜ F ⎟⎟ = 2,5(10 / 1) = 25 м
⎝ lm ⎠ и
1/ 2
⎛l ⎞ t F = t m ⎜⎜ F ⎟⎟ = 26(10 / 1) = 82 c
1/ 2
⎝ lm ⎠
Для других пар чистой высоты и времени, представленных ниже, расчёт осуществляется аналогичным об разом.
Чистая высота, м Время, с Чистая высота, м Время, с
2,5 26 25
1,5 85 15
1,0 152 10
Расчёт концентрации газов и снижения видимости при пожаре
В целях проектирования вопрос об алгебраических уравнениях для концентрации газов и снижения види мости может касаться двух крайних случаев:
(1) сценарий заполнения дымом, где используется допущение, что все продукты сгорания аккумулируются в опускающемся дымовом слое;
(2) сценарий регулируемого вентиляцией квазистационарного пожара, где существует квазиустойчивое равновесие между скоростями потоков, входящими в дымовой слой и выходящими из него.
Как правило, сценарий регулируемого вентиляцией квазистационарного пожара представляет интерес в целях проектирования, потому что этот сценарий представляет квазистационарные условия, которые разви ваются при работе системы дымоудаления. Сценарий заполнения дымом может представлять интерес для
анализа условий, которые могут развиться до активации системы дымоудаления. Существует переходный пе риод между этими двумя крайними случаями. Во время этого переходного промежуточного периода происхо дит как наполнение дымового слоя, так и удаление дыма из него. Расчёт этого переходного периода, как пра вило, требует использования численных подходов с применением компьютера. С позиции проектирования этот период несущественен, поскольку это не крайний случай, поэтому здесь он более подробно не рассмат ривается.
Для анализа состава газа и оптических характеристик в двух крайних случаях могут использоваться неко торые алгебраические уравнения. Сами по себе уравнения являются точными, но данные, используемые в этих уравнениях, неточны. Пользователь должен быть предупреждён об этих неопределённостях.
Этап заполнения дымом: анализ оптических свойств
Средняя оптическая плотность опускающегося дымового слоя может быть определена, если достаточно
точно удастся определить массовую оптическую плотность топлива. Уравнение (A.1) используется для опре деления оптической плотности как функции массовой оптической плотности, массы потребляемого топлива и объёма дымового слоя.
t
Dm m f Dm ∫ m& f dt
D= =
(A.1)
Vu Az u (t ) где
Dm – массовая оптическая плотность, м2/кг;
m& f – скорость горения топлива, кг/с;
m f – суммарная потребляемая масса топлива, кг;
A – площадь горизонтального поперечного сечения атриума, м2;
zu – толщина верхнего слоя, м;
Vu – объём верхнего слоя, м3.
При плоском потолке, незначительной площади струи и пожаре с постоянным массовым расходом и посто янной скоростью выделения тепла, уравнение (A.1) преобразуется в:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 97
−1
Dm Qt ⎡ ⎛ 2t ⎞ ⎤
−3 / 2
D= ⎢1 − ⎜1 + ⎟ ⎥ (А.2) χ a ΔH c Au H ⎢⎣ ⎝ 3τ ⎠ ⎥⎦
V AH AH τ= = = (А.3)
1/ 3
Vent k v Q H 5/3 kv α nt n H 5 / 3
1/ 3
( ) где
V – объём атриума, м3;
Vent – объёмный расход вовлечения воздуха, м3/с;
kv – постоянная объёмного вовлечения воздуха (0,064 м4/3/кВт1/3с);
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт;
∆Hc – теплота сгорания, кДж/кг;
H – высота потолка, м;
χ а – полнота сгорания.
При плоском потолке, незначительной площади струи и квадратичном пожаре, уравнение (А.1) преобразу ется в:
−1
Dmαt 3 ⎡ ⎛ 2k vα 1 / 3t 5 / 3 H 2 / 3 ⎞ ⎤
−3 / 2
D= ⎢1 − ⎜1 + ⎟⎟ ⎥ (А.4)
3χ a ΔH c AH ⎢ ⎜⎝ 5A ⎠ ⎥⎦
⎣ где α – скорость роста пожара = 1000/(tg)2, c.
При других сценариях соответствующие значения должны быть подставлены в уравнение (A.1). При неко торых сценариях может потребоваться численное интегрирование.
Этап заполнения дымом: анализ состава дымового слоя
Анализ состава дымового слоя во многом аналогичен анализу оптической плотности дымового слоя. Для расчёта состава дымового слоя как функции времени каждому из интересуемых продуктов горения i должен быть присвоен коэффициент выхода:
m& i = f i m& f (A.5)
где f i – коэффициент выхода, кгпродуктов горения / кгтоплива.
Массовая доля, Yi, каждого из продуктов горения в дымовом слое равна:
mi
Yi = (А.6)
∑i mi где Yi – массовая доля (кгпродуктов горения / кгсуммарное).
Член в числителе уравнения (A.6) вычисляется по аналогии с уравнением (A.1):
t t t
Q mi = ∫ m& i dt = ∫ f i m& f dt = ∫ f i dt (А.7)
0 0 χ a ΔH c
При постоянном коэффициенте выхода и скорости роста квадратичного пожара уравнение (А.7) преобра зуется в уравнение: αt 2 f iαt 3 t m& i = f i ∫ dt = (А.8) χ a ΔH c 3χ a ΔH c
При постоянном коэффициенте выхода и стационарном пожаре уравнение (A.7) преобразуется в уравне ние: t Q f Qt mi = ∫ f i dt = i (А.9) χ α ΔH c χ α ΔH c
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 98
Член в знаменателе уравнения (A.6) представляет суммарную массу дымового слоя. Как правило, выде ляемая масса топлива ничтожно мала по сравнению с массой воздуха, вовлекаемого в дымовой слой, поэтому суммарная масса дымового слоя может быть приблизительно выражена следующим уравнением:
ρ 0T0Vu
∑ m = ρV i i u
T
(А.10)
В случае, когда повышение температуры дымового слоя небольшое относительно абсолютной температу ры окружающей среды (т.е. T / T0 ≈ 1 ), уравнение (A.10) приобретает следующий вид:
∑m = ρ V i i 0 u (А.11)
Подставив уравнения (A.8) и (A.11) в уравнение (A.6), получаем (для квадратичного пожара):
f iα t 3
Yi = (А.12)
3ρ 0Vu χ α ΔH c
Подставив уравнения (A.9) и(A.11) в уравнение (A.6), получаем (для стационарного пожара):
f i Qt
Yi = (А.13) ρ 0Vu χ α ΔH c
Когда огонь разрастается как при квадратичном пожаре от Q = 0 в момент времени t = 0 до Q = Qqs в мо мент времени t = tqs, а затем продолжает гореть неограниченно при Q = Qqs, уравнения (A.12) и (A.13) могут быть объединены следующим образом:
Yi =
[ f i αt qs3 / 3 + Qqs (t − t qs ) ] (А.14) ρ0Vu χ a ΔH c
Объём дымового слоя, Vu, в этих уравнениях вычисляется на основе методов, представленных в подразде ле «Массовая скорость дымообразования», и Vu = A(H – z).
Регулируемый вентиляцией квазистационарный этап: анализ оптических свойств
При регулируемых вентиляцией квазистационарных условиях существует равновесие между скоростью притока массы в дымовой слой и скоростью оттока массы из дымового слоя. Средняя оптическая плотность дымового слоя может быть вычислена на основе скорости дымоудаления:
Dm m& f Dm Q
D= = (А.15)
V χ a ΔH cV
Уравнение (A.15) может использоваться для определения средней оптической плотности дымового слоя при заданной скорости дымоудаления. Как вариант, требуемую скорость дымоудаления, необходимую для получения определённой оптической плотности, D, можно определить, преобразовав уравнение (A.15):
Dm Q
V= (А.16)
Dχ a ΔH c
Для применения уравнений (A.15) и (A.16) необходимо знать массовую оптическую плотность дыма, Dm.
Регулируемый вентиляцией квазистационарный этап: анализ состава дымового слоя
Массовая доля каждого из продуктов горения i в дымовом слое при условиях квазистационарного потока, как правило, определяется на основе уравнения:
m& 1
Yi = (А.17)
∑i m& i
При условиях квазистационарного потока массовый расход каждого из продуктов горения определяется как:
Q m& i = f i m& f = f i (А.18) χ a ΔH c
Суммарный массовый расход при квазистационарных условиях определяется на основе следующего урав нения:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 99
∑ m& = ρ V = ρ V i 0 ent = ρ 0 (V − Vexp ) (А.19) i
Подставив уравнения (A.18) и (A.19) в уравнение (A.17), можно вычислить массовую долю каждого из ин тересующих продуктов горения i , исходя из известной скорости дымоудаления.
fiQ
Yi − Yi ,0 = ρ 0 χ a ΔH c (V − Vexp )
(А.20)
Чтобы определить требуемую скорость дымоудаления, необходимую для ограничения массовой доли неко торых продуктов горения i до предельного значения, Y v& , уравнение (A.26) преобразовывается в:
fiQ
V = Vexp + (А.21) ρ 0 χ a ΔH c (Yi − Yi ,0 )
Объёмный расход расширения, Vexp , вычисляется по уравнению:
Vexp =
Qn
=
(1 − χ i )Q (А.22) ρ 0 c pT0 ρ 0 c pT0
Прогнозирующая способность уравнений
Уравнения (3) и (4) выведены эмпирическим путём и предназначены для определения положения границы дымового слоя в процессе заполнения помещения дымом. Данный обзор уравнений (3) и (4) разделён на две части:
(1) сравнение результатов вычислений по уравнениям (3) и (4) с результатами, полученными на основе теоретически выведенных уравнений (с постоянными, определёнными эмпирическим путём), далее называе мыми уравнениями, используемыми в программе ASET;
(2) оценка прогнозирующей способности уравнения (3) и уравнения, используемого в программе ASET, путём сравнения результатов вычислений на основе уравнений с экспериментальными данными.
Сравнения с уравнениями, используемыми в программе ASET
Сравнение уравнений по заполнению дымом, приведённых в стандарте NFPA 92B [4], с уравнениями, ис пользуемыми в программе ASET, указывают на разницу между уравнениями, полученными эмпирическим пу тём, например, уравнениями (3) и (4), и уравнениями, основанными главным образом на теории.
Стационарные пожары
Теоретически обоснованное уравнение по заполнению дымом может быть выведено с использованием за конов сохранения массы и энергии для определения дополнительного объёма, подаваемого в верхний слой.
Используем соотношение по вовлечению воздуха в струю, выведенное исследователем Зукоски (Zukoski [33]):
( z ⎡ 2k v tQ1 / 3 / H 4 / 3 ⎤
= ⎢1 +
) −3 / 2
H ⎣ 3 A/ H 2 ( ⎥ ⎦ ) (A.23)
где z – высота границы дымового слоя, м;
H – высота потолка, м;
t – время от возгорания, с;
Q – скорость выделения тепла, кВт;
A – площадь поперечного сечения помещения, м2;
kv – постоянная вовлечения воздуха (0,064 м4/3/(с-кВт1/3)
Сравнение z/H, спрогнозированное уравнениями (3) и (A.23) представлено на рис.A.3.6.2.2(a), при высоте потолка 30 м, стационарном пожаре мощностью 5 МВт и широким диапазоном соотношений A/H2. В целом, соответствие между этими двумя уравнениями является приемлемым. Уравнение (3) прогнозирует более низ кую высоту границы дымового слоя в большинстве случаев, за исключением помещения большого объёма,
представленного соотношением A/H2 = 10. В данном случае уравнение (3) указывает на отставание приблизи тельно в 100 секунд до формирования дымового слоя, в то время как уравнение (A.23) свидетельствует о не медленном образовании дымового слоя. Такое отставание справедливо для помещения такого большого раз мера. Это временнόе отставание можно учесть, добавив дополнительный член в уравнение (A.23). Временнόе отставание в данном случае оценивается как равное 37 с при высоте 30 м и площади поперечного сечения
9000 м2.
Хотя сравнение в рис.A.3.6.2.2(a) является эффективным, оно касается только выбранных значений A, H и
Q. Это сравнение может быть применено ко всем значениям A, H и Q, образуя соотношение двух уравнений, выраженных исходя из t:
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 100 t eqnA.23
=
3 [(z / H )
−2 / 3
−1 ] (А.24) t eqn3 2k v ⎡1,11 − z / H ⎤ exp ⎢ ⎥
⎣ 0,28 ⎦
Рис. A.3.6.2.2 (a) Сопоставление алгебраических уравнений (3) и (A.23): стационарный пожар
На рис. A.3.6.2.2(b) показано соотношение коэффициента времени и нормированной глубины дымового слоя, (H - z)/H. Полное соответствие двух уравнений возможно при значении коэффициента времени, равном
1,0. Однако коэффициент времени существенно варьируется и находится в пределах 20% от 1,0 лишь для
небольшого диапазона. При значениях нормированной глубины дымового слоя менее 0,13 (или нормирован ной чистой высоте, равной 0,87), уравнение (A.23) всегда прогнозирует более короткое время достижения определенной глубины, чем уравнение (3). И напротив, уравнение (3) прогнозирует более короткое время достижения любой нормированной глубины дымового слоя, превышающей значение 0,13.
Рис. A.3.6.2.2(b) Сопоставление алгебраических уравнений (3) и (A.23): стационарный пожар
Коэффициент времени относительно индифферентен к значениям (H-z)/ H, колеблющимся от 0,4 до 0,6. В пределах этих значений коэффициент времени в среднем составляет 1,5, то есть, время, прогнозируемое
уравнением (A.23) для получения определенной глубины дымового слоя на 50% превышает значение, про гнозируемое уравнением (3). При этом, уравнение (3) прогнозирует более быстрое понижение до этой глуби ны дымового слоя, чем уравнение (A.23).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 101
Квадратичные пожары
Можно провести аналогичное сопоставление уравнения (4), полученного эмпирическим путём, и теорети чески обоснованного уравнения для квадратичных пожаров. Ниже приведено уравнение, используемое в про грамме ASET:
−3 2 z ⎛⎜ 20k v t 5 3 H −4 3 ⎞⎟
= 1+ (A.25)
H ⎜⎝ t g2 3 A H 2 ⎟⎠
где tg = скорость роста пожара, с.
На рис. A.3.6.2.2(c) представлено сопоставление прогнозируемых значений z/H для высоты потолка 30 м,
средней скорости развития пожара (tg = 300 с) и различных значений A/H 2. При значениях A/H 2 до 1,0 сов падение является достаточно точным в момент после окончания формирования дымового слоя. С другой сто роны, уравнение, полученное эмпирическим путем, в неявном виде учитывает временнόе отставание. При
A/H 2 равном 10,0, задержка формирования дымового слоя занимает более длительное время, чем при мень ших значениях соотношения A/H 2, таким образом, совпадение уровня границы дымового слоя достигается приблизительно после 800 секунд. Расчётное временнόе отставание составляет 206 секунд.
Рис. A.3.6.2.2(c) Сопоставление алгебраических уравнений (4) и (A.25):
квадратичный пожар (t2)
Значение z/H, равное 0,59 для точки пересечения различных кривых для обоих уравнений, является по стоянным, независящим от значений A, H, и Q. Таким образом, уравнение (A.25) прогнозирует более короткое время для достижения определенного уровня границы дымового слоя при z/H > 0,59, в то время как уравне ние (4) прогнозирует более короткое время при z/H < 0,59.
При различных экспонентах в правой части обоих уравнений их сравнение возможно только путем вычис ления показателей времени и формирования соотношения:
t урав. A.25 ⎡ (0.91) −0.69 ⎤ ⎡[( z / H ) −2 / 3 − 1]0.6 ⎤
=⎢ − 0.6 ⎥⎢ −0.69 ⎥ (A.26) t урав.4 ⎣ 4k v ⎦⎣ (z / H ) ⎦
Соотношение коэффициента времени при различной нормированной глубине дымового слоя, (H-z)/H, представлено на рис. A.3.6.2.2(d). В целом, прогнозируемые показатели времени для квадратичных пожаров совпадают гораздо более точно, чем показатели времени для стационарных пожаров. Прогнозируемое время уравнения (A.25) находится в пределах 20% прогнозируемого времени уравнения (4) при значениях (H-z)/H от 0,26 до 0,80. Как и в случае со стационарными пожарами, коэффициент времени составляет меньше 1,0 при небольшой нормированной глубине дымового слоя. Однако, в данном случае, коэффициент времени не превышает 1,0 до тех пор, пока нормированная глубина дымового слоя не достигнет значения 0,40.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 102
Рис. A.3.6.2.2(d) Сопоставление алгебраических уравнений (4) и (A.25): квадратичный пожар
Программы крупномасштабных испытаний в помещениях с высокими потолками
Прогнозирующие способности каждого уравнения могут быть исследованы путем сопоставления результа тов вычислений с экспериментальными данными.
Прогнозирующая способность уравнения (A.23) была исследована путем сопоставления результатов вы числений с данными крупномасштабных испытаний. Источники экспериментальных данных, включающих по казатели различной высоты потолков от 2,4 м до 12,5 м, а также размеры помещений и сценарии пожара,
приведены в таблице A.3.6.2.2. В таблицу вошли источники данных, которые использовались при начальной раз работке уравнения (3). Со времени проведения первоначальных расчетов появились данные двух дополни тельных исследований. Данные двух дополнительных исследований представляют собой особый интерес, по скольку они были собраны при пожарах в гораздо более высоких помещениях, чем в первоначальных испыта ниях.
Измеренные и прогнозируемые уровни дымового слоя предыдущих и двух новых наборов данных пред ставлены как функции времени на рис. A.3.6.2.2(e). Данные, под заголовком «Данные комитета» включают
все данные, на которые комитет опирался при первоначальной разработке уравнения (3). Отдельно пред ставлены новые наборы данных. Как показано на рисунке, уровень дымового слоя из расчётных данных нахо дится между уровнем, измеренным Канадским национальным советом по научным исследованиям (NRCC) и
Научно-исследовательским строительным институтом (BRI). Таким образом, несмотря на различия в высоте помещений, новые и первоначальные наборы данных достаточно схожи. Кривая «NFPA 92B» демонстрирует
прогнозы на основе уравнения (3). В целом, прогнозируемые данные обоих уравнений (3) и (A.23) и экспери ментальных данных совпадают. Уравнение (3) задаёт нижнюю границу экспериментальных данных, включая новые данные Канадского национального совета по научным исследованиям (NRCC). Уравнение (A.23) про гнозирует среднее значение данных.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 103
Рис. A.3.6.2.2(e) Сопоставление уровней дымового слоя:
экспериментальные и прогнозируемые данные
Таблица A.3.6.2.2 Перечень полномасштабных испытаний
Исследовательская Топливо Скорость выде- Размеры испы- Измерения уров группа ления тепла тательного стен- ня дымового да слоя Новые данные Научно- Резервуар метано- 1,3 МВт 30 м x 24 м, Зрительные на исследовательский ла, 3,24 м2 (стационарный) высота: 26,3 м блюдения, первое строительный повышение темпе институт (BRI) ратуры
Канадский нацио- Резервуар этанола, 8 МВт 55 м x 33 м, Первое повышение нальный совет по диаметр: 3,6 м (стационарный) высота: 12,5 м температуры научным исследова ниям (NRCC)
Данные комитета Сандия, Пропиленовая го- 516 кВт 18,3 м x 12,2 м, Первое повышение Испытание 7 [34] релка, высота: 6,1 м температуры, кон диаметр: 0,91 м центрация диокси да углерода
Малхолланд [36] Ацетиленовая го- 16,2 кВт 3,7 м x 3,7 м, Повышение темпе релка высота: 2,4 м ратуры, снижение видимости
Купер [37] Метановая горелка 25 кВт, 100 кВт, помещение с Повышение темпе-
225 кВт коридором и при- ратуры хожей, площадь: 89,6 м2, высота: 2,4 м
Хагглунд [35] Резервуар с керо- 280 кВт 5,62 м x 5,62 м, Зрительные на сином, 0,5 м2 высота: 6,15 м блюдения, первое повышение темпе ратуры
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 104
Уравнения, сопоставимые с уравнениями (3) и (A.23), могут быть заимствованы для различных площадей
поперечного сечения и для пожаров, которые изменяются на основе степенной зависимости (например, квад ратичных пожаров). Кроме того, существуют алгебраические уравнения, относящиеся к различным свойствам дымового слоя, включая температуру, снижение видимости и концентрацию продуктов горения. Эти уравне ния могут применяться для оценки переходных условий перед запуском системы противодымной защиты или
равновесных условий при работающей системе противодымной защиты. Таким образом, в распоряжении име ется множество алгебраических уравнений, которые могут служить в качестве полезных средств для относи тельно простых расчётов или для проверки отдельных элементов компьютерных расчётов в более сложных ситуациях.
Расчёт для помещений сложных геометрических форм
В отсутствии анализа с применением масштабных моделей, полевых моделей или видоизменённых зонных
моделей следует использовать анализ чувствительности. Анализ чувствительности может предоставить важ ную информацию, которая будет способствовать инженерной оценке относительно применения уравнений (3) и (4) для помещений со сложными и неоднородными геометрическими характеристиками. Ниже приведен пример анализа чувствительности для большого помещения с потолком неплоской геометрической формы.
Первый этап анализа заключается в том, чтобы преобразовать неплоскую геометрическую форму потолка в форму, схожую или равнозначную по объему плоской геометрической форме.
В случае с геометрической формой, изображенной на рис. A.3.6.2.4(a), преобразование должно прово диться следующим образом:
(1) преобразовать непрямоугольную площадь вертикального поперечного сечения в прямоугольное верти кальное поперечное сечение равнозначной площади;
(2) размер высоты, соответствующий эквивалентному прямоугольному поперечному сечению, затем будет использован в качестве замещающего коэффициента высоты Hsub в уравнении (4).
Результаты уравнения (4) необходимо сопоставить с другими минимальными и максимальными условиями, как показано на рис. A.3.6.2.4(b).
Рис. A.3.6.2.4(a) Помещение большой площади с потолком неплоской геометрической формы
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 105
Рис. A.3.6.2.4(b) Другие параметры помещения неоднородной геометрической формы
Рис. A.3.6.2.4(с) Сравнительные данные руководства по помещениям непрямоугольной геометрической формы – нарастающий пожар
Подходящим методом для сопоставления может служить график уравнения (4), приведенный на рис.
