ТР-5045

ПРОТИВОДЫМНАЯ ЗАЩИТА

АТРИУМНЫХ ЗДАНИЙ

Обзор зарубежных источников

СИТИС

Строительные Информационные Технологии и Системы

www.sitis.ru

ТР-5045

Противодымная защита атриумных зданий.

Обзор зарубежных источников.

Редактор:

Грачев В.Ю.

Переводчики:

Борноволокова Е. А.

Патрушева Н. А.

Слепушкин В. А.

Грачева Д. В.

© ООО «СИТИС», 2009 г.

© Грачев В.Ю., 2009 г.

ООО «СИТИС»

620028 Екатеринбург, ул. Долорес Ибаррури, 2 Тел: 310-00-99 e-mail: [email protected] www.sitis.ru ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СОКРАЩЕНИЯ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

ПРИНЦИПЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ

СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ В АТРИУМАХ

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ

NFPA 92B. РУКОВОДСТВО ПО СИСТЕМАМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ, МОЛЛОВ И БОЛЬШИХ

ПОМЕЩЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

ФАКТОРЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

МЕТОДЫ РАСЧЁТА

ОБОРУДОВАНИЕ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ

ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ПОЖАРЕ

КВАДРАТИЧНЫЕ ПОЖАРЫ

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ ПОМОЩИ УРАВНЕНИЙ, ПРИВЕДЁННЫХ В СТАНДАРТЕ NFPA 92B.......... NFPA 5000. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЕ АТРИУМОВ И СМЕЖНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ............... АТРИУМЫ

СМЕЖНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ

IBC 2003. ПРОТИВОДЫМНАЯ ЗАЩИТА АТРИУМОВ И ЗДАНИЙ КРЫТЫХ МОЛЛОВ

ЗДАНИЯ КРЫТЫХ МОЛЛОВ

АТРИУМЫ

СИСТЕМЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ

РУКОВОДСТВО К IBC 2003. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЕ

СТАДИИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА

СКОРОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ГОРЕНИИ РАЗНЫХ ПРЕДМЕТОВ

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ ПОЖАРЫ

СПРИНКЛЕРЫ

РАСЧЕТНЫЕ ПОЖАРЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современных российских строительных нормах и руководствах аспекты противодымной защиты атриумов и больших помещений освещены в небольшом объеме, что вызывает много вопросов при проектировании, экспертизе, строительстве и эксплуатации атриумных зданий. В данном обзоре приводится описание подходов, принятых в зарубежной практике, и выдержки из ряда строительных норм по соответствующим вопросам. Эта информация может помочь специалистам при разработке и уточнении принимаемых решений.

В обзор включены теоретические основы из книги американских специалистов Джона Клоута и Джеймса Милке «Принципы противодымной защиты», положения зарубежных строительных норм IBC 2003 и NFPA 5000, стандарта NFPA 92B и ряда других источников.

Обзор не претендует на всеобъемлющее и объективное описание данной проблематики, а является только изложением информации из источников по теме, которые были обобщены составителями обзора.

Коллектив авторов ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ

Обзор «Противодымная защита атриумных зданий» составлен на основе информации, изложенной в следующих зарубежных источниках:

Книга Дж. Клоута и Дж. Милке «Принципы противодымной защиты»;

Стандарт Национальной ассоциации по противопожарной защите (США) - NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых центров и больших помещений»;

NFPA 5000 «Строительные нормы и правила»;

Стандарт NFPA 72 «Национальные нормы по пожарной сигнализации»;

Книга Э. Бученена «Противопожарное проектирование конструкций»;

IBC 2003 «Международные строительные нормы»;

Руководство «Требования к противодымной защите в Международных строительных нормах IBC 2003», Эванс Д. и Клоут Дж.

В тексте сохранены порядок изложения и стилистика зарубежных источников.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Атриум (atrium) – большое свободное пространство, образованное одним или несколькими проемами в перекрытиях, объединяющими два и более этажа, покрытое над проемами кровлей и используемое для различных целей, но не в качестве огражденной лестницы, шахты лифта, проема для эскалатора, шахты для размещения инженерных коммуникаций, таких как водопровод, электропроводка, системы кондиционирования воздуха или средства связи [NFPA 92B] (и не являющееся моллом. [IBC 2003]) Безопасные условия (tenable environment) – условия, при которых распространение дыма и тепла ограничено, либо их влияние на людей сокращено так, чтобы их уровень не представлял угрозу жизни людей.

