Опасность задымления при пожаре в высоких помещениях

G.D. Lougheed, ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха)

G.V. Hadjisophocleus , ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха)

 

В жилых, административных и торговых зданиях атриумы становятся все более популярными, поскольку это помещения привлекательного вида с естественным освещением и контролируемым микроклиматом. Однако атриумы ставят проблемы перед инженерами по пожарной безопасности по причине своей высоты и отсутствия междуэтажных разграничений, которые в обычных зданиях препятствуют распространению пожара от источника возгорания в другие зоны. Это касается и эвакуации людей из атриумов, так как пути эвакуации попадают в зону задымления.

В настоящей статье приводится краткий обзор средств дымоудаления из атриумов. Кроме того, имеется информация о последних исследованиях, относящихся к проектированию систем дымоудаления из высоких помещений.

Опасность задымления

Большинство людей, ставших жертвами пожаров, погибли не от ожогов, а оттого что задохнулись в дыму. В технике дымоудаления принято определение дыма как смеси продуктов сгорания, включающих газы и частицы твердых тел и жидкостей, с воздухом, проникающим извне [1]. Опасность, возникающая при задымлении зданий, состоит в следующем:

• Наличие в продуктах сгорания токсичных газов. Наиболее типичным примером является окись углерода (угарный газ). Кроме того, в зависимости от состава горящих материалов могут присутствовать наркотические (цианистый водород) и раздражающие (кислотные) вещества.

• Пониженный уровень кислорода, вызванный процессом горения, который может стать причиной асфиксии.

• Высокая температура продуктов сгорания, что опасно как для людей, находящихся в дыму, так и для тех, кто подвергается тепловому облучению от этой среды.

• Ухудшение видимости, что затрудняет эвакуацию людей и работу пожарных.

Ухудшение видимости является главной опасностью, которую следует учитывать при проектировании дымоудаления, особенно для обитателей тех помещений, которые не находятся непосредственно в зоне возгорания. В литературе по пожаротушению приведен диапазон допустимых уровней видимости [7]. Для людей, знакомых с планировкой здания и знающих путь к спасению, допустимый уровень видимости составляет 3–5 м, а для тех, кто плохо ориентируется, уровень видимости должен быть не менее 25 м.

Воздействие остальных источников опасности (токсичных газов, высокой температуры, пониженного уровня кислорода) существенно для тех людей, которые находятся близко к очагу пожара или в облаке дыма. Развернутое обсуждение вредного воздействия дыма, включая токсичные газы и предельно допустимые уровни для оценки вероятности наступления смертельного исхода или нетрудоспособности, приведено в [8].

Защита атриумов от задымления

Когда дым от пожара, возникшего в атриуме или в смежном с ним помещении, распространяется в другие помещения здания, возникает угроза для безопасной эвакуации людей. Эта угроза должна в первую очередь приниматься во внимание при проектировании системы дымоудаления. Противопожарные мероприятия должны ограничивать возникновение дыма и его распространение, обеспечивать надежный способ дымоудаления.

Различные подходы, применяемые по отдельности или в сочетании, способны ограничить вредное воздействие дыма на людей, снижая его выделение или изменяя направление его движения, что смягчает вредный эффект. Снижение уровня выделения дыма может быть достигнуто путем установки автоматических спринклерных головок и ограничением использования горючих материалов в здании или в конструкции пола атриума.

В дополнение к спринклерной системе используются методы пассивной защиты от задымления, которые сводятся к ограничению распространения дыма. Например, пути пожарной эвакуации могут быть отделены от атриума огнезащитными или дымозащитными ограждениями, что уменьшает опасность для людей при пожаре.

Инженерные средства дымоудаления

Дымоудаление может осуществляться путем вытяжки дыма из атриума как с помощью зенитных проемов, так и путем устройства системы вытяжной вентиляции, что позволяет снизить концентрацию дыма в верхней зоне и ограничить его распространение в другие (смежные) помещения. Проектирование системы дымоудаления для атриумов основано на принципе многозональной модели. При пожаре высокотемпературные продукты сгорания образуют восходящую струю. Попутное подмешивание окружающего воздуха к струе увеличивает ее объем и массу. Под потолком помещения формируется стратифицированный слой дыма. По мере накопления

дыма толщина слоя увеличивается, его нижняя граница опускается, и, в конце концов, дым может полностью «затопить» атриум. Восходящая дымовая струя, слой дыма под потолком и окружающий более холодный воздух, не вовлеченный в струю, образуют три отдельные зоны в объеме атриума (рис. 1). Инженерный расчет основывается на балансовых уравнениях массообмена и энергообмена между зонами.

