VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Статистические данные исследования пожаров показывают, что основными поражающими факторами являются токсичные газы, которые интенсивно распространяются в зданиях различного функционального назначения при многообразной планировке помещений. Распространение выделяемых при пожаре токсичных газов происходит одновременно с интенсивным задымлением воздушной среды, которое достаточно быстро приводит к полной потере видимости, а, следовательно, значительно затрудняет эвакуацию людей из охваченных пожаром помещений здания. Поэтому защита зданий от распространения дыма, содержащего токсичные элементы, является актуальной проблемой как в уже эксплуатируемых зданиях, так и во вновь возводимых по современным проектам. Для успешного решения этой проблемы необходимо создать методологию для расчета параметров приточно-вытяжной вентиляции, обеспечивающей удаление продуктов горения при пожаре в здании из помещений с очагом возгорания и смежных с ним. При этом к основным параметрам противодымной вентиляции следует отнести температуру и массовый расход продуктов горения, удаляемых с помощью этой вентиляции.

По аналогии с представленным в [1-3] уравнением материального баланса для газовой среды в помещении, можно записать уравнение, описывающее массовый расход продуктов горения, которые удаляются из горящего помещения:

, (1)

где (м³) – объем, занимаемый в помещении слоем дыма;

(кг/м³) – средняя плотность в слое дыма, концентрирующегося в верхней части помещения с очагом возгорания;

(кг) – соответственно масса газа, заполняющего дымовой слой;

(c) – время;

(кг/с) – скорость выгорания (количество сгорающего за единицу времени горючего материала);

(кг/с) – массовый расход удаляемых продуктов горения.

На начальной стадии пожара среднее давление среды практически не меняется и равно давлению наружного воздуха. Следовательно, уравнение состояния газа имеет вид

(2)

где – плотность и температура среды до начала пожара;

– средняя температура дымового слоя, определяемая формулой [1-3]

, (3)

где А и С определены равенствами, представленными в [1-3].

Приведенные уравнения (1) – (3) замыкаются функциональной зависимостью количества сгорающего за единицу времени горючего материала с мощностью тепловыделения очага пожара и толщиной h дымового слоя

, (4)

где определяется выражением [4,5]

. (5)

Здесь – коэффициент полноты сгорания;

(кг/м²·с) – удельная массовая скорость выгорания;

(Дж/кг) – теплота сгорания;

(м²) – площадь горения пожарной нагрузки.

Функциональная зависимость (4) определяет содержание и порядок расчета противодымной вентиляции с учетом конфигурации конкретных помещений.

Рис. 1 – К определению скорости возгорания для помещений с массовым пребыванием людей

Для помещений с массовым пребыванием людей (зрительных и торговых залов, залов для проведения конференций и спортивных мероприятий и т.д.), а также для атриумов с конструктивно неотделенными галереями (рис. 1) зависимость (4) принимается в виде [6]:

, (6)

где – коэффициент теплопотерь на излучение;

Н (м) – полная высота помещения с очагом возгорания;

h (м) – толщина слоя дыма, образующегося при пожаре в верхней части помещения.

В случае, если атриум содержит конструктивно отделенные этажи (рис.2), функциональная зависимость (4) выбирается в следующем виде [6]:

. (7)

Если расчет основных параметров вытяжной вентиляции, удаляющей дым из помещения, проводится, исходя из условия защиты только на период эвакуации людей из горящего здания, то должны выполняться условия

(8)

где – критическое время эвакуации людей из горящего здания;

– предельная толщина слоя дыма, при которой еще имеется относительно прозрачная воздушная среда, допускающая эвакуацию людей из помещения горящего здания вдоль горизонтальных путей.

Если расчет основных параметров вытяжной вентиляции, удаляющей дым из помещения, проводится, исходя из условия защиты на время, которое необходимо для проведения противопожарных мероприятий специализированными подразделениями, то должны выполняться условия

(9)

где – время окончания спасательных работ.

