Расчет противодымной вентиляции

Штейников А.В., рук. Мельник Н.Т.
Расчет противодымной вентиляции
Введение
Согласно отечественной и зарубежной статистике, гибель примерно 85 % от
числа жертв пожаров в зданиях обусловлена поражающим воздействием выделяемых продуктов горения. Интенсивное распространение продуктов горения при пожарах в зданиях сопровождается переносом токсичных компонентов, повышением
температуры воздушной среды до появления вторичных загораний и изменением
ее оптической плотности вплоть до полной потери видимости. Поэтому, определение количества продуктов горения расчетным методом является одной из важнейших задач в области проектирования.
Приведенная в [4] методика определения расхода дыма основанная на понятии «Периметр очага пожара» не отвечает требованиям действующих норм и не
учитывает количество горючего материала, находящегося в помещении.
Действующие нормативные документы ([2]) предписывают рассчитывать расход продуктов горения, удаляемых вытяжной противодымной вентиляцией, с учетом пожарной нагрузки.
И. И. Ильминский в [5] предлагает рассчитывать количество продуктов горения на основе параметров пожарной нагрузки характерных для конкретных помещений с учетом особенностей их технологических и производственных процессов.
Ниже приводятся:
- краткое описание основных параметров пожара;
- основные требования, предъявляемые к системам противодымной вентиляции;
- расчет на основе методики изложенной в [5] расхода, удаляемых системой
вытяжной противодымной вентиляции, продуктов горения из торговых залов магазина площадью около 2000 м2 каждый;
- подбор вентиляционного оборудования на основании выполненного расчета;
- сравнение производительности систем вытяжной противодымной вентиляции принятых на основании расчетов по методикам изложенным в [4] и [5].
Основные параметры пожара
Каждый пожар представляет собой единственную в своем роде ситуацию, определяемую различными событиями и явлениями, носящими случайный характер.
Поэтому точно предсказать развитие пожара во всех деталях не представляется
возможным. Однако пожары обладают общими закономерностями, что позволяет
построить аналитическое описание общих явлений пожаров и их параметров.
Основные явления, сопровождающие пожар,– это процессы горения, массо- и
теплообмена. Они изменяются во времени, пространстве и характеризуются параметрами пожара. Пожар рассматривается как открытая термодинамическая система, обменивающаяся с окружающей средой веществами и энергией.
Процесс горения на пожаре горючих веществ и материалов представляет собой быстро протекающие химические реакции окисления и физические явления,
без которых горение невозможно, сопровождающиеся выделением тепла и свечением раскаленных продуктов горения с пламени.
Основными условиями горения являются: наличие горючего вещества, поступление окислителя в зону химических реакций и непрерывное выделение тепла,
необходимого для поддержания горения.
Возникновение и распространение процесса горения по веществам и материалам происходит не сразу, а постепенно. Источник горения воздействует на горючее
вещество, вызывает его нагревание, при этом в большей мере нагревается поверхностный слой, происходят активация поверхности, деструкция и испарение вещества, материала вследствие термических и физических процессов, образование аэрозольных смесей, состоящих из газообразных продуктов реакции и твердых частиц исходного вещества. Образовавшиеся газообразные продукты способны к
дальнейшему экзотермическому превращению, а развитая поверхность прогретых
твердых частиц горючего материала способствует интенсивности процесса его разложения. Концентрация паров, газообразных продуктов деструкции испарения (для
жидкостей) достигает критических значений, происходит воспламенение газообразных продуктов и твердых частиц вещества, материала. Горение этих продуктов
приводит к выделению тепла, повышению температуры поверхности и увеличению
концентрации горючих продуктов термического разложения (испарения) над поверхностью материала, вещества. Устойчивое горение наступает, когда скорость
образования горючих продуктов термического разложения станет не меньше скорости их окисления в зоне химической реакции горения. Тогда под воздействием
тепла, выделяющегося в зоне горения, происходят разогрев, деструкция, испарение
и воспламенение следующих участков горючих веществ и материалов.
К основным факторам, характеризующим возможное развитие процесса горения на пожаре, относятся: пожарная нагрузка, массовая скорость выгорания, линейная скорость распространения пламени по поверхности материалов, площадь
пожара, площадь поверхности горящих материалов, интенсивность выделения тепла, температура пламени и др.
Под пожарной нагрузкой понимают массу всех горючих и трудногорючих материалов, находящихся в помещении, отнесенные к площади пола помещения. Пожарная нагрузка рассчитывается в кг или МДж на 1 м2:
,
(18) [6]
или
, (19) [6]
где:
P - пожарная нагрузка, кг/м2;
mi – масса i-того вещества или материала, кг;
S – площадь пола помещения, части пола или площадь тепловоспринимающих ограждающих конструкций, м2;
J - число видов веществ и материалов, составляющих пожарную нагрузку;
- количество теплоты, выделяемой 1 кг i-го вещества или материала при
полном его сгорании (низшая теплота сгорания), МДж/кг.
Средняя теплота сгорания пожарной нагрузки ( ) в МДж или МДж/кг:
или
определяется по результатам замеров и является величиной характерной для
различных помещений в зависимости от количества и пожаровзрывоопасных
свойств находящихся (обращающихся) в них веществ и материалов с учетом особенностей технологических процессов размещенных в них производств (принимается по [5] или [6]).