На основе экспериментальных данных была разработана система уравнений, позволяющая оценивать свойства дымовой струи, толщину дымового слоя под потолком, усредненные характеристики слоя: температуру, концентрацию газов, оптическую прозрачность. На этих эмпирических зависимостях основывается методика расчета системы дымоудаления, приведенная в руководствах по проектированию [1, 2, 9].

Влияние поддува

Задача системы механического дымоудаления состоит в том, чтобы поддерживать нижнюю границу дымового слоя выше некоторого заданного уровня – выше путей эвакуации или самых верхних коммуникационных проемов с соседними помещениями. Для атриумов, когда пространство между потолком и допустимой нижней границей дымового слоя минимально, поддув воздуха в верхнюю зону может повлиять на эффективность механической системы дымоудаления.

Наиболее распространенный подход к проектированию системы дымоудаления для атриумов основан на статической модели пожара (табл. 1), т. е. тепло- и дымовыделения от пожара считаются постоянными. Предполагается, что система дымоудаления, эффективная при расчетных условиях устойчивого пожара, окажется эффективной и в период, когда разгорается огонь. Статическая модель пожара описывается несложными алгебраическими уравнениями, с помощью которых легко определить параметры потока дыма, включая массовый расход в восходящей струе и соответствующую производительность системы дымоудаления, требуемую для обеспечения заданного минимального уровня задымления верхней зоны.

Таблица 1 Расчетные параметры для атриумов при устойчивом пожаре

Содержание горючих материал Расчетная мощность пожара, кВт  Низкое (минимальное пламя в огнезащищенном атриуме) 2 000 Обычное (минимальное пламя при наличии горючих материалов в атриуме) 5 000 Высокое (сильный огонь) 25 000

Явление поддува заключается в том, что чистый воздух из-под дымового слоя вовлекается в зону всасывания вытяжного вентилятора. При этом уменьшается эффективность дымоудаления и может возникнуть скопление дыма на периферии верхней зоны, в местах пребывания людей (рис. 2).

Рисунок 1. (увеличить) Удаление дыма из атриума	Рисунок 2. (увеличить) Явление поддува в системе дымоудаления

В недавно завершенном проекте, финансируемом ASHRAE (RP-899) для изучения указанного явления, Национальный Комитет по научным исследованиям (США) использовал метод физического моделирования в сочетании с CFD-моделью [10, 11, 12]. При этом были разработаны критерии для определения допустимой величины слоя дыма под вытяжными отверстиями и расстояния между отверстиями [13].

Для уменьшения эффекта поддува рекомендуется использовать систему механического дымоудаления с несколькими вытяжными отверстиями. При этом максимальный массовый (объемный) расход удаляемого через отверстия воздуха лимитируется заданной глубиной слоя дыма в верхней зоне. Один из возможных способов определения расхода через вытяжные отверстия используется в Великобритании для систем дымоудаления с естественным побуждением [14]. Расчетный массовый расход в вытяжном отверстии определяется по формуле

(1)

где:

m_max – максимальный массовый расход в вытяжном отверстии без поддува, кг/с;

T_s – абсолютная температура в дымовом слое, К;

T_o – абсолютная температура окружающего воздуха, К;

d – глубина слоя дыма под вытяжными отверстиями, м;

b – коэффициент, характеризующий расположение вытяжных отверстий (безразмерный);

С = 3,13 – константа.

Согласно ограниченным данным, приведенным в публикации, рекомендуется принимать значение b=2,0 для вытяжных отверстий, расположенных на потолке вблизи стен или на стенах вблизи потолка, b=2,8 для вытяжных отверстий, расположенных на потолке вдали от стен.

Влияние отражения струи дыма от потолка

Наряду с эффектом поддува возникает явление отражения струи дыма, «натекающей» на потолок, что также сказывается на эффективности системы механического дымоудаления. Нормативом NFPA 92B (2000) предлагается задавать расчетную глубину слоя дыма под потолком таким образом, чтобы включить зону распространения отраженной струи. В соответствии с этим рекомендуется принимать минимальную толщину слоя дыма равной 10–20% высоты помещения.

