Анализ влияния основных факторов, определяющих эффективность систем дымоудаления

Также важными параметрами, определяющими эффективность работы систем естественного дымоудаления являются  приток холодного воздуха, размеры и количество отверстий дымоудаления.

Устройства дымоудаления, предназначенные для создания  незадымленной  зоны  в  нижней части помещения,  будут эффективно работать только в том случае,  когда обеспечен достаточный приток воздуха  в горящее  помещение.  Для  достижения степени удаления дыма не менее 90%  расчетных значений необходимо, чтобы отношение площади приточных отверстий к площади дымовых люков составляло более 2 при холодном слое газа под потолком, 1,5 при температуре слоя газов на 250 С выше окружающей, и было равно 1 при температуре слоя газов на 800 С выше окружающей.

Приточные отверстия  желательно размещать равномерно по периметру здания.  Приток воздуха должен осуществляться на уровне основания  здания,  как  можно ниже границы подпотолочного слоя дымовых газов.

Эффективность дымоудаления через большое количество  отверстий малой площади  каждого  выше эффективности дымоудаления через малое количество отверстий большой площади.  Это  объясняется  следующими причинами:

если отверстие настолько велико,  что его размеры  сравнимы  с толщиной слоя дыма, то при течении газов происходит разрушение нижней части слоя и воздух попадает в  вентиляционное  отверстие,  что резко снижает эффективность дымоудаления;

вентиляционные отверстия, находящиеся непосредственно над очагом горения работают эффективнее удаленных. Поскольку место возникновения пожара неизвестно, при равномерном размещении отверстий повышается  вероятность  того,  что  одно-два  отверстия окажутся непосредственно над очагом;

при достижении  пожаром  такой стадии,  когда пламя выходит из вентиляционных отверстий,  высота пламени в малом  отверстии  будет меньше, чем в большом.

Физические предпосылки первого подхода справедливы для локального пожара.  Локальным называется пожар,  при котором зона горения занимает небольшую часть пола помещения. Такие условия  реализуются в начальной стадии пожара и в случаях, когда развитие пожара по помещению ограничивается распределением пожарной нагрузки или работой спринклерной системы пожаротушения.

При развитии пожара площадь горения увеличивается и пожар  переходит  в  стадию объемного.  Происходит интенсивное перемешивание продуктов горения и воздуха во всем объеме помещения. В этом случае получить  незадымленную нижнюю зону не удается и условие незадымления смежных с горящим помещений становится единственной  выполнимой задачей.  Переход  от  первой стадии развития пожара ко второй происходит когда площадь зоны горения превышает площадь приточных проемов в 20 раз.

Если расчетное  время эвакуации (tр)  меньше времени задымления помещения (tз), то дымоудаление можно не предусматривать. В противном случае необходимо устройство дымоудаления.

При таком подходе уменьшается субъективизм в вопросе необходимости  устройства  дымоудаления.  К недостаткам подхода следует отнести неопределенность в выборе периметра зоны горения П.  Периметр зоны горения в начальной стадии пожара можно определить в следующих случаях:

принять равным  большему из периметров открытых или негерметически закрытых емкостей с горючими веществами,  мест  складирования горючих материалов или негорючих материалов в сгораемой упаковке;

П=12 м для помещений, оборудованных спринклерными системами.

Во многих  помещениях  функции дымоудаления выполняют  оконные проемы или светоаэрационные фонари,  если они оборудованы автоматически или дистанционно открывающимися фрамугами.

Для того, чтобы горящее помещение не стало источником задымления других помещений, предусматриваются решения объемно-планировочного и конструктивного характера. Более подробно о них будет сказано ниж

3. Использование оконных проемов светоаэрационных фонарей для дымоудаления из помещений.

Во многих  помещениях  функции дымоудаления выполняют  оконные проемы или светоаэрационные фонари,  если они оборудованы автоматически или дистанционно открывающимися фрамугами.

Фонари преимущественно выполняют в виде прямоугольных надстроек (П-образные фонари) и встроенных или незначительно возвышающихся над покрытием светопрозрачных куполов, колпаков, панелей и лент (зенитные фонари).

Прямоугольные светоаэрационные фонари применяют в зданиях с избытками тепловыделений более 23Вт/(м2ч).

Размеры прямоугольных фонарей назначают в зависимости от светотехнических и аэрационных требований, согласуя с размерами пролетов и требованиями унификации.

При пролетах 18м ширину фонарей принимают равной 6м, при пролетах 24-36м равной 12м. Длина прямоугольных фонарей по противопожарным соображениям не должна превышать 84м. По этим же причинам их прерывают на размер одного шага стропильных конструкций в местах поперечных температурных швов и не доводят до торца пролетов на один шаг (6 или 12м).