При расчете пожарной нагрузки на 1 м2 площади тепловоспринимающих ограждающих конструкций их площадь определяется по формуле:
,
(20) [6]
где:
Sпов – площадь ограждающих конструкций помещения, м2;
Ai - площадь i-го проема в ограждающих конструкциях, м2.
Приведенная пожарная нагрузка рассчитывается по формуле:
где:
- низшая теплота сгорания i-го вещества или материала, МДж/кг;
- низшая теплота сгорания древесины, равная 13,8 МДж/кг;
mi – относительная массовая доля i-го вещества или материала в пожарной нагрузке, кг;
- средняя теплота сгорания пожарной нагрузки, МДж.
Критическая пожарная нагрузка (кг/м2) рассчитывается по формуле:
,
где:
V – объем помещения, м3;
(24) [6]
Vo - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг пожарной нагрузки,
м3/кг;
П - проемность помещения, равная, м1/2:
при объеме
при объеме
;
, здесь
- высота проема, м;
где - средняя теплота сгорания пожарной нагрузки, кДж/кг.
Скорость выгорания - потеря массы материала (вещества) в единицу времени
при горении. Процесс термического разложения сопровождается уменьшением
массы вещества и материалов, которая в расчете на единицу времени и единицу
площади горения квалифицируется как массовая скорость выгорания, кг/(м2·с).
Массовая скорость выгорания зависит от агрегатного состояния горючего вещества или материала, начальной температуры и других условий. Массовая скорость выгорания горючих и легковоспламеняющихся жидкостей определяется интенсивностью их испарения. Массовая скорость выгорания твердых веществ зависит от вида горючего, его размеров, величины свободной поверхности и ориентации по отношению к месту горения; температуры пожара и интенсивности газообмена. Существенное влияние на массовую скорость выгорания оказывает концентрация кислорода (окислителя) в окружающей среде.
Средняя скорость потери массы пожарной нагрузки (кг/м2·с) соответствует
выражению:
где Ψi – скорость потери массы i-го материала пожарной нагрузки (кг/м2·с).
Линейная скорость распространения горения (пожара) представляет собой
физическую величину, характеризуемую поступательным движением фронта пламени в данном направлении в единицу времени. Она зависит от вида и природы горючих веществ и материалов, от начальной температуры, способности горючего к
воспламенению, интенсивности газообмена на пожаре, плотности теплового потока
на поверхности веществ и материалов и других факторов.
Линейная скорость распространения пламени по поверхности пожарной нагрузки (м/с) может приниматься по максимальной величине, характерной для составляющих эту нагрузку материалов:
νср=νmax i
где νmax i – максимальное значение скорости распространения пламени по поверхности i-го материала пожарной нагрузки, м/с.
Под температурой пожара понимают среднеобъемную температуру газовой
среды в помещении.
Одним из главных параметров, характеризующих процесс горения, является
интенсивность выделения тепла при пожаре. Это величина, равная по значению теплу, выделяющемуся при пожаре за единицу времени. Она определяется массовой
скоростью выгорания веществ и материалов и их теплового содержания. На интенсивность тепловыделения влияют содержание кислорода и температура среды, а
содержание кислорода зависит от интенсивности поступления воздуха в помещение. При пожарах, регулируемых притоком воздуха, интенсивность выделения тепла пропорциональна расходу поступающего воздуха (пожар регулируемый вентиляцией).
Если горение на пожаре не ограничивается притоком воздуха, интенсивность
тепловыделения зависит от площади поверхности материала, охваченной горением
(пожар регулируемый нагрузкой). Площадь поверхности вещества или материала,
охваченная горением, может оставаться в процессе пожара постоянной величиной
(например, горение жидкости в резервуаре, обвалования и т. п.) или изменяется со
временем (например, при распространении огня по мебели и другим горючим материалам).
Вид объемного пожара определяется при сравнении значений приведенной
удельной пожарной нагрузки (Рк) с ее критическим значением (Рккр):
если Рк < Рккр, то в помещении будет пожар, регулируемый нагрузкой (ПРН);
если Рк > Рккр, то в помещении будет пожар, регулируемый вентиляцией
(ПРВ).
При пожаре выделяются газообразные, жидкие и твердые вещества. Они называются продуктами горения, т. е. веществами, образовавшимися в результате горения. Они распространяются в газовой среде и создают задымление.
Дым – это дисперсная система из продуктов горения и воздуха, состоящая из
газов, паров и раскаленных твердых частиц. Объем выделившегося дыма, его плотность и токсичность зависят от свойств горящего материала и от условий протекания процесса горения.
Газовый обмен на пожаре – это движение газообразных масс, вызванное выделением тепла при горении. При нагревании газов их плотность уменьшается, и
они вытесняются более плотными слоями холодного атмосферного воздуха и поднимаются вверх. У основания факела пламени создается разрежение, которое способствует притоку воздуха в зону горения, а над факелом пламени (за счет нагретых продуктов горения) – избыточное давление.
Процесс газообмена при пожаре в помещении на уровне средних по его объему термодинамических параметров (давление, плотность, температура) базируется
на законах естественного газообмена, возникающего вследствие разности плотностей (гравитационных давлений) наружной и внутренней (в помещении) газовых
сред.
На процесс газообмена в помещении большое влияние оказывают высота помещения, геометрические размеры проемов, скорость и направление ветра.