Рис. 2 - К определению скорости возгорания для помещений с конструктивно отделенными этажами

В первом случае , и для расчета параметров вытяжной вентиляции требуется интегрирование уравнения (1). Во втором случае , интегрирование уравнения (1) для расчета параметров вытяжной вентиляции не требуется.

Расчет параметров системы вытяжной вентиляции, удаляющей дым с токсичными продуктами горения из смежных с горящим помещений, должен проводиться в зависимости от режима горения материала.

Согласно [4] возможны два предельных режима горения материала в помещении. Если имеется достаточное количество кислорода, то горение материала в помещении происходит аналогично его горению на открытом воздухе. В этом случае реализуется режим пожара, регулируемый нагрузкой (ПРН). Если кислорода в помещении недостаточно, то скорость выгорания определяется количеством воздуха, поступающего извне. В этом случае реализуется режим пожара, регулируемый вентиляцией (ПРВ). На практике в процессе развития пожара эти предельные режимы могут чередоваться, между ними имеют место промежуточные состояния.

Согласно [7,8] режим пожара можно определить, сравнивая приведенную удельную пожарную нагрузку с ее критическим значением . Если , то имеет место пожар, регулируемый нагрузкой (ПРН); если , то имеет место пожар, регулируемый вентиляцией (ПРВ). При этом и определяются соответственно выражениями:

(10)

(11)

Здесь

(кг) – количество j-го материала, входящего в состав пожарной нагрузки;

(кДж/кг) – теплота сгорания для j-го материала;

(м²) – общая площадь ограждающих помещение стен, пола и потолка;

(м²) – общая площадь проемов в помещении;

(кДж/кг) – теплота сгорания для древесины;

(м³) – объем всего помещения;

(м³/кг) – удельное количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания находящихся в помещении горючих материалов,

(м^1/2) – проемность помещения, определяемая равенством

(м²) – площадь j-го проема в помещении;

(м) – высота j-го проема в помещении.

Общую площадь поверхности строительных конструкций, которые ограждают помещение, вычисляют по формуле . Значения и можно взять из справочных данных, которые приведены в [4].

Если в горящем помещении имеет место режим ПРН, то максимальное значение среднеобъемной температуры в нем определяется из выражения [12-15]

(12)

где (К) – температура воздуха.

Если в горящем помещении имеет место режим ПРВ, то [12-15]

(13)

где приведенная удельная пожарная нагрузка относится не ко всей площади ограждающих конструкций, а только к площади пола помещения – (м²).

Зависимости (12), (13) необходимы для определения параметров вентиляции, удаляющей дым из рассматриваемых помещений.

На рис. 3 показана схема обмена газами в коридоре этажа, на котором находится помещение с очагом возгорания. Температура газов, выходящих из горящего помещения в коридор, определяется соотношением [9-12]:

(14)

В работах [13-15] приводится дифференциальное уравнение, отражающее характер распределения температуры в слое дыма вдоль длины коридора. Интегрирование этого уравнения позволяет получить выражение для усредненной температуры дымовой завесы в коридоре

(15)

Рис. 3 - Схема обмена газами в коридоре этажа

где (м) – предельное значение толщины дымового слоя;

(м²), l_к (м) – площадь и длина коридора соответственно.

При этом отношение предельной толщины дымового слоя к полной высоте коридора должно лежать в интервале от 0,5 до 0,6.

Массовый расход дыма, удаляемого из коридора при пожаре в одном из соединяющихся с ним помещений, определяется по формуле [16]:

_, (16)

где коэффициент k принимает значения 1,0 и 1,2 для жилых и общественных зданий соответственно;

– площадь и высота двери соответственно на выходе из коридора по пути эвакуации.

С помощью зависимостей (15), (16) можно определять параметры вытяжной вентиляции для удаления дыма из смежных с горящим помещением одноуровневых холлов, вестибюлей и т.д. Если вестибюль, торговый зал или атриум сообщается с двумя и более уровнями, на которых расположены помещения различной площади, то для определения удаляемого массового расхода дыма при пожаре можно воспользоваться представленной в [9] зависимостью

(17)

где А_пр, h_пр – площадь и высота соответственно проема помещения с очагом возгорания, смежного с защищаемым вестибюлем, торговым залом или атриумом;

– расстояние от верха этого проема до нижней границы дымовой завесы.

