Влияние расстояния от клапана дымоудаления до двери помещения с очагом пожара на температуру удаляемых из коридора продуктов горения

В. М. Есин, доктор техн. наук, профессор, Академия государственной противопожарной службы МЧС РФ

С. П. Калмыков, канд. техн. наук, Академия государственной противопожарной службы МЧС РФ

М. Ю. Цыбульская,Академия государственной противопожарной службы МЧС РФ, zikovamargarita@bk.ru

Анализ статистических данных [1] о пожарах показал, что в большинстве случаев причинами гибели людей на пожарах являются дым и токсичные продукты горения, которые, быстро распространяясь по коридорам, лестничным клеткам, шахтам лифтов и другим вертикальным коммуникациям, блокируют эвакуационные пути и выходы, значительно снижают видимость, приводят к дезориентации человека в пространстве, что не позволяет ему выбраться из горящего здания и в конечном итоге приводит к удушью и смерти. Зачастую пожары в высотных зданиях принимают затяжной характер, требуют дополнительного привлечения сил и средств на их ликвидацию, а также на спасание людей. Эти факторы являются причиной более жестких требований к противопожарной защите таких зданий. Основные требования пожарной безопасности, предъявляемые к противодымной защите зданий, а в частности зданий повышенной этажности, приведены в [2–4]. В соответствии с [3] в жилых, общественных, административно-бытовых и многофункциональных зданиях высотой более 28 метров, которые по несколько условной классификации в России относят к зданиям повышенной этажности, необходимо предусматривать системы механического дымоудаления из коридоров и холлов.

Исследование динамики распространения опасных факторов пожара и параметров газовой среды на этаже пожара является важной задачей для выбора характеристик и расположения элементов противодымных систем, а также для обоснования нормативных требований к ним.

В соответствии с пунктом 7.4. СП 7.13130.2013 [3] расход продуктов горения, удаляемых вытяжной противодымной вентиляцией, следует рассчитывать в зависимости от различных факторов, в том числе и от температуры удаляемых продуктов горения. Фиксированные значения температуры удаляемых продуктов горения из коридоров или помещений без расчета не допускается.

В настоящее время для определения требуемых параметров механических систем вентиляции противодымной защиты используются методические рекомендации по расчету параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий, разработанные ВНИИПО [5], а также методические рекомендации, разработанные НП «АВОК» [6].

В соответствие с [5] температуру продуктов горения T_пг, удаляемых из коридоров жилых и общественных зданий, определяют по формуле:

где

        T_в – температура внутреннего воздуха, К;

        T₀ – температура газов, поступающих из горящего помещения в коридор, К;

        h_д – предельная толщина дымового слоя, м;

        F_кор – площадь коридора, м²;

        l_кор – длина коридора, м.

Температура продуктов горения, как и их плотность, является важным критерием для определения расхода продуктов горения, удаляемых из коридора этажа пожара, который, в свою очередь, влияет на значение производительности вентиляционного оборудования механических систем дымоудаления.

Разумно предполагать, что при расположении противодымного клапана вблизи двери помещения с очагом пожара часть горячей струи дыма и токсичных продуктов горения, выходящих из этого помещения, попадает непосредственно в сечение дымового клапана вытяжной системы дымоудаления, поэтому температура удаляемых через него дыма и токсичных продуктов горения будет очень высокой, а следовательно, и объемный расход удаляемых продуктов горения исходя из расчетов будет максимальным. Далее, распространяясь по всей длине коридора, дым перемешивается с окружающим воздухом, который значительно холоднее его, часть тепла уходит строительным конструкциям. То есть чем дальше располагается дымовой клапан от двери помещения с очагом пожара, тем меньшей температуры дым будет удаляться через него. Таким образом, производя расчет по формуле (1), указанной ранее, для определения некоторой средней температуры дыма по всей длине коридора можно получить значения, существенно отличающиеся от реальных значений температуры дыма, проходящего через клапан, и выбрать оборудование с недостаточными характеристиками, не обеспечивающими эффективное дымоудаление из коридора этажа пожара. Поэтому при проведении практических расчетов систем дымоудаления, необходимо учитывать разницу F(x) между температурой дыма, удаляемой из коридора через дымовой клапан, и средней температурой продуктов горения, получаемой по зависимости (1). В работе [7] показано, что при небольшом расстоянии от дымового клапана до двери помещения с очагом пожара температура продуктов горения, удаляемых через клапан, может превышать среднюю температуру, определяемую по формуле (1) на 150÷200 °C.