A.3.6.2.4(c). Предположим, время эвакуации из данного здания составляет 3 минуты, и согласно критериям проектирования необходимо, чтобы дымовой слой оставался на высоте 3 метра над уровнем пола на протя жении всего времени эвакуации. Анализ кривых графика показывает, что значения высоты дымового слоя,
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 106 рассчитанные для замещающих значений, соответствуют расчёту. Этот вывод можно сделать на основании того факта, что ни параметры минимальной высоты (H =9 м, W =18 м), ни параметры максимальной высоты
(H =18 м) не приводят к ожидаемому ответу, но соотнесенные данные обоих параметров (H =12 м, W =18 м;
и H =9 м, W =25 м) позволяют выявить приблизительную оценку поведения дымового слоя в пространстве неоднородной формы. Таким образом, ожидание поведения, прогнозируемого максимальными или минималь ными параметрами, не имеет смысла.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ПОЖАРЕ
В данном разделе представлены методы оценки скорости выделения тепла при горении различных набо ров горючих материалов, характерных для зданий, в которых в качестве одного из средств пожарной безо пасности могут использоваться системы дымоудаления. В первую очередь они касаются оценки концентрации горючих материалов в помещениях розничной торговли, стадионах, офисах и прочих помещениях большой площади. Методы оценки скорости выделения тепла, приведенные в данном разделе, основаны на условии
«свободного горения», при котором исключается воздействие потолка или слоя горячего газа на пожар. Сле довательно, предполагается, что скорость горения практически не зависит от горячего слоя.
Источники данных
Источники данных приведены в порядке очередности, при равном качестве методов сбора данных:
(1) натурные испытания с использованием исходных наборов горючих материалов;
(2) натурные испытания аналогичных наборов горючих материалов;
(3) алгоритмы, полученные при испытаниях наборов с аналогичными горючими материалами и размерны ми характеристиками;
(4) расчёты, основанные на испытанных свойствах, материалах и прогнозируемом огневом потоке;
(5) математические модели распространения и развития пожара.
Натурные испытания с использованием исходных наборов горючих материалов
Если натурные тепловые испытания определенного набора горючих материалов имеют результаты пред ставленные в виде скорости выделения тепла, то эти результаты могут впоследствии быть использованы в
качестве входных данных для методов, представленных в данном руководстве. Поскольку результаты натур ных испытаний редко дают стационарный режим, свойственный пожарам с ограниченным ростом, или квадра тичный рост, свойственный пожарам с непрерывным ростом (квадратичным пожарам), то, как правило, требу ется инженерная оценка для получения точных входных данных, необходимых для применения одного из пе речисленных подходов. В случае если применяется компьютерная модель, способная реагировать на скорость
выделения тепла в соотношении с кривой времени, данные могут быть использованы напрямую. На сего дняшний день еще не существует установленного каталога испытаний определенных наборов горючих мате риалов. Однако, некоторые результаты испытаний содержатся в технических отчётах, а при необходимости могут быть поведены индивидуальные испытания.
Многие пожарные испытания не предусматривают расчёт скорости выделения тепла напрямую. В отдель ных случаях она может быть рассчитана, исходя из измеренной скорости потери массы, при помощи следую щей формулы:
Q = ṁhc (B.1) где
Q – скорость выделения тепла, кВт ṁ – скорость потери массы, кг/с hc – теплота горения, кДж/кг
В других случаях скорость выделения тепла может быть получена, исходя из измерений высоты пламени:
Q = 37(L+1,02D)5/2 (B.2) где
Q – скорость выделения тепла, кВт
L – высота пламени, м
D – диаметр пожара, м
Натурные испытания аналогичных наборов горючих материалов
Если информации о натурном тепловом испытании конкретного набора горючих материалов найти не уда лось, можно использовать данные одного или нескольких испытаний со схожими горючими материалами по наиболее важным показателям, таким как тип горючего материала, его расположение и сценарий воспламе нения. Чем больше натурные испытания схожи с испытаниями исходного горючего материала, тем больше
уверенность в том, что может быть использовано полученное значение скорости выделения тепла при горе нии аналогичного горючего материала. Однако, может потребоваться инженерная оценка, чтобы привести в соответствие данные исходных испытаний с данными, приближенными к испытаниям с исходным горючим материалом. Если скорость выделения тепла не была измерена напрямую, она может быть рассчитана мето дом вычисления скорости горения с помощью высоты пламени, который приведен в предыдущем подразделе.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 107
Алгоритмы, полученные при испытаниях наборов с аналогичными горючими мате риалами и размерными характеристиками
Пожары пролива
Во многих случаях значение скорости выделения тепла при горении испытываемого набора горючих мате риалов делится на общую величину, такую как общая занятая площадь, чтобы рассчитать нормированную скорость выделения тепла на единицу площади. Наиболее полно сформулирован и общепринят алгоритм, касающийся скорости выделения тепла при пожарах пролива.
Скорость потери массы при пожаре пролива определяется при помощи следующего уравнения:
m" = m"0 (1-e-kBD) (B.3)
Переменные для уравнения (B.3) приведены в таблице В.5.1.
Таблица В.5.1 Расчётные данные оценки скорости горения в больших проливах
Материал Плотность hc (кДж/кг) m"0 (кг/м2·с) kB (м-1) (кг/м3) Криогенные виды топлива* Жидкий водород (H2) 70 129100 0,0170 6,22 Сжиженный природный газ 416 50000 0,078 1,08 (преимущественно CH4) Сжиженный нефтяной газ 592 46500 0,097 1,40 (преимущественно C3H8) Спирты Метанол (CH3OH) 800 19770 0,0170 Этанол (C2H5OH) 800 26750 0,0151 † Простые органические виды топлива † Бутан (C4H10) 576 46500 0,078 2,68 Бензин (C5H6) 848 39500 0,083 2,68 Гексан (C6H4) 656 44200 0,073 1,90 Гептан (C7H6) 672 44200 0,102 1,11 Ксилол (C8H10) 864 40700 0,087 1,37 Ацетон (C3H6O) 784 25600 0,041 1,90 Диоксан (C4H802) 1040 25600 0,0180** 5,24** Диэтиловый эфир (C4H10O) 720 33700 0,082 0,68 Нефтепродукты Бензин 736 44200 0,047 3,60 Газолин 736 44200 0,053 2,09 Керосин 816 43050 0,039 3,60 Реактивное топливо JP-4 752 43050 0,048 3,60 Реактивное топливо JP-5 816 43050 0,053 1,60 Трансформаторное масло, 752 46500 0,039** 0,68 ** углеводород Топливная нефть, тяжелая 944-992 39500 0,035 1,70 Неочищенная нефть 832-880 41900 0,0219 -0,044 2,78 Твердые вещества Полиметилметакрилат (C5H802)n 1184 23260 0,019 3,27 Полипропилен (С3Н6)n 896 43050 0,018 Полистирол (С8Н8)n 1056 39500 0,034
* для проливов на сухой поверхности, не на воде
** установлено неточно, поскольку доступны только два значения
† - значение не зависит от диаметра в турбулентном режиме
Значения скорости высвобождения массы, полученные при помощи уравнения (В.3), следует преобразо вать в скорость выделения тепла, используя уравнение (В.1) и значение теплоты сгорания из таблицы В.5.1.
Скорость выделения тепла на единицу площади, помноженная на площадь пролива, даёт значение выделения тепла при предполагаемом пожаре.
Другие нормированные данные
При испытаниях были выявлены и другие данные, основанные на скорости горения на единицу площади.
Наиболее доступные из них представлены в таблицах В.5.2.(a) и В.5.2.(b).
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 108
Таблица В.5.2.(a) Скорость выделения тепла на единицу площади при горении различных изделий
Изделие кВт\м2 общей площади
Деревянные поддоны, сложенные один на другой,
0,45 м высотой (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на другой,
1,5 м высотой (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на другой,
3 м высотой (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на другой, 10215
5 м высотой (влажность 6-12%)
Наполненные почтовые сумки, сложенные одна на другую, 1,5 м высотой
Картонные коробки, сложенные одна на другую,
4,5 м высотой
Наполненные полиэтиленовые лотки для писем, сложенные один на другой, высотой 1,5 м на тележке
Полиэтиленовые мусорные баки в картонных коробках, сложенные один на другой, высотой 4,5 м
Полиэтиленовые душевые кабинки из стеклопластика в картонных коробках, сложенные одна на другую, высотой 4,5 м
Полиэтиленовые бутылки в картонных коробках с делениями
Полиэтиленовые бутылки в картонных коробках, сложенных одна на дру- гую, высотой 4,5 м
Полиуретановые теплоизоляционные плиты из жесткого пенопласта, сло- женные одна на другую, высотой 4,5 м
Полистироловые ёмкости, упакованные в картонные коробки с делениями 14187
Полистироловые банки в картонных коробках, сложенных одна на другую, высотой 4,3 м
Полистироловые детали игрушек в картонных коробках, сложенных одна на другую, высотой 4,5 м
Полистироловые теплоизоляционные плиты из жесткого пенопласта, сло- женные одна на другую, высотой 4,3 м
Бутылки из поливинилхлорида в картонных коробках с делениями
Полипропиленовые банки, упакованные в картонные коробки с делениями
Полипропиленовая и полиэтиленовая плёнка в рулонах, сложенных один на другой, высотой 4,3 м
Метиловый спирт
Газолин
Керосин
Дизельное топливо
Примечание: скорость выделения тепла на единицу площади полностью охваченного огнём горючего ма териала при незначительном обмене излучением со стороны окружающей среды и стопроцентной полноте сгорания. Также смотрите аналогичную таблицу (таблица 2) в подразделе «Расчётные пожары» раздела «Ру ководство к IBC 2003. Требования к противодымной защите».
Таблица B.5.2(b) Максимальные значения скорости выделения тепла
Складские материалы Время роста Плотность Классификация пожара, с выделения тепла скорости выделе-
(q) ния тепла
(м—медленная)
(с—средняя)
(б—быстрая)
Деревянные поддоны, сложенные один на 150-310 1248 с-б другой, высотой 0,45 м (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на 90-190 3745 б другой, высотой 1,5 м (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на 80-110 6810 б другой, высотой 3 м (влажность 6-12%)
Деревянные поддоны, сложенные один на 75-105 10215 б другой, высотой 5 м (влажность 6-12%)
Наполненные почтовые сумки, сложенные 190 397 б одна на другую, высотой 1,5 м
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 109
Картонные коробки, сложенные одна на 60 2270 * другую, высотой 4,5 м
Бумажные рулоны, вертикально сложен- 15-28 — * ные один на другой, высотой 6 м
Предметы одежды из хлопка (а также 20-42 — * полиэстера, полиэстера/хлопка, акри ла/нейлона/полиэстера) на стеллаже, высотой 3,6 м
Картонные коробки на поддонах, высотой 40-280 — с-б
4,5-9 м
Бумаги, плотно запакованные в картон- 470 — м-с ные коробки, на стеллаже, высотой 6,1 м
Наполненные полиэтиленовые лотки для 190 8512 б писем, сложенные один на другой, высотой
1,5 м на тележке
Полиэтиленовые мусорные баки в картон- 55 2837 * ных коробках, сложенные один на другой, высотой 4,5 м
Полиэтиленовые душевые кабинки из стек- 85 1248 * лопластика в картонных коробках, сложен ные одна на другую, высотой 4,5 м
Полиэтиленовые бутылки в картонных 85 6242 * коробках с делениями
Полиэтиленовые бутылки в картонных 75 1929 * коробках, сложенных одна на другую, вы сотой 4,5 м
Полиэтиленовые поддоны, сложенные 130 — б один на другой, высотой 1 м
Полиэтиленовые поддоны, сложенные 30-55 — * один на другой, высотой 1,8 – 2,5 м
Одноместный матрас из полиуретана, 110 — б расположенный горизонтально
Пенофенопластовые теплоизоляционные 8 1929 * плиты из жёсткого пенопласта, сложен ные одна на другую, высотой 4,5 м
Полистироловые ёмкости, упакованные в 55 13620 * картонные коробки с делениями
Полистироловые банки в картонных короб- 105 5107 б ках, сложенных одна на другую, высотой
4,3 м
Полистироловые детали игрушек в кар- 110 2043 б тонных коробках, сложенных одна на дру гую, высотой 4,5 м
Полистироловые теплоизоляционные пли- 7 3291 * ты из жёсткого пенопласта, сложенные одна на другую, высотой 4,3 м
Бутылки из поливинилхлорида в картон- 9 3405 * ных коробках с делениями
Полипропиленовые банки, упакованные в 10 4426 * картонные коробки с делениями
Полипропиленовая и полиэтиленовая 40 4972 * плёнка в рулонах, сложенных один на другой, высотой 4,3 м
Очищенный спирт в бочках, составленных 23-40 — * одна на другую, высотой 6,1 м
Метиловый спирт — 738 —
Газолин — 2270 —
Керосин — 2270 —
Дизельное топливо — 2043 —
Примечание:
1. Qm = qA, где Qm – максимальная скорость выделения тепла, кВт; q – плотность выделения тепла, кВт/м2; A – общая площадь, м2.
2. Значения скорости выделения тепла на единицу площади даны для полностью охваченного огнем горю чего материала при стопроцентной полноте сгорания. Приведённые показатели времени роста пожара – это
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 110 показатели, требуемые для того, чтобы скорость выделения тепла превысила 1000 кВт для растущих пожаров при стопроцентной полноте сгорания.
*Скорость роста пожара выходит за пределы критериев классификации.
Другие важные данные
Другие ненормированные данные могут быть использованы при построении кривой скорости выделения тепла. Примеры приведены в таблицах B.5.3 (a) - B.5.3 (h).
Таблица 6.5.3(a) Максимальные значения скорости выделения тепла, полученные Институтом систем пожарной сигнализации
Единица горючего материала Приблизительные значения, кВт
Мусорная корзина средней величины полная пакетов для молока
Большая бочка с пакетами для молока
Мягкий стул с наполнителем из полиутерановой пены
Матрас из латексной пены (нагревание со стороны двери поме- щения)
Обставленная гостиная (нагревание со стороны открытой двери) 4200-8500
Таблица B.5.3(b) Свойства источников возгорания
Источник возгорания Стандартный Время Максимальная Ширина Максимальный выход горенияa высота пламени тепловой тепла (с) пламени (мм) поток (Вт) (мм) (кВт/м2)
Сигарета массой 1.1 г (не прикуренная, лежащая на твердой поверхности), абсолютно сухая при предварительной 5 1200 - - обработке 50% при относительной 5 1200 - - влажности
Таблетка метенамина, 45 90 - - массой 0,15 г
Деревянная спичка (ле- 80 20-30 30 14 18-20 жащая на твердой по верхности)
Деревянные поленицы
Поленица № 4, 8,5 г 1000 190 15d
Поленица № 5, 17 г 1900 200 17d
Поленица № 6, 60 г 2600 190 20d
Поленица № 7, 126 г 6400 350 25d
Смятый коричневый па- 1200 кет для обеда, 6 г
Мятая вощёная бумага, 1800
4,5 г (плотно сжатая)
Мятая вощёная бумага, 5300
4,5 г (расправленная)
Сложенный двойной га- 4000 зетный лист, 22 г (возго рание снизу)
Смятый двойной газет- 7400 ный лист, 22 г (возгора ние сверху)
Смятый двойной газет- 17000 ный лист, 22 г (возгора ние снизу)
Полиэтиленовая мусор- 50000 200 b 550 200 35c ная корзина, 285 г, на полненная 12-ю картон ными пакетами для мо лока (390 г)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 111
Пластиковые мусорные от 120000 до 200 b пакеты, наполненные 350000 целлюлозным мусором
(1,2 – 1,4 кг)e
a продолжительность существенного воспламенения;
b время полного сгорания превышает 1800 секунд;
c измерено на смоделированной горелке;
d измерено с расстояния 25 мм;
e результаты значительно различаются в зависимости от плотности упаковки.
Таблица B.5.3(c) Свойства типовых предметов мебели как источников возгорания
Общая масса Общая теплоем- Максимальная Максимальное (кг) кость (МДж) скорость выделе- излучение тепла, ния тепла (кВт) направленное к центру этажаa (кВт/м2) Мусорная корзина 0,73-1,04 0,7-7,3 4-18 0,1 для бумаг Шторы, бар- 1,9 24 160-240 1,3-3,4 хат/хлопок Шторы, ак- 1,4 15-16 130-150 0,9-1,2 рил/хлопок Телевизоры 27-33 145-150 120-290 0,3-2,6 Модель стула 1,36 21-22 63-66 0,4-0,5 Модель дивана 2,8 42 130 0,9 Кресло 26 18 160 1,2 Рождественские 6,5-7,4 11-41 500-650 3,4-14 ёлки, сухие
a измерено приблизительно с расстояния 2 м от горящего предмета
Таблица B.5.3(d) Скорость выделения тепла в испытаниях со стульями и креслами Национального бюро стандартов (NBS)
Об- (кг) Масса Тип Каркас Набивочный Ткань Проме- Макси- Макси ра- горюче- материал жуточ- мальное мальное
зец го мате- ный значе- значе риала слой ние m ние q
(кг) (г/с) (кВт) a
C12 17,9 17,0 Стандартное дерево хлопок нейлон — 19,0 мягкое кресло
F22 31,9 Стандартное дерево хлопок (огне- хлопок — 25,0 мягкое кресло стойкий)
F23 31,2 Стандартное дерево хлопок (огне- олефин — 42,0 мягкое кресло стойкий)
F27 29,0 Стандартное дерево комбинирован- хлопок — 58,0 мягкое кресло ный
F28 29,2 Стандартное дерево комбинирован- хлопок — 42,0 мягкое кресло ный b
C02 13,1 12,2 Стандартное дерево хлопок, поли- олефин — 13,2 мягкое кресло уретан a
C03 13,6 12,7 Стандартное дерево хлопок, поли- хлопок — 17,5 мягкое кресло уретан a
CO1 12,6 11,7 Стандартное дерево хлопок, поли- хлопок — 17,5 мягкое кресло уретан b
C04 12,2 11,3 Стандартное дерево полиуретан нейлон — 75,7 мягкое кресло
C16 19,1 18,2 Стандартное дерево полиуретан нейлон неопрен Нет дан- мягкое кресло ных
F25 27,8 Стандартное дерево полиуретан олефин — 80,0 мягкое кресло
T66 23,0 Стандартное дерево полиуретан, хлопок — 27,7 мягкое кресло полиэстер
F21 28,3 Стандартное дерево полиуретан олефин — 83,0 мягкое кресло (огнестойкий)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 112
F24 28,3 Стандартное дерево полиуретан хлопок — 46,0 мягкое кресло (огнестойкий) a
C13 19,1 18,2 Стандартное дерево полиуретан нейлон неопрен 15,0 мягкое кресло a
C14 21,8 20,9 Стандартное дерево полиуретан олефин неопрен 13,7 мягкое кресло b
C15 21,8 20,9 Стандартное дерево полиуретан олефин неопрен 13,1 мягкое кресло
T49 15,7 Мягкое кресло дерево полиуретан хлопок — 14,3
F26 19,2 Более тонкое дерево полиуретан олефин — 61,0 мягкое кресло (огнестойкий)
F33 39,2 Стандартный дерево комбинирован- хлопок — 75,0 двухместный ный диван
F31 40,0 Стандартный дерево полиуретан олефин — 130,0 двухместный (огнестойкий) диван
F32 51,5 Стандартный дерево полиуретан олефин — 145,0 диван (огнестойкий)
T57 54,6 Двухместный дерево полиуретан, ПВХ — 61,9 диван хлопок
T56 11,2 Офисный стул дерево латекс ПВХ — 3,1
C09/ 16,6 16,2 Стул из пено- дерево полиуретан, полиуре- — 19,9
T64 пласта (частич- полиэстер тан но)
C07/ 11,4 11,2 Мягкое кресло полисти- полиуретан полиуре- — 38,0
T48 (современный роловая тан дизайн) пена a
C10 12,1 8,6 Кресло на жёсткий полиуретан полиуре- — 15,2 высокой ножке полиуре- тан тановый пено пласт b
С11 14,3 14,3 Стул из пено- — полиуретан нейлон — Нет дан- пласта ных
F29 14,0 Стандартное полипро- полиуретан олефрин — 72,0 мягкое кресло пилено вая пена
F30 25,2 Стандартное жёсткий полиуретан олефрин — 41,0 мягкое кресло полиуре тановый пено пласт b
CO8 16,3 15,4 Вращающийся прессо- полиуретан ПВХ — 112,0 стул на высо- ванный кой ножке полиэти лен a
CO5 7,3 7,3 Кресло- — полистерин ПВХ — 22,2 подушка b
СО6 20,4 20,4 Кресло- — полиуретан акрил — 151,0 подушка с пенопластовой спинкой
Т50 16,5 Обыкновенный металл хлопок ПВХ — Нет дан- <10 стул ных
Т53 15,5 1,9 Обыкновенный металл полиуретан ПВХ — 13,1 стул
Т54 27,3 5,8 Двухместный металл полиуретан ПВХ — 19,9 диван с метал лическим кар касом
Т75/ 7,5 2,6 Складные металл полиуретан ПВХ — 7,2
F20 (X4) стулья (4 шт) a рассчитано при помощи показателей потери массы и предполагаемого Whc b рассчитано по показателям концентрации газа у выхода
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 113
Таблица B.5.3(e) Зависимость скорости выделения тепла от типа ткани в таблице B.5.3(a) (внутри каждой группы все остальные элементы остаются постоянными)
Образец Максимальное зна- Ткань Набивочный материал чение q (кВт) при полномасштаб ных испытаниях Группа 1 F24 700 хлопок (750 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена F21 1970 полиолефин (560 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена Группа 2 F22 370 хлопок (750 г/м2) ватная набивка F23 700 полиолефин (560 г/м2) ватная набивка Группа 3 28 760 отсутствует огнестойкая полиуретановая пена 17 530 хлопок (650 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена 21 900 хлопок (110 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена 14 1020 полиолефин (650 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена 7, 19 1340 полиолефин (360 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена
Таблица 8.5.3(f) Зависимость максимальной скорости выделения тепла от типа набивочного материала в таблице B.5.3(d) (внутри каждой группы все остальные элементы остаются постоянными)
Образец Максимальное зна- Набивочный материал Ткань чение q (кВт) в полномасштабных испытаниях
Группа 1
F21 1970 огнестойкая полиуретановая полиолефин (560 г/м2) пена
F23 1990 неогнестойкая полиуретано- полиолефин (560 г/м2) вая пена
Группа 2
F21 1970 огнестойкая полиуретановая полиолефин (560 г/м2) пена
F23 700 ватная набивка полиолефин (560 г/м2)
Группа 3
F24 700 огнестойкая полиуретановая хлопок (750 г/м2) пена
F22 370 ватная набивка хлопок (750 г/м2)
21 900 хлопок (110 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена
14 1020 полиолефин (650 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена
7, 19 1340 полиолефин (360 г/м2) огнестойкая полиуретановая пена
Группа 4
12, 27 1460 неогнестойкая полиуретано- полиолефин (360 г/м2) вая пена
7, 19 1340 огнестойкая полиуретановая полиолефин (360 г/м2) пена
15 120 неопреновая пена полиолефин (360 г/м2)
Группа 5
20 430 неогнестойкая полиуретано- хлопок (650 г/м2) вая пена
17 530 огнестойкая полиуретановая хлопок (650 г/м2) пена
22 0 неопреновая пена хлопок (650 г/м2)
Таблица В.5.3(g) Зависимость скорости выделения тепла образцов с неогнестойким полиуре тановым набивочным материалом и полиолефриновой тканью от материала каркаса
Образец Масса (кг) Максимальное значение q Каркас (кВт) F25 27,8 1990 дерево F30 25,2 1060 полиуретан
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 114 F29 14,0 1950 полипропилен
Таблица B.5.3(h) Параметры выбора скорости выделения тепла при расчёте
Пожары с постоянной скоростью выделения тепла Теобальд [17] (на территории промышленного предпри- 260 кВт/м2 ятия) Ло [49] (в офисном помещении) 290 кВт/м2 Ханселл и Морган [50] (в комнатах отеля) 249 кВт/м2 Пожары с различной скоростью выделения тепла Конфигурация горючего материала Скорость роста пожара (NBSIR 88-3695) Рабочее место, оснащенное компьютером Свободное горение низкая - высокая Помещение очень низкая Стеллажи Свободное горение средняя до 200 с, высокая после 200 с Офисный модуль очень низкая – средняя Единица горючего материала Максимальная скорость выделения теп- (NBSIR 483) ла (кВт) Рабочее место, оснащённое компьютером 1000-1300 Единица горючего материала Максимальная скорость выделения теп- (NBS, монография 173) ла (кВт) Стулья 80-2480 (<10, металлический каркас) Двухместные диваны 940-2890 (370, металлический каркас) Диван
Описание рассчитанного пожара, основанное на испытанных свойствах
Общая оценка скорости выделения тепла горючих материалов производится на основе пожарных свойств
этих материалов. Данные пожарные свойства могут быть определены при помощи мелкомасштабных испыта ний. Наиболее значимыми мелкомасштабными испытаниями являются калориметрические испытания, вклю чающие в себя калориметрию кислородного обеднения и применение внешнего теплового потока на образец, с целью определения времени возгорания, скорости высвобождения массы и скорости выделения тепла при
определенном воздействующем потоке. Наиболее важными из современных испытательных приборов являют ся конический калориметр и калориметр, сертифицированный по стандартам FM (Factory Mutual). Основыва ясь на данных, полученных при помощи калориметров, также можно рассчитать температуру возгорания, кри тический поток возгорания, эффективную тепловую инерцию (kρc), теплоту сгорания, и теплоту газообразо вания. Свойства, необходимые для определения распространения пламени в направлениях, не совпадающих с потоком пламени, не поддающиеся измерению при помощи калориметров, могут быть измерены при помощи прибора для определения распространения пламени и боковых возгораний (LIFT). В данном разделе даётся понятие использования результатов испытаний пожарных свойств как основы для аналитического расчёта скорости выделения тепла, необходимого при использовании испытываемых материалов.
