Строительство и архитектура/5.Теплогазоснабжение и вентиляция

К.э.н., проф. Королева Т.И., к.т.н., доцент Аржаева Н.В., Иванова Н.О.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

ОРГАНИЗАЦИЯ ДЫМОУДАЛЕНИЯ ИЗ АТРИУМОВ

Термин «atrium» известен со времён Античности, где им древние римляне называли внутренний световой двор в своих жилищах, и который из почерневшей от копоти кухни и столовой со временем превратился в публичную, наиболее богато обставленную часть их дома, уютную гостиную, парадный зал. В современной архитектуре этот термин используют для обозначения защищённого светопрозрачным покрытием большого и открытого пространства внутри здания. Атриумы в значительной степени увеличивают эстетическую привлекательность здания.

В случае возникновения пожара в атриуме или в смежном с ним помещении такой опасный фактор пожара, как дым, распространяется в другие помещения здания, в связи с этим возникает угроза для безопасной эвакуации людей. Эта угроза должна в первую очередь приниматься во внимание при проектировании систем противопожарной защиты. В связи с этим общественные многофункциональные здания с атриумом должны снабжаться системой дымоудаления.

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 физическое и компьютерное моделирование, а также расчеты по алгебраическим уравнениям, приведенным в справочнике NFPA 92B.

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.

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 92. Уравнение имеет следующий вид:

, (1)

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;

ρ₀ – плотность окружающего воздуха, кг/м³;

X_α – коэффициент полноты сгорания, максимальное значение 1;

ΔHc – удельная теплота полного сгорания, кДж/кг.

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 приводится также алгебраическое уравнение для оценки оптической плотности (видимости) в слое задымления во время работы системы вентиляции:

, (2)

где D – оптическая плотность дыма, OD/м;

Dm – массовая оптическая плотность, м²/кг;

Q – суммарное тепловыделение, кВт;

V – объемная производительность вытяжной системы, м³/с;

X_α – коэффициент полноты сгорания, максимальное значение 1;

ΔHc – удельная теплота полного сгорания, кДж/кг.

Параметр «массовая оптическая плотность» в уравнении (2) зависит от состава горючих материалов, режима горения, условий вентиляции и в зависимости от этих факторов может изменяться в широких пределах.

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.

Наиболее распространенный подход к проектированию системы дымоудаления для атриумов основан на статической модели пожара, 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.

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. 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. 1).

Рис.1. 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. При этом были разработаны критерии для определения допустимой величины слоя дыма под вытяжными отверстиями и расстояния между отверстиями.

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. Расчетный массовый расход в вытяжном отверстии определяется по формуле

(3)

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, 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.

Наряду с эффектом поддува возникает явление отражения струи дыма, «натекающей» на потолок, что также сказывается на эффективности системы механического дымоудаления. Нормативом NFPA 92B 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.

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.

Защита атриума должна осуществляться с помощью механических вентиляторов, т.к. естественная вентиляция таких пространств обычно не может служить действенной альтернативой. Дымоудаление с механическим побуждением для атриумов большой высоты, кроме вытяжки в верхней части атриума, должно предусматриваться с нескольких уровней согласно расчетной схеме дымоудаления. Она основа 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. 2). Инженерный расчет основывается на балансовых уравнениях массообмена и энергообмена между зонами.

Рис. 2. Удаление дыма из атриума

На основе экспериментальных данных была разработана система уравнений, позволяющая оценивать свойства дымовой струи, усредненные характеристики слоя: температуру, концентрацию газов, оптическую прозрачность, толщину дымового слоя под потолком. Например, согласно Международным строительным нормам и стандарту NFPA 5000, установленные в атриуме вентиляторы должны работать таким образом, чтобы удерживать слой накопившегося дыма в верхней части атриума на высоте не менее 3,048 м над самыми высокими зонами, служащими для эвакуации людей из зоны задымления в здании.

На выявленных эмпирических зависимостях основывается методика расчета системы дымоудаления, приведенная в руководствах по проектированию.

Система противодымной защиты атриумов должна включать в себя

автоматическое отключение приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования, если эти системы не задействованы в схеме противопожарной защиты.

Открывание клапанов дымоудаления должно осуществляться автоматически от сигналов дымовых пожарных извещателей, дистанционно (от кнопок, установленных в лестничных клетках) и вручную. Открыванию клапанов в покрытии не должны препятствовать атмосферные осадки. При этом в нижнюю часть атриума должна предусматриваться подача наружного воздуха.

Для систем вытяжной вентиляции с механическим побуждением необходимо предусматривать:

· установку вентиляторов специального исполнения, сохраняющих работоспособность при температуре 400°С в течение 2 часов;

· шахты с пределом огнестойкости не менее 1 ч при удалении дыма непосредственно из помещений, 0,75 ч — из коридоров и холлов. Допускается совмещение шахт дымоудаления из подземных и надземных частей зданий в одном пожарном отсеке, при этом следует предусматривать автоматические устройства, информирующие о положении клапанов дымоудаления. Предел огнестойкости таких шахт должен быть не менее 1 ч;

· дымовые клапаны с пределом огнестойкости не менее 0,5 ч с сопротивлением дымогазопроницанию не менее 8000 1/кг-1/м на 1 м² площади сечения с автоматическим, дистанционным и ручным управлением приводов; соотношение площадей сечения дымовых клапанов и шахт при принятой в расчете дымогазопроницаемости их конструкций должно обеспечивать предотвращение задымления верхних этажей здания;

· воздуховоды класса П с пределами огнестойкости, соответствующими пределам огнестойкости шахт; допускается присоединение ответвлений воздуховодов с дымовыми клапанами к шахтам соответствующих пределов огнестойкости, в том числе с размещением дымовых клапанов в проемах ограждений подвесных потолков. Количество ответвлений воздуховодов от шахт не нормируется.

Таким образом, наличие атриума создает особые условия для дымоудаления. Оно должно осуществляться с помощью системы механического дымоудаления, задача которой состоит в том, чтобы поддерживать нижнюю границу дымового слоя выше некоторого заданного уровня – выше путей эвакуации или самых верхних коммуникационных проемов с соседними помещениями.

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. В высоких атриумах при условии использования высокопроизводительной системы дымоудаления концентрация вредностей и видимость в слое задымления верхней зоны останутся в пределах допустимого уровня.

При этом устанавливаемая в атриуме система предназначена для многих целей. Она поддерживает условия окружающей среды, позволяющие производить безопасную эвакуацию людей из здания, и в то же время создает условия для борющегося с огнем персонала пожарной охраны, давая возможность войти в помещение, обнаружить и ликвидировать очаг возгорания.

Литература:

1. АВОК №6, 2001.

2. АВОК №3, 2003.

3. Росс, Д. Проектирование систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий [Текст] / Дональд Росс. – М.: АВОК – ПРЕСС, 2004. – 166 с. – Перевод изд.: HVAC Design Guide for Tall Commercial Buildings / Donald L. Ross. Atlanta, 2004. – 5000 экз.

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

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

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

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

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

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

13. Lougheed G. D., Hadjisophocleus G. V. Опасность задымления при пожаре в высоких помещениях. ASHRAE Transactions Volume 107. 2001.

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

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

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