Влияние материалов стен на температуру и излучение в помещении

При расчётах, связанных с моделированием развития пожара в помещении, точные значения теплофизических параметров ограждающих конструкций могут быть не известны. В статье путём моделирования полевым методом сравнивается динамика температуры и уровня теплового излучения при пожаре в помещениях одинакового размера со стенами, выполненными из «инертного» материала, кирпича, полированной стали и стекла.

Показано, что на динамику температуры и излучения в помещении с очагом горения влияет, в первую очередь, коэффициент отражения излучения от стен. Также показано, что непрозрачные материалы практически не пропускают тепло в соседние помещения. Плотность, теплоёмкость и теплопроводность материалов стен слабо влияют на динамику температуры воздуха и теплового излучения.

Статья впервые опубликована в журнале “Пожарная безопасность” № 4-2019 г. (https://firesafety-vniipo.ru/)

Введение

Широкое применение при исследовании динамики опасных факторов пожара имеют интегральные и зонные модели [1]. Хотя такие модели и не позволяют полностью использовать информацию о геометрии помещений, материалах стен и т.п., результаты расчётов, в основном, имеют приемлемый характер. Увеличение вычислительных мощностей ЭВМ позволяет использовать и более совершенные полевые методы расчёта пожара [1]. В общем случае, полевая модель даёт возможность учитывать в расчётах большое количество параметров моделируемой сцены. Некоторые параметры, характеризующие горение материалов, приведены в справочниках [2]. Однако теплофизические параметры стен, ограничивающих помещения, зачастую не могут быть известны с высокой точностью. Представляет интерес оценить, насколько сильно влияют эти параметры на результат моделирования.

Теплопроводность, теплоёмкость, плотность, коэффициент излучения, показатель поглощения материалов влияют на скорость нагрева стен за счёт теплового излучения и от горячего воздуха. То есть материалы стен влияют на потери тепла из помещения через стены. Поскольку тепловая энергия внутри помещения характеризуется температурой воздуха и интенсивностью теплового излучения, то при заданной интенсивности горения материалы стен влияют только на температуру воздуха и тепловое излучение, и не влияют на выделение сажи и токсичных продуктов реакции.

Данное исследование посвящено изучению влияния свойств материалов стен на динамику температуры и теплового излучения внутри помещения при пожаре с помощью полевой модели. Моделирование производилось в среде FDS 6.5.3 [3].

Моделируемые материалы

Потеря тепла через стены из помещения с возгоранием осуществляется за счёт двух механизмов теплопередачи: теплового излучения и теплоотдачи (конвективного теплообмена между потоками газа и поверхностью твёрдого тела). Оба механизма имеют тем большее значение, чем выше температура внутри помещения, поэтому можно ожидать, что на начальной стадии пожара, когда температура относительно невелика [4], материалы стен оказывают слабое влияние на динамику температуры и теплового излучения.

Было принято решение провести моделирование при горении типичного для помещения материала «мебель + бытовые изделия здание (I-II ст. огнест.)» [2].

Материалы стен могут отличаются, в основном, по плотности, теплопроводности, теплоёмкости, коэффициенту излучения (ε) и показателю поглощения. Для краткости, но содержательности сравнения были выбраны следующие материалы: «инертный», кирпич, полированная сталь, прозрачное стекло. «Инертный» материал является идеализированным, всегда имеет температуру 20°C, непрозрачен, а также характеризуется коэффициентом излучения 0.9. Поскольку температура этого материала не меняется, то его плотность, теплопроводность и теплоёмкость не имеют значения. Можно ожидать, что этот материал будет обеспечивать самые большие потери тепла, поскольку будет выступать в роли «холодильника». Название «инертный» далее будем употреблять без кавычек. В системе FDS такой материал стен используется по умолчанию; в явном виде его можно задать посредством свойства SURF_ID=’INERT’.

В системе FDS показатель поглощения (ABSORPTION_COEFFICIENT) по умолчанию имеет значение 50000 м-1, то есть материал является непрозрачным, если не задано другое значение показателя поглощения.