[NFPA 92B] Большое помещение (large-volume space) – не разделенное на отсеки пространство высотой обычно в два или более этажа, внутри которого дым от пожара, будь то в самом помещении или в смежном с ним помещении, может беспрепятственно перемещаться и накапливаться. [NFPA 92B] Верификация модели (model verification) – процесс установления, что реализация расчетного метода точно отражает концептуальное описание расчетного метода, сделанное разработчиком, и решение к расчетному методу. Основной стратегией проверки вычислительных моделей является выявление и оценка ошибки в вычислительной модели и её решении. [NFPA 92B] Граница дымового слоя (smoke layer interface) – теоретическая граница между дымовым слоем и незадымленным воздухом. На практике граница дымового слоя является расчётной границей внутри переходной зоны, которая может достигать нескольких десятков сантиметров в толщину. Под расчетной границей плотность дыма в переходной зоне снижается до нуля. [NFPA 92B] Дым (smoke) – смесь твердых и жидких частиц и газов, возникающих при пиролизе или горении материала, вместе с вовлекаемым воздухом или воздухом иным образом смешивающимся с этой массой. [NFPA 92B] Дымовой слой (smoke layer) – скопление дыма под физической или тепловой преградой. Дымовой слой не является однородной смесью и не имеет одинаковой температуры. Представленные в обзоре методы расчета могут допускать наличие однородных условий. Дымовой слой включает в себя переходную зону, которая неоднородна и отделяет горячий верхний слой дыма от незадымленного воздуха. [NFPA 92B] Дымозащитная преграда (smoke barrier) – непрерывная перегородка, вертикальная или горизонтальная, такая как элемент стены, пола или потолка, спроектированная и возведенная с целью ограничения перемещения дыма. Дымозащитная преграда может иметь или не иметь класс огнестойкости. Такие преграды могут иметь защищенные проёмы. [NFPA 92B] Дымозащитный клапан (smoke damper) – устройство для предотвращения проникновения воздуха или дыма. [NFPA 92B] Здание крытого молла (covered mall building) – отдельное здание, вмещающее ряд арендаторов и пользователей, например, магазины, предприятия общественного питания, развлекательные и игровые зоны, пассажирские транспортные терминалы, офисы и другие аналогичные предприятия, где два или более пользователя имеют основной вход в одну или несколько галерей. В контексте международных строительных норм якорные здания не рассматриваются как часть здания крытого молла. [IBC 2003] Изолированные помещения (separated spaces) – помещения внутри здания, изолированные от больших помещений дымозащитными преградами, которые не зависят от воздушного потока в плане ограничения перемещения дыма. [NFPA 92B] Квадратичный пожар (t-squared fire) – пожар, при котором скорость горения изменяется пропорционально квадрату времени. [NFPA 92B] Комплексная проверка (end-to-end verification) – метод самодиагностики, дающий положительное подтверждение, что желаемый результат (т.е. поток воздуха или положение клапана) достигнут при активации контролируемого устройства, например, во время дымоудаления, тестирования или ручной корректировки. Отсутствие или прекращение такого положительного подтверждения указывает на сбой системы. [NFPA 92B] ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Крытый молл (covered mall) – крытая внутренняя зона или зона с кровлей, используемая в качестве пешеходной зоны, и соединённая со зданием (зданиями) или частями здания с одним или многими арендаторами. [NFPA 92B] Молл (mall) – крытая сверху крышей или перекрытием общая пешеходная зона внутри здания крытого молла, в которой располагаются два или более пользователей, не превышающая трех этажей, выходящих в общее пространство. [IBC 2003] Общая арендная площадь (gross leasable area) – общая площадь этажа, предназначенная для аренды и эксплуатации. Площадь арендных помещений измеряется от средних линий разделительных перегородок до внешней границы наружных стен арендного помещения. В расчете общей арендной площади должны учитываться все используемые площади, включая складские помещения. [IBC 2003] Первые признаки дыма (first indication of smoke) – граница между переходной зоной и незадымлённым воздухом. Уравнения (3) и (4) используются для прогнозирования высоты этой границы для заполнения дымом (задымления) при отсутствии механического дымоудаления. [NFPA 92B] Переходная зона (transition zone) – слой между границей дымового слоя и уровнем первых признаков дыма, в котором температура дымового слоя снижается до температуры окружающей среды. [NFPA 92B] Припотолочная струя (ceiling jet) – поток дыма под потолком, растекающийся радиально от места соприкосновения с потолком основной струи от огня. Как правило, температура припотолочной струи выше температуры прилегающего дымового слоя. [NFPA 92B] Руководство (guide) – документ, имеющий рекомендательный или справочный характер, содержащий необязательные условия. Руководство может включать в себя обязательные положения, например, о случаях его применения, но в целом как документ оно не подлежит узакониванию. [NFPA 92B] Система противодымной защиты (smoke management system) – спроектированная система, включающая в себя все методы, которые могут использоваться как по отдельности, так и в совокупности для корректирования перемещения дыма. [NFPA 92B] Смежное помещение (communicating space) – помещение в здании, напрямую выходящее в большое помещение либо соединенное с ним открытыми проходами так, что дым от пожара либо в смежном помещении, либо в большом помещении может без ограничений перемещаться из одного помещения в другое. [NFPA 92B] Фудкорт (food court) – общественная зона в молле, обслуживаемая расположенными рядом помещениями для приготовления пищи. [IBC 2003] Эффект прокалывания (plugholing) – подсасывание незадымленного воздуха в вытяжную противодымную вентиляцию из-под дымового слоя за счет высокой скорости дымоудаления. [NFPA 92B] Эффект тяги (stack effect) – вертикальный воздушный поток в зданиях, возникающий за счёт разности плотностей вследствие перепада температур снаружи и внутри здания или между двумя помещениями внутри здания. [NFPA 92B] Якорное здание (anchor building) – внешнее обрамляющее здание всех групп, кроме группы Н, с прямым доступом в здание крытого молла и независимыми от молла необходимыми путями эвакуации. [IBC 2003]

СОКРАЩЕНИЯ

HRR (Heat Release Rate) – скорость выделения тепла, мощность тепловыделения.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Covered mall building здание крытого молла End-to-end verification комплексная проверка First indication of smoke первые признаки дыма Heat release rate (HRR) скорость выделения тепла (HRR) Smoke layer interface граница дымового слоя Smoke management system система противодымной защиты Tenable environment безопасные условия ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

ПРИНЦИПЫ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ

Информация в данной главе представлена на основе книги Дж.Клоута и Дж.Милке «Принципы противодымной защиты» [6].

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ

В последние годы строительство атриумов стало обычным явлением. К другим большим открытым пространствам относятся крытые моллы, аркады, спортивные комплексы, выставочные залы и ангары. Методы, описанные в этом и следующем разделе, применимы и к этим пространствам. Как было упомянуто выше, термин «атриум» используется здесь в обобщающем смысле и применяется к любому из этих больших пространств.

Большинство положений, применяемых в сфере противодымной защиты, напрямую связаны с зонным моделированием пожаров или исходят из основ зонного моделирования пожаров. В данном разделе представлены основные положения противодымной защиты атриумов, включая динамику струи дыма, «эффект прокалывания» дымового слоя (подсасывание воздуха из незадымлённого слоя ниже уровня дыма), горизонтальный поток дыма, подпор воздуха для предотвращения обратного потока дыма, и эмпирические уравнения по задымлению.

Осесимметричная струя Большинство людей наблюдали за дымом, поднимающимся от сигареты, и видели, как дым слегка клубится около сигареты и затем распрямляется на некоторой высоте от неё. Для больших пожаров, которые представляют особый интерес в плане противодымной защиты, характерны струи дыма, которые пульсируют и образуют много клубов по мере того, как дым поднимается вверх.

Мортон, Тейлор и Тёрнер (Morton, Taylor and Turner, 1956 [8]) разработали классический анализ среднего по времени потока струй. Они рассматривали струю, исходящую из точечного источника (или линейного источника). Что касается высоты струи, они считали, что воздух, захваченный на краю струи, пропорционален некоторой характеристической скорости струи на этой высоте. Колебания плотности в струе считались малыми по сравнению с плотностью окружающей среды. Профили средней скорости по вертикали и средней выталкивающей силы в горизонтальном сечении рассматривались как имеющие сходную форму на всех высотах.

На рис.13.1 изображена струя рядом с теоретической моделью струи.

