Введение

Значительную опасность для человека при пожаре представляют продукты горения [1]. Для удаления продуктов горения из помещений используется противодымная вентиляция [2], которая может быть как с естественным, так и с механическим побуждением тяги. Подбор параметров вентиляционного оборудования должен осуществляется в соответствии с нормативными документами по пожарной безопасности. При этом, согласно [1], для выполнения расчетов следует применять зонную (зональную) или полевую модели. В [3, 4] содержатся методические рекомендации по расчёту параметров противодымной вентиляции, основанные на предположении, что при пожаре формируется две зоны: подпотолочный слой продуктов горения и незадымлённая зона снизу.

В ряде публикаций сообщается о низкой точности используемого в [3, 4] формализма. Например, в работе [5] утверждается, что расчёт по зонной модели может в полтора раза завысить высоту незадымлённой зоны по сравнению с данными натурного эксперимента. Тем самым зонная модель может приводить к существенной недооценке пожарных рисков. При этом расчёт по полевой модели показал значительно лучшее соответствие с экспериментом. В работе [6] сообщается о необходимости учёта эффекта «поддува». В работе [7] сообщается о необходимости учёта формы конвективной колонки.

Предлагаемый в [2-4] подход не позволяет учитывать точное положение отверстий вытяжной и приточной вентиляции. Имеется лишь указание располагать отверстия вытяжной вентиляции в пределах толщины дымовой зоны, а отверстия приточной компенсационной вентиляции – как можно ниже. Одним отверстием вытяжной вентиляции может обслуживаться площадь до 1000 м2 [2], и оно может располагаться как на потолке, так и на стене. Таким образом, взаимное положение очага пожара и отверстий приточной и вытяжной вентиляции может быть достаточно произвольным. В результате работы вытяжки при пожаре может возникать перемешивание слоёв и предположение зонной модели о наличии двух зон будет нарушаться. При этом, во-первых, рассчитанная по зонной модели производительность вентиляции может оказаться недостаточной. Во-вторых, противодымная вентиляция при некоторых положениях вытяжных и приточных отверстий относительно очага пожара может оказаться вообще неэффективной.

Зонная модель не может дать чётких указаний, как именно нужно размещать отверстия при возгорании в конкретной области помещения. В то же время, можно ожидать, что полевые модели, рассчитанные на сетке с высоким пространственным разрешением, и учитывающие реальную конфигурацию помещения и положение вентиляционных отверстий и очага пожара, будут давать физически обоснованные результаты. В данной статье будет произведён расчёт противодымной вентиляции для нескольких ситуаций с помощью зонной модели [3, 4]. Развитие пожара в этих же ситуациях с учётом противодымной вентиляции будет рассчитано с помощью полевой модели в системе FDS [8]. Результаты моделирования будут изучены с точки зрения оценки качества работы вентиляции. Таким образом, на конкретных примерах будет рассмотрен вопрос о достаточности зонной модели при проектировании противодымной вентиляции.

Описание параметров численного эксперимента

Моделирование пожара будем проводить для помещения с горизонтальными размерами 10x20 м и высотой 6 м (рис. 1). Сравним работу вентиляции с естественным и с механическим побуждением тяги для пожаров с площадями 4 м2 и 12 м2. При таких площадях пожар будет занимать небольшую часть площади помещения, что необходимо для применения зонной модели. В [4] указывается, что «при площади очага пожара порядка 10-15 м2 система дымоудаления с естественным побуждением тяги позволяет обеспечить незадымленную зону в нижней части помещения». Сравнение работы вентиляции при трёх различных площадях пожара полевым методом позволит проверить надёжность этого утверждения. Также изменяемым параметром модели будет положение отверстия вытяжной вентиляции: на потолке над источником пожара, на потолке в стороне от источника, в верхней части стены вблизи источника и в верхней части стены вдалеке от источника. Будут рассматриваться варианты разбиения вытяжного отверстия большой площади на несколько отверстий меньшей площади.

В качестве пожарной нагрузки рассмотрим материал «древесина», как наиболее часто участвующий в пожарах материал [9]. Источник пожара отмечен на рис. 1 символом “F”.

По периметру помещения равномерно расположены двенадцать дверных проёмов (d1-d12 на рис. 1) площадью 2 м2 каждый, чтобы обеспечить достаточный приток воздуха и выполнение требования [4] о превосходстве площади приточных проёмов над вытяжными в 2.5-3 раза для вентиляции с естественным побуждением тяги.