Материал «кирпич» имеет следующие параметры: плотность = 1800 кг/м3, теплопроводность = 0.87 Вт/(м*К), теплоёмкость = 0.88 кДж/(кг*К), ε = 0.9. Непрозрачен. В среде FDS он задаётся посредством «покрытия» всех стен, перегородок, пола и потолка поверхностью со следующими свойствами.

&MATL ID = 'BRICK', EMISSIVITY = 0.9, DENSITY = 1800, CONDUCTIVITY = 0.87, SPECIFIC\_HEAT = 0.88/

SURF ID='BRICK WALL', MATL\_ID='BRICK', BACKING='EXPOSED', THICKNESS=0.25 /

Материал «полированная сталь» имеет следующие параметры: плотность = 7800 кг/м3, теплопроводность = 47 Вт/(м*К), теплоёмкость = 0.5 кДж/(кг*К), ε = 0.1. Непрозрачен. Рассматривается как пример материала с зеркальной поверхностью. В системе FDS коэффициент отражения вычисляется как 1-ε. Свойства материала в FDS были заданы следующим образом.

&MATL ID = 'STEEL', EMISSIVITY = 0.1, DENSITY = 7800, CONDUCTIVITY = 47, SPECIFIC\_HEAT = 0.5/

&SURF ID='STEEL WALL', MATL\_ID='STEEL', BACKING='EXPOSED', THICKNESS=0.02 /

Материал «прозрачное стекло» имеет следующие параметры: плотность = 2500 кг/м3, теплопроводность = 1 Вт/(м*К), теплоёмкость = 0.8 кДж/(кг*К), ε = 0.9. Прозрачен, показатель поглощения = 0 м-1. Свойства материала в FDS были заданы следующим образом.

&MATL ID = 'GLASS', EMISSIVITY = 0.9, DENSITY = 2500, CONDUCTIVITY = 1, SPECIFIC\_HEAT = 0.8, ABSORPTION\_COEFFICIENT = 0/

&SURF ID='GLASS WALL', MATL\_ID='GLASS', BACKING='EXPOSED', THICKNESS=0.02 /

Данный набор материалов включает материалы с разной теплопроводностью, с принципиально разным коэффициентом излучения, непрозрачные и прозрачный, а также условный материал, всегда находящийся при постоянной температуре. Отметим, что материал с коэффициентом излучения ε поглощает точно такую же долю ε падающего на него излучения.

Описание помещения

Рассмотрим помещение с внутренними размерами 5x15 м, разделённое перегородками на три комнаты с размерами 5x4.75 м, 5x5 м и 5x4.75 м. Толщина перегородок между комнатами, как и толщина стен, отделяющих помещение от улицы, составляет 0.25 м для материалов «инертный» и «кирпич», и 0.02 м для материалов «полированная сталь» и «прозрачное стекло». Посередине одной из перегородок располагается открытый дверной проём шириной 1м и высотой 2 м. В крайних комнатах имеются открытые дверные проёмы наружу. План помещения представлен на рис. 1. Для дальнейшего удобства комнаты пронумерованы слева направо.

В центральной комнате (2) вдоль сплошной перегородки на высоте 0.5 м от пола располагается очаг пожара размером 2x1 м. В каждой комнате посередине каждой стены на высоте 1.7 м расположен измеритель температуры. Также в некоторых точках помещения, которые отмечены на рис. 1 чёрными точками и подписаны малыми латинскими буквами, расположены измерители температуры и теплового излучения. Все измерители располагаются на высоте 1.7 м. Каждый измеритель теплового излучения содержит четыре направленных датчика излучения, ориентированных по сторонам света.

Промоделируем горение в течение 300 сек.

Обсуждение результатов

Температура стен

Обсудим динамику температуры стен для разных материалов. Напомним, что в случае инертного материала температура стен всегда составляла 20 °C.

В комнате №1 нас будет интересовать только восточная стена, поскольку она является перегородкой с комнатой №2, где происходит горение. Самая высокая температура в 37 °C была достигнута в случае стальной стены в силу высокой теплопроводности стали.