Анализ измеренных свойств
В таблице В.6.2. приведены виды пожарных свойств, которые могут быть получены при помощи кониче ского калориметра или калориметра, сертифицированного по стандартам FM (Factory Mutual), или других по добных приборов.
Таблица B.6.2 Свойства, измеренные при помощи калориметра, в соотношении с расчётом пожаров
Свойство Возгорание Распространение Размер пожара пламени (энергия) Скорость выделения тепла* ЧЧЧ ЧЧЧ Потеря массы* ЧЧЧ Время до возгорания* ЧЧЧ ЧЧЧ Расчётные термические свойства † ЧЧЧ ЧЧЧ Теплота сгорания † ЧЧЧ ЧЧЧ Теплота газообразования ЧЧЧ †
Поток критического возгорания † ЧЧЧ ЧЧЧ Температура возгорания † ЧЧЧ ЧЧЧ
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 115
* свойство является функцией внешнего воздействующего падающего потока.
свойства, полученные из калориметрических измерений.
†
Свойства скорости выделения тепла, потери массы и времени до возгорания, приведенные в таблице
В.6.2, являются функциями внешнего падающего теплового потока, направленного на испытываемый обра зец. Задача внешнего потока заключается в том, чтобы смоделировать среду пожара, окружающую горящий
объект. В целом, можно рассчитать, что на набор свободно горящих горючих материалов (то есть, набор ма териалов, которые горят в открытом пространстве, не подвергаясь воздействию обратного потока энергии от горячего газового слоя другого источника тепла, кроме своего собственного пламени), воздействует поток от
25 кВт/м2 до 50 кВт/м2. Если пожар протекает в помещении, и условия приводят к общей вспышке, поток мо жет достигать от 50 кВт/м2 до 75 кВт/м2. В полностью развившемся пожаре на этапе после общей вспышки поток может варьироваться от 75 кВт/м2 до 100 кВт/м2 и выше. Далее каждое свойство рассмотрено индивиду ально.
(a) Скорость выделения тепла. Скорость выделения тепла определяется при помощи калориметрии кисло родного обеднения. Каждое испытание проводится при потоке, заданном пользователем, либо на протяжении
заданного промежутка времени, либо до тех пор, пока образец не будет уничтожен огнем. Итоговые резуль таты предоставляются в виде графика зависимости скорости выделения тепла от времени, с обозначенным уровнем воздействующего потока. В некоторых случаях скорость выделения тепла в нескольких испытаниях с одним и тем же материалом при разном уровне воздействующего потока отображается в виде нескольких кривых для сравнения. Пример такого графика приведен на рис. В.6.2(a).
Рис. B.6.2(a) Типичный график выходных данных испытания в конусном калориметре
Часто в результатах отображается только максимальная скорость выделения тепла при заданном потоке.
Пример см. в таблице B.6.2(a).
Таблица В.6.2(a) Средние показатели максимальной скорости выделения тепла (кВт/м2)
Материал Ориентация Воздействующий Воздействующий Воздействующий поток: поток: поток:
25 кВт/м2 50 кВт/м2 75 кВт/м2
Полиметилметак- Горизонтальная 57 79 рилат
Вертикальная 49 63
Сосна Горизонтальная 12 21
Вертикальная 11 15
Образец A Горизонтальная 11 18
Вертикальная 8 11
Образец B Горизонтальная 12 15
Вертикальная 5,3 18
Образец C Горизонтальная 19
Вертикальная 15
Образец D Горизонтальная 6,2 13
Вертикальная 11
(b) Скорость потери массы (m). Скорость потери массы определяется при помощи динамометрического датчика. Метод предоставления итоговых данных в точности такой же, как для скорости выделения тепла. В типичных условиях, когда материал обладает устойчивой теплотой сгорания, кривые скорости потери массы и скорости выделения тепла будут иметь схожую форму.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 116
(c) Время до возгорания (qi). Данные времени до возгорания предоставляются отдельно для каждого ис пытания и для уровня воздействующего потока, применяемого в испытании.
(d) Эффективная тепловая инерция (kρc). Эффективной тепловой инерцией называется показатель от ветного увеличения тепла испытываемого материала под воздействием теплового потока, направленного на
образец. Она рассчитывается в момент возгорания и основывается на соотношении падающего потока и пото ка критического возгорания и времени до возгорания. Для определения эффективной тепловой инерции не обходимо провести серию испытаний при различных уровнях воздействующего потока. Эффективная тепло вая инерция, рассчитанная таким способом, может отличаться от результатов, полученных при помощи дан ных руководства для значений (k, ρ и c) без проведения пожарных испытаний и может оказаться более пред почтительной.
(e) Теплота сгорания (Hc). Теплота сгорания рассчитывается путём деления измеренной скорости выде ления тепла на измеренную скорость потери массы. Как правило, теплота сгорания предоставляется в виде отдельной величины, если образец не является композитным материалом и значения скорости выделения тепла и скорости потери массы не изменяются значительным образом в зависимости от времени и воздейст вия пожара.
(f) Теплота газообразования (hg). Теплота газообразования представляет собой поток, необходимый для пиролиза единицы массы горючего вещества. Она рассчитывается как тепловой баланс и представляется как отдельная величина в единицах количества энергии на массу высвободившегося вещества (например, кДж/г).
(g) Поток критического возгорания (qcr). Потоком критического возгорания называется минимальный уро вень падающего потока, воздействующего на образец, необходимый для его возгорания, при неограниченном времени воздействия. Если уровни падающего потока имеют меньшее значение, чем уровень потока критиче ского возгорания, то возгорания не происходит.
(h) Температура возгорания (Ti). Температурой возгорания называется температура поверхности образца, при которой происходит воспламенение. Данная величина характеризует материал образца и не зависит от свойств падающего потока. Она может быть получена при помощи калориметрических испытаний, испытаний с прибором для определения распространения пламени и боковых возгораний (LIFT) и других испытаний.
Температура возгорания рассчитывается при помощи значения времени до возгорания в данном испытании,
воздействующего потока и эффективной тепловой инерции данного образца. Она представляется в виде от дельной температурной величины. Если при испытании используется контрольная горелка или подготови тельный искровой заряд, то температурная величина указывается для управляемого возгорания; если внеш нее управление отсутствует, то указывается температурная величина для самовоспламенения.
Возгорание
Уравнения для расчёта времени до возгорания (tig) даны для термически тонких и термически толстых ма териалов, о которых сказано в подразделах ниже. Расчёт tig для материалов промежуточной толщины не вхо дит в область применения данного документа.
(а) Термически тонкие материалы. При возгорании от устойчивого падающего теплового потока, tig, на на греваемой поверхности и относительно малых потерях при теплопередаче на ненагреваемую поверхность термически тонким называется материал, температура которого остаётся относительно однородной по всей его толщине (l), при t = tig. Например, при t = tig :
Tнагрев − Tненагрев = Tig − Tненагрев < 0,1(Tig − T0 ) (B.4)
Уравнение (B.4) может использоваться для выявления термически тонких материалов, при условии:
1 < 0,6(tig”)1/2 (B.5)
Например, для листового материала из клёна или дуба (с теплопроводностью α = 1,28 x 10-7 м2/с), при tig =
35 секунд, измеренном в испытании с управляемым возгоранием, согласно уравнению (B.5), если толщина образца составляет менее, чем 0,0013 м, то температура ненагреваемой поверхности будет приблизительно равнаTig в момент возгорания, следовательно, образец будет считаться термически тонким материалом.
Время до возгорания термически тонкого материала, подвергаемого воздействию падающего потока, пре вышающему критический падающий поток, равно:
(Tig − T0 ) tig = ρcl (B.6)
″ qi
(b) Термически толстые материалы. Относительно типа испытания на воспламенение, описанного в пре дыдущем подразделе, образец материала с толщиной (l ) принимается за термически толстый материал, если увеличение температуры на ненагреваемой поверхности относительно мало по сравнению с температурой на нагреваемой поверхности при t = tig. Например, при t = tig :
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 117 Tненагрев BT0 < 0,1(Tнагрев BT0 ) = 0,1(Tig BT0 ) (B.7)
Уравнение (B.7) может использоваться для выявления термически толстых материалов при условии:
l > 2(tig10)1/2 (B.8)
Например, в случае с испытанием на воспламеняемость листового материала из клёна или дуба, согласно
уравнению (B.8), при tig = 35 секунд, измеренном в испытании с управляемым возгоранием, и толщине образ ца, превышающей 0,0042 м, температура ненагреваемой поверхности образца будет приблизительно равна
Т0, и образец будет считаться термически толстым материалом.
Время до возгорания термически толстого материала, подвергаемого воздействую падающего потока, пре вышающего критический падающий поток, равно:
⎛ В ⎞ ⎛ Т ig ВТ 0 ⎞⎟ tig = ⎜ ⎟kρc⎜⎜ (B.9)
⎝ 4 ⎠ ⎝ qi′′ ⎟⎠
Необходимо заметить, что отдельный материал сам по себе не является термически тонким или термиче ски толстым (характеристика материала как термически тонкого или толстого не является свойством самого материала), но эта характеристика зависит от толщины определенного образца (то есть, отдельный материал может обладать конфигурацией термически тонкого или термически толстого материала).
(3) Распространение тепла между двумя наборами горючих материалов. При исследовании распростране ния тепла между отдельными наборами горючих материалов, падающий поток может быть рассчитан с помо щью стандартных методов лучистой теплопередачи.
Лучистая теплопередача от горящего набора горючих материалов с общей скоростью высвобождения энергии, равной Q, к внешней поверхности другого набора горючих материалов может быть рассчитана при помощи следующего уравнения:
″ X Q qinc = r 2 (B.10)
4πr где:
qinc” – падающий поток, направленный на горючее вещество
Xr – доля излучения воздействующего огня
Q – скорость выделения тепла воздействующего огня r – радиальное расстояние от центра воздействующего огня до горючего вещества, подвергаемого воздей ствию
Расчёт скорости выделения тепла
Как было сказано выше, согласно испытаниям, высвобождение энергии при горении набора горючих мате риалов варьируется приблизительно от 25 кВт/м2 до 50 кВт/м2. Для предварительного анализа предлагается
использовать данные испытаний со значением падающего потока, равным 50 кВт/м2. Для первых приближен ных значений необходимо допускать, что все поверхности, которые могут быть одновременно охвачены ог нем, высвобождают энергию со скоростью равной скорости, установленной при испытании горючих свойств материала в калориметре с падающим потоком, равным 50 кВт/м2 для свободно горящего материала и от 75 до 100 кВт/м2 в условиях после общей вспышки.
При осуществлении этого расчёта необходимо допускать, что все поверхности, открытые для воздейст вующего огня (или перегретого газа, в условиях после общей вспышки), также горят, высвобождая энергию и массу с определенной скоростью. Если горение сопровождается достаточным количеством воздуха, расчёт скорости выделения тепла производится умножением площади воздействия пожара на скорость выделения тепла на единицу площади, рассчитанную в калориметрическом испытании. Если взяты данные испытаний падающего потока воздействующего огня, необходимо использовать значение скорости выделения тепла, полученные при испытаниях. Если взяты данные испытаний другого падающего потока, то скорость горения должна быть рассчитана, используя теплоту газообразования, как показано в уравнении (B.11), чтобы вычис лить скорость горения массы на единицу площади:
″ qi m ′′ = (B.11) hc
Полученная скорость потери массы умножается на расчётную теплоту сгорания и площадь горения, на ко торую воздействует падающий поток, чтобы получить расчётную скорость выделения тепла по следующей формуле:
″
Qi = m" hc A (B.12)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 118
Распространение пламени
При необходимости прогнозировать рост пожара при его распространении по горючим поверхностям, не обходимо рассчитать распространение пламени. На сегодняшний день вычисление скорости распространения пламени является развивающейся технологией, всё еще находящейся на этапе зарождения. Прогнозируемые данные должны рассматриваться в качестве оценок порядка величины.
Распространение пламени представляет собой продвижение огня по поверхности горящего материала (или
воспламенившегося материала), при котором горящая поверхность еще не полностью охвачена огнем. С точ ки зрения физики, распространение пламени представляет собой последовательность возгораний, возникаю щую в результате тепловой энергии, выделяемой горящей частью материала, её пламенем и любыми другими случайными источниками тепловой энергии, воздействующими на несгоревшую поверхность. В число других
источников случайной энергии могут входить другие горящие предметы, высокотемпературные газы, способ ные скапливаться в верхнем слое закрытого помещения, и излучающие источники тепла, используемые в ис пытательных приборах, таких как конический калориметр или аппарат по определению распространения пла мени и боковых возгораний (LIFT). Для аналитических целей распространение пламени может делиться на
две категории: распространение пламени в одном направлении с факелом пламени (сопутствующее или сов падающее с направлением ветра) и распространение пламени, движущееся в любом другом направлении (бо ковое или противоположно направленное). Сопутствующее распространение пламени сопровождается па дающим тепловым потоком в направлении поверхностей горящего материала, неохваченных огнем. Боковое распространение пламени не имеет такой поддержки и, как правило, прогрессирует гораздо медленнее, если не предусмотрен внешний источник теплового потока. Сопутствующее распространение пламени может быть выражено следующей формулой:
″ qi L
V = (B.13) kρс(Tig − Ts ) 2
Значения kρc и температуры возгорания рассчитываются с помощью конического калориметра, как было описано ранее. Для данного уравнения длина пламени (L) измеряется на переднем крае участка горения.
КВАДРАТИЧНЫЕ ПОЖАРЫ
В течение последнего десятилетия исследователи, заинтересованные в разработке обобщенной характе ристики скорости выделения тепла случайных свободно горящих пожаров, использовали для этой цели «квад ратичную» аппроксимацию. Квадратичным пожаром называется такой пожар, при котором скорость горения изменяется пропорционально квадрату времени. Квадратичные пожары часто классифицируются по скорости роста пожара: быстрые, средние и медленные (и иногда сверхбыстрые). Данная классификация основывается на времени, затрачиваемом на рост пожара до момента, при котором скорость выделения тепла достигнет
1000 кВт. Ниже представлены показатели времени для каждого класса пожара:
Классы Время до достижения 1000 кВт Сверхбыстрый 75 с Быстрый 150 с Средний 300 с Медленный 600 с
Общая формула:
q = at 2 где q – скорость выделения тепла, кВт a – постоянный коэффициент скорости роста t – время, с
Соответствие аппроксимации квадратичного пожара и реального пожара
Квадратичный пожар может рассматриваться как пожар, в котором скорость выделения тепла на единицу площади постоянна по всей горящей поверхности и при котором огонь распространяется по окружности с постоянно увеличивающимся радиусом. В таких случаях, площадь горения увеличивается пропорционально квадрату радиуса пожара. Разумеется, другие виды пожаров, которые не располагают настолько удобными упорядоченными наборами горючих материалов и устойчивой скоростью горения, также могут строиться по кривой квадрата времени или не строиться по ней. Подразумевается предположение, что квадратичная ап проксимация является достаточно точной для рациональных расчётных решений.
На рис. С.2(a) показано, что большинство пожаров проходят через инкубационный период, в течение ко торого пожар не соответствует квадратичной аппроксимации. В отдельных случаях инкубационный период может нанести серьёзный вред использованию квадратичной аппроксимации. В большинстве случаев это не составляет серьёзной проблемы для атриумов и других больших помещений. Предполагается, что скорости
выделения тепла в течение инкубационного периода, как правило, бывает недостаточно для активации сис темы обнаружения дыма. В любом случае, если активация системы обнаружения дыма наступает, или наблю-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 119 дение человеком приводит к более ранней активации системы дымоудаления, то необходимые меры безопас ности будут приняты.
Рис. С.2(a) Схематическое изображение продолжительного роста пожара
На рис. C.2(b) сопоставлены кривые скорости выделения тепла, характеризующие вышеупомянутые классы квадратичных пожаров, и два испытательных пожара, как правило, использующихся для испытательных це лей. Испытательные пожары показаны пунктирными линиями и обозначены как «мебель» и «склад высотой
1,8 м». Пунктирными линиями, отдаленными от точки начала координат, обозначена фактическая скорость выделения тепла испытательных пожаров, применявшихся при разработке спринклеров для жилых помеще ний, и стандартного типа испытания с набором горючих материалов из картонных коробок с пенопластовыми ведрами 1,8 м в высоту, также часто используемого в стандартных испытательных пожарах.
Несколько других пунктирных линий на рис. С.2(b) представляют собой те же самые кривые, перемещен ные в начало координат для сравнения. Очевидно, что скорость роста данных пожаров фактически больше, чем скорость роста установленная для сверхбыстрого пожара. Это уместно для пожара, предназначенного для испытания системы пожаротушения.
На рис. С.2(c) соотносятся классы кривых роста квадратичных пожаров с некоторыми наборами натурных горючих материалов. Отдельные наборы горючих материалов описаны в подразделе «Прогнозирование ско рости выделения тепла при пожаре» раздела «Справочная информация».
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 120
Рис. C.2(b) Квадратичный пожар, скорости выделения энергии
Рис C.2(c) Связь между квадратичными пожарами и некоторыми пожарными испытаниями
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ ПОМОЩИ УРАВНЕНИЙ, ПРИВЕДЁННЫХ В
СТАНДАРТЕ NFPA 92B
Условия задачи
Дано: Атриум с однородной прямоугольной площадью поперечного сечения.
Высота 36,6 м
Площадь 1 858 м²
A/H 1,4
Расчётный пожар (стационарный) 5275 кВт
Наиболее высоко расположенная поверхность перемещения людей 28 м
Задача 1. Определить время, когда первые признаки дыма окажутся на высоте 1,83 м над наиболее высоко расположенной поверхностью перемещения людей.
Решение:
(a) Используя уравнение (3):
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 121 z ⎛ tQ1 / 3 / H 4 / 3 ⎞ = 1,11 − 0,28 ln⎜⎜ ⎟⎟ H ⎝ A/ H ⎠
z 30,5 м
H 36,6 м
Q 5275 кВт
Q 1/3 17,4
H 4/3 121,4
A/H 2 1.4
0,83 = 1,11 – 0,28 ln ⎛⎜ 17,4t / 121,4 ⎞⎟
⎝ 1.4 ⎠
⎡ 0,14t ⎤
0,83 = 1,11 0,28 ln ⎢ ⎥
⎣ 1,4 ⎦
0,83 = 1,11 – 0,28 ln [0,1t]
1 = ln [0,1t]
2,8 = 0,1t t = 28 t = 28 секунд
(b) Используя метод массового расхода струи, основанный на уравнении (8):
Могут быть использованы два метода расчёта. Первый расчёт предполагает, что значение плотности ды мового слоя равно 1,2 кг/м3, что эквивалентно значению дымового слоя при температуре 21°C. Второй расчёт
предполагает, что температура дымового слоя равна средней температуре потока на уровне границы дымово го слоя. В обоих случаях тепловые потери дымового слоя у границ атриума не учитываются. Для обоих расчё тов выбран временной интервал, равный 1 секунде.