Струя на рис.13.1 называется осесимметричной. Другие исследователи продолжили работу Мортона, Тейлора и Тёрнера и разработали модели турбулентных струй, возникающих при пожарах в строящихся помещениях (например, McCaffrey, 1983 [9]; Cetegan et al., 1982 [10]; Heskestad, 1984 [12]). Уравнение струи, предложенное Хескестадом, и другие его работы в этой области легли в основу многих инструкций и стандартов в США.

Массовый расход с поправкой на гипотетический источник возгорания Уравнение Хескестада для массового расхода осесимметричной струи выглядит так:

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр m = массовый расход в осесимметричной струе на высоте, кг/с;

Qc = конвективная теплоотдача при пожаре, кВт;

z = высота над топливом, м;

z0 = поправка на гипотетический источник осесимметричной струи, м;

z1 = средняя высота пламени, м.

Поскольку по заданному определению дым включает в себя воздух, захваченный с продуктами сгорания, весь массовый расход в осесимметричной струе определяется как дым. Отсюда следует, что эти уравнения могут рассматриваться как уравнения для генерации дыма при пожаре. Упрощённые уравнения массового расхода для осесимметричной струи будут представлены далее, и к ним применимы эти же замечания.

По условию осесимметричной струи пожар имеет круговую форму, и во многих экспериментальных исследованиях использовались пожары пролива в круглых резервуарах. Однако, пожар не обязательно должен быть круговой формы, чтобы можно было применять уравнения осесимметричной струи. Расчётный диаметр пожара может быть выражен следующим образом:

где A – площадь пожара. На некотором расстоянии над огнём струя дыма от пожара, не являющегося круговым, будет почти такой же, что и при круговом пожаре.

Гипотетический источник возгорания Соотношение Хескестада (Heskestad, 1983 [11]) для гипотетического источника z0 выглядит так:

& = теплоотдача пожара, кВт;

Df = диаметр пожара, м.

На рис.13.1 гипотетический источник показан над топливом, но он также может быть и под топливом.

Правило знаков: для гипотетического источника над поверхностью топлива, z0 - положительно, а для гипотетического источника под поверхностью топлива z0 - отрицательно. Конвективная составляющая теплоотдачи Qc может быть выражена так:

где – доля конвективной теплоотдачи. Доля конвективной теплоотдачи варьируется от приблизис = тельно 0,15 до 0,9; в большинстве программных средств для проектирования используется значение 0.7.

Высота пламени Уравнения (13.1) и (13.2) зависят от средней высоты пламени при пожаре. Высота пламени зависит от геометрии пожара, внешних условий, выделяемой при сгорании теплоты и стехиометрического отношения.

Соотношение (Heskestad, 2002 [14]) для высоты пламени, которое может использоваться для многих видов топлива, выглядит так:

z1 = средняя высота пламени, м.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр В данном случае высота пламени – это высота, на которой максимальная температура струи равна 500 K.

Высота потолков в атриумах относительно большая, поэтому для противодымной защиты атриумов характерно то, что интересующие нас значения высоты, z, значительно больше гипотетического источника, z0, или высоты пламени, z1.

Температура струи по осевой линии Температура варьируется по поперечному сечению, с наибольшим значением по осевой линии струи, как показано на рис.13.2. Температура по осевой линии представляет интерес в необычных случаях, когда испытания атриумов проводятся с применением настоящего пожара. Уравнение температуры по осевой линии (Heskestad, 1986 [13]) выглядит так:

= абсолютная температура осесимметричной струи по оси на высоте z, K;

= абсолютная температура окружающей среды, K;

a = плотность окружающего воздуха, кг/м3;

= ускорение силы тяжести, м/с2.

При условии 294 K, pa = 1,2 кг/м3, g = 9,8 м/с2 и Cp = 1,00 кДж/кг °C, уравнение (13.7) выглядит так:

Tp = температура осесимметричной струи по оси на высоте z, °C;

= температура окружающей среды, °C.

Рис. 13.2 Изменение радиальной температуры осесимметричной струи Диаметр струи Учитывая то, что струя пожара состоит из клубов дыма, определить диаметр струи сложно. Определение диаметра струи строится на зрительном наблюдении и температурах. Согласно одному из определений, данный диаметр – это положение, при котором температура струи сократилась до некоторой доли температуры по осевой линии. Следующее уравнение отражает ожидаемые пределы диаметра (рис. 13.1) осесимметричной струи:

= диаметр видимой осесимметричной струи, м;

= коэффициент диаметра струи от 2 до 4.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Это уравнение демонстрирует, что диаметр осесимметричной струи может значительно варьироваться. В связи с этим, предлагается выбрать значение CPD, чтобы получить устойчивые результаты расчетов.

Осесимметричная струя без z Уравнения осесимметричной струи, которые не учитывают гипотетический источник возгорания, часто применяются для атриумов, поскольку z значительно больше z0. Упрощенные уравнения приводятся ниже, а результаты такого упрощения мы обсудим далее.

Массовый расход опускаться. Эти условия могут быть выражены следующим образом:

Когда с помощью уравнения (14.1) вычисляют z/H, выясняется, что z/H часто выпадает из допустимых границ. Уравнение задымления при стационарном пожаре можно применить для вычисления времени:

На рис.14.4 показано время, спрогнозированное на основе уравнения (14.5), требуемое на заполнение дымом верхних 80% атриума (z/H = 0,2). Учитывая, что время эвакуации часто колеблется от 15 до 30 минут, из этих цифр видно, что подход «заполнение дымом» приемлем только для очень больших атриумов. Пунктирные линии на этом рисунке показывают границы применения (0,09 A/H2 14) уравнения задымления при стационарном пожаре.

Рис. 14.4 Время, за которое при пожаре мощностью 5280 кВт дым заполняет верхние 80% атриума (z/H = 0,2) по прогнозам на основании эмпирического уравнения задымления Пример 14.1 Заполнение дымом при стационарном пожаре Какое время требуется при пожаре мощностью 5280 кВт для заполнения верхних 21,3 м атриума дымом, если высота атриума составляет 30,5 м, а площадь – 9290 м2 ?