В остальных комнатах все стены достигли наибольшей температуры при использовании материала «кирпич». Это объясняется тем, что у этого материала одновременно низкая теплопроводность и высокий коэффициент излучения, а значит и высокий коэффициент поглощения. В то время, как полированная сталь преимущественно отражает тепловое излучение, поэтому меньше нагревается – быстро проводит тепло и остывает. Стекло же в нашей модели вообще не поглощает излучение, поэтому также нагревается медленно.

Материал стен влияет на их температуру при пожаре, однако температура стен не является опасным фактором. Далее будет продемонстрировано, что по температуре стен не стоит делать вывод о температуре воздуха в помещении.

Температура воздуха

Рассмотрим графики температуры воздуха в некоторых точках. В комнате № 1 температура не отклонялась сколь-либо заметно от 20 °C ни при каком материале стен, то есть герметичная перегородка даже небольшой толщины надёжно защищает от высокой температуры.

В комнате №2 графики температур в точках a,b,c,d,e,f оказались очень близки друг к другу. Аналогичную близость показывает и динамика температуры в точках a,b,c,d,e,f комнаты №3. Поэтому далее для сокращения иллюстративного материала в комнатах №2 и №3 будем рассматривать температуру только в точке «c».

На рис. 2 приведены графики температуры в точке «c» в комнате №2 в моделях с разными материалами. Самый «горячий» воздух был в модели со стенами из полированной стали. А в остальных случаях температуры почти одинаковые. Пороговое значение температуры в 70 °C во всех четырёх случаях было превышено через примерно одинаковое время ~60 сек.

Графики температуры в дверном проёме между комнатами №2 и №3, а также в точке «c» комнаты №3 показали похожую динамику. Можно отметить, что температура в дверном проёме была даже чуть выше, чем в точке «c» комнаты №2. Однако в точке «c» комнаты №3 температура оказалась уже значительно ниже, чем в дверном проёме.

Значительное превосходство температуры в модели с полированной сталью связано с тем, что зеркальная поверхность «заперла» излучение в помещении и один из двух механизмов отвода тепла почти не работал. Примерное равенство графиков при других материалах объясняется тем, что эти материалы позволяли излучению более эффективно уходить из помещения. И, как показало моделирование, не так важно, было ли это излучение поглощено стеной (инертный материал и кирпич), или прошло насквозь (стекло). И не так важно, сильно ли нагревается материал стен. Выше упоминалось, что температура стен из разных материалов была сильно разной, но на температуре воздуха в комнатах она почти не сказалась.

Более того, температура стен из полированной стали была не самой высокой, а температура воздуха в этой модели оказалась самой высокой. Основное влияние на температуру воздуха в помещении оказывает отражение от стен! В системе FDS коэффициент отражения рассчитывается как 1-ε, и у полированной стали он равен 0.9, а у остальных материалов 0.1.

Тепловое излучение

Приступим к рассмотрению графиков теплового излучения. Заметно отличный от фонового значения поток теплового излучения в комнате №1 в точках a и b был лишь в случае стеклянных стен (рис. 3).

Это излучение от источника пожара, прошедшее сквозь стену. Стекло – единственный их рассмотренных материалов, для которого тепловое излучение от источника возгорания за перегородкой может быть значительным. В случае других, непрозрачных, материалов перегородка не успевала прогреться достаточно сильно, чтобы её собственное излучение стало представлять какую-либо опасность.

В остальных комнатах рассмотрим тепловое излучение с западного направления, поскольку именно там происходит горение. Поток излучения в точках a,b,c,d,e,f имеет отличия. Наибольшее значение потока всегда наблюдается в точке «c», поскольку она ближе всего к огню, и измеритель в ней смотрит прямо на огонь. На рис. 4 для примера показаны графики потока теплового излучения в шести точках комнаты №2 для модели с кирпичными стенами. Далее для сокращения иллюстративного материала будем сравнивать потоки только в точках «c».

На рис. 5 приведены графики потока теплового излучения в комнате № 2 в точке «c» в моделях с разными материалами.

