Дымоудаление из атриума Три подхода к подаче вытесняющего воздуха

S. Duda, член Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Удаление дыма часто выполняется при помощи одного или нескольких вытяжных вентиляторов, выводящих воздух из точки вблизи верхней части атриума непосредственно наружу.

Однако сегодня в литературе имеется гораздо меньше советов, практических инструкций или предложений по выбору параметров конструкции системы подачи вытесняющего воздуха. Если в конструкции системы удаления дыма предполагается кратность воздухообмена в час равная 6, вытесняющий воздух обеспечивается относительно просто, иногда для этого достаточно утечки из соседних помещений и/или с улицы. Если же необходимо обеспечить значительно больший расход для удаления дыма, для проектировщика вытесняющий воздух представляет проблему большую, чем сама вытяжка.

Введение

В настоящее время разработчики систем ОВК в атриумах ставят перед собой цели, направленные не на достижение определенной кратности воздухообмена в час, а на поддержание помещений атриума свободными от дыма в течение времени, достаточного для выхода людей из здания. Необходимая интенсивность удаления дыма может значительно варьироваться в зависимости от конфигурации атриума и от других факторов. В результате может понадобиться система дымоудаления с расходом, во много раз большим расхода, который может быть задан нормативами.

Автор выявил множество ресурсов для расчета и реализации системы удаления дыма, но отметил отсутствие практических руководств для подачи вытесняющего воздуха, являющегося существенным компонентом работы систем удаления дыма из атриумов*. Можно ожидать, что без вытесняющего воздуха вытяжка дыма из атриума не сможет работать, как это необходимо.

В данной статье рассматриваются системы подачи вытесняющего воздуха, производится сравнительный анализ трех подходов конструирования таких систем. Представляемые концепции иллюстрируются на конкретных примерах.

* Подача вытесняющего воздуха при дымоудалении из атриума выполняет те же функции, что и «поддувало» в обычной печи. Роль системы дымоудаления в обычной печи выполняет дымовая труба.

Требования к системе подачи вытесняющего воздуха

Перед рассмотрением различных методов подачи вытесняющего воздуха в атриум необходимо сделать небольшой обзор целей применения такого воздуха.

Система подачи вытесняющего воздуха должна быть выбрана и спроектирована согласно следующим требованиям:

1. Вытесняющим воздухом должен быть незагрязненный наружный воздух, поэтому впускное отверстие должно быть достаточно удалено от точки вывода дыма.

2. Вытесняющий воздух должен подаваться с небольшой скоростью (менее 1 м/с), измеряемой в месте возможного образования огня. Воздух должен равномерно распространяться по всему атриуму.

3. Вытесняющий воздух должен подаваться в атриум не сверху, а в места, расположенные ниже уровня, на котором, как ожидается, может скапливаться дым.

4. Система вытесняющего воздуха должна быть надежной. Она должна допускать проведение периодических проверок.

5. Расход вытесняющего воздуха должен контролироваться и удерживаться на уровне, меньшем уровня расхода вытяжки, для поддержания в атриуме отрицательного давления относительно давления воздуха в соседних помещениях.

6. В некоторых случаях, в особенности когда атриум является частью высотного здания, местные органы власти могут потребовать, чтобы система противодымной защиты могла управляться из командного центра тушения пожара при помощи пожарной станции противодымной защиты. Это позволяет членам команды реагирования на чрезвычайные ситуации отменять работу системы противодымной защиты и брать управление на себя в зависимости от их собственных оценок текущей ситуации.

7. Проектировщик должен всегда помнить о возможных последствиях непреднамеренных действий, будучи готовым к проявлениям вторичного воздействия методов подачи вытесняющего воздуха.

8. Система не должна быть настолько сложной, что оператор может быть сбит с толку или система может быть неверно реализована. Считается, что, если единственным человеком, который понимает систему вытеснения, является инженер-конструктор, указанное требование не обеспечивается.

9. Атриум, если он существует, чаще всего является витриной или точкой притяжения всего здания. Архитекторы очень чувствительно относятся к влиянию на эстетические характеристики, которое оказывают какие-либо решения, связанные с механическим оборудованием атриума.

10. Наконец, инженер-конструктор должен учитывать стоимость системы и финансовые возможности клиента.