Высота первых признаков дыма над поверхностью пожара, z, составляет 30,5 – 21,3 = 9,2 м, и z/H = 9,2/30,5 = 0,3. Из уравнения (14.5) время заполнения дымом равняется:

Заполнение дымом при нестационарном пожаре Квадратичный пожар может быть использован в качестве аппроксимации этапа роста при развитии пожара. Для уравнения задымления при нестационарном пожаре, описанного ниже, пожар продолжает разрастаться в процессе заполнения дымом. Как было указано выше, на эвакуацию часто требуется от 15 до 30 минут. Пожар к концу эвакуации может быть очень большим, что ограничивает применение этого уравнения (таблица 14.1). Тем не менее, уравнение задымления при нестационарном пожаре приводится здесь для полноты картины.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр z = высота первых признаков дыма над поверхностью пожара, м;

H = высота потолка над огнём, м;

t = время, с;

tg = время развития пожара, с;

A = площадь поперечного сечения атриума, м.

Как в случае с уравнением (14.1), уравнение (14.6) завышено в том, что оно определяет первые признаки дыма и рассчитано на струю, не имеющую контактов со стенами.

Уравнение (14.6) также относится и к постоянной площади поперечного сечения с учётом высоты, и замечания касательно атриумов другой формы в разделе выше также имеют отношение и к этому разделу. Уравнение уместно, когда A/H2 находится в пределах от 1,0 до 23 и z 20% от H. Значение z/H >1 также означает, что дымовой слой под потолком ещё не начал опускаться. Эти условия можно выразить следующим образом:

Время развития пожара, tg, обсуждалось выше. Как и в случае с уравнением задымления при стационарном пожаре, с помощью уравнения задымления при стационарном пожаре можно рассчитать время:

Таблица 14.1 Теплоотдача в конце времени эвакуации для уравнения задымления при нестационарном пожаре Примечания:

1. tg – это время развития квадратичного пожара, за которое пожар достигает мощности 1055 кВт.

2. Поскольку пожары к концу времени эвакуации сильные, уравнение задымления при нестационарном пожаре имеет ограниченное применение.

Компьютерное моделирование Высоту дымового слоя над поверхностью топлива иногда называют чистой высотой, и на рис.14.5 показано сравнение чистых высот, смоделированных разными программами зонного моделирования пожаров и уравнением задымления при стационарном пожаре. Эти прогнозы составлены для большого атриума с условием H = 30,5 м и A = 5280 м2 при стационарном пожаре мощностью 5270 кВт. Можно заметить, что прогнозы, полученные с помощью программ ASET-C и AZONE, почти совпадают. Прогнозы, полученные с помощью программы CFAST и уравнения задымления при стационарном пожаре, дают более низкие показатели чистой высоты.

Рис. 14.5 Сравнение чистых высот, смоделированных разными программами Разница в прогнозируемых значениях чистой высоты может быть объяснена существенными различиями в инструментах прогнозирования. Эти инструменты включают в себя: (1) модели струи, (2) определение чистой высоты, и (3) подход к теплопередаче. В каждой зонной модели массовый расход струи рассчитывается в соответствии с разными моделями струи.

Как указано выше, эмпирическое уравнение завышено в том, что оно прогнозирует значение чистой высоты как первые признаки дыма над огнём, что показано на рис.14.3. Программы зонного моделирования прогнозируют значение чистой высоты как границу дымового слоя. По этим причинам ожидается, что прогнозы на основе эмпирического уравнения задымления при стационарном пожаре приведут к более низким показателям высот, чем прогнозы программ зонного моделирования.

В каждой из программ зонного моделирования теплопередача рассчитывалась по-разному. При моделировании в программе CFAST расчёт теплопоглощения стенами и потолком из гипсокартона основан на разнице температур между дымовым слоем и гипсокартоном. Для расчёта теплопередачи в программах ASET-C и AZONE используются параметры.

В программе ASET-C расчёт теплопередачи осуществляется с помощью коэффициента теплопотери, который является долей выделения тепла при пожаре, поглощаемой ограничивающими поверхностями помещения и его содержимым. Коэффициент теплопотери обычно находится в пределах от 0,6 до 0,9. В программе AZONE подсчёт теплопередачи осуществляется с помощью конвективной доли, стенами,. Конвективная доля – это конвективная составляющая теплоотдачи. Доля теплопоглощения стенами – это доля энтальпии струи, втекающей в дымовой слой, поглощаемая стенами и потолком.

Температуры дыма, связанные с чистыми высотами, показанными на рис.14.5, отражены на рис.14.6. Для программы ASET-C было выбрано значение = 0,4. Параметры соотносятся как с = 1 с (1 ) и, таким образом, моделирование с помощью программы AZONE эффективно осуществлялось при с = 1 – 0,7(1 – 0,4) = 0,58. Неудивительно, что температуры дыма почти одинаковы для моделей, созданных с помощью программы ASET-C и программы AZONE (рис.14.6).

Рис. 14.6 Сравнение температур дымового слоя, смоделированных разными программами Температура дыма в модели, созданной с помощью программы CFAST, была выше, но коэффициенты конвекции, на которых основано теплопоглощение стенами, рассчитываются на основании общих корреляций.

Для противопожарных отсеков не было разработано специальных коэффициентов конвекции.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Механическая вытяжная вентиляция Механическая вытяжная вентиляция является, вероятно, наиболее распространённой формой противодымной защиты атриумов в Северной Америке. Как и в случае с естественной вентиляцией, механическая дымовытяжная вентиляция может быть основана на стационарном или нестационарном расчётном пожаре.

Уравнения, представленные в следующем разделе относятся к стационарному пожару, а программы зонного моделирования пожаров могут использоваться для расчёта дымового потока при нестационарном пожаре.

Условия при стационарном пожаре Метод расчёта, представленный в данном разделе, основан на упрощающих допущениях, приведённых ниже.

Единственный поток массы, входящий в дымовой слой – струя от пожара.

Единственный поток массы, выходящий из дымового слоя – вытяжной дымовой поток.

Вытяжная вентиляция удаляет только дым, и в неё не попадает воздух из-под дымового слоя. Высота дымового слоя постоянна (рис.14.7). Потоки, входящие в дымовой слой и выходящие из него, находятся в равновесии.

Теплообмен между дымовым слоем и окружающей средой достиг равновесия.

Прежде чем использовать этот метод, проектировщикам необходимо удостовериться, что эти допущения соответствуют их прикладной задаче.