Исследования, проведенные в рамках проекта RP-899, показали, что использование нескольких

вытяжных отверстий позволяет свести к минимуму эффект поддува и уменьшить расчетную величину глубины слоя дыма под потолком. Данные, полученные при физическом моделировании и на CFD-модели, показали, что существует минимум глубины указанного слоя дыма. Как следует из полученных данных, минимальное значение глубины дымового слоя составляет примерно 10% высоты атриума.

Свойства дыма

Дым оказывает вредное воздействие на людей во время эвакуации. Как было показано выше, опасность при задымлении возникает в связи с повышенной температурой, выделением токсичных газов, ухудшением видимости. Известны различные методы определения интенсивности дымления, высоты дымового облака, концентрации газов, температуры и оптической плотности (ухудшения видимости). Эти методы включают расчеты по алгебраическим уравнениям, приведенным в справочнике NFPA 92B (2000), физическое и компьютерное моделирование.

Для высоких атриумов объем задымления в значительной мере определяется подсасыванием окружающего воздуха к дымовой струе. В результате дымовой слой, формирующийся под потолком в зоне действия вытяжной системы, оказывается «разбавленным», что снижает его потенциальную опасность.

Рисунок 3. (увеличить) Распределение экспериментальных и расчетных точек при исследовании концентрации CO2	Рисунок 4. (увеличить) Распределение экспериментальных точек и данных CFD-модели по концентрации CO2 в дымовом слое

Отражение дымовой струи от потолка и эффект поддува могут также оказывать влияние на глубину дымового слоя. Однако для высоких атриумов существенным является вопрос – представляет ли опасность проникновение дыма в смежные помещения.

Концентрация газовых составляющих в дымовом слое при пожаре в атриуме может быть определена с использованием алгебраического уравнения, приведенного в NFPA 92B (2000) [1]. Уравнение имеет следующий вид:

(2)

где:

Yi – массовая доля i-компонента в задымлении, кг i/кг дыма;

fi – коэффициент, учитывающий долю i-компонента в горючих материалах, кг i/кг «топлива»;

Q – суммарное тепловыделение, кВт;

V – объемная производительность вытяжной системы, м³/с;

r₀ – плотность окружающего воздуха, кг/м³;

Xa – коэффициент полноты сгорания, максимальное значение 1;

DHc – удельная теплота полного сгорания, кДж/кг.

В физической модели, где для имитации пожара использовались пропановые горелки [15], единственным исследуемым продуктом сгорания был углекислый газ (CO2). На рис. 3 показано сравнение измеренной концентрации CO2 и рассчитанной по уравнению (2). Расчетная концентрация CO2 оказалась выше измеренной в дымовом слое. Это дает основание предположить, что алгебраическое уравнение можно использовать для осторожных оценок концентрации дымовых газов.

Усредненная концентрация CO2 в дымовом слое определялась также с использованием CFD-модели. Результаты сравнения этих расчетов и измерений приведены на рис. 4. В рассмотренном диапазоне значений совпадение результатов можно считать удовлетворительным.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных по задымлению ограничивалось только CO2. Однако этот подход может быть распространен и на другие газовые составляющие продуктов сгорания, например, CO. Результаты проведенных исследований показывают, что для определения концентрации газовых компонентов в продуктах сгорания можно использовать алгебраические уравнения и CFD-модели.

В справочнике NFPA 92B (2000) приводится также алгебраическое уравнение для оценки оптической плотности (видимости) в слое задымления во время работы системы вентиляции:

(3)

где:

D – оптическая плотность дыма, OD/м;

Dm – массовая оптическая плотность, м²/кг;

Q – суммарное тепловыделение, кВт;

V – объемная производительность вытяжной системы, м³/с;

Xa – коэффициент полноты сгорания, максимальное значение 1;

DHc – удельная теплота полного сгорания, кДж/кг.

Так как газовые горелки, использованные в экспериментальных исследованиях [15], почти не выделяют дыма, замеры оптической плотности не проводились. По этой причине не представляется возможным сопоставить расчетные и экспериментальные данные. Однако, поскольку ухудшение видимости в дымовом слое является тем фактором опасности, который первым достигает критического значения [16], иллюстративная оценка оптической плотности все же была выполнена.

Параметр «массовая оптическая плотность» в уравнении (3) зависит от состава горючих материалов, режима горения, условий вентиляции и в зависимости от этих факторов может изменяться в широких пределах [16, 17]. Оптическая плотность дыма для двух вариантов состава горючих материалов показана на рис. 5. Значения массовой оптической плотности для целлюлозных материалов и смеси углеводородов и целлюлозы взяты по данным [17] и NFPA 92B (1995) [18] соответственно.