Расчёт 1 – Без коррекции плотности дыма.
Шаг 1. Рассчитать массовый расход струи (кг/с) при z=H, используя уравнение (8).
Шаг 2. Преобразовать массовый расход в объёмный расход, при температуре дыма, равной 21°C, исполь зуя формулу:
m
V= ρ где
V – объёмный расход, м3/с m – массовый расход, кг/с ρ – плотность дыма, кг/м3
Шаг 3. Допуская, что объём дыма, образующийся в течение установленного временного интервала, мгно венно и равномерно распространяется по площади атриума, определить толщину дымового слоя dz (м), обра зовавшегося в течение установленного промежутка времени.
Шаг 4. Рассчитать высоту границы дымового слоя (в метрах).
Повторять шаги (1)–(4) до тех пор, пока граница дымового слоя не достигнет расчётной высоты.
Образцы значений приведены в таблице E.1, где показаны методы расчёта.
Задача 2. Определить объёмный расход, требуемый, чтобы удерживать уровень дыма на высоте 1,5 м от наиболее высоко расположенного уровня поверхности перемещения людей в атриуме, в данном случае, бал кон 9-го этажа. Рассмотреть случай протекания пожара в центре этажа атриума.
При протекании пожара в центре атриума предполагается наличие осесимметричной струи. Во-первых, для определения высоты пламени нужно использовать уравнение (7).
Дано:
Qс = 3692 кВт zl = 0,166 Qс 2/5 zl = 0,166 (3692) 2/5 zl = 4,2 м
При высоте расчётной границы дымового слоя, равной 26 м над уровнем этажа, высота пламени составля ет меньше, чем высота расчётного дымового слоя. Следовательно, применяя уравнение (8) для определения скорости дымообразования на уровне высоты границы дымового слоя, получаем:
z = 26 м m = 0,071Qс 1/3 z5/3+ 0,0018Qс m = 0,071(3692) 1/3(26) 5/3+ 0,0018 (3692)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 122 m = 242,6 кг/с
При условии, что скорость дымоудаления равна скорости дымообразования, глубина дымового слоя будет стабилизирована на расчётной высоте. Таким образом, преобразование скорости массового расхода в ско рость объёмного расхода производится по уравнению:
m
V= ρ где ρ = 1,2 кг/м3
V = 242,6 /1,2
V = 202,2 м3/с или 12132 м3/мин
Таблица E.1 Примеры расчётных значений
Время (с) z (м) Массовый расход (кг/с) Объёмный расход (м3/с) 1 36,4 445,5 369,6 2 36,2 441,5 366,2 3 36 437,4 4 35,8 433,8 359,7 5 35,6 429,8 356,5 6 35,4 425,7 353,3 7 35,2 422,1 350,2 8 35 418,5 347,1 9 34,8 415 10 34,6 411,3 341,1 11 34,4 407,7 338,1 12 34,2 404,1 335,1 13 34 400,5 332,2 14 33,9 397 329,4 15 33,7 393,8 326,5 16 33,5 390,2 323,7 17 33,4 387 18 33,2 383,4 318,2 19 33 380,3 315,6 20 32,9 377,1 312,8 21 32,7 374 310,2 22 32,5 370,8 307,6 23 32,4 367,7 24 32,2 364,5 302,5 25 32 361,8 26 31,8 358,6 297,5 27 31,7 355,5 295,1 28 31,5 352,8 292,6 29 31,4 349,7 290,2 30 31,2 347 31 31 344,3 285,5 32 30,9 341,5 283,2 33 30,8 338,4 34 30,6 335,7 278,7 35 30,5 333 276,4
Задача 3. Определить, будет ли поток соприкасаться со всеми стенами, прежде чем он достигнет расчёт ной высоты, заданной в задаче 2 (1,5 м над наиболее высоко расположенным уровнем зоны перемещения людей).
Расчёт в задаче 2 предполагает, что дымовой поток не расширялся, чтобы соприкасаться со стенами ат риума, прежде чем он достиг высоты расчётной границы. Этот расчёт служит в качестве проверки.
Используя уравнение (10) с высотой границы, равной 26 м (z= 26 м) d = 0,5 z d = 0,5 (26) d = 13 м
Следовательно, дым не соприкасается со стенами атриума, прежде чем он достигнет высоты расчётной границы.
Задача 4. На 10-м этаже требуется создать проём 3 м в ширину х 1,8 м в высоту из помещения арендатора в атриум.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 123
(a) Для пожара на площади арендатора определить встречный воздушный поток, требуемый, чтобы удерживать дым в пределах пространства арендатора (предполагаемая температура пожара равна
811°K)
Используя уравнение (11):
Дано:
H = 1,83 м g = 9,8 м/с2
Tf = 811°K
T0= 294°K v = 0,64 [gH (Tf - T0) / (Tf)]1/2 v = 0,64 [(9,8) (1,83) (811-294) / (811)] 1/2 v = 2,16 м/с
(b) Для пожара в атриуме определить встречный воздушный поток, требуемый для ограничения проник новения дыма в помещение арендатора.
Дано:
Q = 5275 кВт z = 27,4 м
ve = 0,057 [Q/z] 1/3 ve= 0,057 [5275/27,4] 1/3 ve= 0,33 м/с
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 124
NFPA 5000. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЕ АТ-
РИУМОВ И СМЕЖНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Информация по атриумам и смежным помещениям приведена в данной главе на основе стандарта NFPA
5000 «Строительные нормы и правила безопасности при строительстве» [2].
АТРИУМЫ
Использование атриумов допускается при соблюдении следующих условий:
− атриум должен быть отделен от прилегающих помещений противопожарными преградами с минимальным пределом огнестойкости, равным 1 часу, с открывающимися преградами для стен коридоров за исключе нием следующих случаев:
a) допускается любое количество уровней здания с выходом к атриуму без ограждения.
b) допускается использование застекленных стен и глухих (неоткрывающихся) окон вместо противопо жарных преград при соблюдении всех следующих условий:
вдоль обеих сторон застекленной стены и глухих окон должны быть установлены автоматические спринклеры с интервалом не менее 1828 мм.
автоматические спринклеры должны быть установлены на расстоянии не более чем 0,3 м от поверх ности стекла и расположены таким образом, чтобы площадь стекла полностью орошалась водой при работе спринклеров.
застекленные стены и глухие окна должны состоять из закалённого, армированного или многослойно го стекла, закрепленного уплотнительной системой, позволяющей остекленной рамной системе про гибаться, не вызывая разрушения посредством нагрузки на стекло прежде чем сработают спринкле ры.
допускается отсутствие автоматических спринклеров на застекленной стене и глухих окнах со сторо ны атриума, в случае, если со стороны атриума отсутствует зона перемещения людей или другая этажная площадь над уровнем главного этажа.
двери в проемах застекленных стен должны состоять из стекла или другого материала, препятствую щего проникновению дыма.
двери должны быть самозакрывающимися или автоматически закрывающимися при обнаружении ды ма.
− в зоне атриума допускается расположение доступа к выходам и выходов наружу.
− оборудование, находящееся в помещении, должно соответствовать спецификациям классов малопожаро опасных или умереннопожароопасных материалов.
− здание должно быть полностью защищено сертифицированной автоматической спринклерной системой.
− в помещении должен быть проведен технический анализ, подтверждающий, что конфигурация здания позволяет удерживать границу дымового слоя выше уровня наиболее высокорасположенного открытого
проема к прилегающим помещениям, или на расстоянии 1828 мм над уровнем наиболее высокорасполо женного этажа с выходом к атриуму либо в течение промежутка времени, в 1,5 раза превышающего рас четное время эвакуации, либо в течение 20 мин, в зависимости от того, какое значение больше.
− в помещении должна быть установлена система дымоудаления, независимо активируемая любым из сле дующих способов:
a) при срабатывании определенной автоматической спринклерной системы в зоне атриума или помеще ниях, прилегающих к атриуму b) при помощи ручного управления, доступного пожарному подразделению.
СМЕЖНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ
Использование открытых проемов в перекрытиях, образующих смежные помещения между этажами, до пускается при соблюдении следующих условий:
− смежные помещения должны объединять не более трех соседних этажей.
− нижний или соседний с нижним этаж, находящийся в пределах смежных помещений, принимается за этаж, расположенный на уровне улицы.
− общая площадь смежных помещений на этаже должна быть открыта и лишена заграждений, таким обра зом, чтобы в случае возникновения пожара в любой части смежных помещений пользователи были неза медлительно оповещены о пожаре, до наступления угрозы их жизни и здоровью.
− смежные помещения должны быть отделены от остальной части здания противопожарными преградами с пределом огнестойкости не менее чем 1 час, за исключением следующих случаев:
a) в зданиях, оснащенных сертифицированной автоматической спринклерной системой по всей площа ди, вместо противопожарных преград допускается использование дымозащитных преград.
b) в жилых корпусах следственных тюрем и исправительных учреждений, полностью оснащенных спринклерными системами, данное требование не действует.
− в смежных помещениях должны содержаться умереннопожароопасные материалы, полностью защищен ные сертифицированной автоматической спринклерной системой, или только малопожароопасные мате риалы.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 125
− пропускная способность выходов должна обеспечивать одновременную эвакуацию всех людей, находя щихся на всех этажах смежных помещений, принимаемых за единую этажную площадь.
− каждый пользователь, находящийся в смежном помещении, должен иметь доступ к одному или несколь ким выходам без необходимости проходить через другой этаж смежного помещения.
− каждый пользователь, находящийся за пределами смежного помещения, должен иметь доступ к одному или нескольким выходам без необходимости входить в смежное помещение.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 126
IBC 2003. ПРОТИВОДЫМНАЯ ЗАЩИТА АТРИУМОВ И ЗДАНИЙ
КРЫТЫХ МОЛЛОВ
Информация по зданиям крытых моллов, атриумам, а также системам противодымной защиты приведена в данной главе на основе IBC 2003 «Международные строительные нормы» 2003 года [1]. В данном документе встречаются следующие понятия:
Группа B – здания, сооружения или их часть, предназначенные для офисной, профессиональной дея тельности или операций по предоставлению услуг и включающие хранение учетных документов и отчетности.
В данную группу входят: командные диспетчерские пункты аэропортов, ветеринарные лечебницы, питомники и приюты для животных; банки; салоны красоты и парикмахерские; автомобильные мойки; здания общест венного управления; поликлиники – для амбулаторного лечения; химчистки и прачечные; пункты приема, доставки и самообслуживания; образовательные учреждения выше 12 класса; электронная обработка данных;
центры электронной обработки данных; лаборатории для испытаний и исследований; автосалоны; почтовые отделения; типографии; организации, оказывающие профессиональные услуги (проектные, инженерные, те рапевтические, услуги адвоката, стоматолога); радио- и телевизионные станции; телефонные станции.
Группа H – здания, сооружения или их часть, предназначенные для производства, обработки или хране ния материалов, представляющих физическую опасность или угрозу здоровью.
Группа I – здания, сооружения или их часть, предназначенные для ухода за людьми, или содержания
людей под наблюдением из-за ограничений физического характера, вызванных заболеваниями или по возрас тным причинам, направленных на медицинское лечение или другого рода уход, или учреждения, предназна ченные для содержания задержанных в карательных или исправительных целях, или в которых ограничена свобода, людей, находящихся в этих учреждениях. Группа I включает в себя следующие подгруппы:
Подгруппа I-2 – здания, сооружения или их часть, предназначенные для предоставления круглосуточной
медицинской, хирургической, психиатрической помощи или повседневного ухода за более чем пятью пациен тами, не способными к самостоятельному поддержанию жизни. В данную подгруппу входят: больницы, дома престарелых, психиатрические больницы, наркологические центры.
Подгруппа I-3 – здания или сооружения, населенные более чем пятью людьми, находящимися в услови ях изоляции или лишения свободы. В данную подгруппу входят: тюрьмы, исправительные заведения для не совершеннолетних преступников, места предварительного заключения, исправительные колонии, центры предварительного освобождения.
Группа R – здания, сооружения или их часть, предназначенные для проживания, в отличие от учрежде ний. Группа R включает следующие подгруппы:
Подгруппа R-1: Жилые здания, предназначенные для кратковременного проживания, включая: пансио наты (для временного пребывания), отели (для временного пребывания), автодорожные гостиницы (для вре менного пребывания).
Подгруппа R-2: Жилые здания, содержащие спальные места или более двух единиц жилья, преимущест венно предназначенные для постоянного проживания, включая: квартирные дома; пансионаты (для долго временного проживания); женские монастыри; общежития; мужские и женские общины; мужские монастыри;
апартаменты на условиях таймшер; отели (для долговременного проживания); автодорожные гостиницы (для долговременного проживания).
ЗДАНИЯ КРЫТЫХ МОЛЛОВ
Требования данного раздела относятся к зданиям или сооружениям, определенным здесь как здания кры тых моллов, не превышающие уровня трех этажей в любой точке или не выше трех этажей над уровнем зем ли. Здания крытых моллов должны соответствовать применяемым требованиям данных строительных норм,
кроме необходимости выполнения особых требований данного раздела. Исключения составляют фойе и вес тибюли группы B и подгрупп R-1 и R-2, которые могут не соответствовать данному разделу, а также здания могут не соответствовать требованиям этого раздела, если они полностью соответствуют другим применяе мым требованиям строительных норм.
План арендной площади
После получения свидетельства о приемке здания в эксплуатацию, владелец каждого здания крытого мол ла должен представить в строительный и пожарный комитеты план арендной площади с указанием располо жения каждого помещения с выходами. Без предварительного согласования с представителями строительного надзора не должно производиться никаких изменений в аренде или эксплуатации, указанных на плане аренд ной площади.
Пути эвакуации
Каждое арендное помещение и здание крытого молла должны иметь пути эвакуации согласно требованиям данной главы.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 127
Определение населенности
Допустимая населенность в любом отдельном арендном помещении в здании крытого молла определяется согласно настоящим нормам. Требования к путям эвакуации для отдельных арендных помещений должно ос новываться на определенной таким образом населенности.
Расчет населенности
При расчете требуемых путей эвакуации молла число человек, для которых они предназначены, основы вается на общей арендной площади здания крытого молла (кроме якорных зданий) и коэффициенте населен ности, вычисленном по следующей формуле:
OLF= (0,00007) (GLA) + 25 где:
OLF – коэффициент населенности, в м2 на человека
GLA – общая арендная площадь, м2
Диапазон коэффициента населенности (OLF) не должен быть меньше 30 и больше 50.
Якорные здания. Населенность якорных зданий, выходящих в молл, не должна включаться в расчет обще го числа людей в молле.
Фудкорты. Для определения требований к путям эвакуации для молла населенность фудкорта прибавляет ся к рассчитанной выше населенности здания крытого молла.
Количество путей эвакуации
Если расстояние до молла от любой точки в пределах арендного помещения, используемого лицами, не относящимися к персоналу, превышает 22860 мм или населенность арендного помещения превышает значе ние 50, необходимо обеспечить наличие как минимум двух путей эвакуации.
Расположение путей эвакуации
Помещения с населенностью 500 и более человек в здании крытого молла должны располагаться так, что бы выходы напрямую соединялись с главным входом в молл, и не менее половины необходимых путей эва куации выходили наружу здания крытого молла.
Необходимые пути эвакуации в якорных зданиях должны быть независимы от системы путей эвакуации молла. Населенность якорных зданий, выходящих в молл, не должна включаться в расчет путей эвакуации молла. Путь эвакуации в молле не должен проходить через якорные здания. Моллы, заканчивающиеся в якорном здании, где отсутствуют другие пути эвакуации, считаются тупиковыми моллами.
Расстояние до выходов
В пределах каждого отдельного арендного помещения в здании крытого молла максимальное расстояние от любой точки до выхода или входа в молл не должно превышать 60960 мм. Максимальное расстояние от любой точки в пределах молла до выхода не должно превышать 60960 мм.
Доступ к выходам
Если необходимо наличие более одного выхода, они должны быть расположены так, чтобы можно было двигаться в любом направлении из любой точки в молле к отдельным выходам. Минимальная ширина выхода или коридора из молла должна составлять 1676 мм. Исключение составляют тупики длиной, не превышающей двойную ширину молла в самом узком месте тупикового участка молла. Если проходы к выходам оснащены дополнительными путями эвакуации из арендного помещения, двери выходов должны быть противопожарны ми с часовым пределом огнестойкости. Эти двери должны быть автоматическими и оставаться закрытыми или должны закрываться автоматически при обнаружении дыма.
Служебные помещения, выходящие в проходы к выходам
Машинные отделения, электрощитовые, коммуникационные помещения и грузовые лифты могут выходить непосредственно в проход к выходу при условии, что этот проход отделен от данных помещений стенами с часовым пределом огнестойкости и защитными средствами для проемов с таким же пределом огнестойкости.
Ширина молла
С целью обеспечения необходимой эвакуации, моллы могут рассматриваться как коридоры, при этом ши рина молла должна соответствовать требованиям данного раздела. Минимальная ширина молла должна со ставлять 6096 мм. Ширина молла должна быть достаточной для размещения того количества людей, для ко торого он предназначен. Необходимо обеспечение минимальной свободной ширины 3048 мм и высоты 2438 мм между любой проекцией арендного помещения, граничащего с моллом, и ближайшим киоском, торговым автоматом, скамьей, информационным табло, фудкортом или другим препятствием при движении по пути эва куации.
Типы конструкций
Типы I и II – типы конструкций, в которых конструктивные элементы состоят из невозгораемых материа лов.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 128
Тип III – тип конструкции, при котором внешние стены состоят из невозгораемых материалов, а внутрен ние элементы здания состоят из любого типа материала, предусмотренного данным стандартом. Огнеупорная деревянная рамная конструкция допускается внутри внешних сборных стен с двухчасовым пределом огне стойкости.
Тип VI – тип конструкции, при котором внешние стены состоят из невозгораемых материалов, а внутрен ние элементы здания состоят из цельной или многослойной древесины без скрытых пустот. Огнеупорная де ревянная рамная конструкция допускается внутри внешних сборных стен с двухчасовым пределом огнестой кости.
Площадь любого здания крытого молла, включая якорные здания с конструкциями типов I, II, III и IV, не
должна ограничиваться при условии, что здание крытого молла и прилежащие якорные здания и многоуровне вые парковки со всех сторон окружены открытым пространством не менее 18288 мм, а высота якорных зданий не превышает трех этажей.
Огнестойкие преграды
Между арендными помещениями и моллами, а также между фудкортом и прилегающими арендными по мещениями наличие огнестойких преград не требуется.
Примыкающая стоянка
Примыкающая стоянка для пассажирского автотранспорта вместимостью не более 9 человек, и открытые многоуровневые парковки рассматриваются как отдельное здание, если они отделены от здания крытого мол ла противопожарной преградой с как минимум двухчасовым пределом огнестойкости.
Преграды между арендными помещениями
Каждое арендное помещение должно отделяться от других арендных помещений огнестойкой преградой.
Между арендным помещением и моллом наличие огнестойких преград не требуется.
Преграды между якорным зданием и зданием крытого молла
Якорное здание должно быть отделено от здания крытого молла огнестойкими стенами. Исключение со ставляют якорные здания высотой не более трех этажей над уровнем земли, с классификацией населенности такой же, как и у арендаторов здания крытого молла, которые должны быть отделены противопожарными преградами с двухчасовым пределом огнестойкости.
Кроме преград между спальными блоками подгруппы R-1 и моллом, проемы между якорными зданиями с конструкциями типа I и II (см. примечание выше) и моллом не должны быть защищены.
Автоматические спринклерные системы
Здания крытых моллов и смежные с ними здания должны быть полностью оборудованы автоматической спринклерной системой, соответствующей следующим параметрам:
− автоматическая спринклерная система должна быть полной и действующей на всем занимаемом про странстве здания крытого молла до размещения арендаторов в помещениях. Незанятые арендные по мещения должны быть защищены аналогичным образом, если они не оснащены альтернативной серти фицированной защитой.
− спринклерная защита молла должна быть независимой от систем защиты арендных помещений или якорных зданий. Если арендные помещения обслуживаются этой же системой, они должны контролиро ваться отдельно.
Система гидрантов
Здание крытого молла должно быть повсеместно оборудовано системой гидрантов.
Дымоудаление
При необходимости следует предусмотреть систему дымоудаления для атриумов.
Киоски
Киоски и аналогичные им конструкции (постоянные или временные) должны соответствовать следующим требованиям:
− воспламеняемые киоски или другие конструкции не должны размещаться в молле, если они не произ ведены из следующих материалов: дерева, обработанного антипиреном; пенопласта с максимальной скоростью выделения тепла не более 100 кВт; алюминиевого композитного материала с коэффициен том распространения пожара не более 25 и коэффициентом дымообразования не выше 450.
− киоски или аналогичные им конструкции, расположенные внутри молла, должны оснащаться сертифи цированными устройствами обнаружения и тушения пожара.
− минимальная горизонтальное расстояние между киосками или группой киосков и другими конструкция ми внутри молла должна составлять 6 метров.
− площадь каждого киоска или аналогичной конструкции или группы киосков должна составлять не более
28 м2.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 129
Защитные решетки и двери
Горизонтальные раздвижные или вертикальные защитные решетки или двери, являющиеся частью путей эвакуации, должны соответствовать следующим требованиям:
− двери или решетки должны оставаться в полностью открытом положении во время пребывания основ ной массы людей.
− двери или решетки не должны закрываться, если в помещении с одним выходом находится более 10 человек, или 50 человек в помещении с более чем одним выходом.
− двери или решетки в занимаемом помещении должны открываться изнутри без применения специаль ных знаний или усилий.
− если требуется наличие двух или более выходов, допускается оснащение не более половины выходов горизонтальными раздвижными или вертикальными подъемными решетками или дверями.