Рис. 14.7 Механическая вытяжная вентиляция и постоянное значение чистой высоты Чтобы рассчитать расход вытяжного потока, уравнения струи из раздела «Основные положения противодымной защиты атриумов» адаптированы переменными, которые были переопределены для следующего практического применения:

высота атриума) предполагается, что влияние активации вентиляции через 90 с. не будет иметь негативного воздействия на высоту дымового слоя. Для атриумов относительно малой площади (A/H2 < 5), дымовой слой может опускаться ниже расчётной высоты, что приведёт к контакту людей с дымом. Программа AZONE может использоваться для расчёта влияния времени активации на высоту дымового слоя.

Приточный воздух Для устойчивого потока, массовый поток воздуха или дыма, удаляемого из верхней части атриума равен массовому потоку воздуха, поступающему под дымовой слой. Поток воздуха, поступающего в атриум, называют приточным воздухом, и приточный воздух может подаваться либо естественным путём, либо с помощью механической вентиляционной системы.

Приточный воздух, поступающий через механическую вентиляционную систему, имеет скорость, которая обычно составляет 90% и 97% скорости вытяжного потока, и баланс воздуха, необходимого для того, чтобы вместить вытяжной поток, естественным образом нарушается из-за утечек через проёмы и другие каналы.

Приточный воздух, поступающий естественным путём, поступает через проёмы, такие как открытые двери и вентиляционные отверстия, и иногда путь, который проделывает приточный воздух, представляет собой сложную комбинацию помещений и коридоров. Компьютерные программы, исследующие взаимодействие воздушных потоков, такие как CONTAM, могут применяться для расчёта этих сложных потоковых систем.

Скорость приточного воздуха не должна нарушать структуру струи или значительным образом изменять направление струи под углом. Считается, что удерживание скорости на уровне 1 м/с или менее предотвращает такое нарушение струи.

Естественная вентиляция Естественная дымовытяжная вентиляция распространена во многих частях света, таких как Европа, Австралия и Новая Зеландия. Она получила развитие в результате ряда трагедий, связанных с пожарами, произошедшими в XIX и начале XX века.

Естественная вентиляция строится на силе плавучести горячего воздуха, выталкивающей дым из открытых вентиляционных отверстий на крыше атриума или рядом с ней (рис.14.9). Естественная вентиляция может строиться на основе стационарного или нестационарного расчётного пожара. Уравнения в следующем разделе предназначены для стационарного пожара, а для расчёта дымового потока при нестационарном пожаре можно использовать программы зонного моделирования пожаров.

Условия при стационарном пожаре Уравнение, представленное в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов» для вычисления массового расхода через вентиляционное отверстие выглядит так:

& = массовый расход через вентиляционное отверстие, кг/с;

С = коэффициент расхода (в относительных единицах);

= площадь вентиляционного отверстия, м2;

= площадь входного вентиляционного отверстия, м2;

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр o = плотность наружного воздуха, кг/м3;

g = ускорение силы тяжести, 9,80 м/с2;

d b = глубина дымового слоя ниже дымовытяжного вентиляционного отверстия, м;

= абсолютная температура наружного воздуха, K;

= абсолютная температура дыма, K;

Поскольку плавучесть горячего воздуха является движущей силой естественной вентиляции, массовый расход через вентиляционное отверстие, увеличивается вместе с увеличением температуры дыма, Ts.

По мере разрастания пожара массовый расход струи в верхний слой увеличивается, и температура дымового слоя возрастает. При пожарах большего масштаба, чем расчётный пожар, температура дыма превышает прогнозируемое значение, и массовый расход через вентиляционное отверстие также превышает прогнозируемое значение. Это преимущество характерно для естественной вентиляции и благодаря ему удаётся нейтрализовать бльшую часть дыма, возникающего при пожарах, превышающих по своим масштабам расчётный пожар.

В атриумах с кондиционерами возникает вероятность того, что температура дыма может оказаться ниже прогнозируемой наружной температуры в летний период. Это может привести к проникновению наружного воздуха в атриум через дымовытяжные вентиляционные отверстия. Во избежание подобного нисходящего потока через дымовытяжные вентиляционные отверстия естественную дымовытяжную вентиляцию не следует использовать, когда температура дыма может оказаться меньше прогнозируемой наружной температуры в летний период.

Температуру дыма и массовый расход струи можно рассчитать, используя те же уравнения, которые используются для механических вытяжных систем. Это мы обсудим далее.

Ветер Если атриум находится рядом с высотным зданием, расположенным на открытой местности или примыкает к нему, ветер может создавать положительное давление на верху атриума, как показано на рис.14.10. Поскольку такие положительные значения давления могут нарушать естественную вентиляцию, не рекомендуется использовать естественную вентиляцию в атриумах, подверженных таким условиям.

Рис. 14.10 Схема ветрового потока, вызывающего избыточное давление Приточный воздух При естественной вентиляции, описанной уравнением (14.19), приточный воздух естественным путём проAi.

ходит через входной проём площадью Приточный воздух обычно поступает через открытые вентиляционные отверстия или дверные проёмы. Вытянутый атриум может быть разделён на несколько больших пространств, имеющих дымовытяжные вентиляционные отверстия, так, чтобы дымовытяжные вентиляционные отверстия на территориях, незанятых пожаром, могли быть открыты для поступления приточного воздуха.

Системы обеспечения безопасных условий Как уже упоминалось, вышеперечисленные подходы имеют своей целью уберечь пользователей атриума от дыма в ходе эвакуации, в то время как системы обеспечения безопасных условий создаются с целью поддержания совместимых с жизнью условий во время воздействия дыма на пользователей здания.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Анализ опасности заключается в оценке перемещения дыма, движения людей (времени эвакуации) и пределов опасности. Перемещение дыма может быть смоделировано программами зонного моделирования пожаров, в то время как моделирование на основе вычислительной гидродинамики имеет значительное преимущество в моделировании колебаний температур и концентрации продуктов сгорания в дымовом слое. Анализ влияния опасных факторов пожара должен рассматривать такие вопросы, как дальность видимости, отравление газами и тепловое воздействие.

Стратификация и обнаружение дыма Слой горячего воздуха часто формируется под потолком атриума в результате солнечного излучения на крыше атриума. Несмотря на то, что исследования этого стратифицированного слоя не проводились, проектировщики зданий отмечают, что температуры таких слоёв часто превышают 50°C. Температуры под этим слоем контролируются отопительно-охладительной системой здания, и можно считать, что профиль температуры значительно увеличивается при небольшом увеличении по высоте как показано на рис.14.11.