Ветер снаружи помещения отсутствует, температура воздуха 20 °C.

Согласно [2], противодымная вентиляция определяется как «регулируемый (управляемый) газообмен внутреннего объема здания при возникновении пожара в одном из его помещений, предотвращающий поражающее воздействие на людей и (или) материальные ценности распространяющихся продуктов горения, обусловливающих повышенное содержание токсичных компонентов, увеличение температуры и изменение оптической плотности воздушной среды». Высота незадымляемой зоны по возможности должна составлять не менее 2.5 м. Для контроля высоты незадымляемой зоны в описанной модели на высоте 2.5 м от пола в некоторых точках размещаются измерители температуры, дальности видимости и концентрации токсичных продуктов горения (зелёные точки p1-p18 на рис. 1). Двенадцать измерителей расположены напротив дверей и ещё шесть – в свободном пространстве помещения. Поскольку превышение допустимых показателей в точках, находящихся на границе незадымляемой зоны, не говорит однозначно о том, что дым спустился ниже этой границы, ещё 18 измерителей размещены в тех же точках на высоте 2 м.

Рис. 01а

Рис. 01б

Формулы расчёта площади вытяжного отверстия

Приведём формулы по методичке АВОК [4], на которые будем опираться при расчётах. Введём обозначения:

  •  - площадь очага пожара, м2;
  • Z - высота незадымленной зоны, м;
  • Н - высота помещения от пола до места выброса продуктов горения, м;
  • hc - толщина слоя продуктов горения, м;
  • Fy - площадь проема дымоудаления, м2;
  • Gk - массовый расход продуктов горения, поступающих с конвективной струей в подпотолочный слой, кг/с;
  • Gy - массовый расход удаляемых продуктов горения, кг/с; Pнар - полное давление снаружи здания, Па;
  • - давление внутри помещения от уровня пола до нижней границы слоя продуктов горения, Па;
  • ΔPрасп - располагаемый перепад давления (разность давлений внутри помещения и вне его на уровне проема дымоудаления), Па;
  • Z - высота незадымленной зоны, м;ρпг плотность продуктов горения, кг/м3.

У нас H = 6, Z = 2.5

Массовый расход продуктов горения, поступающих с конвективной струей в подпотолочный слой, Gk , кг/с, при расположении очага пожара на полу помещения определяют по формуле

где Qk  - конвективная составляющая мощности очага пожара (часть тепловыделения пожара, идущая на нагрев продуктов горения), кВт; определяют по формуле

где φ - доля теплоты, отдаваемой очагом пожара ограждающим конструкциям; при отсутствии данных рекомендуется принимать равной 0.4;

η - коэффициент полноты сгорания; принимают равным 0,85-0,95 (у нас 0.93);

Qp  - теплота сгорания, кДж/кг; (у нас 13800)

ψуд - удельная скорость выгорания, кг/(м2·с); (у нас 0.0145)

Плотности наружного воздуха ρн и продуктов горения ρпг, кг/м3, вычисляют в соответствии с их температурой по формулам

где ,   - температура наружного воздуха соответственно в К и °С.

Tпг , tпг  - температура продуктов горения соответственно в К и °С; вычисляют из уравнения теплового баланса, которое представляет собой математическую запись равенства количества теплоты, приходящего в подпотолочный слой с конвективной струей и уходящего с дымовыми газами,

ср - удельная изобарная теплоемкость воздуха и продуктов горения, кДж/(кг·К); принимают равной 1.09;

Gy = _G_к;

α - коэффициент теплоотдачи от продуктов горения к ограждающим конструкциям, кВт/(м2 ·К); принимают равным 0.012;

А - длина помещения, м; (у нас 20 м)

В - ширина помещения, м; (у нас 10 м)

- температура внутреннего воздуха, К. (у нас 20 °C)

Приведённая формула для _T_пг подходит для прямоугольного в плане помещения.