Процессы газообмена на пожаре могут приводить к задымлению как помещений, так и зданий в целом. Правильная организация работ по управлению газовыми
потоками на пожаре может способствовать предотвращению задымлений зданий и
смежных помещений, имеющих общие проемы, что значительно облегчит работы
по локализации и ликвидации пожара.
Одним из главных процессов, происходящих на пожаре, являются процессы
теплообмена. Выделяющееся тепло при горении, во-первых, усложняет обстановку
на пожаре, во-вторых, является одной из причин развития пожара. Кроме того, нагрев продуктов горения вызывает движение газовых потоков и все вытекающие из
этого последствия (задымление помещений).
Сколько тепла выделяется в зоне химической реакции горения, столько его и
отводится от нее.
Тепло, передаваемое во внешнюю среду, способствует распространению пожара, вызывает повышение температуры, деформацию конструкций и т. д.
Большая часть тепла на пожарах передается конвекцией.
Над очагом пожара возникает восходящий поток, называемый конвективной
струей или конвективной колонкой. Поднимающиеся в конвективной колонке газы
достигают потолка, растекаются по нему и образуют подпотолочный слой продуктов горения. Если площадь очага пожара Fо ограничена, то через определенный
промежуток времени величина расхода дыма, поступающего в подпотолочный
слой с конвективной колонкой, Gк, стабилизируется во времени. Для того чтобы
высота незадымленной зоны H-h оставалась постоянной, необходимо соблюдение
равенства массовых расходов дыма, удаляемого из помещения, Gsm, и дыма, поступающего в подпотолочный слой из конвективной колонки, Gк. Задачей расчета является определение такой производительности системы дымоудаления, при которой соблюдается условие Gsm = Gк при заданной высоте незадымленной зоны.
Расчетная схема газообмена приведена на рис. 1.
Рис. 1. К расчету параметров системы дымоудаления, обеспечивающей незадымленную зону в нижней
части помещения
При пожарах внутри зданий продукты сгорания, двигаясь по коридорам, лестничным клеткам, шахтам лифтов, вентканалам и т. п., передают тепло встречающимся на их пути материалам, конструкциям и т. д., вызывая их загорание, деформацию, обрушение и пр. Необходимо помнить, чем выше скорость движения конвекционных потоков и чем выше температура нагрева продуктов сгорания, тем
больше тепла передается в окружающую среду.
Процесс теплообмена горячих газов, факела пламени и ограждающих конструкций при пожаре в помещении носит сложный характер и осуществляется одновременно тепловым излучением, конвекцией и теплопроводностью.
Направление передачи тепла излучением может не совпадать с передачей тепла конвекцией, поэтому в помещении могут быть участки поверхности ограждающих конструкций, где действует только излучение (как правило, пол и часть поверхности стен, примыкающая к нему), или только конвекция (потолок и часть поверхности стен, примыкающая к нему), или где оба вида тепловых потоков действуют совместно.
Основные требования,
предъявляемые к системам противодымной вентиляции
Системы противодымной вентиляции зданий должна обеспечивать защиту
людей на путях эвакуации и в безопасных зонах от воздействия опасных факторов
пожара в течение времени, необходимого для эвакуации людей в безопасную зону,
или всего времени развития и тушения пожара посредством удаления продуктов
горения и термического разложения и (или) предотвращения их распространения
[1] .
Системы противодымной вентиляции должны быть автономными для каждого пожарного отсека.
В зависимости от объемно-планировочных и конструктивных решений системы приточно-вытяжной противодымной вентиляции зданий, сооружений и строений должны выполняться с естественным или механическим способом побуждения. Независимо от способа побуждения система приточно-вытяжной противодымной вентиляции должна иметь автоматический и дистанционный ручной привод исполнительных механизмов и устройств противодымной вентиляции.
Системы вытяжной противодымной вентиляции для удаления продуктов горения при пожаре следует предусматривать:
а) из коридоров и холлов жилых, общественных, административно-бытовых и
многофункциональных зданий высотой более 28 м;
б) из коридоров подвальных и цокольных этажей без естественного освещения их световыми проемами в наружных ограждениях жилых, общественных, административно-бытовых, производственных и многофункциональных зданий при
выходах в эти коридоры из помещений, предназначенных для постоянного пребывания людей (независимо от количества людей в этих помещениях);
в) из коридоров длиной более 15 м без естественного освещения зданий с числом этажей два и более для производственных и складских категорий А, Б и В; общественных и многофункциональных зданий;
г) из общих коридоров и холлов зданий различного назначения с незадымляемыми лестничными клетками;
д) из атриумов зданий высотой более 28 м, а также из атриумов высотой более
15 м и пассажей с дверными проемами или балконами, выходящими в пространство атриумов и пассажей;
е) из каждого производственного или складского помещения с постоянными
рабочими местами без естественного освещения или с естественным освещением
через окна и фонари, не имеющие механизированных приводов для открывания
фрамуг в окнах (на уровне 2,2 м и выше от пола до низа фрамуг) и проемов в фонарях (в обоих случаях площадью, достаточной для удаления дыма при пожаре), если
помещения отнесены к категориям А, Б, В1-В3, а также В4, Г или Д в зданиях IV
степени огнестойкости;
ж) из каждого помещения без естественного освещения:
- общественного, предназначенного для массового пребывания людей;
- площадью 50 м2 и более с постоянными рабочими местами, предназначенного для хранения или использования горючих веществ и материалов, а также библиотек, книгохранилищ, архивов, складов бумаги;
- торговых залов;
- гардеробных площадью 200 м2 и более;
з) из помещений хранения автомобилей закрытых надземных и подземных автостоянок (с числом этажей два и более), а также из изолированных рамп этих автостоянок.