Мощность излучения в модели с зеркальными стенами в два с лишним раза превосходит другие модели. Примерно равная мощность излучения в моделях с незеркальными материалами, в основном, определяется равным коэффициентом отражения у материалов. Разная температура материалов приводит лишь к небольшим отличиям, поскольку температура стен, в среднем, гораздо ниже, чем температура источника возгорания и области горения, которая и производит самое «горячее» излучение. То есть основным источником теплового излучения при пожаре является огонь, а температура стен играет довольно маленькую роль. Чего нельзя сказать о коэффициентах отражения материалов стен. Они играет огромную роль.

Для потока теплового излучения в дверном проёме наблюдались те же характерные соотношения, что и на предыдущем рисунке. Значение 1.4 кВт/м2 в дверном проёме при стальных стенах было превышено через 70 сек, в то время как в случае инертных, кирпичных и стеклянных стен оно вообще не было превышено.

На рис. 6 показаны графики потока теплового излучения в точке «c» комнаты №3. Здесь в случае стальных стен излучение самое сильное, как это было и в комнате №2.

Однако графики для остальных трёх материалов расходятся чуть сильнее, чем в комнате №2, поскольку в случае непрозрачных материалов перегородка задерживает значительную часть излучения.

Поток излучения в комнате №3 при использовании стеклянных стен превышает поток при использовании кирпичных стен в среднем примерно на треть. Это объясняется прозрачностью перегородки из стекла между комнатами №2 и №3. Однако в случае стен из полированной стали, когда излучение было «заперто» в помещении, тепловой поток был гораздо выше, чем при стеклянных стенах, несмотря на то, что перегородка была непрозрачной и комнаты №2 и №3 соединял только дверной проём.

Заключение

Сравнение четырёх принципиально разных материалов стен для одной и той же конфигурации помещения позволило прийти к выводу, что наибольшее влияние как на температуру, так и на поток теплового излучения в комнате с источником возгорания (и смежных с ней комнатах при открытых дверях) оказывает отражение от стен. Другие параметры материалов практически не играют роли. В системе FDS коэффициент излучения материала задаётся параметром EMISSIVITY. А коэффициент отражения рассчитывается системой как 1-EMISSIVITY. Если коэффициент излучения материала, используемый в модели, соответствует реальности, то в остальном не будет большой ошибкой использовать свойства инертного материала.

В помещениях, которые отделены от помещений с источником возгорания непрозрачной перегородкой сколь-либо значительной толщины, и не имеют соединяющих их открытых дверных проёмов, материалы стен, практически, не имеют значения.

Прозрачные стены по влиянию на температуру и излучение внутри помещения с источником возгорания почти не отличаются от инертных. Однако они сильно влияют на излучение в соседних помещениях. Необходимо внимательно следить за тем, чтобы при моделировании прозрачность соответствующих материалов учитывалась. В системе FDS это делается заданием свойства материала ABSORPTION_COEFFICIENT = 0 (1/м). Можно указать реальное значение, если оно известно.

В случаях, когда ни прозрачных, ни зеркальных стен не имеется, зачастую, можно считать, что коэффициент излучения стен близок к 0.9, и использовать материал INERT. Проведённое моделирование показало, что отличие динамики температуры и потока теплового излучения между моделями с материалом «инертный» и материалом «кирпич» составляет не более 20% на всём времени моделирования.

В приведённом исследовании моделировалось горение материала с умеренным тепловыделением и дымообразующей способностью. В случае горения высокоэнергетических материалов, при котором температура воздуха или концентрация опасных веществ будет заведомо превышать допустимые для человека нормы через считанные секунды после начала горения, когда стены ещё не успеют нагреться, вопрос влияния материалов стен на температуру и тепловое излучение в значительной мере теряет свою актуальность.

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). Приложение N 6. Порядок проведения расчета и математические модели для определения времени блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара
2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 С.
3. https://pages.nist.gov/fds-smv/
4. Кошмаров М. Ю. Математическая модель начальной стадии пожара в помещении при воспламенении горючей жидкости / Пожаровзрывоопасность -2004 –Т. 10, №5 – С.70‑80.