Водоснабжение и водоотведение высотных зданий

В. Н. Исаев, проф. МГСУ

С. А. Никонов, член-корр. Всемирной академии наук комплексной безопасности

М. Г. Мхитарян, доцент МГУП  

Вода является основой жизни и по биологической важности уступает только воздуху. Но мы практически погружены в воздушный океан.

Поэтому пока отсутствует проблема транспортировки и подъема воздуха потребителю. В отличие от воздуха воду необходимо доставлять от природных источников и поднимать к месту пользования, затрачивая значительное количество энергии.

В связи со значительной массой воды (в 830 раз большей, чем у воздуха) и высоким потреблением (300…400 кг/чел. в сутки) водопровод перемещает около 100 т/чел. в год, что сопоставимо с массой строительных материалов, используемых при строительстве здания, на одного жителя. За период эксплуатации здания и системы водоснабжения (более 100 лет) масса воды (вещества) на одного жителя превысит массу строительных материалов в 100–200 раз и потребует значительных затрат энергии на подъем и транспортировку воды.

При увеличении высоты здания с 5 до 60 этажей энергозатраты на подъем воды одному потребителю возрастают с 21 до 650 кДж /потр., а на подачу в здание с учетом возрастания количества потребителей с 3,15 МДж до 292 МДж, т.е. энергозатраты возрастают почти в сто раз.

Вода, благодаря своим природным свойствам, является эффективным средством борьбы с пожарами, что увеличивает ее значение для социума в условиях все возрастающих природных и социальных рисков.

На основании изложенного по биологической и социальной важности вода занимает первое место в жизнеобеспечении общества, что при проектировании и строительстве требует обеспечения высокой надежности подачи потребителям воды, необходимой для создания безопасной и комфортной среды обитания в зданиях.

Водоснабжение и водоотведение общественных зданий

В связи со значительной массой перемещаемого вещества (воды) и большими затратами энергии на ее подъем и перемещение, а также влиянием на природные водные ресурсы, необходимо максимально использовать ресурсосберегающие схемные и технические решения.

В высотных зданиях, демонстрирующих силу, мощь общества и человека, которые, преодолевая закон всемирного тяготения, стремятся к новым высотам, проблемы водоснабжения, как наиболее ресурсо- и энергоемкой системы, возрастают многократно.

Это требует нового объективного социального подхода к этим системам, отнесения их к системам «защиты жизни, здоровья физических или юридических лиц, в том числе их отдельных категорий, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, охраны окружающей среды…» / 1 /.

Определение социального статуса систем водоснабжения в технических регламентах /1/ и детализация его в нормативно-правовых документах (Водный кодекс, Закон о питьевой воде, ГОСТ, СниП, СП, различные положения и методики) позволит создать единый государственный поход к этой системе жизнеобеспечения и обеспечить комплексную безопасность высотных зданий.

При проектировании уникальных высотных зданий с высокой степенью риска необходимо очень четко сформулировать требования к системам водоснабжения, как этого требует СНиП 10.01-94 /3/.

К сожалению, в существующих нормативах на проектирование и эксплуатацию систем водоснабжения /4,5,6,7,8/ требования сформулированы недостаточно полно, разбросаны по многочисленным документам и не содержат требований по ресурсосбережению. Требования по надежности сформулированы в общем виде и не позволяют оценить надежность подачи воды отдельным потребителям и небольшим группам потребителей.

Наиболее полно требования к строительной продукции, к которой относится система водоснабжения, сформулированы в /2/.

На основании предложенных показателей качества авторы попытались предварительно сформулировать требования к системам хозяйственно-питьевого водоснабжения (табл. 1).

Таблица 1 (подробнее) Номенклатура показателей качества систем хозяйственно-питьевого водоснабжения

Аналогичные показатели качества могут быть разработаны для систем противопожарного водопровода, канализации.

При разработке показателей качества для противопожарных водопроводов следует учитывать следующее.

Строительство многофункциональных высотных зданий обуславливает необходимость изменения основных концептуальных принципов обеспечения водяного пожаротушения. Действующие нормативные документы по проектированию автоматических спринклерных установок пожаротушения (АУПТ) и внутреннего противопожарного водопровода в многофункциональных зданиях основаны на следующих концептуальных положениях.

Для тушения возникшего в помещении загорания предусматриваются спринклерные установки, действие которых предусмотрено в течение 30 мин. /9/, тушение развитого пожара осуществляется с использованием внутреннего противопожарного водопровода (время работы которого должно быть не менее 3 часов согласно нормам /4/) и передвижной пожарной техники. При этом, как ни странно, до настоящего времени пожарная техника не рассматривается как составляющий элемент комплекса систем противопожарной защиты (СПЗ) здания, в частности, в пункте 2.40 МГСН 4.04-94 /10/.