Допускается проектировать удаление продуктов горения через примыкающий
коридор из помещений площадью до 200 м2: производственных категорий В1-ВЗ
или предназначенных для хранения или использования горючих веществ и материалов.
Для торговых залов без естественного освещения площадью не более 800 м2
при расстоянии от наиболее удаленной части помещения до ближайшего эвакуационного выхода не более 25 м удаление продуктов горения допускается предусматривать через примыкающие коридоры, рекреации, атриумы.
Расход продуктов горения, удаляемых вытяжной противодымной вентиляцией, следует определять по расчету с учетом мощности тепловыделения очага пожара, температуры удаляемых продуктов горения, параметров наружного воздуха:
а) в коридорах - для каждого коридора длиной не более 60 м;
б) в помещениях по 8.2 е), ж), и) - для каждой дымовой зоны площадью не более 3000 м2.
При совместном действии систем приточно-вытяжной противодымной вентиляции отрицательный дисбаланс в обслуживаемых помещениях должен приниматься по условию обеспечения перепада давления на закрытых дверях эвакуационных выходов не более 150 Па.
При определении расхода удаляемых продуктов горения следует учитывать:
а) подсос воздуха через неплотности дымовых шахт, каналов и воздуховодов;
б) подсос воздуха Gν кг/ч, через неплотности закрытых дымовых клапанов по
данным изготовителей, но не более чем по формуле
n
Gν = 40,3∑ ( Aνi ΔPi ) 0,5
i =1
,
где Аνi - площадь проходного сечения каждого клапана, м2;
∆Pi - разность давлений, Па, на этажах по обе стороны каждого клапана;
n - число закрытых клапанов в системе при пожаре
Системы вытяжной противодымной вентиляции, предназначенные для защиты коридоров, следует проектировать отдельными от систем, предназначенных для
защиты помещений. Не допускается устройство общих систем для защиты помещений различной функциональной пожарной опасности.
При удалении продуктов горения из коридоров дымоприемные устройства
следует размещать на шахтах под потолком коридора, но не ниже верхнего уровня
дверного проема. Допускается установка дымоприемных устройств на ответвлениях к дымовым шахтам. Длина коридора, обслуживаемого одним дымоприемным
устройством, должна быть не более 45 м.
При удалении продуктов горения непосредственно из помещений площадью
более 3000 м2 их необходимо конструктивно или условно разделять на дымовые
зоны площадью не более 3000 м2 каждая с учетом возможности возникновения по-
жара только в одной зоне. Площадь помещения, обслуживаемую одним дымоприемным устройством, следует принимать не более 1000 м2.
Удаление продуктов горения непосредственно из помещений наземных одноэтажных зданий, как правило, следует предусматривать вытяжными системами с
естественным побуждением через шахты с дымовыми клапанами, дымовые люки
или открываемые незадуваемые фонари. Из примыкающей к окнам зоны шириной
≤ 15 м допускается удаление дыма через оконные фрамуги (створки), низ которых
находится на уровне не менее чем 2,2 м от пола.
Конструкции дымовых люков, клапанов, фонарей и фрамуг должны обеспечивать условия непримерзания створок, незадуваемости фиксации в открытом положении при срабатывании, иметь площадь проходного сечения, соответствующую
расчетным режимам действия вытяжной противодымной вентиляции с естественным побуждением.
В многоэтажных зданиях следует предусматривать, как правило, вытяжные
системы с механическим побуждением.
Для систем вытяжной противодымной вентиляции следует предусматривать:
а) вентиляторы (радиальные, радиальные крышные и осевые) с пределами огнестойкости 0,5 ч / 200 °С, 0,5 ч / 300 °С, 1,0 ч / 300 °С, 2,0 ч / 400 °С, 1,0 ч / 600
°С, 1,5 ч / 600 °С в зависимости от расчетной температуры перемещаемых газов согласно НПБ 253 и в исполнении, соответствующем категории обслуживаемых помещений.;
б) воздуховоды и каналы из негорючих материалов класса П с пределами огнестойкости не менее:
- EI 150 - для транзитных воздуховодов и шахт за пределами обслуживаемого
пожарного отсека; при этом на транзитных участках воздуховодов и шахт, пересекающих противопожарные преграды пожарных отсеков, не следует устанавливать
противопожарные клапаны;
- EI 60 - для воздуховодов и шахт в пределах обслуживаемого пожарного отсека при удалении продуктов горения из закрытых автостоянок;
- EI 45 - для вертикальных воздуховодов и шахт в пределах обслуживаемого
пожарного отсека при удалении продуктов горения непосредственно из обслуживаемых помещений;
- EI 30 - в остальных случаях в пределах обслуживаемого пожарного отсека;
в) нормально закрытые противопожарные клапаны с пределом огнестойкости
не менее:
- ЕI 60 - для закрытых автостоянок;
- ЕI 45 - при удалении продуктов горения непосредственно из обслуживаемых помещений;
- ЕI 30 - для коридоров и холлов при установке клапанов на ответвлениях воздуховодов от дымовых вытяжных шахт, а также при установке дымовых клапанов
непосредственно в проемах шахт.