Резервные источники питания
Здания крытых моллов площадью более 4645 м2 должны оснащаться резервными источниками питания, которые могут привести в действие системы голосового аварийного оповещения/аварийной связи.
Система голосового аварийного оповещения/аварийной связи
Здания крытых моллов с общей площадью помещений более 4645 м2, должны оснащаться системой голо сового аварийного оповещения/аварийной связи. Системы голосового аварийного оповещения/аварийной связи, предназначенные для молла, обязательные или нет, должны быть доступны пожарным подразделени ям.
Пластиковые указатели
На каждом этаже или уровне и от стены до стены каждого арендного помещения, выходящего в молл, не обходимо наличие пластиковых указателей. Пластиковые указатели не должны занимать более 20% площади стены, выходящей в молл. Высота пластиковых указателей не должна превышать 914 мм, при использовании вертикальных указателей их высота не должна превышать 2438 мм, а ширина – 914 мм. Пластиковые указате ли должны размещаться на расстоянии как минимум 457 мм от смежных арендных помещений.
Пластик (за исключением пенопласта)
Применяемый в указателях пластик (за исключением пенопласта) должен быть светопрозрачным или иметь температуру самовозгорания 343°C или выше, с коэффициентом распространения пожара не выше 75, и коэффициентом дымообразования не выше 450. Края и задняя сторона пластиковых указателей в молле должны быть полностью покрыты металлом.
Пенопласт
Применяемый в указателях пенопласт должен соответствовать критериям огнестойкости, так чтобы мак симальная скорость выделения тепла составляла 150 кВт. Минимальная плотность применяемого в указателях пенопласта не должна быть менее 320 кг/м3. Толщина указателей из пенопласта не должна превышать 12,7 мм.
Доступ пожарных подразделений к оборудованию
Помещения или зоны с элементами управления системами кондиционирования, автоматического пожаро тушения или другими системами обнаружения и тушения пожара, должны быть соответствующим образом обозначены для их применения пожарными подразделениями.
АТРИУМЫ
Вертикальные проемы, соответствующие требованиям данного раздела, не должны быть ограждены, кро ме помещений группы Н.
Эксплуатация
Пространство атриума не должно использоваться в целях, представляющих повышенную пожароопас ность, и в нем должны применяться только сертифицированные материалы и отделка в соответствии с «Меж дународными пожарными нормами». Исключение: площадь пространства атриума может быть использована в любых целях при условии, что каждое отдельное помещение оборудовано автоматической спринклерной сис темой.
Автоматические спринклерные системы
Во всем здании необходимо установить сертифицированную автоматическую спринклерную систему. Наличие спринклерной системы не является обязательным требованием в следующих случаях:
− если зона здания, смежная или расположенная над атриумом, отделена от зоны атриума противопо жарной преградой с двухчасовым пределом огнестойкости или горизонтальной стеной, или обеими кон струкциями.
− если высота пололка атриума выше 16 метров от уровня пола.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 130
Дымоудаление
Система дымоудаления должна быть установлена в соответствии требованиями раздела «Системы проти водымной защиты».
Отделение атриумов
Пространства атриумов должны отделяться от смежных помещений противопожарной преградой с часо вым пределом огнестойкости. Исключение составляют:
− стеклянные стены, образующие противодымную преграду там, где автоматические спринклеры располо жены через каждые 1800 мм и менее вдоль обеих сторон простенка, или на стороне помещения, если на стороне атриума нет галереи, и на расстоянии от 100 мм до 300 мм от стекла, и установлены так, что при активации спринклерной системы вода разбрызгивается по всей поверхности стекла. Стекло должно быть установлено в раму с уплотнителями так, чтобы каркасная система деформировалась без разбиения стек ла до активации спринклерной системы.
− стены из стеклоблоков с пределом огнестойкости 45 минут.
− смежные помещения на любых трех этажах атриума, которые необязательно отделять от него, если дан ные помещения включаются в расчет площади атриума при проектировании системы дымоудаления.
Резервные источники питания
Оборудование, предназначенное для работы системы дымоудаления, должно быть подключено к резерв ному источнику питания.
Внутренняя отделка
Внутренняя отделка стен и потолков атриума должна быть не ниже класса В (трудновоспламеняемая) без понижения класса в отношении спринклерных систем.
Расстояние до выхода
На любом уровне атриума, кроме самого нижнего, где требуемые пути эвакуации проходят через про странство атриума, расстояние до выхода в пределах пространства атриума не должно превышать 60960 мм.
СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ
Данный раздел посвящен механическим или пассивным системам дымоудаления. Целью данного раздела является установление минимальных требований к проектированию, установке и приемочным испытаниям
систем дымоудаления, предназначенных для обеспечения безопасных условий при эвакуации или перемеще нии людей по зданию. Данные условия не предназначены для сохранения содержимого, своевременного во зобновления операций или содействия пожаротушению или ремонтным работам.
Общие требования к проектированию
Здания, конструкции и их части, в которых необходимо иметь систему или системы дымоудаления, должны оснащаться данными системами, спроектированными в соответствии с этим разделом и общепринятыми строительными нормами. Проектно-сметная документация должна включать полную и специальную информа цию, необходимую для подробного описания частей конструкций, нужных для надлежащего внедрения систем дымоудаления. К данным документам должна прилагаться сопроводительная документация с полной инфор мацией и расчетами для подтверждения соответствия требованиям настоящего раздела.
Особые проверки и требования к испытаниям
В дополнение к обычным проверкам и требованиям к испытаниям, которым должны соответствовать зда ния, конструкции и их части, системы дымоудаления необходимо подвергнуть особым проверкам и испытани ям для контроля их надлежащего ввода в эксплуатацию после окончательной установки данных систем. При
представлении проекта, сопровождаемого проектно-сметной документацией, необходимо дать четкое описа ние процедур и методов, используемых для проверки и проведения испытаний, а также элементов системы, которые будут испытываться. Процесс ввода в эксплуатацию должен соответствовать общепринятой инже нерно-технической практике, и по возможности, основываться на существующих стандартах для конкретных типов испытаний.
Расчет
Представляемая проектно-сметная документация должна сопровождаться рациональным расчетом задей ствованных типов систем дымоудаления, методов их работы, поддерживающих их систем, а также используе мых строительных технологий. Данный расчет должен учитывать нижеприведенные условия, но не ограничи ваться ими.
Эффект тяги
Система должна быть спроектирована таким образом, чтобы максимально возможный обычный или обрат ный эффект тяги не оказывал неблагоприятного воздействия на технические характеристики системы. Для
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 131 определения максимально возможного эффекта тяги следует учитывать высоту, повышение, историю погод ных условий и внутренние температуры.
Тепловой эффект пожара
В соответствии с разделом «Расчетный пожар» необходимо проанализировать плавучесть и расширение под воздействием расчетного пожара. Система должна быть спроектирована таким образом, чтобы данный эффект не оказывал неблагоприятного воздействия на технические характеристики системы.
Ветровая нагрузка
В проекте необходимо учитывать неблагоприятное воздействие ветра.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования
В проекте необходимо учитывать воздействие систем отопления, вентиляции и кондиционирования на распространение дыма и пожара. В расчете должны учитываться все изменения состояния систем. В проекте необходимо учитывать воздействие пожара на системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
Климат
В проекте необходимо учитывать влияние низких температур на системы, имущество и пользователей зда ния. Приточные и вентиляционные отверстия должны быть расположены таким образом, чтобы препятство вать образованию снежных заносов и ледяных пробок.
Продолжительность работы
Все элементы активных или пассивных систем дымоудаления после обнаружения пожара должны непре рывно работать в течение как минимум 20 минут.
Конструкция дымозащитных преград
Дымозащитные преграды должны быть сконструированы и запаяны для ограничения зон утечки без за щищенных проемов. Максимально допустимая площадь утечки должна быть общей площадью, рассчитанной с помощью следующих коэффициентов площади утечки:
Стены: A/Aw = 0,00100
Помещения выходов: A/Aw = 0,00035
Все остальные шахты: A/Aw = 0,00150
Перекрытия и крыши: A/AF = 0,00050 где:
A – полная площадь утечки, м2
AF – единица площади экрана перекрытия или крыши, м2
AW – единица площади экрана стены, м2
Указанные коэффициенты площади утечки не учитывают проемы дверей, раздвижных окон или аналогич ных отверстий, которые необходимо включать в расчет полной площади утечки.
Площадь утечки
Полная площадь утечки преграды рассчитывается следующим образом: общая площадь дымозащитной
преграды умножается на коэффициент допустимой площади утечки, и прибавляется к площади других отвер стий, таких как проемы и раздвижные окна. Соответствие определяется с помощью достижения минимальной
разности давления воздуха по обе стороны преграды, и приведения системы в режим дымоудаления для ме ханических систем дымоудаления. Пассивные системы дымоудаления, испытанные при помощи других серти фицированных методов, таких как испытание дверного вентилятора, следует использовать при согласовании с представителем строительного надзора.
Защита проемов
Проемы в дымозащитных преградах должны защищаться автоматически закрывающимися устройствами, запускаемыми с помощью определенных элементов управления для механических систем дымоудаления.
Дверные проемы должны защищаться с помощью огнезащитных дверей. Исключение составляют:
− пассивные системы дымоудаления с автоматически закрывающимися устройствами, запускаемые с помо щью датчиков дыма;
− стационарные проемы между зонами задымления, защищаемыми при помощи метода подпора воздуха;
− в подгруппе I-2, где такие двери установлены в коридорах, две открывающиеся в обе стороны двери без центральных вертикальных импостов должны быть установлены в комплекте с прозрачными панелями из сертифицированных огнестойких материалов остекления в огнестойких рамах, площадь которых не пре вышает площадь испытанных дверей. Двери должны иметь небольшие зазоры в пределах стандартных
допусков, а также не должны иметь подрезов, жалюзи или решеток. Двери должны оснащаться декора тивными деталями, отмечающими места опирания сандрика на кронштейны, ограничителями стойки двер ной коробки, притворными планками или притворами на стыковых соединениях, а также автоматическими закрывающимися устройствами. Дверные задвижки не требуются;
− подгруппа I-3;
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 132 − проемы между зонами задымления при габаритной высоте потолка 4267 мм и более, и возможностью его обрушения в течение 20 минут в зависимости от мощности расчетного пожара.
Метод подпора воздуха
К основным механическим средствам дымоудаления относится в первую очередь метод разности давлений по обеим сторонам дымозащитных преград. Поддержание безопасной окружающей среды в зоне дымоудале ния из очага возгорания не требуется.
Минимальная разность давлений
Минимальная разность давлений по обе стороны дымозащитной преграды должна составлять 0,0124 кПа в полностью оборудованных спринклерными системами зданиях. В зданиях без спринклерной защиты система дымоудаления должна быть спроектирована таким образом, чтобы разность давлений превышала максималь ную расчетную разность давлений при расчетном пожаре как минимум в два раза.
Максимальная разность давлений
Максимальная разность давлений по обе стороны дымозащитной преграды должна определяться с помо щью усилий для открывания и закрывания дверей. Усилия для открывания и закрывания дверей должны оп ределяться при помощи стандартных инженерных методов по разложению усилий и реакций. Расчетное уси лие для открывания и закрывания вращающейся в обе стороны навесной двери вычисляется по следующей формуле:
F =Fdc + K(WA∆P)/2(W-d) (1) где
A – площадь двери, м2 d – расстояние от дверной ручки до края дверной задвижки, м
F – полное усилие для открывания двери, Н
Fdc – усилие, необходимое для преодоления закрывателя двери, Н
K – коэффициент 1,0
W – ширина двери, м
∆P – расчетная разность давлений, Па
Метод воздушного потока
При согласовании с представителем строительного надзора допускается перенос дыма через стационар ные открытые проемы, расположенные между зонами дымоудаления, с использованием метода воздушного потока. Воздушный поток необходимо направить на ограничение переноса дыма из зоны возгорания. Для предотвращения изменения направления потока вследствие вихревых эффектов должна учитываться геомет рия проемов.
Скорость
Средняя минимальная скорость по стационарному проему рассчитывается по следующей формуле:
ν = 119,9[h(T f − To ) / T f ]1 / 2 (2) где h – высота проема, м
Tf – температура дыма, °K
T0 – температура окружающей среды, °K v – скорость воздуха, м/мин.
Данный метод не должен использоваться, если объем или скорость воздушного потока окажет неблаго приятное воздействие на работу других элементов системы дымоудаления, будет чрезмерно усиливать пламя,
нарушать динамику струи или препятствовать выходу. Скорость воздушного потока по направлению к пламе ни ни в коем случае не должна превышать значение 1,02 м/с. В случае превышения данного значения скорости воздушного потока при расчете по вышеприведенной формуле, метод регулирования воздушного потока ис пользоваться не должен.
Метод дымоудаления
При согласовании с представителем строительного надзора допускается использование метода дымоуда ления посредством механических систем дымоудаления в больших закрытых пространствах, таких как атриу мы или моллы.
Скорость дымоудаления
Высота наиболее низкой горизонтальной поверхности накопившегося дымового слоя должна сохраняться на отметке как минимум 3048 мм над любой пешеходной зоной, формирующей часть необходимой системы эвакуации в пределах зоны задымления. Требуемая скорость дымоудаления для данной зоны должна быть
наибольшей из расчетных скоростей массового расхода струи для возможных конфигураций струи. Необходи мо создать условия для естественной или механической подачи воздуха снаружи или со смежных зон задым ления для компенсации удаленного воздуха. Скорость кондиционированного воздушного потока при измере-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 133
нии в потенциальных зонах пожара, не должна превышать 60960 мм/мин по направлению к пламени. Темпе ратура кондиционированного воздуха не должна превышать предельные температурные значения термочув ствительных систем противопожарной защиты.
Осесимметричные струи
Скорость массового расхода струи в кг/с (mp) определяется путем размещения расчетного пожара по цен тру оси анализируемого пространства. Предельная высота пламени рассчитывается по следующей формуле:
zl = 0,166Qc2/5 (3) где mp – скорость массового расхода струи, кг/с
Q – полная теплоотдача
Qc – конвективная теплоотдача, кВт, значение Qc необходимо брать не менее 0,70Q
Z – высота от верхней поверхности топлива до нижней части дымового слоя, м zl – предельная высота пламени, м, значение zl должно превышать диаметр условного топлива при z > zl mp = 0,071Qc1/3z5/3 + 0,0018Qc при z = zl mp = 0,035Qc при z < zl mp = 0,032Qc3/5z
Для преобразования mp из кг/с массового расхода в объемный расход, необходимо использовать следующую формулу:
V = mp/p (4) где
V – скорость объемного расхода, м3/с p – плотность воздуха при температуре дымового слоя, кг/м3(T в °C)
Струи, проникающие с балкона
Скорость массового расхода струи (mp) для растекающихся струй определяется путем использования гео метрически возможной ширины, основанной на архитектурных элементах и проекциях, по следующей форму ле:
mp = 0,36(QW2)1/3(zb + 0,25H) (5) где
H – высота над пламенем до нижней поверхности балкона, м mp – скорость массового расхода струи, кг/с
Q – полная теплоотдача
W – ширина струи в точке растекания, м
Zb – высота над балконом, м
Струи, проникающие с окон
Скорость массового расхода струи (mp) определяется по следующей формуле:
mp = 0,68(AwHwl/2)1/3(zw + a)5/3 + 1,5AwHw1/2 (6) где
Aw – площадь проема, м2
Hw – высота проема, м mp – скорость массового расхода струи, кг/с zw – высота от верхней поверхности окна или проема до нижней части дымового слоя, м a = 2,4Aw2/5Hw1/5 – 2,1Hw
Соприкосновение струй со стенами
Если струя дыма соприкасается с одной или более из окружающих стен, необходимо скорректировать ско рость массового расхода вследствие пониженного вовлечения в результате соприкосновения, при условии непрерывного соприкосновения. Применение данного условия требует расчета диаметра струи по следующей формуле:
d = 0,48(Tc/Ta) 1/2z (7) где d – диаметр струи, м
Ta – температура окружающей среды, °K
Tc – температура струи по осевой линии, °K z – высота, при которой рассчитывается Tc м
Tc = 0,08 Ta Qс2/3 z-5/3 + Ta
Расчетный пожар
Расчетный пожар должен основываться на значении Q не менее 5275 кВт, в случае невыполнения рацио нального расчета лицензированным специалистом по проектированию с последующим его утверждением представителем строительного надзора. Инженерный расчет должен содержать информацию о характеристи ках и запасе топлива, последствиях пожара и его стационарности или нестационарности.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 134
Разделительное расстояние
В характеристике расчетного пожара необходимо учитывать тип, объем и состав топлива. Коэффициент разделительного расстояния к радиусу условного топлива должен быть не менее 4. Радиус условного топлива
должен быть радиусом круга площадью, равной общей площади набора горючих материалов. Расчетный по жар необходимо усилить, если в пределах разделительного расстояния находятся другие горючие материалы, при этом используется следующая формула:
R = [Q/(12πq")]1/2 (8) где q" – падающий лучистый тепловой поток, необходимый для самопроизвольного возгорания, Вт/м2
Q – тепловое излучение от пламени, кВт
R – разделительное расстояние от объекта до центра набора горючих материалов, м
Допущения скорости выделения тепла
В расчете необходимо использовать самые современные доступные данные авторитетных источников, и он не должен основываться на абсолютно точных предельных значениях горючего материала.
Допущения эффективности спринклеров
Необходимо предоставить документированный инженерный расчет для условий, при которых заданный рост пожара приостанавливается в момент активации спринклеров.
Оборудование
Оборудование, такое как, вентиляторы, воздуховоды, автоматические дымозащитные клапаны и баланси ровочные клапаны и другое, должно подходить для целевого использования, а также выдерживать указанные в рациональном расчете и утвержденные представителем строительного надзора возможные температурные воздействия.
Вытяжные вентиляторы
Производитель должен проверять соответствие элементов вытяжных вентиляторов своему классу и испы тывать их на предмет воздействия высоких температур, а также сертифицировать. Температура перегрева рассчитывается по следующей формуле:
Ts = (Qс/mc) + (Tа) (9) где c – удельная теплота дыма при температуре дымового слоя, кДж/кг·K m – скорость вытяжки, кг/с
Qc – конвективная теплоотдача пламени, кВт
Ta – температура окружающей среды, °K
Tc – температура дыма, °K
Исключение: достаточный объем подачи свежего воздуха обуславливает низкое значение Ts.
Воздуховоды
Материалы, из которых изготовлены воздуховоды и соединительные элементы, должны выдерживать воз можное воздействие высоких температур и давления. Воздуховоды должны проходить испытания на утечку при давлении, как минимум в полтора раза превышающем расчетное давление, в соответствии с общеприня тыми нормами. Измеренная утечка не должна превышать 5% от расчетного потока. Результаты проведенных испытаний необходимо вносить в сопроводительную документацию. Воздуховоды должны устанавливаться прямо на огнестойкие конструктивные элементы здания при помощи прочных несгораемых опор. Исключение составляют гибкие соединения с целью обеспечения виброизоляции, изготовленные из сертифицированных огнестойких материалов.
Оборудование, приточные и вытяжные отверстия
Оборудование должно быть расположено таким образом, чтобы не подвергать незадействованные в пожа ре части здания дополнительной пожарной опасности. Наружные приточные отверстия необходимо располо жить таким образом, чтобы минимизировать вероятность проникновения дыма или огня в здание. Вытяжные отверстия должны быть расположены таким образом, чтобы минимизировать повторное проникновение дыма в здание и ограничить воздействие дополнительной пожарной опасности на здание или смежные здания.
Автоматические дымозащитные клапаны
Необходимо указывать автоматические дымозащитные клапаны вне зависимости от цели их установки в систему дымоудаления, и они должны соответствовать требованиям общепринятых нормативных стандартов.
Вентиляторы
Количество вентиляторов с ременным приводом должно в полтора раза превышать количество используе мых в расчетных целях вентиляторов, при минимальном наличии двух штук. Вентиляторы необходимо выби рать при условии их надежной работы под воздействием обычных и, если требуется, высоких температур.
Выполненные производителем расчеты и кривые работы вентиляторов необходимо вносить в сопроводитель-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 135 ную документацию. Вентиляторы должны поддерживаться и устанавливаться при помощи несгораемых уст ройств. Вентиляторы с моторным приводом не должны работать сверх номинальной мощности (кВт) согласно данным замеров потребления тока, при минимальном коэффициенте характера нагрузки 1,15.
Источники питания
Система дымоудаления должна оснащаться двумя источниками питания. Основным источником питания может служить стандартная система питания здания. В качестве резервного источника питания можно ис пользовать соответствующую нормам сертифицированную систему резервного питания. Резервный источник питания с переключателями должен находиться в отдельном помещении без стандартных трансформаторов питания и распределительных устройств. Данное помещение должно состоять из противопожарных преград с часовым и более пределом огнестойкости, вентилируемых изнутри и снаружи. Распределение энергии от двух
источников должно производиться независимо друг от друга. Полный переход на резервный источник пита ния должен осуществляться автоматически в течение 60 секунд после отключения основного источника пита ния.
Источники питания и скачки напряжения
Элементы системы противодымной защиты, работающие с использованием энергозависимых запоминаю щих устройств, должны быть оборудованы источниками бесперебойного питания достаточной мощности для
обеспечения непрерывной работы системы при отключении основного источника питания на 15 минут. Чувст вительные к скачкам напряжения элементы системы противодымной защиты должны соответствующим обра зом защищаться с помощью кондиционных установок, устройств защиты от перегрузок и других сертифициро ванных методов.
Системы управления и обнаружения пожара
Системы обнаружения пожара должны передавать входные и выходные сигналы на механические системы дымоудаления или элементы этих систем. Данные системы необходимо оборудовать устройством управления, относящимся к оборудованию дымоудаления. Системы управления для механических систем дымоудаления должны соответствовать требованиям процесса верификации. В процесс верификации входит подтверждение
выполнения запуска, тестирования, работы ручного управления, наличия перепадов напряжения и отключе ний, а также создание письменного графического отчета об аномальных условиях эксплуатации с использова нием предварительно запрограммированного еженедельного отчета по циклу испытаний.
Электропроводка
Вся электропроводка вне зависимости от напряжения должна полностью защищаться сплошными кабель ными проводами.