Рис. 14.11 Профиль температуры слоя горячего воздуха под потолком атриума Когда средняя температура струи меньше температуры слоя горячего воздуха, дым образует стратифицированный слой под ним, как показано на рис.14.12. Средние температуры струи показаны на рис.14.13, и можно отметить, что средняя температура струи часто имеет меньшее значение, чем прогнозируемые температуры слоя горячего воздуха. Таким образом, когда под потолком атриума образуется слой горячего воздуха, нельзя ожидать, что дым сможет достичь потолка атриума, и что сработают детекторы дыма, закреплённые на потолке.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Для устранения этого недостатка можно использовать лучевые детекторы дыма. Ниже перечислены подходы к обнаружению дыма, используя которые можно обеспечить быстрое обнаружение дыма, независимо от температуры воздуха под потолком во время появления пожара.

a. Луч под восходящим углом для обнаружения дымового слоя Целью данного подхода является быстрое обнаружение формирующегося дымового слоя при существующих температурных условиях. Один или несколько лучей направлены вверх под углом, чтобы пересекать дымовой слой, независимо от степени стратификации дыма.

С целью избыточности при использовании данного подхода рекомендуется устанавливать более одного детектора дыма.

b. Горизонтальные лучи для обнаружения дымового слоя на разных уровнях.

Целью данного подхода является быстрое определение развития дымового слоя, независимо от температурных условий. Один или более лучевых детекторов расположены на уровне крыши. Дополнительные детекторы расположены на других более низких уровнях. Точное расположение лучей является задачей специального проектирования, но должно включать лучи в основании определённых помещений без кондиционированного воздуха и на уровне смоделированного дымового слоя или рядом с ним с несколькими промежуточными лучами на других уровнях.

c. Горизонтальные лучи для обнаружения дымовой струи Целью данного подхода является обнаружение растущей струи, а не дымового слоя. При этом подходе комбинация лучей устанавливается на уровне ниже самого нижнего прогнозируемого уровня стратификации.

Необходимо, чтобы эти лучи располагались близко друг к другу, чтобы обеспечить пересечение струи с ними;

расстояние между лучами основано на ширине луча на наименьшей высоте над точкой потенциала пожара.

Описанные выше подходы отражены на рис.14.14, и преимущество подхода (a) заключается в том, что при нём не требуется расположение нескольких горизонтальных лучей. Некоторые лучевые детекторы дыма срабатывают под воздействием солнечных лучей, а вариант (a) сводит к минимуму вероятность такой ложной активации благодаря тому, что ресивер (приёмник) направлен под углом вниз.

Необходимо, чтобы все компоненты лучевого детектора дыма были расположены так, чтобы быть доступными для ремонта или технического обслуживания. При расположении, изображённом на рис.14.14, доступ для технического обслуживания может осуществляться через отверстие на крыше (не показано).

(а) Лучи, направленные под углом вверх, для обнаружения дымового слоя (b) Горизонтальные лучи для обнаружения дымового слоя на разных уровнях ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Минимальная глубина дымового слоя Дымовой слой должен быть достаточно глубоким, чтобы вместить припотолочную струю. Толщина припотолочной струи находится в пределах 10% - 20% высоты от поверхности топлива до потолка. В большинстве прикладных программ требуется, чтобы дымовой слой составлял, как минимум, 20% высоты от верхней границы топлива до потолка, чтобы вместить припотолочную струю как при механических системах дымовытяжной вентиляции, так и естественной вентиляции.

«Эффект прокалывания»

Когда скорость дымового потока в вентиляционном отверстии относительно высока, воздух из-под дымового слоя может засасываться в дымовытяжную систему. Это явление называется «эффектом прокалывания», и оно может происходить и при естественной дымовытяжной вентиляции. Для предотвращения «эффекта прокалывания» может потребоваться поделить площадь вытяжки или вентиляционного отверстия на несколько вытяжных отверстий. Уравнения для расчёта количества вытяжных отверстий, необходимого для предотвращения «эффекта прокалывания», и расчёта минимального расстояния между отверстиями приведены в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов».

Помещения, расположенные за пределами атриума Помещения, расположенные за пределами атриума, могут быть либо отделены от атриума, либо напрямую соединяться с пространством атриума. Отделённые пространства изолированы от атриума противодымными барьерами, и эти противодымные барьеры являются вертикальными или горизонтальными перегородками, спроектированными и сооружёнными с целью противостоять движению дыма. Стены, пол и потолки могут быть противодымными барьерами, и эти барьеры могут иметь коэффициент огнестойкости. Противодымные барьеры могут иметь дверные или другие проёмы, снабжённые автоматически закрывающимися системами, такими как двери или дымовые заслонки. Отделённые пространства зависят от целостности противодымных барьеров, а также могут зависеть от противодымного контроля на основе подпора воздуха.

Смежное помещение – это помещение, которое соединено с атриумом открытой зоной. Подпор воздуха может использоваться для создания противодымной защиты смежных пространств, как описано в разделе «Основные положения противодымной защиты атриумов». Поскольку подпор воздуха обеспечивает пожар воздухом для горения, этот метод следует использовать с осторожностью.

Атриумы неправильной формы Большинство программ зонного моделирования пожаров предназначено только для помещений или атриумов с площадью постоянного поперечного сечения. На рис.14.15a показано образование припотолочной струи в помещении с постоянной площадью поперечного сечения. Достигнув стены, припотолочная струя начинает обратное движение и протекает под собой.

В помещениях с выгнутым потолком припотолочная струя, как правило, соединяется с потолком и стекает по кривой. На рис.14.15b показана припотолочная струя, стекающая вниз вдоль кривой потолка; такое стекание препятствует нормальному формированию дымового слоя. Такой вид течения струи нельзя смоделировать с помощью программ зонного моделирования пожаров, но можно смоделировать с помощью масштабного моделирования и вычислительной гидродинамики.

Программа AZONE, описанная в следующем разделе, даёт возможность моделировать площади переменного поперечного сечения и получать полезные результаты при условии, что форма атриума позволяет сформироваться нормальному дымовому слою.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр (а) Припотолочная струя, достигнувшая стены, и начинающая обратное движение AZONE: программа зонного моделирования пожаров в атриумах Программа AZONE предназначена для зонного моделирования пожаров и выполнения инженерных расчётов. Основные возможности программы AZONE:

• стационарные и нестационарные пожары, • уравнение Хескестада для массового расхода струи (в соответствии со стандартом NFPA 92B [4]), • площади постоянного и переменного сечения, • «эффект прокалывания».