г) выброс продуктов горения, как правило, над покрытиями зданий и сооружений на расстоянии не менее 5 м от воздухозаборных устройств систем приточной противодымной вентиляции; выброс в атмосферу следует предусматривать на
высоте не менее 2 м от кровли из горючих материалов; допускается выброс продуктов горения на меньшей высоте при защите кровли негорючими материалами
на расстоянии не менее 2 м от края выбросного отверстия. Допускается выброс
продуктов горения:
- через дымовые люки, клапаны и фонари в проемах покрытий зданий и дымовые фрамуги в ограждениях зданий, оснащенные управляемыми приводами,
обеспечивающими их открытие при пожаре при эквивалентном ветровом давлении
и снеговой нагрузке, но не менее чем при расчетной скорости ветра 11 м/с и снеговой нагрузкой 60 кг/м2;
- через решетки (или на наружной стене или через шахты у наружной стены)
на фасаде без оконных проемов или на фасаде с окнами на расстоянии не менее 5 м
по горизонтали и по вертикали от окон и не менее 2 м по высоте от уровня земли,
или при меньшем расстоянии от окон при обеспечении скорости выброса не менее
20 м/с;
- через отдельные шахты на расстоянии не менее 15 м от наружных стен с окнами или от воздухозаборных или выбросных устройств систем вентиляции;
д) выброс продуктов горения из шахт, отводящих дым из нижележащих этажей и подвалов, допускается предусматривать в аэрируемые пролеты плавильных,
литейных, прокатных и других горячих цехов. При этом устье шахт следует размещать на уровне не менее 6 м от пола аэрируемого пролета (на расстоянии не менее 3 м по вертикали и 1 м по горизонтали от строительных конструкций зданий)
или на уровне не менее 3 м от пола при устройстве дренчерного орошения устья
дымовых шахт. Дымовые клапаны на этих шахтах устанавливать не следует;
е) установку обратных клапанов у вентиляторов. Допускается не предусматривать установку обратных клапанов, если в обслуживаемом производственном
помещении имеются избытки теплоты более 23 Вт/м3 (при переходных условиях);
ж) допускается применение противодымных из негорючих материалов экранов стационарного исполнения или с опускающимися полотнами и приводами для
их перемещения, имеющих высоту не менее расчетной толщины дымового слоя,
образующегося при пожаре в защищаемом помещении, размещаемых по периметру
проемов междуэтажных перекрытий или во внутренних поэтажных проемах изолированных рамп автостоянок.
Вентиляторы для удаления продуктов горения следует размещать в отдельных
помещениях, выгороженных противопожарными перегородками 1-го типа, или непосредственно в защищаемых помещениях при специальном исполнении вентиляторов для такого размещения, предусматривая вентиляцию, обеспечивающую при
пожаре температуру воздуха, не превышающую в теплый период года (параметры
Б) допустимую согласно техническим данным изготовителей вентиляторов.
Вентиляторы противодымных вытяжных систем допускается размещать на
кровле и снаружи здания (кроме районов с расчетной температурой наружного
воздуха минус 40 °С и ниже - параметры Б) с ограждениями для защиты от доступа
посторонних лиц. Допускается установка вентиляторов непосредственно в каналах
при условии обеспечения соответствующих пределов огнестойкости вентиляторов
и каналов.
Подачу наружного воздуха при пожаре приточной противодымной вентиляцией следует предусматривать:
а) в лифтовые шахты (при отсутствии у выхода из них тамбур-шлюзов с подпором воздуха при пожаре) в зданиях с незадымляемыми лестничными клетками;
б) в шахты лифтов, имеющих режим "перевозка пожарных подразделений";
в) в незадымляемые лестничные клетки типа Н2;
г) в тамбур-шлюзы при незадымляемых лестничных клетках типа Н3;
д) в тамбур-шлюзы перед лифтами (в том числе в два последовательно распо-
ложенных) в подвальных и цокольных этажах;
е) в тамбур-шлюзы при лестницах 2-го типа, ведущих в помещения первого
этажа из подвального (или цокольного) этажа, в помещениях которого применяются или хранятся горючие вещества и материалы. В плавильных, литейных, прокатных и других горячих цехах в тамбур-шлюзы допускается подавать воздух, забираемый из аэрируемых пролетов здания;
ж) в тамбур-шлюзы на входах в атриум и пассажи с уровней подвальных этажей и в нижние части атриумов и пассажей.
Допускается предусматривать подачу наружного воздуха для создания избыточного давления в общих коридорах помещений, из которых непосредственно
удаляются продукты горения, а также в коридорах, сообщающихся с рекреациями,
другими коридорами, холлами, атриумами, защищаемых системами вытяжной противодымной вентиляции.
Расход наружного воздуха для приточной противодымной вентиляции следует рассчитывать на обеспечение избыточного давления не менее 20 Па:
а) в лифтовых шахтах - при закрытых дверях на всех этажах (кроме основного
посадочного этажа);
б) в незадымляемых лестничных клетках типа Н2 при открытых дверях на пути эвакуации из коридоров и холлов на этаже пожара в лестничную клетку и из
здания наружу при закрытых дверях из коридоров и холлов на всех этажах;
в) в тамбур-шлюзах на этаже пожара при выходах в незадымляемые лестничные клетки типа НЗ и в лестницы 2-го типа, на входах в атриумы с уровней подвальных этажей, перед лифтовыми холлами подземных автостоянок - при одной
открытой двери тамбур-шлюзов, в остальных тамбур-шлюзах - при закрытых дверях.