В высотных зданиях при пожаре на этажах выше 50 м наружное пожаротушение практически отсутствует. При высоте здания 25–260 м, что является наиболее распространенным параметром, согласно обзору существующих мировых небоскребов /11/, без наружного пожаротушения остаются более 75 % помещений здания. При этом следует учесть, что на наружное пожаротушение нормами предусматривается расход воды не менее 100 л/с. И именно наружное пожаротушение от пожарных машин и гидрантов обеспечивает локализацию и ликвидацию развитых пожаров в зданиях в условиях городской застройки.

Из вышеизложенного следует, что для обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности зданий высотой 100 м и более на этаже, где возник и развивается пожар, расход воды на пожаротушение должен быть существенно больше, чем предусматривается действующими нормами. Очевидно также, что этот расход должен быть сравним с расходом на наружное пожаротушение.

Такой расход может быть обеспечен только внутренним противопожарным водопроводом, что качественно изменяет роль этого элемента комплекса СПЗ в обеспечении безопасности высотных зданий.

В существующих и проектируемых в Москве зданиях высотой 35–40 этажей и более при разработке технических условий предусматриваются до восьми струй по 5 л/с. Данный расход можно считать в некоторой степени «минимально необходимой величиной». С другой стороны, увеличение числа вертикальных трубопроводов ограничивается площадью этажа высотной части здания, которая составляет, как правило, 2500/3000 кв.м.

Таким образом, необходимость увеличения проектного расхода воды на внутреннее пожаротушение в высотных зданиях является одним из основных вопросов при разработке норм проектирования таких объектов.

Определение конкретного значения расхода воды на внутреннее пожаротушение в высотных зданиях тесно связано с вопросом определения понятия расчетного пожара: на какую продолжительность пожара и на какие его тепловые и другие характеристики должны рассчитываться установки пожаротушения? Анализ нормативных документов и опыта проектирования дает основания считать, что при проектировании систем водяного пожаротушения следует придерживаться сложившихся к настоящему времени понятий о типовой пожарной нагрузке, стандартной динамике температуры при пожаре и других характеристиках пожара. В частности, в нормах «Гостиницы» /12/ введено понятие расчетной нагрузки в 50 кг на кв.м в пересчете на древесину, что может быть использовано и для высотных зданий. В нормативные требования следует включить также положение, что системы пожаротушения должны рассчитываться на случай возникновения только одного пожара в любом пожарном отсеке здания.

Актуальность этого положения обусловлена тем, что увеличение этажности здания и, как следствие, увеличение в несколько раз числа помещений, где может возникнуть пожар, порождает мнение о необходимости расчета систем на тушение двух пожаров одновременно. Такой подход лишен смысла: одновременное случайное возникновение двух пожаров в разных пожарных отсеках – событие с пренебрежительно малой вероятностью, а умышленный поджог может быть совершен и в трех, и в четырех местах одновременно и не может быть расчетной ситуацией.

Обеспечение необходимого количества воды на верхних этажах высотного здания является, безусловно, наиболее сложной технической задачей. С инженерной точки зрения она может быть частично решена так же, как для хозяйственно-питьевого водопровода, о чем говорится выше.

Но устройство насосов-повысителей на технических этажах еще не гарантирует наличие воды в системах пожаротушения в случае пожара. Поэтому в мировой практике строительства высотных зданий используются дополнительные водопитатели систем пожаротушения в виде емкостей (баков), расположенных на нескольких технических этажах и на кровле.

Данное решение, безусловно, должно найти отражение в нормах на многофункциональные высотные здания. Дополнительные водопитатели должны использоваться в период нормальной эксплуатации для хозяйственно-питьевых нужд. При этом в них должен постоянно оставаться минимально необходимый объем воды для пожаротушения. Определение величины этого объема воды – задача, которая в настоящее время может быть решена только эмпирически, поскольку дополнительные емкости-водопитатели не могут заменить всю систему противопожарного водоснабжения. Кроме того, количество емкостей будет зависеть от этажности здания.

Поэтому следует нормировать некоторый обобщенный показатель, в качестве которого предлагается установить время работы спринклерной системы и одного пожарного крана в течение менее 10 мин. Кроме того, обязательным условием должна быть установка таких емкостей на верхнем этаже здания, даже при отсутствии технического этажа.

При выполнении предложенного условия емкость дополнительных водопитателей должна быть 6 куб.м и более: верхний предел ограничен, естественно, конструктивными особенностями здания и экономической целесообразностью.