В России существует русскоязычная адаптация программы AZONE – программа СИТИС:Атриум, информация о которой доступна на сайте www.sitis.ru.

На рис.14.16 представлена упрощённая блок-схема программы AZONE.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Концепция программы AZONE В программе AZONE моделируется дымовой слой и считается, что давление в нижележащем слое равно атмосферному давлению, а его температура – температуре окружающей среды. Поскольку программа не моделирует ни приточный воздух, ни утечку воздуха из нижележащего слоя, их следует моделировать отдельно в специальном приложении.

Изменение массы дымового слоя может быть выражено следующим образом:

M = изменение массы дымового слоя в течение временнго интервала, кг;

t = временной интервал, с;

m p = массовый расход струи в дымовой слой, кг/с;

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр me = массовый расход из дымового слоя, кг/с.

Массовый расход струи, m p, рассчитывается на основе уравнений для осесимметричной струи, но можно использовать и уравнения для других видов струй. Массовый расход вытяжного воздуха, me, включает в себя «эффект прокалывания», как описано ниже.

Для простоты массовые расходы, m и me, рассчитываются на конец интервала, и используется маленький интервал с целью свести ошибки к минимуму. Однако, эти массовые расходы можно рассчитать на момент времени внутри выбранного интервала с тем, чтобы можно было использовать больший интервал.

Масса дыма в слое на конец интервала может быть выражена следующим образом:

M 1 = масса дымового слоя в начале временнго интервала, кг.

M 2 = масса дымового слоя в конце временнго интервала, кг.

Изменение энергии дымового слоя может быть выражено следующим образом:

E = изменение энергии дымового слоя, кДж;

C p = удельная теплоёмкость дыма, кДж/кг K;

= доля теплопоглощения стенами (в относительных единицах);

T p = абсолютная температура газов струи, проникающих в дымовой слой, K;

Ts1 = абсолютная температура газов дымового слоя в начале отрезка времени, K;

To = абсолютная температура окружающей среды, K.

Как и в случае с массовыми расходами, T p рассчитывается на конец временнго интервала. Температура окружающей среды считается неизменной на протяжении всех расчётов. Температура дыма, Ts1, в начале временнго интервала использовалась потому, что её значение в конце интервала неизвестно. Выбор маленького интервала приводит к тому, что суммарная погрешность (итоговая ошибка) незначительна.

Энергия дымового слоя равна:

= энергия дымового слоя в начале временнго интервала (кДж);

= энергия дымового слоя в конце временнго интервала (кДж).

Температура дыма, Плотность дымового слоя равна:

o 2 = плотность дыма в конце интервала времени, кг/м2;

= давление окружающей среды, Па;

= газовая константа, Дж/кг K.

Объём, ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр В атриуме с постоянным поперечным сечением высота дымового слоя над поверхностью топлива равна:

z2 = высота дымового слоя над поверхностью топлива, м;

H = высота атриума, м;

H fuel = высота топлива, м;

A = площадь поперечного сечения атриума, м2.

Следует отметить, что определение H в программе AZONE отличается от её определения, применяющегося в эмпирических уравнениях задымления. Разные высоты, перечисленные выше, представлены на рис.14.17.

Определение значения z2 для атриума переменной площади мы обсудим далее. Значения на конец текущего временнго шага становятся значениями на начало следующего временнго шага.

«Эффект прокалывания»

Для каждого интервала времени массовый расход вытяжного воздуха из дымового слоя, me, рассчитывается с учётом возможного «эффекта прокалывания». Минимальная глубина дымового слоя для предотвращения «эффекта прокалывания» равна:

= минимальная глубина дымового слоя для предотвращения «эффекта прокалывания», м;

& = объёмный расход на каждое вытяжное отверстие, м3/с;

= коэффициент расположения вытяжных отверстий (в относительных единицах).

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр стий. Массовый расход вытяжного воздуха из дымового слоя равен:

= глубина дымового слоя ниже основания вытяжного отверстия, м;

= экспонента «эффекта прокалывания» (в относительных единицах).

Переменная площадь атриума дой высоты, Vai являются членами массива (последовательностью чисел), а подстрочные индексы I и j – это так называемые фиктивные переменные. Например, hi, где I = 3, является третьим значением массива «высота». Прежде чем выполнять расчёты для интервалов времени, рассчитывают значения Vai от I до n.

Площадь атриума на высоте x равна:

A(x) = площадь атриума над высотой x, м2;

x = высота над полом атриума, м.

j = такая фиктивная переменная, при которой Объём над высотой x равен:

где V(x) – объём атриума (м3) над высотой x.

Высота дымового слоя над полом – значение x, которое удовлетворяет уравнению:

Значение x, которое удовлетворяет уравнению (14.33), можно определить любым из целого ряда способов нахождения корня. В программе AZONE использовался метод заключения в скобки и деления пополам.

Высота дымового слоя над поверхностью топлива равна:

Временной интервал Чтобы свести ошибки к минимуму, необходимо выбрать интервал времени, t (не следует путать временной интервал с интервалом вывода данных, расчёты производятся в каждом интервале времени, но данные записываются только в интервалах вывода данных). Теоретически, ошибки, связанные с величиной интервала возникают по причине погрешности чисел, использованных в предшествующих интервалах. В программе AZONE значения Ts1, M 1, и рассчитываются по предшествующему интервалу, а значения скорости выE деления тепла и потока вытяжного воздуха оцениваются на определённый момент интервала. При расчётах, осуществляемых с использованием последовательно уменьшающихся интервалов, абсолютные значения подобных теоретических ошибок тоже уменьшаются.

Помимо теоретических ошибок с величиной интервала могут быть связаны погрешности округления. Природа числовых погрешностей округления такова, что прогнозы, сделанные для очень маленьких интервалов, могут содержать очень большие ошибки. В связи с этим необходимо подобрать такой временной интервал, который не будет ни слишком большим, ни слишком маленьким.

В таблице 14.2 перечислены погрешности расчётов задымления по нескольким значениям t в атриумах разных размеров: (1) малый, (2) малый вытянутый, (3) большой, и (4) большой вытянутый. Эти погрешности относятся к высоте дымового слоя, а погрешности в температуре дымового слоя (не отражены в таблице) были меньше. Для интервалов времени, которые были использованы, погрешностей округления, вызванных иленькой величиной интервала, не возникло.