Методы подачи вытесняющего воздуха

Учитывая все вышесказанное, в этой статье приводится сравнение и сопоставление всех аргументов «за и против» для трех методов подачи вытесняющего воздуха, необходимого для поддержки удаления дыма из атриума. Все три метода рассматриваются в статье независимо друг от друга, но предполагается, что могут использоваться и гибридные методы, являющиеся комбинацией этих основных трех методов. Кроме того, могут реализовываться и другие возможности.

Метод I. Система, не использующая принудительную подачу вытесняющего воздуха

Возможно, наиболее простым способом подачи вытесняющего воздуха в атриум является использование непосредственных отверстий в наружную среду. Примерами таких отверстий являются автоматические двери или заслонки, шарнирные панели, встроенные в перегородки, опускающиеся окна. Многие архитекторы используют имеющиеся на рынке компоненты, которые могут быть встроены в наружное покрытие атриума. Задачей инженера-проектировщика является согласование устройств управления и настройка этих устройств для их автоматического включения в случае возникновения задымления. При таком решении не используются ни вентиляторы, ни воздуховоды, ни какие-либо иные компоненты перемещения воздуха.

Такой метод наиболее легко можно реализовать в атриумах с непосредственным выходом во внешнюю среду через наружные стены. Для атриумов, непосредственно не связанных с внешней средой, решение должно быть более сложным, т. к. в этом случае вытесняющий воздух должен перемещаться через соседние помещения.

Подход, не использующий принудительной подачи воздуха, отличается следующими характеристиками:

• отверстия для наружного воздуха могут быть выбраны таким образом, чтобы избежать забора загрязненного воздуха;

• размер и расположение отверстий могут быть подобраны так, чтобы обеспечить нужную скорость приточного воздуха и подачу воздуха в нужные места помещения;

• такая система хорошо понятна как для технического персонала, так и для обычных людей;

• затраты на установку обычно невелики.

Такой подход имеет следующие недостатки:

• Многие имеющиеся на рынке элементы системы подачи воздуха отличаются тем, что после активирования они остаются открытыми, пока не будут приведены в исходное положение вручную. Некоторые из этих элементов не могут управляться в дистанционном режиме.

• Пассивная вентиляция подвержена влиянию ветровой нагрузки, тяги и других внешних, трудно учитываемых сил. Размещение впускных отверстий в местах, обеспечивающих расчетные параметры воздушного потока, может быть затруднительным.

• В этом методе редко существуют практические возможности нагрева или охлаждения вытесняющего воздуха. Это препятствует периодическому тестированию системы в климатических условиях с долгой и холодной зимой или с жарким и влажным летом. Так как объемный расход системы удаления дыма может быть весьма значительным, даже короткое тестирование в холодный день может иметь серьезные последствия для здания.

• Некоторые архитекторы из эстетических соображений запрещают применять шарнирные панели и опускающиеся секции окон. Во время тестирования открывание дверей, выходящих на улицу и используемых для пассивной подачи вытесняющего воздуха, может быть причиной озабоченности по поводу возможного вторжения в здание или может стать причиной ложного срабатывания системы аварийной сигнализации.

Метод II. Специальная система подачи вытесняющего воздуха

Более точным и, возможно, более целостным методом подачи вытесняющего воздуха в атриум является использование системы обработки наружного воздуха, специально предназначенной только для этих целей. В этом методе устанавливается одна или несколько систем принудительного забора, фильтрации и кондиционирования наружного воздуха в соответствии с местными климатическими и иными условиями и распределения этого воздуха по атриуму с помощью сети воздуховодов и диффузоров. В обычных условиях система не работает, и активирование ее работы совместно с вытяжными вентиляторами производится устройствами автоматизированного контроля при обнаружении задымления.

Подход с использованием системы, специально предназначенной для подачи вытесняющего воздуха, имеет несколько преимуществ:

• Проектировщик может легко реализовать указанные выше требования 1, 2 и 3, касающиеся размещения впускных отверстий и скорости воздуха.

• Хотя по отношению к подходу с естественной подачей воздуха система, специально предназначенная для подачи вытесняющего воздуха, более сложна, тем не менее она проста для понимания, и ее тестирование не вызывает затруднений.

• Устройства управления, отменяющие управление системой, могут быть встроены в противопожарную станцию контроля задымления.

• Вытесняющий воздух может нагреваться, охлаждаться, фильтроваться и обрабатываться каким угодно другим образом, как это считает нужным производить проектировщик.