В случае если площадь приточных проемов в 2,5-3 раза больше площади проемов дымоудаления, разность давлений на уровне пола внутри и снаружи здания (P_в_0 - Pн0) мала и ею можно пренебречь. В этом случае располагаемый перепад давления (разность давлений внутри помещения и вне его на уровне проема дымоудаления) Δ_P_расп , Па, определяют по формуле

Требуемую площадь проема дымоудаления _F_у, м2 , определяют по формуле

где Gy  - массовый расход удаляемых продуктов горения, кг/с; Gy = _G_к;

μ - коэффициент расхода проема дымоудаления; для проемов прямоугольного или квадратного сечения принимают равным 0.64, для щелей и проемов круглого сечения - 0,8.

Расчёты для нашего случая

1. Площадь очага 4 м2.

Qk = 0.6*0.93*13800*0.0145*4 = 446.6 кВт;

Gk = 0.032*446.63/5*2.5 = 3.11 кг/с;

Tпг = 446.6/[1.09*3.11 + 0.012*(200+60*3.5)] + 20 + 273 = 346.74 K;

ρн = 1.2 кг/м3;

ρпг = 353/346.74 = 1.018 кг/м3;

ΔPрасп = 9.81*0.182*3.5 = 6.25 Па;

Fy = 3.11/[0.64*(2*1.018*6.25)1/2] = 1.36 м2.

2. Площадь очага 12 м2.

Qk = 0.6*0.93*13800*0.0145*12 = 1340 кВт;

Gk = 0.032*13403/5*2.5 = 6.02 кг/с;

Tпг = 1340/[1.09*6.02 + 0.012*(200+60*3.5)] + 20 + 273 = 409.72 K;

ρн = 1.2 кг/м3;

ρпг = 353/409.72 = 0.86 кг/м3;

ΔPрасп = 9.81*(1.2−0.86)*3.5 = 11.67 Па;

Fy = 6.02/[0.64*(2*0.86*11.67)1/2] = 2.1 м2.

Результаты моделирования

Начнём рассмотрение со случая, когда пожарной нагрузкой будет древесина, а площадь источника пожара составляет 4 м2. Согласно формулам из [4], площадь вытяжного отверстия вентиляции с естественным побуждением тяги для такого источника пожара составит 1.36 м2. Будем использовать отверстие размером 1.5 х 1 м, как ближайшее сверху по площади отверстие прямоугольной формы, совместимое с используемым шагом расчётной сетки. Шаг сетки 0.25 м. Вытяжное отверстие размещено непосредственно над источником пожара. Все двери открыты, то есть суммарная площадь приточных отверстий многократно превышает рекомендации [4].

Предельно допустимые значения контролируемых нами параметров [1]: температура 70 °C, дальность видимости 20 м, концентрация CO2 0.11 кг/м3, концентрация CO 1.16·10-3 кг/м3, концентрация HCl 23·10-6 кг/м3.

На рис. 2 и 3 показаны графики дальности видимости в 18 точках на высоте 2.5 м и 2 м соответственно. Можно заметить, что предельно допустимый уровень 20 м достигается на высоте 2.5 метра примерно через 150 сек, а на высоте 2 м – через 250 сек или позднее. То есть, строго говоря, «незадымляемая зона» задымляется, хотя и не быстро.

Существенно ниже уровня 2 м дым не опускался в течение всего времени моделирования.

Рис. 2. Дальность видимости на высоте 2.5 м

Рис. 3. Дальность видимости на высоте 2 м

На рис. 4 и 5 показаны графики концентрации CO2 в 18 точках на высоте 2.5 м и 2 м соответственно.

Рис. 4. Концентрация CO2 на высоте 2.5 м

Рис. 5. Концентрация CO2 на высоте 2 м

Ни в одной точке предельно допустимый уровень не превышен.

На рис. 6 и 7 показаны графики концентрации CO в 18 точках на высоте 2.5 м и 2 м соответственно.

Рис. 6. Концентрация CO на высоте 2.5 м

Рис. 7. Концентрация CO на высоте 2 м

Ни в одной точке предельно допустимый уровень не превышен.

На рис. 8 и 9 показаны графики концентрации HCl в 18 точках на высоте 2.5 м и 2 м соответственно.

Рис. 8. Концентрация HCl на высоте 2.5 м

Рис. 9. Концентрация HCl на высоте 2 м

На высоте 2.5 м предельно допустимая концентрация превышается примерно через 200 сек, а на высоте 2 м вовсе не превышается в течение времени моделирования.

