12.Системы дымоудаления из помещений
12.1.Область применения
Системы дымоудаления из помещений предназначены для обеспечения незадымляемости путей эвакуации людей из горящих и смежных с ними помещений, а также для облегчения работы пожарных подразделений по ликвидации очага пожара. Помещения, подлежащие оборудованию специальными системами дымоудаления, определяются нормативными документами. Необходимость устройства этих систем обусловливается пожарной опасностью помещения, которая, в свою очередь, во многом зависит от категории производства. Ранее в помещениях категорий В1–В3 необходимость устройства специальных систем дымоудаления определялась на основании сравнения времени задымления помещения до заданного уровня с расчетным временем эвакуации. Время задымления помещения (опускания слоя дыма) t, с, до уровня 2,5 м от пола рассчитывается по формуле
t = 20Fп(Z −0,5 − Нп−0,5)/(Пg−0,5). |
(12.1) |
Если расчетное время эвакуации τр меньше времени задымления помещения τз, то дымоудаление можно можно было 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 следующим образом: 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.
12.2.Обеспечение незадымленной зоны в нижней части помещения
Обеспечение незадымленной зоны в нижней части помещения возможно в том случае, когда очаг пожара сравнительно невелик. Рассмотрим систему дымоудаления с естественным побуждением тяги в помещении
209
при небольшом очаге пожара. На рис. 12.1 приведена схема работы такой системы дымоудаления.
Fу Gу Ррасп
Z
hс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рв |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Gк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рн |
|
||
|
|
|
Нп |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z
Р
Fг
Рис. 12.1. Схема расчета параметров системы дымоудаления, обеспечивающей незадымленную зону в нижней части помещения:
Fг – площадь очага пожара, м2; Z – высота незадымленной зоны, м;
Нп – высота помещения от пола до места выброса дыма, м; hc – толщина слоя дыма, м; Fу – площадь проема дымоудаления, м2; Gк – массовый расход дыма, поступающего в подпотолочный слой из конвективной колонки, кг/с;
Gу – массовый расходудаляемогодыма, кг/с;Рн – полноедавлениеснаружипомещения, Па; Рв – давление внутри помещения, Па; ∆Ррасп – располагаемый перепад давлений (разность давлений внутри помещения и вне его на уровне проема дымоудаления), Па
За счет разности плотностей нагретых продуктов горения и холодного воздуха в помещении 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 Fг ограничена, через определенный промежуток времени величина расхода дыма, поступающего в подпотолочный слой с конвективной колонкой Gк, стабилизируется во времени. Для того чтобы высота незадымленной зоны Z оставалась постоянной, необходимо соблюдение равенства массовых расходов дыма, удаляемого из помещения Gу и поступающего в подпотолочный слой из конвективной колонки Gк. Задачей расчета является определение такой площади устройства дымоудаления,
при которой соблюдается условие Gу = Gк при заданной высоте незадымленной зоны Z.
210
Изменение давления по высоте снаружи здания Pн, Па, на уровне у описывается зависимостью
Pн = P0н – gρнy, |
(12.2) |
где P0н – давление снаружи здания на нулевом уровне (на уровне пола помещения), Па;
g – ускорение свободного падения, м/с2; ρн – плотность наружного воздуха, кг/м3;
y – вертикальная координата (расстояние от уровня пола до рассматриваемого уровня), м.
Изменение давления по высоте внутри здания Pв, Па, от уровня пола до нижней границы слоя дыма описывается зависимостью
Pв = P0в – gρнy, |
(12.3) |
где P0в – давление внутри здания на нулевом уровне (на уровне пола помещения), Па.
Изменение давления по высоте внутри здания Pв, Па, выше уровня нижней границы слоя дыма описывается зависимостью
Pв = P0в – gρнZ – gρп.г(y – Z), |
(12.4) |
где ρп.г – плотность продуктов горения, кг/м3.
Разность давлений снаружи и внутри здания Pрасп, Па, на уровне покрытия здания (располагаемый перепад давлений) определяетсяпо формуле
Pрасп = Pв – Pн = P0в – gρнZ – gρп.г(Hп – Z) – P0н + gρнHп = |
|
= P0в – P0н + g(ρн – ρп.г)(Hп – Z). |
(12.5) |
При большой площади приточных проемов разность давлений на уровне |
|
пола внутри и вне помещения (P0в – P0н) мала и ею можно пренебречь. Выра- |
|
жение для располагаемогоперепада давлений Pрасп, Па, примет вид: |
|
Pрасп = g(ρн – ρп.г)(Hп – Z). |
(12.6) |
Расход дыма, поступающего с конвективной колонкой в подпотолочный слой, Gк, кг/с, можно определить по формуле
Gк = 0,032Qс3/5Z, |
(12.7) |
где Qс – конвективная составляющая мощности очага пожара (часть тепловыделения пожара, идущая на нагрев продуктов горения), кВт.