• Вероятность того, что персонал здания будет отменять действия специального оборудования и устройств управления или модифицировать это оборудование, достаточно мала, т. к. это оборудование не служит ни для каких других целей.

В качестве недостатков специальных систем можно отметить следующее:

• Это решение отличается наибольшей стоимостью установки, по сравнению со всеми тремя представляемыми здесь методами, т. к. владелец закупает всю систему обработки воздуха, которая не применяется более ни в каких целях. Во многих приложениях этот фактор играет решающую роль, заставляя отказаться от такого подхода.

• Надежность не гарантирована. При отсутствии каждодневного использования оборудования, предназначенного для выполнения одной определенной задачи, неполадки в оборудовании могут быть не обнаружены. Поэтому при выборе этого подхода абсолютно необходимо проведение регулярного тестирования системы.

«Настольные книги» американских проектировщиков систем дымоудаления В США проектировщики систем дымоудаления активно пользуются несколькими литературными источниками, которые особенно важны с точки зрения представления методологии расчета необходимого объемного расхода воздуха в системе. 1. Исследователи Клоут и Майлк (J. Klote и J. Milke), давно являющиеся авторитетами в области систем противодымной защиты, представляют обширный обзор основ физических процессов распространения дыма, вычислительных методов и рекомендаций по конструктивным решениям. 2. В стандарте Национальной противопожарной ассоциации США 92В представлены требования для оборудования систем противодымной защиты, рассматриваются вопросы тестирования, технического обслуживания и выбора конструктивных параметров. 3. Руководство ASHRAE (2003 г.) – Приложения HVAC.

Метод III. Многофункциональная система подачи вытесняющего воздуха

Последним рассматриваемым методом подачи вытесняющего воздуха является использование системы воздухообработки, обслуживающей атриум на регулярной основе. Базовое оборудование выполняет задачи как в обычном режиме, так и в чрезвычайной ситуации при возникновении задымления. Устанавливается одна или несколько систем принудительной подачи воздуха, предназначенных для рециркуляции возвратного воздуха и его смешивания с наружным воздухом (возможно, в экономичном цикле, основанном на параметрах воздушной среды), а также для фильтрации и кондиционирования воздуха в соответствии с местными климатическими и иными условиями и распределения этого воздуха по атриуму с помощью сети воздуховодов и диффузоров.

При нормальных условиях эта система работает как обычная система вентиляции атриума, а при обнаружении дыма устройства автоматического управления переводят систему в аварийный режим. В этом режиме заслонки должны быть полностью открыты для поступления наружного воздуха и закрыты для возвратного воздуха. Если система подачи воздуха с переменным расходом воздуха включает в себя воздухораспределители, то они должны быть выведены в полностью открытое положение, независимо от команд термостата.

В конструкцию системы должен быть включен канал возвратного воздуха, обеспечивающий атриум дополнительным воздухом для вытеснения дыма. Судя по результатам расчетов, в аварийном режиме расход воздуха может превышать максимальный расход приточного воздуха, обеспечиваемый системой вентиляции, рассчитанной на работу в нормальном режиме. Следовательно, должны быть рассмотрены дополнительные источники вытесняющего воздуха.

На рис. 1 представлена многофункциональная система подачи вытесняющего воздуха, работающая в нормальном режиме, а на рис. 2 – та же самая система в аварийном режиме удаления дыма.

Рисунок 2. Система вентиляции атриума в нормальном режиме работы

За счет очень умеренных дополнительных расходов, связанных с установкой нескольких заслонок и короткого воздуховода, при помощи системы возвратного воздуха создается воздушная магистраль для нагнетания дополнительного воздуха для вытеснения дыма. Такая концепция «разворота воздуха при помощи системы возврата» может обеспечить значительную прибавку к вытесняющему воздуху, естественно, при условии, если проектировщик не создает никаких препятствий воздушному потоку, таких как заслонки против обратной тяги.

Метод III не может быть применен в зданиях без централизованной системы подачи воздуха. Например, такие здания, как отели или многоквартирные жилые дома, могут полностью обслуживаться тепловыми насосами, в которых источником тепла является вода, а также вентиляторными конвекторами и другими системами, основанными на гидронике. В таких случаях следует использовать метод I или II.

Рисунок 2. Система вентиляции атриума в режиме аварийной ситуации

В основном, метод III многофункционального подхода подачи вытесняющего воздуха имеет следующие преимущества:

• Проектировщик может легко реализовать указанные выше требования 1, 2 и 3, но при этом должен рассматривать функции как в обычном, так и в аварийном режиме.