Расход воздуха, подаваемого в тамбур-шлюзы с одной открытой дверью, следует определять расчетом по условию обеспечения средней скорости (но не менее
1,3 м/с) истечения воздуха через открытый дверной проем и с учетом совместного
действия вытяжной противодымной вентиляции. Расход воздуха, подаваемого в
тамбур-шлюзы при закрытых дверях, необходимо рассчитывать на утечки воздуха
через неплотности дверных притворов.
Величину избыточного давления следует определять относительно смежных
помещений с защищаемым помещением.
При расчете параметров приточной противодымной вентиляции следует принимать:
а) избыточное давление воздуха не менее 20 Па и не более 150 Па - в шахтах
лифтов, в незадымляемых лестничных клетках типа Н2, в тамбур-шлюзах незадымляемых лестничных клеток типа НЗ относительно смежных помещений (коридоров, холлов);
б) площадь одной большей створки двухстворчатых дверей;
в) кабины лифтов остановленными на основном посадочном этаже, двери в
лифтовую шахту на этом этаже - открытыми.
Для систем приточной противодымной защиты следует предусматривать:
а) установку вентиляторов в отдельных от вентиляторов другого назначения
помещениях,
выгороженных противопожарными перегородками 1-го типа. Допускается в
пределах одного пожарного отсека вентиляторы систем приточной противодымной
вентиляции размещать в помещении для оборудования приточных систем (кроме
систем, обслуживающих помещения и склады категорий А и Б) при условии установки противопожарных нормально открытых клапанов перед клапанами наружного воздуха приточных установок систем общеобменной вентиляции. Допускается размещать вентиляторы на кровле и снаружи зданий, кроме районов с температурой наружного воздуха минус 40 °С и ниже (параметры Б), с ограждениями для
защиты от доступа посторонних лиц;
б) воздуховоды и каналы из негорючих материалов класса П с пределами огнестойкости не менее:
- EI 150 - при прокладке воздухозаборных шахт и приточных каналов за пределами обслуживаемого пожарного отсека;
- EI 30 - при прокладке воздухозаборных шахт и приточных каналов в пределах обслуживаемого пожарного отсека;
в) установку обратного клапана у вентилятора;
г) приемные отверстия для наружного воздуха, размещаемые на расстоянии не
менее 5 м от выбросов продуктов горения систем противодымной вытяжной вентиляции;
д) противопожарные нормально закрытые клапаны с пределами огнестойкости:
- EI 120 - для систем подачи воздуха в шахты лифтов, имеющих режим «перевозка пожарных подразделений»;
- EI 30 -для остальных систем.
Противопожарные клапаны не следует устанавливать для систем, обслуживающих один тамбур-шлюз.
Для противодымной защиты при пожаре допускается использовать системы
приточно-вытяжной общеобменной вентиляции при условии обеспечения выше
перечисленных требований.
Предварительный выбор размеров проходных сечений сборных элементов
вытяжных каналов и оборудования (решеток, клапанов) систем противодымной
защиты проводится, из условий обеспечения максимальной скорости течения газов
не более 11 м/с (предпочтительно, в диапазоне 9 – 11 м/с).
Расчет системы противодымной вентиляции
Целью данного расчета является подбор вентиляционного оборудования для
системы дымоудаления.
Здании магазина, расположенного в г. Хабаровске.
В соответствии с пунктом 8.2 и) [2] для данного здания требуется предусмотреть дымоудаление из торговых залов, расположенных на этажах с отметкой пола
0,000 (зал №1) и 7,300 (зал №2).
В качестве исходных данных принято:
- размеры торгового зала №1:
площадь – 1940 м2;
высота – 7,0 м;
- размеры торгового зала №2:
площадь – 1830 м2;
высота – 6,5 м;
- средняя теплота сгорания пожарной нагрузки () – 16,7 МДж/кг (промтовары,
приложение 1 [5]);
- линейная скорость распространения пламени (νср) – 0,0071 м/с (приложение
1 [5]);
- удельная скорость выгорания (Ψср) – 0,0244 кг/(м2·с) (приложение 1 [5]);
- расчетное время эвакуации людей из здания – 3 минуты;
) - 723 °К (пункт 2.12 [4]);
- средняя температура дымового слоя (
- температура воздуха в помещении ( ) – 289 °К.
Мощность тепловыделений очага пожара, кВт, рассчитывается по формуле (3)
[5]:
где:
– площадь горения пожарной нагрузки, м2;
– полнота сгорания, принимается равной 0,85;
– средняя теплота сгорания пожарной нагрузки, кДж/кг;
– средняя скорость потери массы (скорость выгорания) пожарной нагрузки, кг/(м2 с).
Площадь горения пожарной нагрузки рассчитывается по формуле (17) [6]:
где: π=3,14;
νср= 0,0071 м/с – линейная скорость распространения пламени, м/с;
- время свободного горения, с.
В качестве расчетного периода действия противодымной вентиляции принимается период эвакуации людей из здания, с учетом надежности работы системы
принимаем время свободного горения
=5 мин=300 с.
Расход дыма в конвективной колонке (кг/с) вычисляется по формуле (7) [5]:
где: h- толщина образующегося дымового слоя, м;
H – высота помещения, м;
- конвективная составляющая мощности очага пожара, кВт.