Запуск систем дымоудаления
Механические системы дымоудаления, использующие метод подпора воздуха, регулирования воздуха или метод дымоудаления, должны иметь полное автоматическое управление. Допускается использование пассив ных систем дымоудаления, запускаемых с помощью сертифицированных датчиков дыма.
Автоматическое управление
При использовании или необходимости использования полного автоматического управления, цепочки авто матического управления должны запускаться автоматической спринклерной системой. Кроме этого, необходи мо обеспечить доступ пожарных подразделений к ручному управлению, а также наличие датчиков дыма для проведения инженерных расчетов.
Регулирующие воздуховоды
Регулирующие воздуховоды должны быть достаточного размера для обеспечения необходимого быстрого срабатывания. Трубопроводы должны быть начисто промыты и высушены до их окончательного соединения, а
также должны соответствующим образом крепиться и защищаться от повреждений. Трубопроводы, проходя щие через бетонную или каменную кладку, должны иметь рукава и защищаться от абразивного износа и элек тролитического воздействия.
Материалы
Регулирующие воздуховоды должны изготавливаться из твердотянутой меди типа L. Обвязка должна состо ять из кованой меди или ковкой бронзы с припоем. Изменение направления должно осуществляться при помощи
соответствующих изгибающих инструментов. Для окончательного соединения устройств необходимо использо вать латунную обвязку сжимающего типа, остальные соединения должны быть сварены при помощи сплава для
твердой пайки BCuP5 с солидусом выше 593°C при температуре жидкостей ниже 816°C. Для соединений медь латунь необходимо использовать только паяльный флюс. Исключение составляют неметаллические трубопро воды, используемые в панелях управления и при окончательном соединении с устройствами, при условии соблюдения следующих условий:
− трубопроводы должны быть сертифицированными и соответствовать требуемым пожарным и дымовым ха рактеристикам.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 136
− трубопроводы и подключенные устройства должны быть полностью защищены в пределах оцинкованного
или помещения из окрашенной высококачественной стали толщиной не менее 0,76 мм (оцинкованных кали берных пластин из листового металла №22). Вход в помещение должен быть из медных трубопроводов с за щитной неопреновой или тефлоновой пеньковой прядью, или соответствующих латунных прокладок к неизо лированному штепсельному переходнику.
− трубопроводы необходимо идентифицировать в соответствии с документированной маркировкой.
− трубопроводы должны быть аккуратно соединены и держаться на опорах в пределах помещения. Трубопро воды, соединяющие помещение с дверью или подвижным устройством должны быть достаточной длины во избежание растяжения и перенапряжения. Трубопроводы необходимо защищать от абразивного износа.
Трубопроводы, идущие к устройствам на дверях, должны закрепляться вдоль петель.
Отключение других функций
Регулирующие воздуховоды, не предназначенные для функций дымоудаления, должно быть отключены с помощью автоматических запорных клапанов или должны представлять собой независимую систему.
Проведение испытаний
Перед окончательным подключением к устройствам регулирующие воздуховоды необходимо испытывать при давлении, в три раза превышающем рабочее давление в течение как минимум 30 минут, без значитель ных потерь манометрического избыточного давления.
Маркировка и идентификация
Системы обнаружения пожара и дымоудаления должны быть четко промаркированы на всех соединениях, проходах и выходах.
Схемы управления
Одинаковые схемы управления, показывающие все устройства в системе с указанием их местоположения и функций, необходимо периодически обновлять и оставлять на хранение представителям строительного над зора и пожарного подразделения, экземпляр также должен быть в пожарном пункте. Форма и формат схемы управления должны быть утверждены начальником пожарного управления.
Панель управления системой дымоудаления для пожарных
Необходимо наличие панели управления системой дымоудаления для пожарных с целью быстрого реаги рования пожарных подразделений, которая должна включать ручное управление или отключать автоматиче ское управление для механических систем дымоудаления. Панель должна находиться в пожарном пункте.
Системы дымоудаления
На панели управления системой дымоудаления для пожарных должны отображаться расположенные в
пределах здания вентиляторы, а также иметься точное указание направления воздушных потоков и взаимо связь элементов системы. Необходимо наличие индикаторов состояния всего оборудования по дымоудалению, запускаемого вентиляторами и зонами, а также индикаторами (светосигнализаторами). Индикаторы состояния имеют следующее цвета:
− вентиляторы, дымозащитные клапаны и другое рабочее оборудование в стандартном состоянии – БЕЛЫЙ.
− вентиляторы, дымозащитные клапаны и другое рабочее оборудование в отключенном или закрытом состоя нии – КРАСНЫЙ.
− вентиляторы, дымозащитные клапаны и другое рабочее оборудование во включенном или открытом со стоянии – ЗЕЛЕНЫЙ.
− вентиляторы, дымозащитные клапаны и другое рабочее оборудование в неисправном состоянии – ЖЕЛТЫЙ.
Панель управления дымоудалением
Панель управления системой дымоудаления для пожарных должна предоставлять доступ к управлению всем оборудованием системы дымоудаления в здании. Существуют следующие режимы управления:
− ВКЛ–АВТО–ВЫКЛ. Элемент управления каждым отдельным компонентом рабочего оборудования системы дымоудаления, управление которым также можно осуществлять с других источников в здании. Данными элементами можно управлять следующими компонентами: вентиляторами подпора воздуха на лестницах, вентиляторами дымоудаления, вентиляторами подачи и обратной подачи воздуха, вытяжными вентилято рами, вентиляторами шахт лифтов и другим рабочим оборудованием, используемом или предназначенном для дымоудаления.
− ОТКРЫТО–АВТО–ЗАКРЫТО. Элемент управления отдельными дымозащитными клапанами для дымоудале ния, управление которыми также можно осуществлять с других источников в здании.
− ВКЛ–ВЫКЛ или ОТКРЫТО–ЗАКРЫТО. Элемент управления дымоудалением и другим необходимым оборудо ванием, связанным с пожаром или критической ситуацией с дымом, управление которым можно осуществ лять только с панели управления системой дымоудаления для пожарных.
Исключение составляют комплексные системы, в которых элементы управления и индикаторы объединены в одном устройстве для управления и индикации всех компонентов каждой отдельной дымовой зоны, а также
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 137 комплексные системы с компьютеризированным управлением при помощи специального интерфейса для вво да определенных несложных команд на английском языке.
Режимы управления и приоритеты
Панель управления для пожарных должна обеспечивать следующие режимы управления:
− ВКЛ–ВЫКЛ, ОТКРЫТО–ЗАКРЫТО. Данные элементы управления должны иметь наибольший приоритет с лю бого пункта управления в здании. Если задача уже запущена с панели управления для пожарных, автома тическое или ручное управление с любого другого пункта управления в здании не должно помешать вы полнению этой задачи. Если для изменения стандартной неаварийной работы оборудования или достиже ния особого результата для защиты здания или оборудования предоставляются автоматические средства
(т.е. морозозащитные термостаты воздуховодов, датчики дыма воздуховодов, высокотемпературные предо хранители, термоустройства и аналогичные устройства), необходима возможность отмены данных автома тических средств с помощью панели управления для пожарных. Приоритет должен иметь последний вы бранный режим управления, указанный положением каждого переключателя на панели управления для пожарных. Ни в коем случае режимы управления не должны требовать одновременного запуска системой дымоудаления более одной конфигурации.
− Только положение АВТО каждого трехпозиционного переключателя панели управления для пожарных должно запускать автоматический или ручной режим управления с других пунктов управления в здании.
Положением АВТО считается СТАНДАРТНОЕ, неаварийное положение управления зданием. Если панель управления для пожарных находится в положении АВТО, вышеописанный индикатор состояния должен ука зывать состояние устройства в реальном времени (вкл, выкл, открыто, закрыто).
− Если для включения аварийного положения подается автоматический сигнал, СТАНДАРТНОЕ положение должно стать аварийным положением для данного устройства или группы устройств в пределах зоны. Ни в коем случае режимы управления не должны требовать одновременного запуска системой дымоудаления более одной конфигурации.
Время срабатывания системы
Активация системы дымоудаления должна осуществляться немедленно после получения соответствующей ав томатической или ручной команды активации. Системы дымоудаления должны активировать отдельные компо ненты, такие как дымозащитные клапаны и вентиляторы, в последовательности, необходимой для предотвраще ния механического повреждения вентиляторов, дымозащитных клапанов, воздуховодов и другого оборудования.
В целях дымоудаления время срабатывания панели управления для пожарных должно быть одинаковым для ав томатического или ручного запуска дымоудаления, осуществляемого с любого другого контрольного пункта в
здании. Общее время срабатывания, включая время, необходимое для обнаружения, отключения рабочего обо рудования и запуска системы дымоудаления, должно быть достаточным для достижения режима полного функ ционирования до того, как условия в помещении превысят расчетные условия задымления. Время срабатывания
системы для каждого компонента и их последовательного взаимодействия должно быть точно указано в необхо димом рациональном расчете, и верификация установленного состояния компонентов должна описываться в тре буемом окончательном отчете.
Приемочные испытания
Устройства, оборудование, их компоненты и последовательности должны испытываться отдельно. Данные испытания должны состоять из определения функций, последовательности и, если требуется, технических ха рактеристик оборудования в его установленном состоянии.
Устройства обнаружения пожара
Датчики дыма или пожарные датчики, являющиеся частью системы дымоудаления, должны испытываться в их установленном состоянии. Если требуется, испытание должно включать верификацию расхода воздуха, как при максимальных, так и при минимальных условиях.
Воздуховоды
Воздуховоды, являющиеся частью системы дымоудаления, необходимо испытывать в режиме обратной по дачи воздуха с использованием общепринятой практики для определения реального объема воздуха.
Дымозащитные клапаны
Дымозащитные клапаны должны испытываться на предмет функционирования в их установленных состояниях.
Приточные и вытяжные отверстия
Информация с приточных и вытяжных отверстий должна считываться с использованием общепринятой практики для определения реального объема воздуха.
Вентиляторы
Вентиляторы необходимо проверить на исправность вращения, а также замерить напряжение, силу тока, чис ло оборотов в минуту и натяжение ремня.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 138
Дымозащитные преграды
При помощи наклонных манометров или других сертифицированных откалиброванных измерительных уст ройств необходимо замерить разность давлений по обе стороны дымозащитных преград. Данные замеры должны производиться для каждого возможного состояния дымоудаления.
Элементы управления
Каждая зона задымления, оборудованная устройством с автоматическим запуском, должна срабатывать при запуске одного их таких устройств. Каждое дополнительное устройство в пределах зоны должно проверяться на аналогичную систему функционирования, без запуска двигателей вентиляторов в целях недопущения возможных
повреждений. Последовательность управления должна проверяться во всей системе, включая верификацию ко манды отмены с панели управления для пожарных, а также моделирование эксплуатации в условиях работы ре зервного источника питания.
Особые проверки систем дымоудаления
Системы дымоудаления должны испытываться под особым контролем. Особые проверки необходимо про водить на следующих этапах:
− во время установки воздуховодов и до их маскирования, в целях проведения испытаний на утечку и запи си местоположения устройства.
− до ввода в эксплуатацию и при завершении всех необходимых работ, в целях проведения испытаний на разность давлений, замеров потока, обнаружение и проверку верификации.
Учреждения, специализирующиеся на проверке систем дымоудаления, должны обладать соответствующей компетенцией в сфере противопожарной защиты и технического проектирования, а также иметь сертификаты специалистов по проверке баланса воздухообмена. Сотрудник учреждения, специализирующегося на проверке
систем дымоудаления, или само учреждение должно подготовить полный отчет об испытаниях. В отчете долж на быть представлена следующая информация: идентификация всех устройств производителем, паспортные данные, расчетные параметры, измеренные значения и маркировочная этикетка или знак. Соответствующий
лицензированный специалист в области проектирования должен проверить отчет, и при подтверждении соот ветствия отчета задачам проектирования, данный специалист должен указать в отчете дату, поставить печать и подпись. Один экземпляр окончательного отчета должен заполняться представителем строительного надзора, и идентичный экземпляр должен храниться в установленном помещении здания.
Идентификация и документация
Технологические карты, чертежи и другая документация, идентифицирующая и указывающая местополо жение каждого компонента системы дымоудаления, а также описывающая надлежащее функционирование
системы и требования к техническому обслуживанию, должна храниться в файлах и прилагаться к вышеопи санному отчету. Устройства должны иметь сертифицированные маркировочные этикетки или знаки, соответст вующие требуемой документации, также на устройствах необходимо указывать дату и инициалы специалиста, который провел последнее успешное испытание.
Приемка системы
Выдача документов на ввод здания или его частей в эксплуатацию не происходит до тех пор, пока представи тель строительного надзора не подтвердит полное соответствие здания условиям данного раздела, и пожарное подразделение не получит положительного заключения по функционированию системы как в автоматическом,
так и в ручном режиме. В зданиях с поэтапным строительством при согласовании с представителем строитель ного надзора допускается выдача временных документов на ввод здания или его частей в эксплуатацию при условии, что эти части здания для эксплуатации соответствуют условиям данного раздела, и оставшиеся части не представляют большой угрозы безопасности для данных частей или прилегающих зданий.
Дымонепроницаемые помещения
Дымонепроницаемое помещение должно состоять из защищенной внутренней входной лестницы и наруж ного балкона или проветриваемого холла. Если требуется доступ на крышу, проход должен осуществляться по дымонепроницаемому помещению, если таковое необходимо.
Проходы
Проход к лестнице должен осуществляться по холлу или наружному открытому балкону. Минимальная площадь холла должна быть не меньше необходимой ширины коридора, ведущего в холл, при ширине не ме нее 1,1 метра и длине не менее 1,8 метра по направлению к выходу.
Конструкции
Дымонепроницаемое помещение должно отделяться от остальной части здания при помощи противопо жарной преграды с как минимум двухчасовым пределом огнестойкости без проемов, кроме дверных проемов
для путей эвакуации. Холл должен отделяться от лестницы при помощи противопожарной преграды с как ми нимум двухчасовым пределом огнестойкости. Наружный открытый балкон должен быть сконструирован в со ответствии с требованиями по огнестойкости для конструкций перекрытий. Двери дымонепроницаемого по мещения должны быть автоматическими или должны закрываться автоматически при срабатывании датчика
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 139 дыма, установленного у бокового входа с этажа в дымонепроницаемое помещение. Срабатывание датчика дыма на любой из дверей должно запускать доводчики на всех дверях в дымонепроницаемых помещениях на всех этажах.
Альтернатива естественной вентиляции
Условия данного раздела необходимо соблюдать в случае естественной вентиляции дымонепроницаемых помещений. Если проход на лестницу осуществляется по наружному открытому балкону, балконная дверь
должна соответствовать защитным противопожарным характеристикам. Если проход на лестницу осуществля ется через холл, дверь в холл должна соответствовать защитным противопожарным характеристикам. Дверь из холла на лестницу должна иметь предел огнестойкости не менее 20 минут. Минимальная полезная пло щадь проема в стене каждого холла, выходящего во двор перед зданием, двор или пешеходный проход, должна составлять 1,5 м2 при ширине 6096 мм.
Альтернатива механической вентиляции
Условия данного раздела необходимо соблюдать в случае механической вентиляции дымонепроницаемых помещений. Дверь из здания в холл должна соответствовать защитным противопожарным характеристикам.
Дверь из холла на лестницу должна иметь предел огнестойкости не менее 20 минут. Дверь из здания в холл должна обрабатываться уплотнителем или другими материалами для минимизации утечки воздуха.
Вентиляция в холле
В холле должен осуществляться как минимум один воздухообмен в минуту, при этом объем вытяжки дол жен составлять не менее 150% объема подачи воздуха. Подача и вытяжка воздуха в и из холла должна осу ществляться при помощи отдельных плотно соединенных предназначенных для этого воздуховодов. Приточ ный воздух должен подаваться в холл на высоту до 150 мм от уровня пола. Верхняя часть регулируемой вы тяжной решетки должна быть расположена на расстоянии не более 150 мм от верхней части дымоуловителя, и должна полностью находиться в пределах зоны дымоуловителей. Открытые двери не должны блокировать
отверстия воздуховодов. В целях соответствия техническим требованиям допускается использование регули рующих дымозащитных клапанов в отверстиях воздуховодов, в противном случае наличие данных клапанов необязательно.
В случае использования специально спроектированной системы, она должна вытягивать воздух в объеме
равном, но не меньшем 90 воздухообменов в час, из любого холла в режиме аварийной ситуации, и иметь раз меры, необходимые для одновременной работы в трех холлах. Датчики дыма должны располагаться у бокового входа с этажа в каждый холл, и запускать систему в соответствующем холле.
Дымоуловители
Потолок холла должен быть как минимум на 508 мм выше дверного проема в холл, чтобы служить в каче стве дымо- и теплоуловителя, а также обеспечивать движение воздушных потоков вверх. Данная высота не должна уменьшаться, если это не утверждено и не доказано расчетным путем или проведением испытаний.
Система движения воздуха на лестничных клетках
Лестничные клетки должны быть оборудованы выпускным вентиляционным отверстием, и на них необхо дима подача достаточного объема воздуха для поддержания на лестничной клетке минимального избыточного давления 25 Па, при этом клетка должна выходить в холл с закрытыми дверями.
Альтернатива подпору воздуха на лестницах
Если здание по всей своей площади оборудовано автоматической спринклерной системой, наличие холла не требуется, при условии, что на внутренних входных лестничных клетках создается подпор воздуха при давлении от минимум 37 Па до максимум 87 Па. Давление должно измеряться при всех закрытых дверях на лестницы и при максимальном ожидаемом давлении в вентиляционных трубах.
Вентиляционное оборудование
Запуск вентиляционного оборудования должен осуществляться при помощи датчиков дыма, установлен ных на каждом этаже в определенном месте у входа в дымонепроницаемое помещение. При срабатывании
закрывающего устройства на лестничной клетке и дверях в холл путем запуска датчиков дыма или аварийно го отключения питания, в соответствующем режиме должно начать функционировать механическое оборудо вание.
Вентиляционные системы
Вентиляционные системы дымонепроницаемых помещений не должны зависеть от других вентиляционных систем здания. Оборудование и система воздуховодов должны соответствовать одному из следующих требо ваний:
− располагаться снаружи здания и напрямую соединяться с дымонепроницаемым помещением, или соеди няться с дымонепроницаемым помещением при помощи системы воздуховодов, защищенной противопо жарными преградами с двухчасовым пределом огнестойкости.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 140
− располагаться в пределах дымонепроницаемого помещения с воздухозаборником или вытяжным отвер стием для направления воздуха изнутри наружу, или через систему воздуховодов, защищенную противо пожарными преградами с двухчасовым пределом огнестойкости.
− располагаться в пределах здания, если они отделены от остальной части здания, включая другое механи ческое оборудование, при помощи противопожарных преград с двухчасовым пределом огнестойкости.
Резервные источники питания
Механические вентиляционные системы в холлах и на лестничных клетках, а также автоматические систе мы обнаружения пожара должны работать от сертифицированной резервной системы электропитания.
Приемка и проведение испытаний
Перед сертификацией механического оборудования в присутствии представителя строительного надзора система должна пройти испытания для подтверждения ее функционирования в соответствии с требованиями данного раздела.
Системы дымоудаления в подземных зданиях
Для подземных зданий система дымоудаления должна предоставляться в соответствии с требованиями данного раздела. Если необходимо разделение на отсеки, каждый отсек должен быть оборудован отдельной системой дымоудаления с автоматическим запуском и возможностью ручного управления. Система должна быть достаточно мощной для обеспечения подачи воздуха и дымоудаления как минимум 6 воздухообменов в час. Система дымоудаления должна срабатывать в отсеке с очагом возгорания при помощи следующих независя щих друг от друга элементов:
− двух датчиков дыма, пересекающихся в пределах одной защищаемой зоны с помощью одного датчика дыма, контролируемого зоной проверки сигнала тревоги или аналогичным проверенным методом.
− автоматической спринклерной системы.
− ручных элементов управления, всегда доступных пожарным подразделениям.
Запуск системы дымоудаления должен активировать звуковой сигнал тревоги в пределах часто посещаемой зоны.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 141
РУКОВОДСТВО К IBC 2003. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМ-
НОЙ ЗАЩИТЕ
Информация о мощности пожара и тепловыделении приведена в данной главе на основе книг Д. Эванса и
Дж. Клоута «Требования к противодымной защите в Международных строительных нормах 2003 года» [7],
Эндрю Бученена «Противопожарное проектирование конструкций» [5], а также стандартов Национальной ассоциации по противопожарной защите (США) NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых центров и больших помещений» [4] и NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сигна лизации» [3].
В противодымной защите одним из наиболее важных факторов при пожаре в здании является скорость выделения тепла. Со скоростью выделения тепла напрямую связаны температура и объем газов, выделяемых при пожаре, поэтому прогнозирующие компьютерные модели используют во входных данных параметр «ско рость выделения тепла». Говоря о мощности пожара, специалисты практически всегда используют термин
«скорость выделения тепла». В данной главе под термином «мощность пожара» подразумевается скорость выделения тепла.
Целью данной главы является предоставление основной информации о мощности и развитии пожара, ко торая будет полезна при оценке и определении расчетных пожаров. Расчетный пожар – это такой пожар, противостоять силе которого входит в задачу системы противодымной защиты. В данной главе также рас сматриваются спринклеры, так как зачастую именно их наличие играет решающую роль при определении
расчетного пожара. Расчетный пожар может быть как стационарным, так и нестационарным. Не являясь фи зически реальным, стационарный пожар может использоваться в расчетах с запасом для упрощения конструк торского анализа.
СТАДИИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА
Пожары в комнатах и других помещениях всегда описываются с использованием стадий развития пожара,
представленных на рис.1. Данные стадии являются удобными при обсуждении пожаров, но большинство по жаров не проходят через все эти стадии по причине недостаточного количества топлива или благодаря рабо те системы пожаротушения.
Рис. 1 Стадии развития пожара
Различают следующие стадии развития пожара:
Возгорание – это начальный период развития пожара. Противодымная защита направлена на борьбу с последствиями пожара после возгорания, а не с причинами возгорания.