• Надежность повышается, т. к. неполадки в каком-либо компоненте многофункциональной системы обычно обнаруживаются и устраняются во время работы в обычном режиме.

• Устройства управления, отменяющие управление системой, могут быть встроены в противопожарную станцию контроля задымления.

• Вытесняющий воздух может быть, по крайней мере, частично нагрет, охлажден, отфильтрован или обработан каким-либо иным образом.

• Архитектор, проектирующий атриум, может быть удовлетворен тем, что добавляется немного решеток и диффузоров (или вообще не вносятся никакие дополнительные устройства) в дополнение к уже предусмотренным для базовой системы вентиляции. Архитектор может быть также благодарен за то, что не используются отверстия системы естественной подачи воздуха согласно методу I.

• Стоимость установки может быть не намного выше затрат при установке системы, которую владелец закупает для использования в обычном режиме.

Из недостатков многофункциональных систем следует отметить следующие:

• Такая система отличается наибольшей сложностью из всех трех рассмотренных систем, поэтому существует опасность неверного понимания способов ее эксплуатации. Параметры устройств управления и последовательность операций должны быть точно определены и представлены всем заинтересованным сторонам. Этот метод может быть непригоден, если технический персонал недостаточно обучен или не способен должным образом эксплуатировать такую систему или если известно, что технические работники могут отменять некоторые функции системы, наглухо перекрывая некоторые заслонки или отключая устройства автоматического управления.

• Все обычные компоненты системы, такие как воздуховоды, заслонки, устройства управления и воздухораспределители системы с переменным расходом воздуха, наряду с их обычными функциями, выполняют в настоящее время также функции жизнеобеспечения. Из-за этого в некоторых законодательных предписаниях могут присутствовать требования модернизации этих обычных компонентов для соответствия более строгим нормам и правилам, например, касающимся антисейсмического крепления или характеристик жизнеобеспечения (например, наличие резервной мощности).

Пример 1. Здание учебного центра

Применение требований к системе подачи воздуха для вытеснения дыма рассматривается на примере двух зданий: одного уже построенного, а другого – находящегося в процессе строительства.

Первое из этих зданий – крупный учебный центр – имеет трехэтажный атриум, на всех уровнях которого находятся люди. Атриум расположен в центре здания и соединяет три уровня, на которых располагаются мастерские, аудитории, переходное помещение и вестибюль с главной лестницей. Наиболее важные параметры атриума приведены в табл. 1.

Таблица 1 Параметры атриума для рассматриваемых в этой статье двух конкретных зданий

Параметры Здание учебного центра Здание медицинской школы Площадь атриума, м2 539 544 Высота атриума, м 13,4 22,5 Объем атриума, м3 7 226 12 211 Расстояние от пола до уровня задымления, м 10,7 17,6 Расчетное время защиты, с 1 200 1 200 Интенсивность выделения теплоты при пожаре, кДж/с 2 110 2 110 Расход удаляемого дыма, л/с 37 000 82 400 Чистая кратность воздухообмена 18,4 24,3 Выбранный метод подачи вытесняющего воздуха Метод III Метод III Базовый расход приточного воздуха в обычном режиме, л/с 26 700 45 300 Подача дополнительного вытесняющего воздуха по магистрали возвратного воздуха Да Да

Согласно методологии, приведенной в строительных нормах и правилах, использующихся в США, расход вытяжного воздуха с дымом должен быть равен 37 000 л/с (см. врезку на с.). Отметим, что, если бы система была рассчитана на общую кратность воздухообмена в час, равную 6, расход вытяжки дыма был бы гораздо ниже – 12 000 л/с. На крыше самого верхнего этажа установлены два вентилятора дымоудаления приблизительно равной производительности, дым выводится непосредственно из отверстия в верхней части атриума.

Обеспечение вытесняющего воздуха является более трудной задачей. После тщательного рассмотрения метод I, с использованием естественной подачи вытесняющего воздуха, был отклонен. Атриум почти полностью окружен смежными помещениями с людьми, и было желание не использовать соседние помещения в качестве каналов подачи вытесняющего воздуха. Только одна небольшая часть атриума соприкасается с наружной стеной в дальнем конце вытянутой зоны обслуживания. Архитектор выражал желание не использовать в этом месте шарнирные или ниспадающие панели, т. к. эта часть перегородки является центральной точкой атриума, из которой открывается прекрасный вид на реку. Метод II, с системой, специально предназначенной для подачи вытесняющего воздуха, мог бы быть использован, но его реализация потребовала бы значительных дополнительных затрат. Поэтому был выбран метод III, использующий многофункциональную систему подачи вытесняющего воздуха.