Толщина образующегося дымового слоя принимается с учетом того, что среднего уровня стояния дыма, в начальной стадии пожара, должен быть не ниже 2,5 м
от уровня пола (пункт 2.6. [4]).
Плотность внутреннего воздуха рассчитывается по формуле:
где Та=(273+16)=289 °K – температура внутреннего воздуха в помещении.
Плотность дымового слоя рассчитывается по формуле (5) [5]:
Массовый расход удаляемых продуктов горения, кг/с, определяется из уравнения (7) [5]:
где:
А –площадь сечения дымового слоя в горизонтальной плоскости, м2, принимается равной площади помещения;
τ – время, с.
Результат расчета массового расхода продуктов горения, удаляемого системой
вытяжной противодымной вентиляцией, сведен в таблицу 1.
Таблица 1
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Расчетный параметр
Высота помещения
Площадь помещения
Температура воздуха в помещении
Температура дымового слоя
Толщина дымового слоя
Средняя теплота сгорания
пожарной нагрузки
Линейная скорость
распространения пламени
Удельная скорость выгорания
Время свободного горения
Площадь горения
пожарной нагрузки
Плотность воздуха в помещении
Плотность дымового слоя
Обозначение
Размерность
Расчетная формула
H
А
м
м2
-
Значение
для зала
№1
№2
7,0
6,5
1940
1830
°K
-
289
289
°K
м
H-2,5
723
4,5
723
4,0
кДж/кг
-
16700
16700
νср
м/с
-
0,0071
0,0071
Ψср
кг/(м2·с)
-
0,0244
0,0244
τ
с
-
300
300
м2
14,2
14,2
кг/м3
1,22
1,22
кг/м3
0,49
0,49
h
13
14
15
Мощность тепловыделений
очага пожара
Расход дыма в конвективной
колонке
Массовый расход удаляемых
продуктов горения
В качестве расчетного значения
горения из торгового зала № 2 (
кВт
4934
4934
кг/с
14,45
14,45
кг/с
0,24
2,53
принимаем расход удаляемых продуктов
.
Рис. 2. К расчету потерь давления по пути поступления наружного воздуха
Возмещение объемов удаляемых из помещений продуктов горения при пожаре обеспечивается посредством подачи наружного воздуха в нижнюю часть этих
помещений. Расход подаваемого воздуха определяется соотношением (45) [5]:
где n – коэффициент дисбаланса, принимается равным 0,3.
кг/с
Объемный расход подаваемого воздуха рассчитывается по зависимости (46)
[5]:
м3/с
Принимаем возмещение объемов удаляемых продуктов горения путем поступления наружного воздуха через входные двери и лестничные клетки.
Для зала №1 наружный воздух поступает через дверь №1, дверь №2 (путь 1);
а так же через дверь №3 (путь 2). Для зала №2 – последовательно через дверь № 1,
лестничную клетку №1, дверь №4 (путь 3); а так же, через дверь № 5, лестничную
клетку №2, дверь №6 (путь 4).
Потери давления, Па, в каждом элементе пути поступления наружного воздуха рассчитывается по формуле:
где:
i - № пути;
j – тип элемента пути (дери, лестничная клетка);
- коэффициент расхода элемента пути (для лестничной клетки – 0,13; для
дверей – 0,64)
- количество воздуха, м3/с, по каждому пути (
, где n - количество путей). Результат расчета потерь давления приведен в таблице 2.
Таблица 2
№
п/п
Расчетный параметр
Размерность
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Расход воздуха
Площадь двери №1
Площадь двери №2
Площадь двери №3
Площадь двери №4
Площадь двери №5
Площадь двери №6
Площадь л.к. №1
Площадь л.к. №2
Коэф. расхода двери
Коэф. расхода л.к.
Потери давления
м3/с
м2
м2
м2
м2
м2
м2
м2
м2
Па
№1
1,49
13,2
8,8
0,64
0,06
Значение
для пути
№2 №3
1,49 1,49
13,2
6,6
8,8
90,0
0,64 0,64
0,13
0,08 0,07
№4
1,49
6,6
6,6
59,6
0,64
0,13
0,17
Ввиду незначительности потерь давления по пути поступления приточного
воздуха в дальнейших расчетах ими можно пренебречь.
Т.к. согласно пункта 8.8 [2] площадь помещения, обслуживаемого одним дымоприемным устройством, должна быть не более 1000 м2, для дальнейшего расчета
принимаем две системы вытяжной вентиляции (ПВ-1 и ПВ-2) производительностью,
по 1,27 кг/сек каждая.
Системы ПВ-1 иПВ-2 состоят из вертикальных кирпичных коллекторов размером 600х400 мм с установкой в них клапанов дымоудаления КДМ-2 размером
600х400. В зале №1 клапаны устанавливаются в потолке, а в зале №2 под потолком.
Схема системы ПВ-1 приведена на рисунке 3.
Рис. 3. К расчету потерь давления системе дымоудаления ПВ-1
Потери давления в системе складываются из потерь давления в клапане дымоудаления, Ркл и потерь давления в вертикальном коллекторе, Ркол.
Потери давления в клапане дымоудаления определяются по [11].
Согласно каталога:
площадь сечения клапана - 0,2 м2;
коэффициент местного сопротивления клапана, относящийся к скорости в
проходном сечении клапана () – 3,07 (с учетом сопротивления входной решетки);
коэффициент местного сопротивления клапана, относящийся к скорости в
воздуховоде ( ) – 6,17.