Конвективная составляющая тепловыделения Qс, кВт, при пожаре определяется так:
Qc = (1 – ϕ) η Qp ψуд Fгор, |
(12.8) |
где ϕ – доля тепла, отдаваемого очагом горения ограждающим конструкциям (при отсутствии данных рекомендуется принимать ϕ = 0,4);
211
η – коэффициент полноты сгорания (η = 0,85÷0,95); Qp – теплота сгорания, кДж/кг;
ψуд – удельная скорость выгорания, кг/(с·м2); Fгор – площадь горения, м2.
В случае, когда источник задымления помещения располагается под навесом или балконом внутри помещения большого объема (рис. 12.2), величина расхода дыма Gк, кг/с, вычисляется по формуле
Gк = 0,4 (Qс W 2)1/3 (zб + 0,3Hб)[1 + 0,063(zб + 0,6Hб)]2/3, |
(12.9) |
где W – ширина струи при стекании ее с балкона, м;
zб – расстояние от балкона до нижней границы слоя дыма, м; Hб – высота расположения балкона над полом помещения, м.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zб |
|
|
|
|
|
|
W |
Hб
Вид сбоку |
Вид спереди |
|
|
Рис. 12.2. Очаг пожара расположен под навесом или балконом
При задымлении помещения большого объема через отверстие или проем в ограждающих конструкциях (рис. 12.3) массовый расход дыма вычисляется по формуле
Gк = 0,68 (AпрHпр1/2)1/3(zпр +a)5/3 +1,59AпрHпр1/2, |
(12.10) |
где Aпр – площадь проема, м2; Hпр – высота проема, м;
212
zпр – расстояние от верхнего среза проема до нижнейграницы слоя дыма, м; a – вспомогательная величина, определяемая по формуле
a = 2,4Aпр2/5Hпр1/5 −2,1Hпр. |
(12.11) |
zпр
Hпр
|
Вид сбоку |
|
|
Вид спереди |
|
|
Рис. 12.3. |
Задымление |
помещения через проем из другого помещения |
|
|||
Зная величину расхода удаляемого дыма, можно определить требуе- |
||||||
мую площадь отверстий дымоудаления Fу, м2: |
|
|||||
|
|
Fу = Gу / [µ(2ρп.г ∆Pрасп)0,5], |
(12.12) |
|||
где µ – коэффициент расхода устройства дымоудаления.
Коэффициент расхода для проемов прямоугольного или круглого сечения принимается равным 0,64, для щелей и проемов круглого сечения– 0,8.
При расположении устройств дымоудаления в покрытии помещения располагаемый перепад давлений ∆Pрасп, Па, определяется по формуле
∆Pрасп = g (Hп – Z) (ρн – ρп.г). |
(12.13) |
Плотность наружного воздуха ρн, кг/м3, и плотность продуктов горения ρп.г, кг/м3, вычисляются по их температурам: Тн, К, и Тп.г, К:
ρн = 353 / Tн; |
ρп.г = 353 / Tп.г. |
(12.14) |
Температура наружного воздуха при расчете систем с естественным побуждением тяги берется для теплого периода года из СНиП 23-01–99 «Строительная климатология».
Температуру продуктов горения можно вычислить из уравнения теплового баланса. Уравнение теплового баланса представляет собой
213
математическую запись равенства количества тепла, приходящего в подпотолочный слой с конвективной колонкой и уходящего с дымовыми газами:
Qс = сp Gу (Tп.г – Tв ) + α[AB + 2(A + B)(Hп – Z)] (Tп.г – Tв ); |
(12.15) |
Тп.г = {Qc / [(сp Gу) + α(AB + 2(A + B)(Hп – Z))]} + Tв, |
(12.16) |
где сp = 1,09 кДж/(кг·К) – удельная изобарная теплоемкость воздуха и продуктов горения;
А – длина помещения, м; В – ширина помещения, м; Нп – высота помещения, м;
α – коэффициент теплоотдачи от продуктов горения к ограждающим
конструкциям (α = 0,012 кВт/(м2·К); Тв – температура внутреннего воздуха, К.
Формула (12.16) приведена для прямоугольного в плане помещения. Для помещения сложной формы зависимость (12.16) выглядит следующим образом:
Тп.г = {Qc / [(сp Gу) + α(Fпом + Lо.к(Hп – Z))]} + Tв, |
(12.17) |
где Fпом – площадь пола помещения, м2;
Lо.к – периметр ограждающих конструкций помещения, м.