Основная система обработки воздуха, обслуживающая атриум и соседние помещения, доставляет приточный воздух с расходом 26 700 л/с, а т. к. для обеспечения необходимого дымоудаления этого недостаточно, была использована система возвратного воздуха (рис. 2), обеспечивающая дополнительный поток вытесняющего воздуха.

При аварийной ситуации в условиях задымления устройства воздухообработки переводятся в режим поставки только наружного воздуха, а конечные устройства с переменным расходом воздуха полностью открываются, независимо от управляющих команд устройств регулирования температуры. Даже во время чрезвычайной ситуации, связанной с задымлением, приточный воздух (за исключением той его части, которая поступает по магистрали возвратного воздуха) продолжает кондиционироваться или нагреваться.

Центральная система подает воздух в атриум и в окружающие его помещения. В аварийной ситуации воздух, подаваемый в соседние помещения, создает в этих помещениях повышенное, по отношению к атриуму, давление. Отверстия для переноса воздуха позволяют вытесняющему воздуху перемещаться из окружающих помещений в атриум, благодаря чему осуществляется вытеснение воздуха, вытягиваемого вентиляторами дымоудаления. Система проходила проверку в присутствии представителей местных органов власти. Тестирование системы производилось при помощи театральных устройств создания дыма. Во время испытаний система работала так, как и предполагалось, в результате чего она была принята.

Таблица 2 (подробнее) Примерная оценка методов реализации систем подачи вытесняющего воздуха

Пример 2. Здание медицинской школы

В качестве второго примера рассматривается четырехэтажный атриум, на всех этажах которого имеются люди. Этот атриум входит в состав строящегося высотного здания медицинской школы при университете. Как часто бывает в таких случаях, атриум является центральной точкой здания. Наиболее важные параметры здания приведены в табл. 1.

Согласно методологии, предписываемой соответствующими строительными нормами и правилами, необходимый расход удаляемого дыма составляет 82 600 л/с. Отметим, что, если бы система была рассчитана на кратность воздухообмена в час, равную 6, расход вытяжки дыма был бы гораздо ниже – 17 100 л/с. На крыше самого верхнего этажа установлены четыре вентилятора дымоудаления производительностью 20 700 л/с, дым выводится непосредственно из отверстия в верхней части атриума.

Был обстоятельно рассмотрен метод I подачи вытесняющего воздуха. Автор не имел ничего против этого метода, но владельцы и архитекторы выражали определенную озабоченность. Из-за финансовых условий метод II был сразу же отвергнут. Поэтому в конечном итоге был выбран и был положен в основу проекта метод III, предполагающий использование многофункциональной системы подачи вытесняющего воздуха. Реализация этого решения еще не завершена.

Основная система воздухообработки, обслуживающая атриум и соседние помещения, должна доставлять приточный воздух с расходом 45 300 л/с. Как и в предыдущем примере, была использована представленная на рис. 2 система возвратного воздуха, дополняющая поток приточного воздуха. Работа системы аналогична работе системы в корпоративном центре предыдущего примера.

Одно из важных и неожиданных последствий метода III, реализованного в этом приложении, заключается в следующем. В этой конкретной географической зоне и для такого типа присутствия людей в здании сейсмические крепления необходимы для системы жизнеобеспечения, но не для обычных систем. Дополнения к городским строительным нормам требуют, чтобы все провода, относящиеся к системе жизнеобеспечения, укладывались в кабельные каналы. Следствием переноса требований к системе жизнеобеспечения на обычные системы воздухообработки в здании является то, что вся система должна быть укреплена в соответствии со стандартами сейсмостойкости, и все провода (даже провода сигналов управления напряжением 24 В), обслуживающие конечные устройства системы, должны прокладываться в каналах. Даже при этих условиях метод II не дает никаких преимуществ, т. к. в нем требуется применение крупной системы подачи вытесняющего воздуха, по размерам сравнимой со всей базовой системой здания.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено доктором техн. наук, профессором В. М. Есиным.

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