Противодымная защита высотных зданий

В. М. Есин, доктор техн. наук, профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

 

Проблемы противопожарной и противодымной защиты зданий, высота которых превосходит допускаемую действующими нормативными документами, регламентирующими пожарную безопасность, в настоящее время приобретает все большую актуальность из-за возрастающих масштабов их строительства.

Будем называть такие здания высотными.

Для решения этой проблемы необходимо рассмотреть три задачи:

- проверить применимость схем противодымной защиты, используемых в нашей стране для зданий, высота которых не превышает 75 м;

- в случае необходимости предложить новые схемы для противодымной защиты высотных зданий;

- учесть изменение ветра по высоте здания на параметры вентиляционных систем противодымной защиты.

При использовании отдельных составляющих систем противодымной защиты для высотных зданий, в принципе, применимы пути и способы, разработанные и апробированные на зданиях, высота которых не превышает 20–25 этажей.

Комплекс «Федерация» Московского международного делового центра «Сити»

Для другой части систем противодымной защиты такой подход становится неприемлемым.

Создание подпора в лестничных клетках, разделенных на зоны по 7–10 этажей, может быть использовано в зданиях произвольной этажности. Создание подпора в шахтах лифтов и дымоудаление из коридоров и помещений с ростом этажности здания приводит к таким значениям параметров, которые не могут быть обеспечены существующим вентиляционным оборудованием, а если такое оборудование и существует, то для его установки требуется чрезмерное усиление несущих конструкций здания.

Возможным выходом из этого положения представляется разработка и обоснование новых схем противодымной защиты и определение предельных высот или этажности зданий, при которых параметры вентиляционного оборудования не выходят за пределы разумного.

Существо предлагаемых подходов к выбору схем систем противодымной защиты рассмотрим на примере комплекса «Федерация» Московского международного делового центра «Сити», участок 13.

Комплекс «Федерация» состоит из двух башен (А и Б) с общей четырехэтажной подземной и семиэтажной стилобатной частями. Между башнями расположена антенная часть. В башне А – 87 надземных этажей, в башне Б – 57. По вертикали надземные части башен разделены на пожарные отсеки техническими этажами. Технические этажи расположены на уровне 4, 28, 53 и 71 этажей.

Традиционной схемой организации подпора воздуха в шахту лифта является сосредоточенная подача наружного воздуха в верхней его части. Нормативным требованием к системе подпора воздуха при пожаре в шахту лифта является создание в ее объеме на уровне посадочного этажа избыточного по отношению к наветренному фасаду здания давления не менее 20 Па.

Расчет параметров вентилятора подпора воздуха в шахту лифта, обслуживающего и подземные и надземные этажи, по традиционной схеме (сосредоточенная подача воздуха в верхнюю часть шахты) дает расход в шахту лифта: 72 145 м³/ч и приведенное к нормальным условиям давление на оголовке шахты 188 Па.

Расчет параметров вентиляторов подпора воздуха в шахту того же лифта с подачей на уровнях технических этажей дает такие значения:

- количество этажей в 1 отсеке — 6;

- расход в шахту лифта — 7 711 м³/ч;

- приведенное давление на уровне верхнего этажа отсека — 3,47 Па;

- количество этажей в 2 отсеке — 24;

- расход в шахту лифта — 3 444 м/ч;

- приведенное давление на уровне верхнего этажа отсека — 3,51 Па;

- количество этажей в 3 отсеке — 25;

- расход в шахту лифта — 3 417 м³/ч;

- приведенное давление на уровне верхнего этажа отсека — 3,55 Па;

- количество этажей в 4 отсеке — 18;

- расход в шахту лифта — 2 352 м³/ч;

- приведенное давление на уровне верхнего этажа отсека — 3,56 Па;

- количество этажей в 5 отсеке — 14;

- расход в шахту лифта — 1 843 м³/ч;

- приведенное давление на уровне верхнего этажа отсека — 3,51 Па.

Суммарный расход воздуха, подаваемого в шахту лифта, составляет 18 767 м³/ч, что в 3,8 раза меньше расхода воздуха, подаваемого одним вентилятором.

Преимущество использования автономной системы дымоудаления для каждого выделенного по вертикали пожарного отсека не столь впечатляюще. Для 23-этажного пожарного отсека в башне А комплекса «Федерация» требуемая производительность автономного для пожарного отсека вентилятора дымоудаления составляет 23 471 м³/ч, приведенное к нормальным условиям давление — 663 Па. Для устройства системы дымоудаления из того же пожарного отсека с пропуском шахты транзитом через вышележащие этажи производительность вентилятора составляет 23 481 м³/ч; приведенное к нормальным условиям давление — 1 786 Па. В обоих рассмотренных вариантах шахта дымоудаления из монолитного бетона с проходным сечением 0,6x0,6 м, площадь проходного сечения клапана дымоудаления – 0,3 м².