Скорость в сечении клапана м/с.
Скорость в сечении воздуховода
для клапана на 1-ом этаже по формуле:
м/с.
Па
для клапана на 2-ом этаже по формуле:
Па
Потери давления на трение в шахте определяются по формуле:
где:
dэ – гидравлический диаметр прямоугольного сечения коллектора, м;
l – длина коллектора, м;
V – скорость перемещаемого в коллекторе газа, м/с;
λ – коэффициент сопротивления трения.
Гидравлический диаметр коллектора:
a, b – размеры сторон сечения, м;
Скорость перемещения газа, м/с:
- площадь коллектора.
Коэффициент сопротивления трения рассчитывается по формуле А.Д. Альтшуля:
где: k – эквивалентная шероховатость внутренней поверхности коллектора
(для кирпича k=4 мм);
Re – критерий Рейнольдса:
ν – коэффициент кинематической вязкости, определяется по приложению 2
[5], при температуре 450
ν=68,34·10-6 Вт/(м2 ).
Результат расчета потерь по длине участка коллектора от клапана на 1-ом
этаже до клапана на 2-ом этаже приведен в таблице 3.
Таблица 3.
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Расчетный параметр
Расход газа
Плотность газа
Размер коллектора
Размер коллектора
Длина коллектора
Эквивалентная шероховатость
Гидравлич. диаметр
Обозначение
a
b
l
k
Размерность
кг/с
кг/м3
м
м
м
м
м
Значение
1,27
0,49
0,6
0,4
11,1-7
0,004
0,48
8
9
10
11
12
Площадь коллектора
Скорость газа
Коэфф. кинематической вязкости
Критерий Рейнольдса
Коэфф. сопротивления трения
V
ν
Re
м2
м/с
Вт/(м2
)
0,24
10,80
68,34·10-6
75851
0,03
13
Потери давления
Па
17
Потери давления по длине на участке от клапана на 2-ом этаже до узла присоединения вентилятора:
Па
Потери давления в системе составят Па.
Подсос воздуха через закрытый клапан рассчитывается по формуле приведенной в [11]:
0,0096·0,2·1810,5=0,026 кг/с
2
Удельное, на 1 м внутренней поверхности шахты, поступление воздуха через
неплотности кирпичной шахты (
, определяется по таблице 3 [4].
Площадь внутренней поверхности шахты:
Fш=2·(0,6+0,4)·5,8=11,6 м2.
По таб. 3 [4] с учетом коэффициента 1,1:
=0,015 кг/с
Суммарный расход газов в устье шахты:
=1,27+0,026+0,015=1,311 кг/с
По сравнению с ранее рассчитанным, расход газов возрос в
раз, следовательно суммарные по-
тери возрастут в
и составят:
Па
Плотность газа в устье шахты (13б) [4]:
кг/м3
Температура газов в устье шахты (13в) [4] (без учета потерь тепла через ограждающие конструкции шахты):
Гравитационное давление:
Параметры вентилятора в системе:
производительность:
м3/ч
приведенное к стандартным условиям статическое давление вентилятора:
К установке принимаем вентилятор фирмы «Акртос» марки ВРКА-6,3ДУ-2,2.
Характеристики вентилятора:
9500
производительность, м3/ч:
давление, Па:
400
мощность эл. Двигателя, кВт:
2,2
вес, кг:
163
2 часа.
предел огнестойкости при температуре 600
Сравнение результатов расчета
расхода, удаляемых системой вытяжной вентиляцией, продуктов горения
по «периметру очага пожара» и по «пожарной нагрузке»
Для сравнения выполняется расчет, удаляемых вытяжной вентиляцией, продуктов горения образующихся при пожаре в торговом зале №2.
Периметр очага пожара определяется по формуле (19) [4]:
где: А –площадь дымовой зоны помещения, площадь которого превышает
1600 м2.
А=1830/2=915 м2
Периметр очага пожара
м
Расход дыма, кг/ч, на основании периметра предполагаемого очага пожара для
помещений и резервуаров дыма площадью 1600 м2 и менее рассчитывается по
формуле: (21) [4]:
где:
H=6,5 м – высота помещения;
h=4,0 м – толщина дымового слоя.
=30744 кг/ч=8,54 кг/с
Что почти в 8,54/1,27 7 раз больше, чем по «пожарной нагрузке».
Вывод: Расчет продуктов горения, удаляемых вытяжной вентиляцией, по
предлагаемой методике позволяет:
1. Учитывать специфику проектируемых помещений с точки зрения пожарной
нагрузки.
2. Отвечает требованиям действующих норм.
3. В некоторых случаях, позволяет существенно снизить капитальные затраты
на на сооружение систем противодымной вентиляции.
Литература
1. Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ
"Технический регламент о требованиях пожарной безопасности".
2. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
4. Пособие 4.91 к СНиП 2.04.05-91.
5. Расчетное определение основных параметров противодымной вентиляции
зданий. Методические рекомендации. ВНИИПО, М. 2008 г.
6. МДС 21-3.2001. Методика и примеры технико-экономического обоснования
противопожарных мероприятий к СНиП 21-01-97*.
7. СНиП 2.08.02-89*. Общественные здания и сооружения.
8. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
9. В.М. Есин. Веза. Противодымная защита.
10. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
11. ЗАО «ВИНГС-М». Противопожарные клапаны. Каталог. 2008 г.