Спецификой проблемы обеспечения пожарной безопасности высотных зданий является то обстоятельство, что на высоте более 50 м из-за отсутствия эффективной помощи снаружи качественно изменяется значимость показателей надежности систем противопожарной защиты, в т.ч. водяного пожаротушения. При этом надежное водоснабжение играет первостепенную роль.

Вопросы надежности систем противопожарной защиты отражены в положениях ГОСТ 12.1.004-91 /13/. В отношении систем водяного пожаротушения их можно разделить на две части: надежность систем спринклерного пожаротушения и надежность системы внутреннего противопожарного водопровода.

Стандартом /13/ установлен критерий безопасности людей при пожарах в зданиях: вероятность Q_в воздействия опасных факторов пожара на людей не должна превышать 0,000001 в год. В формулах для расчета величины Q_в используется показатель надежности R спринклерной системы пожаротушения, который рассматривается как вероятность тушения этой системой загорания или пожара на начальной стадии.

Аналитические зависимости для определения стандартного критерия пожарной безопасности позволяют подойти к оценке требуемой надежности спринклерной системы и, как следствие, к надежности системы противопожарного водоснабжения.

В высотных зданиях, как, впрочем, и во всех других типах зданий, безопасность людей обеспечивается, в первую очередь, конструктивными и объемно-планировочными решениями. Согласно стандарту /13/, при обеспечении своевременной эвакуации по эвакуационным путям в безопасную зону или наружу расчетный критерий безопасной эвакуации Р_э.п. принимается равным 0,999.

Для расчета показателя безопасности Q_в используется также вероятность возникновения пожара в здании Q_п. Однако использование данного показателя приемлемо для однотипных зданий массовой застройки.

В отношении высотных зданий, каждое из которых уникально, следует использовать другой подход: вероятность воздействия опасных факторов на людей не должна превышать величины 0,000001, независимо от частоты возникновения загорания или развития пожаров.

Таким образом, поскольку стандарт [13] допускает, что при пожаре люди могут не успеть самостоятельно эвакуироваться с вероятностью Q_нэ = (1-Р_э.п.) = 0,001, эти люди должны быть защищены инженерными системами, в т.ч. системами пожаротушения.

Рассмотрим три основные системы противопожарной защиты: спринклерная система с надежностью R_c, система противодымной защиты с надежностью R_п, система оповещения с надежностью R_o. Каждая из них в отдельности при эффективной работе может обеспечить безопасность людей в случае пожара. Поэтому, используя формулы (3), (33) и (34) из ГОСТ 12.1.004-91 [13], получим, что вероятность одновременного отказа перечисленных систем не должна превышать величины 0,001. Предполагая одинаковую надежность систем, получим, что сприклерная система должна иметь надежность не менее 0,9.

Расчет надежности систем водяного пожаротушения достаточно сложен и не рассматривается в настоящей работе.

Приведенные выше расчеты, основанные на общей концепции оценки пожарного риска, дают основание утверждать, что в нормативные документы по проектированию многофункциональных высотных зданий должны быть включены требования по надежности элементов систем водяного пожаротушения, чего до сих пор не было.

В частности, допустимые величины наработки на отказ насосов, элементов управления должны быть включены отдельными пунктами.

При этом можно делать ссылки на действующие нормативы, как это делается в слаботочных системах. Например, нормы НПБ 75-98 [14] устанавливают величину наработки на отказ элементов систем оповещения о пожаре, которая используется в расчетах по оценке пожарного риска.

В любом случае, даже независимо от конкретной величины показателя требуемой надежности, включение в нормы такого показателя послужит серьезным основанием для включения в проекты надежного оборудования систем внутреннего пожаротушения.

Продолжение в следующем номере

ЛИТЕРАТУРА

1. Закон РФ «О техническом регулировании».

2. ГОСТ 4.200—78 Система показателей качества продукции. Строительство.

Основные положения.

3. СНиП 10-01-94 Система нормативных документов в строительстве. Основные положения.

4. СНиП 2.04.01-85* (2000) Внутренний водопровод и канализация зданий.

5. СНиП 2.04.02-84* (с изм. 1 1986, попр. 2000) Водоснабжение. Наружные сети и сооружения 6. СНиП 2.04.03-85 (с изм. 1986) Канализация. Наружные сети и сооружения.

7. Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда.

8. Правила эксплуатации систем коммунального водоснабжения и канализации в РФ.

9. НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования.

10. ТСН 31-304-95 (МГСН 4.04-94) (с изм. 1 1999) Многофункциональные здания и комплексы.

11. Ivan Zaclic et al «100of the talleist buldings», Hong Kong, 1998.

12. МГСН 4.16-98 Гостиницы.

13. ГОСТ 12.1.004-91 (1999) ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

14. НПБ 75-98 Приборы управления.