В данном примере самым показательным фактором наличия дыма явилась дальность видимости. Она падает относительно резко. Концентрации вредных продуктов горения растут относительно медленно и плавно. Далее мы будем использовать значение уровня дальности видимости для расчета границы дымового слоя, равное 20 м.

Добавили в дверные проёмы измерители скорости на высоте 1 м от пола.

На рис. 10 приведены графики скорости потока воздуха через дверные проёмы. Ни в один момент времени она не превышает максимально допустимого значения 6 м/с [2].

Рис. 10. Скорость потока воздуха в дверных проёмах

Добавили на уровне пола измерители давления в тех же 18 точках, где остальные измерители.

Избыточное давление на уровне пола относительно уличного давления отсутствует. То есть корректировать расчёт площади вытяжного отверстия, выполненный в предположении, что на уровне пола давление равно уличному, не требуется. Также этот результат значит, что имеющееся количество открытых дверных проёмов не создаёт сколь-либо значительного сопротивления притоку воздуха.

Стоит отметить, что дверные проёмы в исследуемой модели исключительно выполняют роль приточных отверстий вентиляции, и не должны рассматриваться как необходимо присутствующие элементы конфигурации. Мы можем варьировать их количество, и наблюдать, будет ли изменяться высота незадымляемой зоны.

Проверим, как изменятся результаты, если оставить открытыми только три двери (d3, d6, d10), суммарная площадь которых более, чем в три раза превышает площадь вытяжного отверстия, чего должно быть вполне достаточно для правильной работы вентиляции [4]. Визуальный анализ результатов показал, что примерно через 170 с дым опустился до верхней границы дверей и стал выходить через двери. А вскоре вообще заполнил всё помещение (рис. 11).

Рис. 11. Заполнение помещения дымом (прозрачные стены)

При этом скорость потока воздуха через все двери не превышала 1 м/с. Давление на уровне пола примерно на 160-й сек упало на 1 Па ниже атмосферного. Впрочем, к этому времени граница незадымляемой зоны уже была нарушена, поэтому говорить о необходимости учёта этого перепада давлений в изначальных расчётах не приходится.

На рис. 12 и 13 показаны графики дальности видимости в 18 точках на высоте 2.5 м и 2 м соответственно. Можно заметить, что предельно допустимый уровень 20 м достигается на высоте 2.5 метра примерно через 50 сек, и на высоте 2 м не сильно позднее. То есть «незадымляемая» зона начинает задымляться гораздо раньше, чем при всех открытых дверях.

Рис. 12. Дальность видимости на высоте 2.5 м

Рис. 13. Дальность видимости на высоте 2 м

Сравнение двух рассмотренных примеров позволяет прийти к выводу о сильной зависимости качества работы вентиляции от площади приточных отверстий. Причём площади, троекратно превосходящей площадь вытяжного отверстия, не достаточно для длительного предохранения незадымляемой зоны от задымления.

Снова откроем всё 12 дверей, чтобы не возникало сомнений в достаточности площади приточных отверстий, хотя, как упоминалось выше, согласно [4] трёх дверей тоже должно было быть достаточно. Рассмотрим, как повлияет на результат перемещение вытяжных отверстий.

Переместим вытяжное отверстие с потолка на стену вблизи очага пожара. На рис. 14 показана конфигурация помещения (вытяжка на стене слева сверху). При перемещении отверстия на стену его центр опустился на 0.5 м. Поэтому площадь отверстия нужно рассчитать заново. Согласно формулам из [4], площадь должна составлять 1.47 м2. Будем использовать отверстие шириной 1.5 м и высотой 1 м.

На рис. 16 показана температура в 18 точках на высоте 2.5 м. Пороговое значение 70 °C не было превышено за всё время моделирования.

Рис. 14. Конфигурация помещения (вытяжка на стене слева)

Рис. 16. Температура на высоте 2.5 м

На рис. 17 и 18 показана дальность видимости на высоте 2.5 м и 2 м соответственно.

Рис. 17. Дальность видимости на высоте 2.5 м

Рис. 18. Дальность видимости на высоте 2 м

На высоте 2.5 м дальность видимости в разных точках падает ниже 20 м через разное время: от 20 с до 70 с. Этот результат сильно отличается от первого эксперимента с вытяжным отверстием на потолке, когда дальность видимости упала ниже порога примерно через 150 с. То есть смещение вытяжного отверстия из точки над очагом пожара на ближайшую стену сильно ухудшило динамику дальности видимости.