Рисунок 5. (увеличить) Расчетные значения оптической плотности дыма

На рис. 5 построена кривая оптической плотности в зависимости от тепловыделений, отнесенных к объемному расходу вытяжки (Q/V). Малые значения Q/V типичны для высоких атриумов с образованием слоя дыма под потолком. В этом случае дым в значительной мере разбавлен за счет подсосов воздуха к восходящей струе, что снижает оптическую плотность. Для высоких атриумов, где допустимая глубина дымового слоя обеспечивается большой производительностью вытяжной вентиляции, оптические параметры задымления будут в пределах безопасного уровня, обычно рекомендуемого в соответствующей литературе.

Выводы

Основы проектирования систем дымоудаления для атриумов изложены в справочных руководствах [1, 2]. При проектировании систем механического дымоудаления с ограничением глубины дымового слоя под потолком следует учитывать влияние эффектов поддува и отражения дымовой струи для гарантированного предотвращения задымления зон с пребыванием людей. Кроме того, для определения параметров задымленной области (температуры, оптической плотности, концентрации токсичных веществ) можно пользоваться алгебраическими уравнениями, приведенными в NFPA 92B (2000). В высоких атриумах при условии использования высокопроизводительной системы дымоудаления концентрация вредностей и видимость в слое задымления верхней зоны останутся в пределах допустимого уровня.

Литература

1. NFPA 92B. Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas. Национальная ассоциация пожарной безопасности. Куинси, 2000.

2. Klote J. K., Milke J. A. Design of Smoke Management Systems. ASHRAE. Атланта, 1992.

3. Webb W. Системы дымоудаления – работают ли они? Fire Protection Engineering, летний выпуск, 2000.

4. Evans D. Уникальный метод проектирования дымоудаления. Fire Protection Engineering, летний выпуск. 2000.

5. Milke J. Использование моделей в проектировании систем дымоудаления. Fire Protection Engineering, летний выпуск, 2000.

6. Klote J. H. Обзор систем дымоудаления атриумов. Fire Protection Engineering, летний выпуск, 2000.

7. Tamura G. T. Smoke Movement and Control in High Rise Buildings. Национальная ассоциация пожарной безопасности. Куинси, 1994.

8. Purser D. Toxicity Assessment of Combustion Products. Справочник SFPE по пожарной безопасности. Национальная ассоциация пожарной безопасности. Куинси, 1995.

9. Morgan H. P. и др. Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation. BRE 368, Construction Research Communication Ltd, Лондон, 1999.

10. Lougheed G. D., Hadjisophocleus G. V. Исследования эффективности механических систем дымоудаления атриумов. ASHRAE Transactions Volume 103(2): 519–533. 1997.

11. Hadjisophocleus G. V., Lougheed G. D., Cao S. Численный анализ эффективности систем дымоудаления атриумов. ASHRAE Transactions Volume 105(1): 699–715. 1999.

12. Lougheed G. D. и др. Исследование систем дымоудаления атриумов на крупномасштабных физических моделях. ASHRAE Transactions Volume 105(1): 676–698. 1999.

13. Klote J. H. Новые разработки для систем дымоудаления атриумов. ASHRAE Transactions Volume 106(1). 2000.

14. CIBSE. ТМ19:1995. Relationships for smoke control calculations. Институт инженерного оборудования зданий. Лондон, 1995.

15. Lougheed G. D., Hadjisophocle-

us G. V. Опасность задымления при пожаре в высоких помещениях. ASHRAE Transactions Volume 107. 2001.

16. Milke J. Оценка первых исследований опасности задымления при пожаре в помещениях большого размера. ASHRAE Transactions Volume 106(1). 2000.

17. Tewarson A. Генерация тепла и образование химических соединений в пламени. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Второе издание. Национальная ассоциация пожарной безопасности. Куинси, 1995.

18. NFPA 92B. Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas. Национальная ассоциация пожарной безопасности. Куинси, 1995.

19. Klote J. K. Method of predicting Smoke Movement in Atria with Application to Smoke Management. NISTIR 5516. Национальный институт стандартизации и технологии. Геттисберг, 1994.

 

Перепечатано c сокращениями из журнала ASHRAE.

Переведено с английского О. П. Булычевой.