Одной из схем, применение которых представляется целесообразным в высотных зданиях, является схема с незадымляемыми лестничными клетками 3 типа (Н3), т. е. с лестничными клетками, защищаемыми от задымления путем создания подпора воздуха при пожаре в тамбурах-шлюзах. Такая схема проходила испытания во ВНИИПО на установке «фрагмент этажа высотного здания» и подтвердила свою эффективность. В этой схеме воздух в тамбур-шлюз подается по специальному каналу.

Методики расчета параметров вентилятора, подающего воздух в тамбур-шлюз, не существует. Одной из задач, решенных в настоящей работе, и было создание такой методики.

При установке одного вентилятора на канале для расчета его параметров можно воспользоваться результатами работы [1]. Параметры вентилятора подпора в канал рассчитываются аналогично параметрам вентилятора подпора в шахты лифтов и лестничные клетки.

Схема с установкой одного вентилятора обладает рядом недостатков, основным из которых является необходимость выделения полезной площади здания для устройства канала. При малой площади такого канала резко возрастают потери давления в канале и могут увеличиваться до неприемлемых величин требуемые параметры вентилятора.

Разумной представляется схема с подачей воздуха в канал несколькими вентиляторами, установленными в различных уровнях здания. Потери давления на трение в канале при такой схеме резко снижаются, что приводит к существенному снижению утечек воздуха через щели и неплотности канала и закрытых клапанов и, в конечном итоге, к уменьшению требуемых параметров вентиляторов. Такая схема может быть использована для подачи воздуха в шахты лифтов высотных зданий, каналы подачи воздуха в тамбуры-шлюзы и в объемы поэтажных коридоров.

Организация системы противодымной защиты в высотном здании: 1 – технический этаж; 2 – этажи здания; 3 – незадымляемая лестничная клетка типа Н2+Н3; 4 – тамбур-шлюз перед лестничной клеткой; 5 – шахта лифта; 6 – система дымоудаления из коридоров или помещений; 7 – система подпора воздуха а при пожаре в объем лестничной клетки; 8 – система подпора воздуха при пожаре в тамбуры-шлюзы перед лестничной клеткой; 9 – система подпора воздуха при пожаре шахту лифта

Упрощенная методика расчета требуемых параметров вентиляторов, подающих воздух в канал, состоит в следующем.

Считаем, что воздух из канала выходит через открытый клапан, расположенный на середине высоты канала. Расход воздуха, уходящего через открытый клапан, определяется в зависимости от назначения канала. Если рассматриваемый канал служит для подачи воздуха в тамбуры-шлюзы, то требуемый расход определяется по скорости воздуха в открытом дверном проеме из тамбура-шлюза в коридор, т. е.

G_п = Н_п • В_п • r_п • V_п,

где V_п – скорость воздуха в дверном проеме из лестничной клетки в коридор этажа пожара (1,3 м/с для жилых зданий; 1,5 м/с – для общественных).

Давление в канале на уровне открытого клапана определяется по формуле

Р_к,io = Р_в,io – x_кл • (G_п/F_кл)²/2r_п,

где Р_в,io – давление в здании на уровне открытого клапана, Па;

x_кл – коэффициент сопротивления открытого клапана;

F_кл – площадь клапана дымоудаления, м².

Давление внутри здания на уровне i-го этажа определяется как среднее арифметическое между давлениями на наветренном и заветренном фасадах:

Р_в,i = 0,1 r_н • U_в² – h_i • g • (r_н – r_п).

Считаем, что половина расхода воздуха G_п приходит к клапану из верхней части канала, а другая половина – из нижней. Расчет требуемых расходов и давлений воздуха производится аналогично расчету параметров вентиляторов подпора в незадымляемые лестничные клетки 2-го типа [1]. Давление в канале на уровне i-го этажа вычисляется по формуле

Р_к,i = Р_к,i–1 – l • h_эт/d_экв • (G_i,i-1/F_к)²/(2 • r_п),

где l – коэффициент сопротивления трения стенки канала;

h_эт – высота этажа, м;

d_экв – эквивалентный (гидравлический) диаметр канала, м;

G_i,i–1 – расход воздуха в канале с i-го на i-1-й этаж, кг/с;

F_к – площадь проходного сечения канала, м².

Расход воздуха G_i,i–1 определяется как сумма половины расхода G_п и расходов, фильтрующихся из канала через неплотности и щели в стенах шахты и закрытых клапанах с io + 1-го по i-1-й этаж:

G_i,i–1 = 0,5 • G_п + SG_ф,i.