Рассмотрим динамику концентраций вредных веществ (рис. 19-22). Концентрация CO2 была существенно ниже предельно допустимого уровня в течение всего эксперимента, хотя и достигла в три раза большей величины, чем в первом опыте, где отверстие было над очагом пожара. Про концентрацию CO можно сказать то же самое. Концентрация HCl превысила предельно допустимый уровень примерно через 70 с, т.е. в три раза быстрее, чем в первом эксперименте. При этом на высоте 2 м концентрация HCl превысила порог через 100 с, в то время как в первом эксперименте на высоте 2 м концентрация вообще не была превышена.

Рис. 19. Концентрация CO2 на высоте 2.5 м

Рис. 20. Концентрация CO на высоте 2.5 м

Рис. 21. Концентрация HCl на высоте 2.5 м

Рис. 22. Концентрация HCl на высоте 2 м

Можно заключить, что смещение вытяжного отверстия на ближайшую стену на расстояние всего 2.5 м по горизонтали значительно ухудшило динамику опасных факторов в помещении.

Сместим теперь вытяжное отверстие на дальнюю от очага пожара стену. Модель показана на рис. 23.

Рис. 23. Конфигурация помещения (вытяжка на стене справа, потолок не показан)

На рис. 24 показана динамика температуры. Критическое значение почти не превышено. На рис. 25 и 26 показана дальность видимости на высоте 2.5 м и 2 м соответственно. Графики похожи на предыдущий случай. Примерно через 90 с и в этой и в предыдущей модели становится хорошо визуально видно, что дым выходит через все двери. А дальность видимости на высотах 2 и 2.5 м становится меньше 20 м уже через 20 с.

Можно заключить, что рассчитанная по формулам из [4] противодымная вентиляция защищает помещение от дыма довольно недолго.

Рис. 24. Температура на высоте 2.5 м

Рис. 25. Дальность видимости на высоте 2.5 м

Рис. 26. Дальность видимости на высоте 2 м

Далее проведём аналогичные исследования при площади очага пожара 12 м2. Сначала разместим вытяжное отверстие над очагом. Его расчётная площадь 2.1 м2. Сделаем отверстие с запасом, размером 1.5x1.5 м. Модель показана на рис. 27.

Рис. 27. Конфигурация помещения (вытяжка сверху)

На рис. 28 показана динамика температуры. Критическое значение превышено примерно через 150 с. На рис. 29 и 30 показана дальность видимости на высоте 2.5 м и 2 м соответственно. Она резко снижается примерно через 20 с. Причём через 50 с дальность видимости становится меньше 5 м.

Рис. 28. Температура на высоте 2.5 м

Рис. 29. Дальность видимости на высоте 2.5 м

Рис. 30. Дальность видимости на высоте 2 м

Таким образом, при площади пожара 12 м2 противодымная вентиляция, рассчитанная по формулам [4], справляется с удалением дыма ещё хуже. Детально рассматривать результаты моделирования при размещении вытяжных отверстий на стенах не будем. Очевидно, время обеспечения незадымлённой зоны в этих моделях будет ещё меньше.

Через ближайшие к очагу пожара двери дым в рассмотренных выше моделях начинает выходить примерно через 60 с, после чего скорость роста опасных факторов замедляется. Мы не можем рассматривать выход дыма через двери как нормальное явление. Сам по себе факт, что дымовая зона опустилась до уровня дверных проёмов, гарантированно свидетельствует о том, что вентиляция не справилась со своей задачей.

На этом моделирование работы вентиляции в рассматриваемом помещении можно остановить.

Обеспечение незадымления коридора

Приступим к рассмотрению моделирования работы противодымной вентиляции с механическим побуждением тяги в коридоре. Расчёт регламентируется п. 3.2 и 4.4 [3].

Рассмотрим коридор длиной L=20 м, шириной 3 м, высотой 3.5 м. Такой коридор может располагаться, например, в школе. Очаг пожара расположен в примыкающем помещении с размерами (а х b х h) 6x4x3.5 м (небольшой класс или кабинет). Размер дверного проёма из кабинета в коридор (Hi x Ai) 2.25x1 м. Размер дверного проёма из коридора на лестничную клетку (Hd x Ad) 2.25x1.5 м. Поскольку дым не должен опускаться ниже высоты дверного проёма эвакуационного выхода, предельная толщина дымового слоя составляет Нsm = 3.5-2.25=1.25 м.