При этом средняя температура дымового слоя определяется по представленной выше зависимости (3).

В работе представлены аналитические зависимости, позволяющие провести инженерные вычисления для определения исходных данных с последующим расчетом вентиляционной системы, обеспечивающей удаление продуктов горения из помещений горящего здания. При этом не требуется привлечения каких-либо программных комплексов ПЭВМ. Полученные исходные данные необходимы для расчета приточно-вытяжной противодымной вентиляции различных зданий и сооружений, включающего в себя определение необходимой площади поперечного сечения дымовых вытяжных шахт, подачу воздуха в зону лестничных клеток и лифтовых шахт, оптимизацию расположения вентиляторов дымоудаления и подпора воздуха и т.д. При этом расчет системы противодымной защиты должен обеспечивать незадымление смежных с горящим помещений и путей эвакуации при открытых или закрытых оконных и дверных проемах на этаже с очагом возгорания, а также независимо от влияния метеорологических факторов.

Библиографический список

1. Колодяжный С.А., Козлов В.А., Переславцева И.И. Математическая модель для определения критического времени эвакуации при пожаре // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2014, № 3 (35). С.128-138.

2. Яременко С.А., Переславцева И.И., Извеков Д.В. Пожарная безопасность объектов строительства в российской федерации. // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2014. Т. 2. № 4 (17). С. 110-114.

3. Колодяжный С.А., Переславцева И.И. Определение критического времени эвакуации при пожаре по потере видимости. // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2014. № 4 (36). С. 168-176.

4. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учеб. пособие. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

5. Halvoňová B., Melikov A.K. Performance of "ductless" personalized ventilation in conjunction with displacement ventilation: impact of intake height // Building and Environment. 2010. Т. 45. № 4. С. 996-1005.

6. International Building Cod. / USA. ICC, 2003. 660 c.

7. Молчадский И.С. Пожар в помещении. М.: ВНИИПО, 2005. 456 с.

8. Liu W., Deng Q., Lian Z., Liu Y. Evaluation of calculation methods of mean skin temperature for use in thermal comfort study // Building and Environment. 2011. Т. 46. № 2. С. 478-488.

9. Методы расчета температурного режима пожара в помещениях зданий различного назначения: Рекомендации. М.: ВНИИПО, 1988. 56 с.

10. Колосов А.И., Щербинин Г.И., Свищев О.В., Васильев И.В. Динамическое моделирование как инструмент прогнозирования и планирования мероприятий эксплуатации инженерных систем в неопределенных стохастически развивающихся ситуациях// Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2012. № 3 (8). С. 39-43.

11. Stavrakakis G.M., Karadimou D.P., Zervas P.L., Markatos N.C., Sarimveis H. Selection of window sizes for optimizing occupational comfort and hygiene based on computational fluid dynamics and neural networks // Building and Environment. 2011. Т. 46. № 2. С. 298-314.

12. Chmiel M., Markowski T., Kowalczyk A. Firefighting vehicles classification, labelling and division //. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza. 2013. Т. 32. С. 67-78.

13. Стецовский М.П. Исследования газообмена на этаже пожара и определение некоторых параметров для расчета вентиляционных систем противодымной защиты жилых зданий: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МИСИ, 1979.

14. Bady M., Kato S., Takahashi T., Huang H. Experimental investigations of the indoor natural ventilation for different building configurations and incidences //. Building and Environment. 2011. Т. 46. № 1. С. 65-74.

15. Противодымная защита зданий и помещений: Пособие 4.91 к СНиП 2.04.05-91. М: Промстройпроект, 1992. 75 с.

16. Противодымная защита при пожаре: Рекомендации к МДС 41-1.99 СНиП 2.04.05-91*.М.: СантехНИИпроект, 2000. 66 с.

Код для цитирования: Скопировать