Рост – это период после возгорания. Рост пожара характеризуется горением материалов вне зависимости или в незначительной зависимости от типа помещения, а также наличием избытка воздуха при пожаре. По мере роста пожара, температура в помещении повышается. Пожар с достаточным объемом воздуха для горе ния называется «регулируемым нагрузкой пожаром», а также пожаром в свободной воздушной среде.
Вспышка – это резкий переход из состояния условного стационарного пожара, ограниченного относи тельно небольшим пространством, в пожар, распространившийся на значительно большее пространство, на пример охвативший всё помещение. В очень большом помещении, таком как при свободной планировке офи са, лишь в части помещения может произойти вспышка. Обычно вспышка происходит при температуре дымо вого слоя в пределах от 500°C до 700°C. Показателем вспышки иногда является температура дымового слоя
600°C или лучистый тепловой поток в 20 кВт/м2 на уровне пола комнаты, где происходит пожар.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 142
Полное развитие пожара – это стадия развития пожара с достижением максимальных температурных
отметок. Для небольших и средних помещений скорость выделения тепла при полностью развившемся пожа ре зависит от объема доступного воздуха. Данный тип полностью развившегося пожара называется «регули руемым вентиляцией». При регулируемом вентиляцией пожаре, горящие материалы выделяют больше лету чих газов, которые могут гореть в комнате при доступном объеме кислорода, и пожар может характеризовать ся пламенем с содержанием летучих газов, распространяющихся через открытые дверные проемы помеще ния, где происходит пожар. В очень больших помещениях, таких как при свободной планировке этажа офиса, пожар не обязательно становится регулируемым вентиляцией. Стадия полного развития пожара характеризу ется неэффективным горением и высокой концентрацией угарного газа (см. таблицу 1).
Затухание – это стадия завершения горения топлива, при котором происходит снижение температуры и
скорости выделения тепла в помещении. При этом, характер пожара может измениться с регулируемого на грузкой на регулируемый вентиляцией. Строго говоря, термин «пожар после вспышки» включает обе стадии:
полное развитие пожара и его затухание, но зачастую данный термин используется для обозначения только полностью развившегося пожара.
Таблица 1. Приближенные значения концентрации СО при пожарах в помещениях
Концентрация СО 1
Пожары в «свободной воздушной среде» 0,04
Полностью развившийся пожар (в комнате без содержания целлюлозных материалов на потолке 0,2 или верхней части стен) 2
Концентрация СО – соотношение СО (в граммах), выделяемого на единицу топлива (в граммах) при сго рании.
При полностью развившемся пожаре в помещениях с содержанием целлюлозных материалов (древесины, бумаги, картона и т.д.) на потолке или верхней части стен, ожидаемая концентрация СО будет в несколько раз выше представленных данных.
СКОРОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ГОРЕНИИ РАЗНЫХ ПРЕДМЕТОВ
Скорость выделения тепла в основном измеряется при горении предмета в лаборатории с использованием
калориметра для измерения поглощения кислорода, открытого со всех сторон без ограничения движения воз душных потоков к огню. На скорость выделения тепла материалами, горящими при реальных пожарах, в не которой степени влияет лучистое взаимодействие с окружающей средой. Несмотря на то, что калориметр для измерения поглощения кислорода ограничивает лучистое взаимодействие, лабораторные данные о скорости выделения тепла часто используются в качестве основы для стадии роста расчетного пожара.
На рис.2–10 представлена скорость выделения тепла при горении разных предметов. При горении парных
предметов наблюдаются отклонения значений скорости выделения тепла, как это показано на рис.2 при по жаре в трех киосках. Размер этих киосков относительно небольшой, длина стороны составляла 1,22 метра.
Специалисты лаборатории сконструировали эти киоски и заполнили их футболками с целью моделирования ситуации, приближенной к реальной. На отклонение значений скорости выделения тепла повлияли следую щие факторы: (1) незначительные различия в размещении футболок, (2) различия в составе футболок, (3)
различия в размерах киоска, (4) различия в материалах, из которых собраны киоски, и (5) различия в воз душных потоках около киоска. Однако формы кривых и максимальные значения скорости выделения тепла при горении киосков оказались сходными.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 143
Рис. 2 Скорость выделения тепла (HRR) при горении трех киосков
(пример типичной повторяемости горения материалов)
Как показано на рис.3, максимальные значения скорости выделения тепла при горении рождественской елки (сосны обыкновенной) варьировались в пределах от 1900 до 5275 кВт. В другом испытании при горении менее крупных елей максимальные значения скорости выделения тепла варьировались от 45 до 655 кВт. При
горении всех рождественских елок наблюдался быстрый рост пожара с последующим затуханием по мере сго рания дерева. Пожары, связанные с возгоранием рождественских елок, представляют особый интерес из-за потенциальной возможности распространения пламени на другие предметы.
Рис. 3 Скорость выделения тепла (HRR) при горении рождественской елки
(сосны обыкновенной)
На рис.4–8 представлена скорость выделения тепла при горении разных видов мебели. На рис.9 представ лена скорость выделения тепла при горении рабочих мест. Это смоделированные рабочие места в офисе со следующей комплектацией: кресло, рабочий стол с полками или без, бумага, персональный компьютер и пе регородки, отделяющие рабочее место от остального пространства.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 144
Рис. 4 Скорость выделения тепла (HRR) при горении двухъярусной кровати
Рис. 5 Скорость выделения тепла (HRR) при горении пружинного матраса с наполнителем из пенополиуретана
Рис. 6 Скорость выделения тепла (HRR) при горении кресла весом 28,3 кг с мягкой обивкой и наполнителем из пенополиуретана
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 145
Рис. 7 Скорость выделения тепла (HRR) при горении дивана с наполнителем из пенополиуре тана
Рис. 8 Шкаф, изготовленный из фанеры толщиной 3,2 мм, с вещами из хлопка и полиэстера
Рис. 9 Рабочее место с тремя перегородками, рабочим столом и полкой
На рис.10 показаны данные о скорости выделения тепла при горении автомобилей, измеренной исследовате лем Жуайо (Joyeux, 1997 [41]). Жуайо показал, что автомобили, произведенные в 1990-х гг., имели более высо кие скорости выделения тепла по сравнению с произведенными ранее автомобилями, что может быть связано с
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 146 увеличившимся применением полимеров и других неметаллических материалов. Из-за более высокой скорости выделения тепла пожар в автомобиле на автостоянке может вызвать возгорание стоящего рядом автомобиля.
Рис. 10 Автомобили
РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ ПОЖАРЫ
Как описано выше, скорость выделения тепла при регулируемом вентиляцией пожаре зависит от объёма воздуха, доступного огню. Кроме того, скорость выделения тепла может быть выражена как функция вентиля ционных отверстий помещения, где произошел пожар:
Q = 1260 AwHw1/2 Уравнение 1
где
Q – скорость выделения тепла, кВт
Aw -– площадь вентиляционного отверстия, м2
Hw – высота вентиляционного отверстия, м
Данное уравнение применяется для помещений обычного размера и конструкции с одним прямоугольным
проёмом. На рис.11 скорость выделения тепла при регулируемом вентиляцией пожаре представлена как функ ция ширины двери или другого проёма. На основе уравнения 1 можно получить полезные данные для помеще ний, выполненных из обычных строительных материалов (гипсокартон, бетон, дерево и т.д.), но оно не подхо дит для помещений из металла, таких как на корабле со стальными палубами и переборками. В примере 1 по казано, как вычислить скорость выделения тепла для регулируемого вентиляцией пожара.
Рис. 11 Скорость выделения тепла (HRR) полностью развившегося пожара в маленьком или среднем помещении обычной конструкции
Пример 1. Регулируемый вентиляцией пожар
В помещении с одним дверным проёмом, которое полностью охвачено пожаром, какова будет мощность этого пожа ра?
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 147
Ширина дверного проёма - 914 мм, высота - 2134 мм.
Hw = 2,13 м; Aw = 0,914 * 2,134 = 1,9510 м²
Поскольку пожар регулируется вентиляцией, применимо уравнение 1:
Q = 1260 Aw Hw1/2 = 1260 * 1,9510 * 2,131/2 = 3587 кВт
Для помещений площадью более 30 м2 адекватность уравнения 1 является сомнительной.
Уравнение 1 было разработано для помещения только с одним проёмом, но в некоторых случаях оно мо жет применяться для помещений с несколькими проёмами. Для ряда прямоугольных проёмов с одним и тем же уровнем верха и низа высота одинакова, а полезная площадь является суммой отдельных зон.
СПРИНКЛЕРЫ
На рис.12 показан рост квадратичного пожара с тремя возможными реакциями на распыление воды
спринклерами: огонь превосходит воздействие спринклеров; постоянная скорость выделения тепла; и сниже ние скорости выделения тепла. Как описано ниже, квадратичный пожар – это пожар, который распространя ется с квадратом времени. Огонь может подавить влияние спринклеров в случае очень быстро разрастающе гося пожара вследствие горения материалов, которые превышают показатели, заложенные при проектирова нии спринклеров. Кроме того, спринклеры могут не сработать, если достигающий их дым охлаждается из-за вовлечения воздуха в струю, что может происходить при пожарах в зонах, где потолки относительно высокие по сравнению с расположением топлива. В этом случае, высота пламени обычно меньше высоты потолка, и вовлечение воздуха приводит к охлаждению газов в струе дыма. Если спринклеры сработают, распыляемая вода может испариться до попадания на топливо.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 148
Рис. 12 Взаимодействие пожара и спринклеров
Снижение скорости выделения тепла из-за спринклеров
Постоянная скорость выделения тепла после срабатывания спринклера является завышенным оценочным показателем в большинстве прикладных программ. Затухание пожара после срабатывания спринклеров более реалистично. Затухание пожара может быть выражено следующей формулой:
Q = Qact е –(t – ta)/τ Уравнение 2
где
Q – скорость выделения тепла после срабатывания спринклеров, кВт
Qact – скорость выделения тепла при срабатывании спринклеров, кВт t – время от начала возгорания, с ta – время срабатывания спринклеров, с τ – постоянная времени тушения пожара, с
Мадржуковски и Веттори (Madrzykovski and Vettori, 1992 [42]) провели пожарные испытания со спринкле рами с плотностью водной струи 0,07 мм/с для наборов горючих материалов, которые могут находиться в офисах. Они определили, что кривая затухания пожара с постоянной времени, равной 435 секундам, имела
более высокую скорость выделения тепла по сравнению с большинством пожаров в помещениях со спринкле рами (рис.13). Эванс (Evans, 1993 [43]) использовал данные этих испытаний, а также данные о пожарах дере вянной поленицы и плотности струи спринклера 0,041 мм/с и 0,066 мм/с из испытаний Таманини (Tamanini,
1976 [44]) и вывел следующее соотношение:
τ = 3/w1,85 Уравнение 3 где w – плотность струи, мм/с
Несмотря на то, что уравнение 3 не было проверено экспериментально, оно всё же позволяет скорректи ровать время затухания для плотностей струй спринклеров за исключением тех, что использовали Мадржу ковски и Веттори.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 149
Рис. 13 Затухание пожара при срабатывании спринклеров с плотностью струи 0,07 мм/с
Реакция спринклеров
Несмотря на то, что в данном пункте информация дана в основном о спринклерах, она также применяется к вентиляционным отверстиям, активируемым при помощи плавких защитных элементов и пожарных тепловых извещателей с заданной температурой.
Быстрота реакции спринклеров проверяется испытанием на погружение, в ходе которого спринклер по гружается в нагретую печь, где происходит циркуляция нагретого воздуха. Данный расчет основан на допу щениях, что: 1) внутреннее сопротивление спринклера является незначительным; 2) спринклер немедленно помещается в печь; 3) коэффициент конвективной теплопередачи является постоянным; 4) температура газа в печи постоянная; и 5) единственная теплопередача - от газа к спринклеру.
Температура спринклера повышается экспоненциально, как показано на рис.14. Постоянная времени, τ, спринклера составляет:
τ = mc/(hc A) Уравнение 4 где:
τ – постоянная времени, с m – вес спринклера, кг c – удельная теплоемкость спринклера, Дж/кг °C hc – коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/м2 °C
A – площадь поверхности спринклера, м2
Постоянная времени, τ, представляет собой время, за которое температура спринклера достигает 63% от температуры газа. Коэффициент конвективной теплопередачи, hc, изменяется в зависимости от скорости, вследствие чего постоянная времени также изменяется в зависимости от скорости, на которой она измеряется.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 150
Рис. 14 Температуры в испытании погружением спринклера
Индекс времени срабатывания (RTI) был введен для измерения быстроты реакции спринклеров, независи мой от скорости. Он рассчитывается по формуле:
RTI = τ u 1/2 Уравнение 5 где:
RTI – индекс времени срабатывания, м1/2 с1/2 u – скорость, м/с
В испытании погружением измеряется время активации спринклера и скорость газа. Затем постоянная вре мени может быть вычислена на основе времени активации, а индекс времени срабатывания (RTI) может быть
вычислен на основе уравнения 5. Индекс времени срабатывания (RTI) для стандартных спринклеров варьиру ется приблизительно от 77 до 155 м1/2с1/2, для быстродействующих спринклеров – приблизительно от 28 до 55 м1/2 с1/2. Индекс времени срабатывания не учитывает кондуктивную теплопередачу от спринклера.
Активация спринклеров
Активация спринклера зависит от температуры и скорости потока газов вблизи спринклера. При пожаре струи горячих газов распространяются под потолком в радиальном направлении от места столкновения струи дыма с потолком. Для определения времени активации были разработаны специальные компьютерные про граммы, в которых используются соотношения для таких припотолочных струй.
В программе DETACT-QS используются допущения, что: 1) тепловой датчик расположен на довольно большой площади; 2) только припотолочная струя нагревает датчик; и 3) не происходит нагревания за счет
горячих газов, скопившихся в помещении. Требуемые входные данные программы: высота потолка над горю чим материалом, расстояние до теплового датчика от оси пламени, температура срабатывания теплового дат чика, индекс времени срабатывания (RTI) теплового датчика и скорость выделения тепла при пожаре. Выход ные данные программы: температура газов на уровне потолка, температура датчика (оба показателя как функции времени) и время до срабатывания датчика. Программа DETACT-T2 схожа с программой DETACT-QS,
за исключением того, что она разработана специально для квадратичных пожаров. Несколько зонных моде лей пожара, такие как FAST, LAVENT и JET, способны рассчитывать температуру припотолочной струи и вы числять время срабатывания датчика. Эти компьютерные модели находятся в свободном доступе, и их можно бесплатно заказать в Национальном институте стандартов и технологий (г. Гейтерсберг, штат Мэриленд,
США).
РАСЧЕТНЫЕ ПОЖАРЫ
Кривая расчетного пожара – это описание развития пожара, которое может использоваться в сценарии пожара. Кривая представляет собой скорость выделения тепла как функцию времени. Данная кривая может иметь простое значение как константа или может быть простой функцией времени. Кривая расчетного пожара также может являться сложной последовательностью кривых.
В сценарий пожара входит больше, чем просто кривая расчетного пожара. Термин «сценарий» означает намеченный план событий (по аналогии с пьесой или другими театральными постановками). Сценарий пожара может рассматриваться как намеченный план событий и условий, имеющих решающее значение для опреде ления итогов альтернативных расчетов. Кроме скорости выделения тепла и местоположения пожара, сцена-
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 151 рий может включать виды используемых горючих материалов, токсические вещества в воздухе, образование сажи и передвижение людей в течение пожара.
Горючие материалы временного хранения
Во многих видах помещений принимаются строгие меры по ограничению пожарной нагрузки с целью огра ничения мощности пожара. Такого рода помещения характеризуются внутренней отделкой из металла, кир пича, камня или гипсокартона и, как правило, обставлены предметами из схожих материалов, в том числе,
живыми растениями. Даже на такой площади с ограниченным количеством горючих материалов может нахо диться практически неограниченное количество воспламеняющихся предметов, находящихся на кратковре менном хранении. Такого рода горючие материалы, не предназначенные для постоянного размещения на данной площади, называются горючими материалами временного хранения.
Примерами горючих материалов временного хранения служат рождественские декорации, краска и рас творитель, находящиеся в лестничных шахтах в течение ремонта помещений, доставленные и ещё не распа кованные пластиковые стаканчики в картонных коробках, разрезанные картонные коробки, приготовленные
на выброс, или составленная вплотную мебель, ещё не расставленная по местам после доставки. Иногда го рючие материалы временного хранения надолго остаются в одном и том же месте. Например: (1) партия по лиуретановых матрацев, доставленных в общежитие и ожидающих распределения в следующем учебном году,
(2) автомобили, выставленные на показ в торговом центре, (3) лодки и жилые автоприцепы, выставленные в спортивном комплексе или (4) двухэтажный дом колониального стиля, выстроенный для демонстрации в тор говом центре.
При выборе расчетного пожара не стоит забывать о горючих материалах временного хранения. Один из подходов к учету горючих материалов временного хранения в оснащенных спринклерами помещениях с низ кими или средними потолками заключается в том, чтобы рассмотреть пожар, происходящий на площади 9,3 м2 со скоростью выделения тепла 225 кВт/м2. Это предполагает допускаемую величину горючих материалов временного хранения в 2110 кВт.
Стационарные пожары
По своей природе пожар протекает неравномерно, однако стационарный (равномерный) пожар является очень удобной идеализацией. Равномерные пожары имеют неизменное значение скорости выделения тепла.
Во многих прикладных программах использование модели стационарного пожара приводит к простым расче там и оценке с запасом.
Скорость выделения тепла на единицу площади
В качестве типового значения скорости выделения тепла для коммерческих зданий Морган (Morgan, 1979
[45]) предлагает значение 500 кВт/м2. Фэнг и Бриз (Fang, Breese, 1980 [46]) определили приблизительно такое
же значение для жилых зданий. Морган и Ханселл (Morgan, Hansell, 1987 [47]) и Ло (Law, 1982 [48]) предло жили следующее значение скорости выделения тепла на единицу площади для офисных зданий: 225 кВт/м2.
Для систем вентиляции и дымоудаления предлагается значение скорости выделения тепла на единицу пло щади равное 225 кВт/м2 в помещениях с ограничением горючих материалов и 500 кВт/м2 в помещениях с ме белью, древесиной и другими горючими материалами. Пожар на территории площадью 9,3 м2 дает 2110 кВт в
зонах с ограниченным количеством горючих материалов и 4642 кВт в зонах, заполненных горючими материа лами. Значения скорости выделения тепла на единицу площади, приведенные в таблице 2, помогут опреде лить расчетный пожар.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 152
Таблица 2. Скорость выделения тепла при горении некоторых материалов на единицу площади
Горючий материал Скорость выде ления тепла на единицу пло щади, q кВт/м2
1. Деревянные поддоны, 0,46 м в высоту (влажность: 6-12%)
2. Деревянные поддоны, 1,52 м в высоту (влажность: 6-12%)
3. Деревянные поддоны, 3,05 м в высоту (влажность: 6-12%)
4. Деревянные поддоны, 4,88 м в высоту (влажность: 6-12%) 10 000
5. Почтовые сумки, наполненные, 1,52 м в высоту
6. Картонные коробки с ячейками, 4,57 м в высоту
7. Полиэтиленовые лотки для писем, наполненные, 1,52 м в высоту на тележке
8. Полиэтиленовые мусорные баки в картонных коробках, 4,57 м в высоту
9. Душевые кабины из полиэтилена и стекловолокна в картонных коробках, 4,57 м в высоту
10. Полиэтиленовые бутылки, упакованные в см. пункт 6
11. Полиэтиленовые бутылки в картонных коробках, 4,57 м в высоту
12. Полиуретановая изоляционная плита, поропласт, 4,57 м в высоту
13. Полистироловые сосуды, упакованные в см. пункт 6 14 000
14. Полистироловые трубки в картонных коробках, 4,27 м в высоту
15. Полистироловые детали игрушек в картонных коробках, 4,57 м в высоту
16. Полистироловая изоляционная плита, поропласт, 4,27 м в высоту
17. Бутылки из ПВХ, упакованные в см. пункт 6
18. Полипропиленовые трубки, упакованные в см. пункт 6
19. Полипропиленовая и полиэтиленовая пленка в рулонах, 4,27 м в высоту
20. Резервуар с метанолом, ∅ 0,16 м
21. Резервуар с метанолом, ∅ 1,22 м
22. Резервуар с метанолом, ∅ 1,74 м
23. Резервуар с метанолом, ∅ 2,44 м
24. Резервуар с метанолом, ∅ 0,97 м
25. Резервуар с силиконовым трансформаторным маслом, ∅ 1,74 м
26. Резервуар с силиконовым трансформаторным маслом, ∅ 2,44 м
27. Резервуар с углеводородным трансформаторным маслом, ∅ 1,22 м
28. Резервуар с углеводородным трансформаторным маслом, ∅ 1,74 м
29. Резервуар с гептаном, ∅ 1,22
30. Резервуар с гептаном, ∅ 1,74
В данной таблице приведены округлённые значения. Аналогичную таблицу B.5.2(a) с более точными зна чениями смотрите в подразделе «Справочная информация» раздела «NFPA 92B. Руководство по системам про тиводымной защиты атриумов, моллов и больших помещений».
Нестационарные пожары
Нестационарным (неравномерным) пожаром называют пожар, при котором скорость выделения тепла из меняется с течением времени. Часто считается, что на стадии роста пожар усиливается с квадратом времени, и такой пожар принято называть квадратичным пожаром. Уравнение квадратичного пожара приведено ниже:
Q=at2 Уравнение 6 где:
Q – скорость выделения тепла при пожаре, кВт a – коэффициент роста пожара, кВт/с2 t – время от возгорания, с
Рост квадратичного пожара показан на рис.15. В уравнение 6 не включен инкубационный период медлен ного и неравномерного развития, который часто имеет место перед стадией роста пожара, но общепризнан ным остается тот факт, что при проектировании систем дымоудаления учет инкубационного периода не явля ется необходимым.
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 153
Рис. 15 Кривая роста пожара
В таблице 3 приведены значения роста пожара из стандартов Национальной ассоциации по противопо жарной защите (США) NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых цен тров и больших помещений» [4] и NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сигнализации» [3]. Данные роста пожара, соответствующие значениям из стандарта NFPA 92B, приведены на рис.16. Если не указано иное, то далее по тексту термины «медленный», «средний», «быстрый» и «сверхбыстрый», характеризующие рост пожара, относятся к значениям из стандарта NFPA 92B.