Пожарная нагрузка массой m = 50 кг, размещённая в кабинете, обладает свойствами материала «Общественное помещение + линолеум» [3]: низшая рабочая теплота сгорания Q = 14 МДж/кг, удельная скорость выгорания Ψ = 0.0137 кг/(м2·с), линейная скорость распространения пламени υ = 0.015 м/с. Для расчётов также понадобится низшая рабочая теплота сгорания дерева Qw = 13.8 МДж/кг.

Температура воздуха для расчётов берётся согласно [2, пункт 7.16]. Пусть, согласно заданию на проектирование, начальная температура воздуха в помещении составляет 18° C, а наружная температура воздуха в холодное время года, которую будем использовать для расчёта компенсирующей подачи воздуха, равна -31° C.

Рассчитаем требуемую производительность вентиляции

Площадь пола коридора Sc = 60 м2.

Площадь пола кабинета SR = 24 м2.

Объём помещения VR = 84 м3.

Площадь ограждающих конструкций в кабинете Sw ≈ 115 м2.

Проёмность помещения П = Ai· Hi3/2 / VR2/3 = 0.176.

Суммарная низшая теплота сгорания QH = m·Q = 700 МДж.

Необходимое удельное количество воздуха V0 = 0.263·Q = 3.68 м3/кг.

Начальная температура воздуха в помещении TC = 18+273 = 291 K.

Удельная пожарная нагрузка в помещении, приведенная к площади пола,

g0 = QH/(Qw· SR) = 2.114 кг/м2.

Удельная пожарная нагрузка в помещении, приведенная к площади ограждений

gw = QH/(Qw· Sw) = 0.441 кг/м2.

Критическая пожарная нагрузка в помещении

gk = 4500П3 / (1+500П3) + VR1/3/ (6V0) = 6.783 кг/м3.

Пожарная нагрузка, приведенная к площади ограждений, ниже критической, следовательно, имеем дело с пожаром, регулируемым нагрузкой.

Максимальная среднеобъёмная температура

Tmax = TC + 224·gw0.528 = 436.4 K

Температура в потоке газов, поступающих из горящего помещения

T0 = 0.8· Tmax = 349 K

Средняя температура дымового слоя в коридоре

Tsm = TC + 1.22(T0 – TC)(2Нsm + Sc/L)/L·(1 – exp(-0.58·L/(2Нsm + Sc/L))) = 308

Массовый расход продуктов горения, удаляемых из коридора

Gпг = 1.2·Ad·Hd3/2 = 6.075 кг/с

Средняя плотность продуктов горения, удаляемых из коридора

ρПГ = 353/ Tsm = 1.146 кг/м3

Объемный расход продуктов горения, удаляемых из коридора

Lпг = Gпг / ρПГ =5.3 м3/сек = 19084 м3/ч

Компенсирующая подача воздуха

Температура наружного воздуха TН = −31+273 = 242 K.

Плотность наружного воздуха ρН = 353/ TН = 1.459 кг/м3.

Массовый расход Ga = Gпг / (1-n), где        −0.3 ≤ n ≤ 0.3 [3].

Разработчики вентиляции зачатую берут значение n = −0.3, чтобы минимизировать расход.

Ga = 4.673 кг/с.

Объемный расход приточной вентиляции

La = Ga/ ρН =3.2 м3/сек = 11530 м3/ч.

Комментарии

Дисбаланс вытяжки и притока 30% при моделировании в FDS может привести к сильному падению давления. Однако, раз так делают на практике, придётся с этим мириться.

При линейной скорости распространения пламени 0.015 м/с, распространяясь из центра кабинета, пламя охватит весь кабинет примерно за 240 с. За это время сгорит более 50 кг пожарной нагрузки, что не может нас устраивать. Поэтому будем считать, что нагрузка охвачена пламенем сразу целиком. Учитывая удельную скорость выгорания Ψ = 0.0137 кг/(м2·с) и площадь пола 24 м2, получаем скорость выгорания 0.3288 кг/с.  Следовательно, 50 кг выгорит за 152 с. Ограничимся временем моделирования 153 с.