Конструкции фонарей состоят из несущих и ограждающих элементов и связей. Несущими элементами фонарей являются поперечные фонарные фермы, фонарные панели и панели торца (рис. XVI-2). Фонарные фермы выполняют из гнутых или прокатных швеллеров (стойки), спаренных уголков (раскосы) и одинарного уголка (горизонтальная связь между стойками). В зависимости от конструкции покрытия стойки ферм делают вертикальными - при профилированных настилах и наклонными - при железобетонных плитах. Фонарные фермы устанавливают в соответствии с шагом стропильных конструкций (6 и 12м). Стойки фермы крепят к верхнему поясу стропильных ферм посредством опорной пластины на сварке.

Недостатками прямоугольных фонарей являются их высокая металлоемкость, воздухопроницаемость, возможность образования наледей на остеклении и др.

Зенитные фонари наиболее эффективны в зданиях с незначительными технологическими тепловыделениями - до 23Вт/(м2ч). Они могут быть точечного типа или панельные (рис. XVI-1, ж), односкатные, двускатные и криволинейные (рис. XVI-4).

Расположение фонарей в покрытии и их общая площадь зависят от требований к освещению помещений. Максимальная площадь остекления не должна превышать 15% освещаемой площади пола производственных помещений. Наиболее рациональной формой поперечного сечения фонарей шириной до 1,5 м является односкатная, а шириной 3м - двускатная. Зенитные фонари большей ширины нецелесообразны.

Размеры световых проемов зенитных фонарей увязывают с конструктивным исполнением покрытия. При покрытиях из сборных железобетонных плит размером 1,5x6м и из профилированных стальных настилов размеры световых проемов принимают 1,5x1,7; 1,5x5,9 и 2,9x5,9м. При покрытиях из железобетонных плит размером 3x6 и 3x12м, а также при плитах "на пролет" размеры проемов составляют 2,9x2,9м, а в покрытиях из стального профилированного листа по беспрогонной схеме с шагом стропильных ферм 4м - 2,9x3,9м.

Зенитные фонари устраивают глухими и открывающимися. Для очистки загрязнения и аэрации в них предусматривают открывающиеся створки со специальными механизмами открывания.

Открывающиеся зенитные фонари имеют размеры световых проемов 1,5x1,7; 1,5x5,9 и 2,7x2,7м.

Светопропускающие заполнения в зенитных фонарях могут быть выполнены из профильного стекла, стеклопластика и других материалов и конструкций.

Зенитные фонари, несмотря на определенные достоинства, имеют ряд недостатков. При их применении усложняется устройство кровли, особенно с фонарями точечного и панельного типов. Зенитные фонари не рекомендуется применять в помещениях с большими пыле- и тепловыделениями, а также в условиях разветвленной сети подвесных транспортных галерей, конвейеров и другого технологического оборудования, загораживающего световые проемы. Фонари из органического стекла из-за повышенной пожарной опасности могут быть использованы только в помещениях, относящихся к категориям Г и Д.

Для того, чтобы горящее помещение не стало источником задымления других помещений, предусматриваются решения объемно-планировочного и конструктивного характера.

Время задымления помещения (опускания слоя дыма) до уровня 2,5 м от пола рассчитывается по формуле:

tз = 6,39×Fп / ( y-0,5 – H-0,5)/П.

Если расчетное  время эвакуации (tр)  меньше времени задымления помещения (tз), то дымоудаление можно не предусматривать. В противном случае необходимо устройство дымоудаления.

При таком подходе уменьшается субъективизм в вопросе необходимости  устройства  дымоудаления.  К недостаткам подхода следует отнести неопределенность в выборе периметра зоны горения П.  Периметр зоны горения в начальной стадии пожара можно определить в следующих случаях:

принять равным  большему из периметров открытых или негерметически закрытых емкостей с горючими веществами,  мест  складирования горючих материалов или негорючих материалов в сгораемой упаковке;

П=12 м для помещений, оборудованных спринклерными системами.

Существует два подхода к организации дымоудаления из помещенийбольшого объема. Первый подход предполагает создание в нижней части помещения свободной от дыма зоны. Этот подход применим при П<12 м и y<4 м (высота незадымленной зоны). При втором устройства дымоудаления  должны обеспечить незадымление путей эвакуации из здания и помещений,  смежных с горящим. Этот подход применяется при П>12 м или y  > 4 м.  Указанные границы применимости подходов регламентируются нормативными документами и обусловлены стремлением  получить  минимальные значения площади проходного сечения устройств дымоудаления.

Рассмотрим физические предпосылки первого подхода. В его основе  лежит  условие баланса между количеством дыма,  поступающего от источника в подпотолочный слой,  и количеством дыма,  удаляемого из верхней   части  подпотолочного  слоя  дымоудаляющими  устройствами.

Когда очаг пожара невелик и пламя не доходит до подпотолочного слоя дыма (характерный размер очага горения меньше половины  высоты незадымленной зоны),  объемный расход дыма выражается зависимостью, предложенной И. А. Шепелевым

Lк = 0,182×y×[g×Qo4 ×z/(cp×rн×T4)]1/3

где Qo – конвективная производительность очага пожара;  сp – удельная изобарная теплоемкость; rн,  Тн – соответственно  плотность  и температура воздуха в помещении.