Таблица 3. Постоянные роста пожара для квадратичных пожаров
NFPA 92B NFPA 72 α (кВт/с ) tg (с) Диапазон tg (с) Медленный 0,002931 600 tg ≥400 Средний 0,01127 300 150≤ tg <400 Быстрый 0,04689 150 tg <150 Сверхбыстрый 0,1878 75 –
Рис. 16 Соотношение квадратичных пожаров к некоторым пожарным испытаниям
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 154
Подход, основанный на наборе горючих материалов
Основной набор горючих материалов представляет собой набор материалов максимально возможных раз меров, который может быть охвачен пожаром, используемый в конкретной прикладной программе. Набор го рючих материалов может состоять из нескольких горючих элементов (диван, стул, кровать, стол, шторы и т.д.). Ключевое значение в выборе элементов, которые будут составлять основной набор, заключается в том, что поток излучения от одного из горючих элементов приведет к возгоранию остальных элементов, находя щихся в основном наборе, не вызвав при этом возгорания посторонних горючих элементов.
Модель точечного источника теплового излучения (рис. 17) рассматривает пламя как небольшой тепловой источник таким образом, что интенсивность теплового излучения обратно пропорциональна квадрату расстоя ния от источника. Тепловое излучение также называется лучистым тепловым потоком.
Рис. 17 Модель точечного источника теплового излучения
qr =Qr /(4πR2) Уравнение 7
где:
qr – интенсивность теплового излучения, кВт/м2
Qr – лучистая теплоотдача, кВт
R – расстояние от центра огня, м
Модель точечного источника излучения действенна при условии, что расстояние от центра пламени превос ходит диаметр пожара более, чем в два раза (R > 2D). Интенсивность теплового излучения, qr, также называ ют лучистым потоком.
Лучистая теплоотдача при пожаре составляет:
Qr = X r Q Уравнение 8 где
Q – скорость выделения тепла, кВт
Xr – доля теплового излучения
Тепло передается от пламени путем проводимости, конвекции и излучения. Для большинства пожаров теп лопередача проводимостью незначительна. Доля теплового излучения может быть выражена следующим уравнением:
Xr = 1 – Xс Уравнение 9
где Xс – конвективная доля.
Доля теплового излучения зависит от горючего материала и диаметра пожара, и ее значение варьируется
от 0,1 до 0,6. Горючие материалы с низкой степенью сажеобразования, такие как метанол, имеют низкую до лю теплового излучения, в то время как материалы с высокой степенью сажеобразования, такие как бензин и полистирол, обладают высокой долей излучения. Однако, в прикладных программах моделирования распро странены значения Xr = 0,3 и Xс = 0,7.
Понятие «разделительное расстояние» помогает оценить, какие элементы должны применяться в основ ном наборе горючих материалов. Согласно модели точечного источника теплового излучения разделительное расстояние равно:
RSD = (Qr,i / 4πq r,i)1/2 Уравнение 10 где
RSD – разделительное расстояние от центра огня до объекта, м
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 155
Qr,i – интенсивность теплового излучения, необходимая для самопроизвольного возгорания, кВт/м2 qr,i – лучистый поток, необходимый для самопроизвольного возгорания, кВт/м2
Элементы горючих материалов, расположенные на меньшем расстоянии от огня, чем RSD, должны заго реться, в то время как элементы, расположенные на большем расстоянии, чем RSD, загореться не должны.
Лучистый поток, необходимый для самопроизвольного возгорания, варьируется от 10 кВт/м2 для тонких лег ковоспламеняемых материалов до 20 кВт/м2 для толстых материалов.
При пожаре скорость выделения тепла, Qr,i , необходимая для воспламенения объекта, находящегося на расстоянии R, равна:
Qr,i=4πR2qr,i Уравнение 11
Для лучистой теплопередачи, если значение R меньше удвоенного диаметра пожара, модель точечного ис точника излучения не может быть использована. Необходимо применять другой метод. В примере 2 показан расчет набора горючих материалов временного хранения и дана оценка воспламенения под воздействием теплового излучения.
Пример 2. Набор горючих материалов временного хранения из восьми диванов
Пожарная нагрузка представлена набором горючих материалов, в который входят 8 диванов с наполните лем из пенополиуретана, после доставки в здание временно хранящихся в большом атриуме. Диваны состав лены в ряд на расстоянии 0,305 м друг от друга, как показано на рис.18. Потолок атриума достаточно высокий и, следовательно, успешной ликвидации пожара при помощи спринклерной системы не ожидается. Скорость выделения тепла диванов соответствует показателям, приведенным на рис.7. Максимальная скорость выделе ния тепла составляет 3102 кВт.
Значение лучистого потока для самопроизвольного возгорания qr,i,= 20 кВт/м2 было выбрано с целью полу чения результатов с запасом.
Радиус R проходил от центра огня до края соседнего дивана и составлял 0,762 м. Скорость выделения те пла, вызывающая возгорание на расстоянии R, рассчитывается на основе уравнения 11:
Qr,i= 4πR2qr,i = 4π (0,762)2(20) = 146 кВт
Таким образом, когда мощность пожара дивана 1 достигнет 146 кВт, должно произойти воспламенение ди вана 2. Это завышенная оценка, поскольку используется значение лучистого потока для толстых материалов.
Общая скорость выделения тепла при горении группы из восьми диванов может быть рассчитана численно и графически. Графические вычисления показаны на рис.19. Скорость выделения тепла дивана взята из рис.7,
момент возгорания второго дивана изображен на рис.19 (a). Предполагается, что последующие диваны вос пламеняются при том же лучистом потоке, переходящем от соседнего дивана, как показано на рис.19 (b). Об щая скорость выделения тепла при горении группы диванов складывается из суммы индивидуальных кривых скорости выделения тепла каждого дивана, как показано на рис.19 (c).
Насколько можно судить по рис.19 (c), данный пожар является довольно крупным, но он мог быть еще крупнее, если бы расположенные по соседству материалы тоже загорелись под воздействием лучистого пото ка от горящих диванов.
Рис.18 Расположение диванов в атриуме (пример 2)
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 156
Рис. 19 Графическое представление для основного набора горючих материалов из примера 2
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] IBC 2003. «Международные строительные нормы»
IBС 2003. International Building Code
[2] NFPA 5000:2003. «Строительные нормы и правила безопасности при строительстве»
NFPA 5000:2003. Building Construction and Safety Code
[3] NFPA 72:1999. «Национальные нормы по пожарной сигнализации»
NFPA 72:1999. National Fire Alarm Code
[4] NFPA 92B:2000. «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых центров и больших помещений»
NFPA 92B:2000. Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas
[5] Бученен Э. «Противопожарное проектирование конструкций», 2002 год
Buchanan A. Structural Design for Fire Safety, 2002
[6] Клоут Дж., Милке Дж. «Принципы противодымной защиты», 2002 год
Klote J. and Milke J. Principles of Smoke Management, 2002
[7] Эванс Д., Клоут Дж. «Требования к противодымной защите в Международных строительных нормах
2003 года», 2005 год
Evans D. and Klote J. Smoke control provisions of the 2003 IBC, 2005
[8] Мортон Б.Р., Тейлор Дж., Тернер Дж.С. «Турбулентная гравитационная конвекция постоянного и переменного источников плавучего потока». Публикации Лондонского Королевского Общества
234:1-23, 1956 год
Morton B.R., Taylor G., Turner J.S. Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources. Proceedings of the Royal Society of London. 234:1-23, 1956
[9] МакКэффри Б.Дж. «Влияние импульса на плавающее диффузионное пламя». Возгорание и пламя.
52 (2); 149-167, 1983 год
McCaffrey B.J. Momentum implications for buoyant diffusion flames. Combustion and Flame. 52 (2); 149-
167, 1983
[10] Кетеган Б.М., Зукоски, Э.Э., Кубота Т. «Вовлечение воздуха в струю и геометрия пламени при пожа ре». Докторская диссертация Кетегана Б.М., Калифорнийский технологический институт, Пасадена,
1982 год
Cetegan B.M., Zukoski E.E., Kubota T. Entrainment and flame geometry of fire plumes. PhD thesis of
Cetegan, Californian Institute of Technology, Pasadena, 1982
[11] Хескестад Г. «Гипотетические источники струй при пожарах». Журнал по пожарной безопасности. 5
(2): 109-114, 1983 год
Heskestad G. Virtual origins of fire plumes. Fire Safety Journal. 5 (2): 109-114, 1983
[12] Хескестад Г. «Инженерные соотношения для дымовых струй при пожарах». Журнал по пожарной безопасности. 7 (1): 25-32, 1984 год
Heskestad G. Engineering relations for fire plumes. Fire Safety Journal 7 (1): 25-32, 1984
[13] Хескестад Г. «Вовлечение воздуха в струю при пожаре согласно двум конкурирующим допущени ям». 21-ый международный симпозиум по вопросам горения. Институт горения, Питтсбург, штат
Пенсильвания, стр.111-120, 1986 год
Heskestad G. Fire plume air entrainment according to two competing assumptions, Twenty-first Sympo sium (International) on Combustion, Combustion Institute, Pittsburgh, Pa, pp.111-120, 1986
[14] Хескестад Г. «Дымовые струи при пожаре». Руководство SFPE по противопожарному проектирова нию. Бостон, штат Массачусетс: Общество инженеров противопожарной защиты, 2002 год
Heskestad G. Fire plumes. SFPE handbook of fire protection engineering. Boston, Mass.: Society of Fire
Protection Engineers, 2002
[15] Хескестад Г. «Приток воздуха у отверстий в стенах и потолках, необходимый для предотвращения утечки дыма при пожаре». FMRC J.I. OQ4E4.RU, Норвуд, штат Массачусетс: Научно исследовательская корпорация «Фэктори Мьючуэл», 1989 год
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 158
Heskestad G. Inflow of air required at wall and ceiling apertures to prevent escape of fire smoke. FMRC
J.I. OQ4E4.RU Norwood, Mass.: Factory Mutual Research Corporation, 1989
[16] Хескестад Г., Делихтасус М.А. «Среда вокруг пожарных детекторов. Этап I: влияние мощности по жара, высоты потолка и материалов». Том I и II. «Измерения» (NBS-GCR-77-86; NBS-GCR-77-95).
Гейтерсберг, штат Мэриленд: Национальное бюро стандартов, 1977 год
Heskestad G., Delichatsious M.A. Environments of fire detectors – Phase I: Effect of fire size, ceiling height and materials. Volumes I & II – Measurements (NBS-GCR-77-86; NBS-GCR-77-95). Gaithersburg, Md.: Na tional Bureau of Standards, 1977
[17] Томас П.Х., Теобальд С.Р. и др. «Исследование потока горячих газов при вентиляции кровли». Тех.
статья №7, Борхэмвуд, графство Хартфордшир, Великобритания: научно-исследовательский центр по пожарам, 1963 год
Thomas P.H., Theobald C.R et al. Investigation into the flow of hot gasses in roof venting, Tech. Paper
№7, Boreham Woods, Herts, UK: Fire Research Station, 1963.
[18] Ньюман Дж.С. «Принципы обнаружения пожара». Пожарные технологии. 24 (2): 116-127, 1988 год
Newman J.S. Principles of fire detection. Fire Technology. 24 (2): 116-127, 1988
[19] Маурер Ф. У. «Временное отставание, связанное с обнаружением и тушением пожара». Пожарные технологии. 26 (3): 244-265, 1990 год
Mowrer F.W. Lag times associated with fire detection and suppression. Fire Technology 26 (3): 244-265,
[20] Лоуид Дж.Д., Хаджисофоклеус Дж.В. «Исследование эффективности дыма в атриумах». Труды Аме риканского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. 103
(2): 1-15, 1997 год
Lougheed G.D., Hadjisophocleous G.V. Investigation of atrium smoke effectiveness. ASHRAE Transactions.
103 (2): 1-15, 1997
[21] Лоуид Дж.Д., Хаджисофоклеус Дж.В. «Опасность задымления при пожаре в помещениях с высокими потолками». Труды Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондициони рованию воздуха, 107 (1), 2000 год
Lougheed G.D., Hadjisophocleous G.V. The smoke hazard from a fire in high spaces. ASHRAE Transac tions. 107 (1), 2000
[22] Лоуид Дж.Д. и другие. «Исследования крупномасштабной физической модели для системы дымо удаления в атриумах». Труды Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, 105 (1): 676-698, 1999 год
Lougheed G.D. et al. Large-scale physical model studies for an atrium smoke exhaust system. ASHRAE
Transactions. 105 (1): 676-698, 1999
[23] Хаджисофоклеус Дж.В., Лоуид Дж.Д. С. Као. «Численное исследование эффективности систем ды моудаления в атриумах». Труды Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, 105 (1): 699-715, 1999 год
Hadjisophocleous G.V., Lougheed G.D., S.Cao. Numerical study of the effectiveness of atrium smoke ex haust systems. ASHRAE Transactions. 105 (1): 699-715, 1999
[24] Купер Л.Й. и другие. «Расчет безопасного времени эвакуации при пожаре». Национальное бюро стандартов (США), NBSIR 80-2172, 1981 год
Cooper L.Y. et al. Estimating safe available egress time from fires. National Bureau of Standards (US),
NBSIR 80-2172, 1981
[25] Муди К. и другие. «Пожар на станции метро Кингз-Кросс, 18 ноября 1987 г. – часть II: масштабная модель испытаний роста пожара». Отчёт о происшествии. Управление по вопросам охраны здоро вья, техники безопасности и охраны труда, графство Дербишир, Великобритания, 1988 год
Moodie K. et al. Fire at King’s Cross Underground Station, 18th November 1987 – Part II: Scale model fire growth tests, Incident Report, Health and Safety Executive, Derbyshire, U.K., 1988
[26] Квинтьер Дж.Дж., Диллон М. И. «Воссоздание пожара в атриуме с помощью масштабной модели».
2-й Международный симпозиум по масштабному моделированию, 23-27 июня, Университет Кентук ки, Лексингтон, штат Кентукки. Стр. 73-86, 1997 год
Quintiere J.G., Dillon M.E. Scale model reconstruction of fire in an atrium. 2nd International Symposium on
Scale Modeling, June 23-27, University of Kentucky, Lexington, Kentucky, pp.73-86, 1997
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 159
[27] Квинтьер Дж.Дж., МакКэффри Б.Дж., Кашиваги Т. «Наука и технологии процессов горения», 18:1-
19, 1978 год
Quintiere J.G., McCaffrey B.J., Kashiwagi T. Combustion Science & Technology 18:1-19, 1978
[28] Чоу У.К, Ло А.К.У. «Исследования по масштабному моделированию перемещения дыма в атриумах и процесса заполнения атриумов дымом». Журнал по противопожарному проектированию 7(2): 56-64,
1995 год.
Chow W.K., Lo A.C.W. Scale modelling studies on atrium smoke movement and smoke filling process.
Journal of Fire Protection Engineering 7(2): 56-64, 1995
[29] Чоу У.К., Сю У.М. «Визуализация движения дыма в масштабных моделях атриумов». Журнал при кладной науки 3(2): 93-111, 1993 год
Chow W.K., Siu W.M. Visualization of smoke movement in scale models of atriums. Journal of Applied Sci ence 3(2): 93-111, 1993
[30] Йий Э.Х. «Исследования растекающихся балконных струй с использованием солёной воды и метода лазерно-индуцированной флуоресценции». Исследовательский отчет по противопожарному проек тированию 97/7, Университет Кентербери, Новая Зеландия, 1998 год
Yii E.H. Exploratory salt water experiments of balcony spill plume using laser induced fluorescent tech nique. Fire Engineering Research Report 98/7, University of Canterbury, New Zealand, 1998
[31] Цудзимото М., Такэноу-чи Т., Уехара С. «Закон масштабирования перемещения дыма в атриуме».
11-ое заседание Американско-японской комиссии по пожарным исследованиям и безопасности. Гей терсберг, штат Мэриленд, Национальный институт стандартов и технологий, 1990 год
Tsujimoto M., Takenou-chi T., Uehara S. A scaling law of smoke movement in atrium. 11th Joint Panel
Meeting of the UJNR Panel on Fire Research and Safety. Gaithersburg, Md.: National Institute of Standards and Technology, 1990
[32] Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.
«Руководство по основам проектирования». Атланта, штат Джорджия, 1989 год
ASHRAE Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning En gineers, Atlanta, GA, 1989
[33] Зукоски Э.Э., Кубота Т., Кетеген Б. «Вовлечение воздуха в струю при пожаре». Журнал по пожарной безопасности, 3, с.107-121, 1980/1981 годы
Zukoski E.E., Kubota T., Cetegen B. Entrainment in Fire Plumes. Fire Safety Journal 3, pp.107-121,
1980/1981
[34] Наулер, С.П. «Испытания по исследованию среды в помещении для базисной валидации программ компьютерного моделирования пожаров», NUREG.CR-4681, SAND 86-1296, Национальные лаборато рии г. Сандия, март, 1987 год
Nowler S.P. Enclosure Environment Characterization Testing for the Base Line Validation of Computer Fire
Simulation Codes, NUREG.CR-4681, SAND 86-1296, Sandia National Laboratories, March 1987
[35] Хагглунд Б., Янсон Р., Ниреус К. «Испытания заполнением дымом в помещении 6x6x6 метров», От чет Шведской национальной исследовательской организации министерства обороны, Швеция, сен тябрь, 1985 год
Hagglund B., Jansson R., Nireus K. Smoke Filling Experiments in a 6x6x6 Meter Enclosure, FOA Rapport
C20585-06, Forsavrets Forskningsanstalt, Sweden, September 1985
[36] Малхолланд Дж., Ханда Т., Сугава О., Ямамото Х. «Испытания заполнением дымом в помещении», статья 81-HT-8, Американское общество инженеров-механиков, 1981 год
Mullholland G., Handa T., Sugawa O., and Yamamoto H. Smoke Filling in an Enclosure, Paper 81-HT-8,
ASME, 1981
[37] Купер Л. Й., Харкелроуд М., Квинтьер Дж., Ринкинен У. «Экспериментальное исследование страти фикации верхнего горячего дымового слоя для сценариев пожаров в полномасштабных многоком натных помещениях», статья 81-HT-9, Американское общество инженеров-механиков, 1981 год
Cooper L.Y., Harkelroad M., Quintiere J., Rinkinen W. An Experimental Study of Upper Hot Layer Stratifica tion in Full-Scale Multiroom Fire Scenarios, Paper 81-HT-9, ASME, 1981
[38] NFPA 13:1999. «Стандарт по установке спринклерных систем»
NFPA 13:1999. Standard for the Installation of Sprinkler Systems
[39] NFPA 92A:2000. «Рекомендуемые правила для систем дымоудаления»
NFPA 92A:2000. Recommended Practice for Smoke-Control Systems
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 160
[40] NFPA 204:1998. «Руководство по противодымной и тепловой вентиляции»
NFPA 204:1998. Guide for Smoke and Heat Venting
[41] Жуайо Д. «Пожары в закрытых автомобильных паркингах: пожарные испытания с автомобилями»,
INC – 96/294d – DJ/NB, 1997 год
Joyeux D. Natural fires in closed car parks: car fire tests. INC – 96/294d – DJ/NB, 1997
[42] Мадржуковски Д., Веттори Р.Л. «Алгоритм спринклерного пожаротушения для системы оценки по жаров Управления общих служб федерального правительства США». NISTR 4833. Гейтерсберг, штат
Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий, 1992 год
Madrzykowski D., Vettori R.L. A sprinkler fire suppression algorithm for the GSA engineering fire assess ment system. NISTR 4833. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 1992
[43] Эванс Д.Д. «Алгоритм спринклерного пожаротушения для модели HAZARD». NISTR 5254. Гейтерс берг, штат Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий, 1993 год
Evans D.D. Sprinkler fire suppression algorithm for HAZARD. NISTR 5254. Gaithersburg, MD: National In stitute of Standards and Technology, 1993
[44] Таманини Ф. «Применение водных распылителей при тушении пожаров поленицы». Наука и техно логии процессов горения. 14: 17-23, 1976 год
Tamanini F. The application of water sprays to the extinguishment of crib fires. Combustion Science &
Technology, 14: 17-23, 1976
[45] Морган Х.П. «Методы противодымной защиты одного или более магазинов в крытых торговых ком плексах: краткое описание проекта». Борхэмвуд, графство Хартфордшир, Великобритания: Ведом ство по исследованиям в строительстве, 1979 год
Morgan H.P. Smoke control methods in enclosed shopping complexes of one or more stores: a design summary. Borehamwood, Herts, UK: Building Research Establishment, 1979
[46] Фэнг Дж.Б., Бриз Дж.Н. «Распространение пожара в подвальных помещениях жилых домов». NBSIR
80-2120. Гейтерсберг, штат Мэриленд: Национальное бюро стандартов, 1980 год
Fang J.B., Breese J.N. Fire development in residential basement rooms. NBSIR 80-2120. Gaithersburg,
MD: National Bureau of Standards, 1980
[47] Морган Х.П., Ханселл Дж.О. «Здания с атриумами: расчет дымовых потоков в атриумах при проек тировании систем дымоудаления». Журнал по пожарной безопасности, 12: 9-35, 1987 год
Morgan H.P., Hansell G.O. Atrium buildings: calculating smoke flows in atria for smoke control design. Fire
Safety Journal, 12: 9-35, 1987
[48] Ло М. «Пневматические конструкции: пожароопасность и опасность задымления». Противопожар ная защита. 48: 24-28, 1982 год
Law M. Air-supported structures: fire and smoke hazards. Fire Prevention, 48: 24-28, 1982
[49] Ло М. «Комментарий о дымовых струях при пожаре в многоуровневых торговых центрах». Журнал по пожарной безопасности, 10: 197, 1986 год
Law M. A note on smoke plumes from fires in multilevel shopping malls, Fire Safety Journal, 10: 197, 1986
[50] Ханселл Дж.О., Морган Х.П. «Методы проектирования систем дымоудаления в зданиях с атриума ми», BRE 258, Борхэмвуд, графство Хартфордшир, Великобритания: Ведомство по исследованиям в строительстве, 1994 год
Hansell G.O., Morgan H.P. Design approaches for smoke control in atrium buildings, BRE 258, Boreham wood, Herts, UK: Building Research Establishment, 1994
ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр 161