Моделирование в FDS

Модель помещения (вид сверху) показана на рис. 31. Буквой “F” показан пол кабинета, охваченный пламенем. Квадраты синего цвета показывают месторасположение на потолке коридора двух вытяжных отверстий, площадью 1 м2 каждое. Красные отрезки со стрелочками в торцах коридора показывают расположение отверстий приточной вентиляции на стенах, также площадью 1 м2 каждое. Хотя в [2] нет требований размещать вытяжное отверстие непосредственно на потолке, а приточное вплотную к полу, в рассматриваемой модели отверстия размещены именно так, поскольку именно таким образом лучше всего выполняется рекомендация размещать вытяжные отверстия как можно выше, а приточные как можно ниже. Кроме того, и вытяжная и приточная вентиляция имеют по два отверстия, расположенных в разных точках коридора. Это упрощает выход дыма, хотя и не требуется в обязательном порядке [2]. То есть в рассматриваемой модели отверстия вентиляции расположены заведомо не хуже, чем в большинстве реально встречающихся ситуаций.

Рис. 31. Коридор и кабинет (вид сверху)

Рис. 32. Трёхмерный вид помещения

Трёхмерный вид помещения показан на рис. 32. Зелёным цветом показаны точки, в которых расположены регистраторы опасных факторов пожара (на высоте 2.25 м и 2 м).

Скорость движения воздуха через приточные отверстия составляет 3.2 м3/сек / 2 м2 = 1.6 м/с, а через вытяжные отверстия 5.3 м3/сек / 2 м2 = 2.65 м/с.

Убедимся, что параметры модели, действительно, соответствуют ожидаемым. На рис. 33 приведён график скорости выгорания пожарной нагрузки. Как упоминалось выше, расчётное значение составляет 0.3288 кг/с.  Значение скорости выгорания по графику с высокой степенью точности совпадает с расчётным.

Рис. 33. Скорость выгорания

На рис. 34 показан график скорости тепловыделения (HRR). Расчётное значение составляет 0.3288 кг/с * 14 МДж/кг = 4600 кВт, что подтверждается графиком.

Рис. 34. Скорость выгорания

На рис. 35 показан график давления. Несмотря на то, что, согласно расчёту по методике, приток воздуха меньше, чем отток, давление в помещении значительно выросло, примерно на 0.8 атм. С одной стороны, это ничему не противоречит, ибо может быть объяснено разогревом воздуха в помещении. С другой стороны, это значит, что вентиляция не справляется с удалением горячего воздуха. В реальности, помещения не являются герметичными и способными выдерживать такие перепады давления, а это значит, что горячий воздух и дым начнут выходить из помещения через любые щели, создавая задымление в соседних помещениях и на путях эвакуации.

Рис. 35. График давления

На рис. 36 показаны графики производительности каждого из четырёх вентиляционных отверстий. Видны только два графика, поскольку графики как для двух приточных, так и для двух вытяжных отверстий попарно идентичны. Положительный график соответствует приточным отверстиям, а отрицательный – вытяжным. Производительность вентиляции соответствует расчётным значениям.

Рис. 36. Производительность вентиляционных отверстий

На рис. 37 приведены графики температуры в девяти точках коридора на высоте 2.25 м. Наибольше значение температуры наблюдается на измерителе, расположенном напротив двери в кабинет, где происходит горение. Во всех точках превышено предельно допустимое значение температуры, то есть через дверь эвакуационного выхода на лестничную клетку поступает горячий воздух.

Рис. 37. Температура на высоте 2.25 м

На рис. 38 приведены графики температуры в девяти точках коридора на высоте 2 м. Предельно допустимые значения также превышены.

Рис. 38. Температура на высоте 2 м

На рис. 39 показаны графики дальности видимости на высоте 2.25 м. В течение первых 20 с дальность видимости падает ниже предельно допустимого значения. А через 40-60 с дальность видимости падает уже ниже 1 м.

Рис. 39. Дальность видимости на высоте 2.25 м

Дальность видимости на высоте 2 м показана на рис. 40. Она падает ниже предельно допустимого значения лишь немного позже, чем на высоте 2.25 м. Это доказывает, что граница дымового слоя, несомненно, нарушена, и дым опустился ниже верхней границы эвакуационного выхода.