Расход воздуха, фильтрующегося через неплотности и щели стенок канала и закрытого клапана, определяется по формуле

G_ф,i = [(Р_к,i – Р_в,i)/S_к]0,5,

где S_к – характеристика гидравлического сопротивления стен канала в пределах этажа с клапаном, м/кг.

Расчет параметров вентилятора, подающего воздух в нижнюю часть канала, аналогичен приведенному выше.

Для проверки описанной выше упрощенной методики конструкторского расчета проведены расчеты с использованием методики из работы [2]. Основные определяющие параметры в расчетах были приняты равными или изменялись в следующих пределах:

- количество этажей в здании – 17;

- температура наружного воздуха — –28 °С;

- температура воздуха в здании — 20 °С;

- размеры двери из тамбура-шлюза в коридор – 1x2 м;

- площадь клапана – 0,4 м²;

- сечение канала – от 0,1x0,1 м до 0,6x0,6 м;

- номер этажа с открытым клапаном – от 1 до 17;

- характеристика сопротивления закрытого клапана — от 1 000 до 8 000 1/(кг•м);

-коэффициент сопротивления открытого клапана – 3;

-коэффициент сопротивления трения о стены канала – 0,1.

Сравнение результатов конструкторского и поверочного расчетов показало, что отличие в величинах расходов и давлений не превосходят 3–6 %, что доказывает правомерность использования описанной методики для инженерных расчетов требуемых параметров вентиляторов.

Для проверки влияния изменения скорости ветра по высоте здания на требуемые параметры вентиляторов системы противодымной защиты были разработаны специальные программы. Изменение скорости ветра по высоте принималось в соответствии с данными СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

Расчеты, проведенные для двух башен «Федерация» комплекса «Сити», показали, что влияние изменения скорости ветра по высоте на параметры вентиляторов систем противодымной защиты не очень велико.

Для системы дымоудаления из коридоров башни А учет изменения скорости ветра по высоте увеличивает расход вентилятора с 23 393 до 23 481 м³/ч, а приведенное к нормальным условиям давление вентилятора — с 1 600 Па до 1786 Па.

Для башни Б расход вентилятора увеличивается с 23 387 до 23 474 м³/ч, а приведенное к нормальным условиям давление вентилятора — с 1 111 до 1 231 Па. Для вентиляторов подпора в шахту лифта 1 в башне А учет изменения скорости ветра по высоте здания приводит к уменьшению суммарного расхода вентиляторов с 23 773 до 18 767 м³/ч. Для вентиляторов подпора в шахту лифта 1 в башне Б учет изменения скорости ветра по высоте здания приводит к уменьшению суммарного расхода вентиляторов с 18 099 до 13 488 м³/ч.

Литература

1. Есин В. М., Сидорук В. И., Токарев В. Н. Расчет вентиляционных систем противодымной защиты зданий // Водоснабжение и санитарная техника. 1993. № 3.

2. Есин В. М. Распространение продуктов горения по зданиям при работающей механической вентиляции // Противопожарная защита зданий и сооружений: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992.

Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий

Программа предназначена для определения параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий. Программа Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий содержит методики расчетов различных видов систем дымоудаления и подпора воздуха: системы дымоудаления из помещений и/или коридоров при пожаре, системы удаления дыма и газов после пожара, системы обеспечения незадымляемости лестничных клеток, системы подпора воздуха в шахты лифтов, лестнично-лифтовые, лестничные и лифтовые холлы, тамбур-шлюзы и зоны безопасности Зоны безопасности при пожаре надо считать как тамбур-шлюз, работающий при пожаре с закрытыми дверями на нагрев и работающий при пожаре с одной открытой большей створкой двери на заполнение и спасение. Надо учесть, то, что если зона безопасности предназначена для маломобильных групп населения, то удельная характеристика сопротивления газопроницанию закрытых дверей тамбур-шлюза (м3/кг) должна быть не менее 180000. Второй момент это то, что температура воздуха подпора должна быть не менее 5 градусов и при больших отрицательных температурах наружного воздуха необходимо учитывать подогрев воздуха подпора. В высотных зданиях жилых свыше 75 м и общественных свыше 50 м при расчете подпора в незадымляемую лестничную клетку типа Н2 необходимо организовать тамбур-шлюзы при выходе в коридор. Подпор воздуха орсуществляется и туда и туда. Для пожарных лифтов, а так-же лифтов для маломобильных групп населения, необходимо предусмотреть тамбур-шлюз, двери которого должны иметь удельную характеристику сопротивления газопроницанию не менее 180000 м3/кг. Подпор должен осуществляться и в шахту лифта, и в тамбур-шлюз. Программа соответствует требованиям СП