Для случая,  когда  пламя проникает в подпотолочный слой дыма, расход дыма в конвективной колонке выражается зависимостью

Gк = 0,188 ×П ×z3/2

Общим в  формулах  для Lк и Gк является то,  что с уменьшением незадымленной зоны уменьшается и расход газа, поступающего в подпотолочный слой. Расход удаляемого из верхней зоны помещения  дыма  может  быть выражен формулой

Gу = mу× Fу×[2 ×rпг×g× hс×(rн - rпг)]1/2

где  Fу – площадь проходного сечения люков дымоудаления; mу -коэффициент расхода люков дымоудаления; rпг – плотность дыма в подпотолочном слое.

Наиболее важным с физической точки зрения в формуле для Gу является то, что с увеличением толщины слоя дыма hс возрастает расход удаляемого дыма Gу.  Сумма высоты незадымленной зоны  y  и  толщины слоя дыма равна высоте здания, а высота здания остается постоянной. С уменьшением y возрастает hс, с уменьшением Gк (Lк) возрастает Gк. При определенном y наступает равновесие Gк и Gу и величина y стабилизируется. Величина  у,  при которой достигается равенство Gк и Gу, зависит от многих факторов: скорости и направления ветра, положения проемов (открыто,  закрыто) и их размеров, температура газов в подпотолочном слое,  аэродинамических характеристик люков дымоудаления и др.  Одним из немногих факторов,  с помощью которых можно управлять величиной у является площадь проходного сечения люков дымоудаления Fу. Задачей расчета и является выбор величины Fу, при которой достигается заданное значение у .

Для того,  чтобы получить выражение для площади люков дымоудаления, приравняем зависимости для Gу и Gк

mу×Fу×[2× rпг×g×hс×(rн - rпг)]1/2 = 0.188 ×П ×y3/2

или

Fу=0,188× П× y3/2/{mу×Fу× [2×rпг ×g× hс×(rн - rпг)]1/2}, (3.1)

Для того  чтобы  воспользоваться  формулой (3.1),  необходимо знать плотность продуктов горения в подпотолочном слое rпг 0или  их температуру  Тпг.  Температуру продуктов горения можно вычислить из уравнения теплового баланса.  Уравнение теплового баланса представляет собой математическую запись равенства количества тепла, приходящего в подпотолочный слой с конвективной колонкой и  уходящего  с дымовыми газами

(1-j)× h×Qpн ×yуд×Fгор =сp×Gу×Tпг

Тпг = ( (1- j) ×h× Qpн×yуд×Fгор)/(сp×Gу),

где j -   доля  тепла,  отдаваемого  очагом  горения  ограждающим конструкциям (j = 0,25-0,5); h -  коэффициент  полноты  сгорания (h =0,85-0,9); Qнp – теплота сгорания,  кДж/кг; yуд – удельная скорость выгорания, кг/(с м2); Fгор – площадь горения, м2; сp – удельная изобарная теплоемкость, кДж/(кг К).

Если исходных данных для расчета Тпг недостаточно, можно  принять,  что при горении ЛВЖ и ГЖ tпг = 600 С, при горении твердых материалов tпг= 450 С, при горении волокнистых материалов tпг= 300 С.

Недостатком расчета по номограммам является  неучет  некоторых определяющих факторов, например влияния температуры продуктов горения, скорости и направления ветра, температуры наружного воздуха.

Рассмотрим основы  расчета площади люков дымоудаления для случая, когда задачей системы является незадымляемость путей эвакуации из здания и смежных с горящим помещений. Этот подход был разработан Б.В. Грушевским и лег в основу нормативных документов.

На различные фасады здания действуют различные ветровые давления:

Pоз =Kз×rн×Uв2/2;  Pобок =Kбок×rн×Uв2/2; Pон= Kн×rн×Uв2/2.

Наименьшее давление реализуется со стороны заветренного  фасада. Система  дымоудаления должна предотвратить выход дыма в смежные помещения, расположенные как с наветренной,  так и с боковых и  заветренной сторон. Плоскости равных давлений между горящим и смежными помещениями должны располагаться выше всех дверных проемов. Ниже остальных плоскость равных давлений располагается у проемов,  выходящих на заветренный фасад.  Минимальные расходы приточного воздуха в горящее  помещение  поступают через проемы с заветренного фасада, максимальные – с наветренного. Расход удаляемого дыма  равен  сумме расходов воздуха,  поступающего  через  все  проемы на всех фасадах здания:

Gу =  Gз + Gбок1 + Gбок2 + Gн, (3.2)

где Gз- расходы через проемы заветренного фасада;  Gбок1, Gбок2 -расходы через проемы боковых фасадов;  Gн- расход через проемы наветренного фасада.