Для получения количественной зависимости температуры продуктов горения, удаляемых из коридора этажа пожара, от расстояния от клапана до двери помещения с очагом пожара был проведен ряд численных экспериментов с помощью программного комплекса FDS [8]. Помещение очага пожара моделировалось площадью 30 м² и высотой 3 м. Оно было оснащено оконным проемом размером 1,5×1,5 м. С помещением через дверной проем размером 1,0×2,0 м сообщался коридор шириной 1,5 м и высотой 3,0 м. Длина коридора принималась в зависимости от его конфигурации: для кольцевой – 20 м, для угловой – 30 м, для прямолинейной – 45 м.

Рисунок 1. Схема моделируемых сценариев пожара в помещении, сообщающемся с коридором угловой (а), пря- молинейной (б) и кольцевой (в) конфигураций: 1 – оконный проем; 2 – дверной проем; 3 – очаг пожара; 4, 6 – дымовой клапан; 5 – дверной проем в лестничную клетку

В коридоре располагался один дымовой клапан размером 0,6×0,6 м. Массовый расход и скорость продуктов горения в клапане V_кл, м/с, определялись в соответствии с методиками [5, 6]. В ходе численного эксперимента рассмотрены три расстояния от дымового клапана до двери помещения с очагом пожара: близкое расстояние до двери помещения очага пожара (1,5 м) – для всех конфигураций коридоров; среднее расстояние (15 м) – для угловой и прямолинейной конфигураций и 10 м – для кольцевой; дальнее расстояние (30 – угловая, 45 – прямолинейная, 20 – кольцевая).

Расчетные схемы моделируемых сценариев пожара в помещении представлены на рис. 1.

В ходе численного эксперимента определялось и фиксировалось среднее значение температуры по сечению дымового клапана. Результаты моделирования в виде полей температур на высоте 2 м от пола коридора угловой конфигурации при пожаре показаны на рис. 2, 3.

Рисунок 2. Поля температуры F(x) на 10-й минуте пожара в угловом коридоре при расположении дымового клапана: на близком расстоянии от очага пожара – 1,5 м (а), на среднем расстоянии – 15 м (б), на дальнем расстоянии – 30 м (в)

Далее проводились численные эксперименты и обработка результатов для прямолинейной и кольцевой конфигураций коридора аналогично угловому коридору (рис. 4, 5).

Рисунок 3. Динамика роста F(x) в коридоре угловой конфигурации при расположении дымового клапана на близком, среднем и дальнем расстоянии от очага пожара

Рисунок 4. Динамика роста F(x) в коридоре прямолинейной конфигурации при расположении дымового клапана на близком, среднем и дальнем расстоянии от очага пожара

Рисунок 5. Динамика роста F(x) в коридоре кольцевой конфигурации при расположении дымового клапана на близком, среднем и дальнем расстоянии от очага пожара

Из рисунков 2–5 можно сделать вывод о том, что с увеличением расстояния от дымового клапана до двери помещения с очагом пожара, разница F(x) между реальной температурой удаляемого дыма через этот клапан и средней температурой, получаемой по расчету из зависимости (1) снижается.