В некоторых случаях известна тепловая мощность очага пожара Qп. При горении одного легкового автомобиля, например,Qп составляет 4–5 МВт.
Если исходных данных для расчета Тп.г недостаточно, то для помещений объемом не более 10 тыс. м3 температуру продуктов горения можно принять равной 300 °С – при горении волокнистых веществ, 450 °С – при горении твердых материалов и 600 °С – при горении жидкостей и газов.
Пример 1
Требуется определить площадь проема дымоудаления из одноэтажного здания высотой 6 м. Требуемая высота незадымленной зоны 2,5 м от пола помещения. Горючая нагрузка – древесина (теплота сгорания
13 850 кДж/кг, удельная скорость выгорания 0,9 кг/(м2 мин) или 0,015 кг/(м2 с)), площадь очага пожара – 9 м2, площадь помещения – 1 500 м2, периметр ограждающих конструкций 160 м. Температура наруж-
ного воздуха равна 20 °С, температура внутреннего воздуха tв равна 20 °С. Решение
Принимаем ϕ = 0,4 и η = 0,9. Конвективная мощность очага пожара
Qс = (1 – ϕ) η Qp ψуд Fгор = (1 – 0,4) 0,9 13850 0,015 9 = 1 010 кВт.
Расход дыма, поступающего с конвективной колонкой в подпотолочный слой, определяем по формуле (12.7):
Gк = 0,032 Qс3/5 Z = 0,032 10103/5 2,5 = 5,08 кг/с.
214
Температура продуктов горения
tп.г = {Qc / [(сp Gу) + α(Fпом + Lо.к(Hп – Z))]} + tв = {1010 / [(1,09·5,08) + + 0,012 (1500 + 150 (6 – 2,5))]} + 20 = 54 °С.
Плотности продуктов горения и наружного воздуха определяем по формуле (12.14)
ρп.г = 353 / (54 + 273) = 1,08 кг/м3; ρн = 353 / (20 + 273) = 1,2 кг/м3.
Располагаемый перепад давлений
∆Pрасп = g (Hп – Z) (ρн – ρп.г) = 9,81(6 – 2,5) (1,2 – 1,08) = 4,14 Па.
Требуемая площадь проема дымоудаления
Fу = Gу / [µ(2ρп.г ∆Pрасп)0,5] = 5,08 / [0,64 (2 1,08 4,14)0,5] = 2,65 м2.
Объемный часовой расход удаляемого дыма
L = 3600Gу / ρп.г = 3600 5,08 / 1,08 = 16 933 м3/ч.
Пример 2
Требуется определить площадь устройства дымоудаления из одноэтажной стоянки автомобилей высотой 3 м при горении одного автомобиля. Требуемая высота незадымленной зоны – 2,0 м от пола помещения, площадь помещения – 1 500 м2, периметр ограждающих конструкций 160 м. Мощность очага пожара – 4,5 МВт. Температура наружного воздуха равна
20 °С, температура внутреннего воздуха tв равна 20 °С. Решение
Принимаем ϕ = 0,4.
Конвективная мощность очага пожара
Qс = (1 – ϕ) Qр = (1 – 0,4) 4,5 = 2,7 МВт = 2 700 кВт.
Расход дыма, поступающего с конвективной колонкой в подпотолочный слой, определяем по формуле (12.7):
Gк = 0,032 Qс3/5 Z = 0,032 27003/5 2,0 = 7,33 кг/с.
Температура продуктов горения
tп.г = {Qc / [(сp Gу) + α(Fпом + Lо.к (Hп – Z))]} + tв = {2700 / [(1,09 7,33) + + 0,012 (1500 + 160 (3 – 2))]} + 20 = 97 °С.
Плотности продуктов горения и наружного воздуха
ρп.г = 353 / (tп.г + 273) = 353 / (97 + 273) = 0,954 кг/м3; ρн = 353 / (tн + 273) = 353 / (20 + 273) = 1,2 кг/м3.
Располагаемый перепад давлений
∆Pрасп = g(Hп – Z)(ρн – ρп.г) = 9,81(3 – 2,0) (1,2 – 0,954) = 2,4 Па.
Требуемая площадь отверстий дымоудаления
Fу = Gу / [µ(2ρп.г ∆Pрасп)0,5] = 7,33 / [0,64 (2 ∙ 0,954 2,4)0,5] = 5,35 м2.
Объемный часовой расход удаляемого дыма
L = 3600Gу / ρп.г = 3600 7,33 / 0,954 = 27 660 м3/ч.
Вопрос о целесообразности устройства системы дымоудаления с естественным побуждением тяги через открываемые проемы (люки или фрамуги) в покрытии здания или с механическим побуждением тяги решается проектировщиком.
215