Рис. 40. Дальность видимости на высоте 2 м

На рис. 41 приведен внешний вид задымлённого коридора на 60-й секунде. Граница дымовой зоны опустилась примерно до высоты 1 м.

Рис. 41. Дым в коридоре на 60-й секунде моделирования

На рис. 42-44 показаны графики концентрации CO2, CO и HCl на высоте 2.25 м. Концентрация CO2 вплотную подобралась к предельно допустимому значению 0.11 кг/м3. Концентрация CO превысила допустимое значение 1.16·10-3 кг/м3. Концентрация HCl во много раз превысила допустимое значение 23·10-6 кг/м3. Всё это означает, что токсичные продукты горения попадут на лестничную клетку.

Рис. 42. Концентрация CO2

Рис. 43. Концентрация CO

Рис. 44. Концентрация HCl

Выводы

Рассмотренная модель помещения типа «зал» является геометрически самой простой из возможных, и применение формул [4] к такому помещению наиболее очевидно, и расчёт легко проверить. Однако полученные даже в таком простом случае результаты уже говорят о многом. Можно считать доказанным, что вентиляция удаляет недостаточное количество дыма даже в условиях невероятно большого количества приточных отверстий, распределённых равномерно по периметру помещения. Несколько десятков секунд, в течение которых опасные факторы не превышают допустимых значений, обеспечиваются не только, и возможно, не столько противодымной вентиляций, сколько большим объёмом помещения и большой высотой до потолка (6 м).

Вентиляция не вполне справляется с обеспечением незадымляемой зоны даже когда вытяжное отверстие расположено над очагом пожара. А при смещении отверстия на стену задымление помещения происходит довольно быстро и дым опускается ниже верхнего уровня дверных проёмов.

Система дымоудаления из коридора, рассчитанная согласно [3] и промоделированная в FDS, показала неудовлетворительные результаты работы, несмотря на то, что вентиляционные отверстия были размещены более благоприятно, чем это, зачастую, бывает в действительности. Дым опустился гораздо ниже верхней границы эвакуационных путей по всему коридору и очень быстро.

Проведённое исследование показало, что эмпирические формулы [2-4], применяемые для расчёта вентиляции как с естественным, там и с механическим побуждением тяги, не выдерживают проверку при сравнении с результатами моделирования полевым методом для конкретных простых конфигураций помещений.

Литература

  1. Приказ МЧС РФ от 30 июня 2009 г. N 382 “Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности” (с изменениями от 12.12.2011 г. №749, от 02.12.2015 г. №632).
  2. Приказ МЧС России от 21.02.2013 N 116 “Об утверждении свода правил СП 7.13130 “Отопление, вентиляция и кондиционирование. Требования пожарной безопасности”
  3. Расчетное определение основных параметров противодымной вентиляции зданий: Методические рекомендации к СП 7.13130.2013. М.: ВНИИПО, 2013. 58 с.
  4. Рекомендации АВОК 5.5.1–2015 «Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий». М.: АВОК-ПРЕСС, 2015. 96 с.
  5. Пузач С.В., Нгуен Тхань Хай. О достоверности применения эмпирических формул расчета массового расхода системы дымоудаления при пожаре в атриуме // Пожаровзрывобезопасность. 2009. Т. 18. № 9. С. 35-43.
  6. Пузач С.В., Тунг Д.Т., Хай Н.Т. Снижение эффективности системы дымоудаления с искусственным побуждением при возникновении “поддува”. Пожаровзрывобезопасность. 2015. Т. 24. № 5. С. 54-61.
  7. Пузач С.В., Колодяжный С.А., Колосова Н.В. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в помещении, учитывающая форму конвективной колонки. Пожаровзрывобезопасность. 2015. Т. 24. №12. С. 33-39.
  8. McGrattan, K.B. Fire Dynamics Simulator (Sixth Edition). User’s Guide. / K.B. McGrattan, R.J. McDermott, C.G. Weinschenk, G.P. Forney // NIST Special Publication 1019. NIST, 2017. 339 р. doi: 10.6028/NIST.sp.1019.
  9. Молчадский, И. С. Пожар в помещении / И. С. Молчадский. – М.: ВНИИПО, 2005. – 456 с.
  10. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 118С.

  Авторы исследования

Евгений Михайлович Любимов, АО «СПТ», руководитель отдела разработки

Владимир Владимирович Пархачёв, АО «СПТ», старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.