Наихудшая ситуация в коридорах угловой, прямолинейной и кольцевой конфигураций складывается при расположении вблизи помещения очага пожара, так как при этом F(x) максимальна по сравнению со средним и дальним его расположением. Результаты расчетов по рассматриваемым вариантам представлены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты расчетов

Конфигурация коридора Положение клапана относительно очага пожара Температура дыма в сечении дымового клапана, К в численных экспериментах расчетом по методике ВНИИПО [18] Угловая Близкое (1,5 м) 387 311 Среднее (15 м) 365 Дальнее (30 м) 327 Прямолинейная Близкое (1,5 м) 416 302 Среднее (20 м) 358 Дальнее (45 м) 321 Кольцевая Близкое (1,5 м) 396 314 Среднее (10 м) 360 Дальнее (20 м) 327

Обработка данных, полученных из расчета, проводилась в программе EXCEL. Результаты аппроксимации расчетных данных представлены на рис. 4–6.

Из анализа значений коэффициента детерминации (R² = 1) для рассматриваемых уравнений линии регрессии был сделан вывод, что зависимость F(x) в коридорах угловой, прямолинейной и кольцевой конфигураций при различном расстоянии от очага пожара до дымового клапана, хорошо будут аппроксимированы полиномиальной функцией регрессии второго порядка, имеющей вид:

F(x) = ах² + bх + c,            (2)

где

а, b, c – расчетные коэффициенты;

х – расстояние от помещения с очагом пожара до дымового клапана.

Таблица 2 Полиномиальные регрессионные зависимости

Конфигурация коридора Коэффициент детерминации Вид регрессии Угловая R2 = 1 Fу(x) = - 0,0488x2 - 0,8243x + 77,346 Прямолинейная R2 = 1 Fп(x) = 0,0368x2 - 3,9259x + 119,81 Кольцевая R2 = 1 Fк(x) = 0,0067x2 - 4,3122x + 88,453

Используя данные зависимости, можно получить формулы для расчета температуры дыма, удаляемого из коридоров различной конфигурации, учитывающие расстояние до противодымного клапана. Для коридора угловой конфигурации формула имеет вид:

для коридора прямолинейной конфигурации:

для коридора кольцевой конфигурации:

Выводы

1. Численные эксперименты подтверждают предположение о существенном влиянии расстояния от дымового клапана до двери помещения с очагом пожара на температуру удаляемого через него дыма.

2. Получены зависимости температуры удаляемого из коридора этажа пожара дыма от расстояния от дымового клапана до двери помещения с очагом пожара для различных конфигураций коридоров.

3. При проведении практических расчетов, используя формулу для температуры продуктов горения T_пг, удаляемых из коридоров жилых и общественных зданий, следует учитывать расстояние от дверного проема помещения очага пожара до дымового клапана.

Литература

1. Пожары и пожарная безопасность в 2007–2015 году [текст]: статист. сб. / Под общ. ред. Н. П. Копылова. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008–2015.
2. Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [электронный ресурс] // Гарант: информ.-правовое обеспечение. – Электрон. дан. – М., 2016.
3. СП 7.13130.2013 «Отопление, вентиляция и кондиционирование. Требования пожарной безопасности» [электронный ресурс]: свод правил (утв. Приказом МЧС РФ 21 февраля 2013 года № 116) // Гарант: информ.-правовое обеспечение. – Электрон. дан. М., 2016.
4. СП 60. 13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41–01–2003» [электронный ресурс]: свод правил (утв. Приказом МЧС РФ 21 февраля 2013 года № 116) // Гарант: информ.-правовое обеспечение. – Электрон. дан. М., 2016.
5. Расчетное определение основных параметров противодымной вентиляции зданий: метод. реком. к СП 13130.2013. М.: ВНИИПО, 2013.
6. Рекомендации АВОК «Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий». М.: ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС», 2015.
7. Есин В. М., Калмыков С. П. К вопросу расчета температуры продуктов горения, удаляемых из коридоров зданий // Пожаровзрывобезопасность. –2016. – Т. 25. – № 1. – С. 47–53.
8. Кэвин М., Клейн Б., Хостикка С., Флойд Д. Руководство пользователя «Программа FDS–версия 5» [текст]. Гейтерсберг: Нац. институт стандартов и технологии США, 2007.