Самая большая погрешность, указанная в таблице 14.2, составила 65% для стационарного пожара в малом атриуме, что свидетельствует о том, что эти погрешности могут быть настолько большими, что результаты моделирования теряют смысл. Желательно подобрать такой интервал, при котором погрешности приемлемы для всех атриумов, которые могут подлежать анализу. Интервал в 0,05 с. приводит к погрешностям менее 0,05% для атриумов всех категорий, за исключением малых атриумов.

В малых атриумах этот интервал приводит к погрешностям в 0,1% при квадратичном пожаре и в 0,2% при стационарном пожаре. Таким образом, интервал в 0,05 с. был выбран в качестве временнго интервала для программы AZONE.

Малый вытянутый атриум Большой атриум Большой вытянутый атриум 1.. Условия моделирования: (1) температура окружающей среды равна 21°C; (2) постоянное поперечное сечение;

(3) удаление дыма отсутствует; (4) поверхность топлива на уровне пола; (5) доля теплопередачи стенам равна 0,3.

2. Стационарный пожар мощностью 5 275 кВт.

3. При квадратичном пожаре время развития составляло 150 с.

Погрешность - погрешность высоты дымового слоя, z, вычисленная по уравнению: = 100 (zm– z)/z, где zm – значение z при наименьшем временнм интервале для атриума соответствующего размера.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ

Когда традиционные методы анализа неприемлемы, одним из возможных вариантов является исследование пожара на примере модели меньшего масштаба. Накоплен большой опыт по применению физического моделирования в сфере противопожарных технологий. Такое масштабное моделирование используется для воссоздания картины пожара в целях проведения расследований. Два примера подобных реконструкций пожаров – это пожар на станции метро Кингз Кросс в Лондоне, Великобритания (Moodie et al., 1988 [25]), и пожар в торговом центре Харт Элбин (Quintiere and Dillon, 1997 [26]).

Моделирование по Фруду является, вероятно, самым распространённым видом физического моделирования, применяемого для изучения распространения дыма. В стандарте NFPA 92B [4] моделирование по Фруду признано одним из методов анализа систем противодымной защиты атриумов. В данном разделе рассматриваются основы физического моделирования движения дыма, и особое внимание уделяется моделированию по Фруду.

Анализ размерностей и теория подобия Сутью анализа размерностей является выражение сложного процесса посредством относительно небольшого числа безразмерных переменных. Это упрощает анализ и делает физическое моделирование возможным. Многие безразмерные параметры можно рассматривать как соотношения сил, действующих на жидкости или газы.

Три безразмерных параметра, представляющих особый интерес в рамках данной главы – это число Рейнольдса, число Фруда и число Прандтля.

Под числом Рейнольдса подразумевается отношение сил инерции к силам вязкости, и это число помогает определить переход от ламинарного течения к турбулентному. Число Рейнольдса выражается следующим образом:

Re = число Рейнольдса, l = длина, U = скорость, = плотность, и = динамическая вязкость.

Данное уравнение немного отличается от уравнения числа Рейнольдса, приводимого в других источниках, в которых число Рейнольдса выражено через кинематическую вязкость,, где = /. Большинство уравнений, приведённых в разделе «Физическое моделирование пожаров», предназначены для описания физического моделирования, а не для осуществления расчётов. В связи с этим, единицы измерения для переменных не указаны в большинстве уравнений данной главы. Тем не менее, во всех этих уравнениях могут использоваться единицы измерения системы СИ или любой другой системы однородных единиц.

Под числом Фруда подразумевается соотношение между силами инерции и гравитационными силами. Поскольку плавучесть горячего дыма есть гравитационная сила, число Фруда является очень важным в физическом моделировании движения дыма. Число Фруда* равно:

g = ускорение силы тяжести, и U = скорость.

Число Прандтля – безразмерное число, являющееся сочетанием следующих свойств жидкостей/газов:

Pr = число Прандтля, Cp = удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении, = динамическая вязкость, и k = коэффициент теплопроводности.

* Другой вариант числа Фруда:

книге Дж. Клоута и Дж. Милке «Принципы противодымной защиты» [6], а основные концепции, касающиеся числа Фруда и соотношений подобия для моделирования Фруда одинаковы независимо от того, какой вариант числа Фруда используется.

Формулы размерности За систему основных (или базовых) размерностей можно принять длину L, время t, температуру T и массу M. Формула размерности физической величины происходит из определений или физических законов. Например, формула размерности ширины дверного проёма есть [L], исходя из определения. Квадратные скобки [ ] указывают на то, что величина имеет формулу размерности внутри скобок. Формула размерности скорости – [L/t], а ускорения – [L/t2].

В системе однородных единиц Второй закон Ньютона выглядит так:

a = ускорение.

Формула размерности силы равна формуле размерности массы, умноженной на ускорение, т.е. [ML /t2].

Работа есть сила на перемещение, т.е. единица работы – это [ML2/t2]. Формулы размерности некоторых физических величин приведены в таблице 15.1.

Безразмерная величина не имеет размерности: например, размерность числа Фруда может быть выражена таким образом:

Таблица 15-1: Величины и соответствующие формулы размерности Длина Время Масса Температура Сила Теплота Скорость Ускорение Работа Плотность Внутренняя энергия Энтальпия Удельная теплоёмкость твёрдого тела Удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении Удельная теплоёмкость среды при постоянном объёме Динамическая вязкость Кинематическая вязкость Теплопроводность Подобным образом могут быть выражены и другие безразмерные величины.

Пи-теорема Согласно Пи-теореме, для любого физического приложения или процесса, включающего в себя n величин, использующих m размерностей, величины могут быть скомпонованы в n – m независимых безразмерных параметров. Более того, существует некоторая функциональная зависимость этих n – m независимых безразмерных параметров, которая описывает физическое приложение или процесс.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Рассмотрим приложение, при котором A1, A2, A3, …,An являются определяющими величинами, такими как длина, скорость, давление, масса и т.п. Через функциональную зависимость этих величин можно описать приложение:

Величины A1, A2. A3,,.... An можно скомпоновать по безразмерным группам или параметрам 1, 2, 3..., n m. Через функциональную зависимость этих П-групп также можно описать приложение:

П-групп заключается в том, что число независимых переменных сокращаетПреимущество использования ся от m до n - m. Для конкретного приложения некоторые из П-групп могут иметь постоянное значение.

Алгебраический метод определения П-групп, основанный на Пи-теореме, описан рядом авторов, однако, недостаток данного метода заключается в том, что не существует одного единственного решения для Пгрупп, в связи с чем может возникнуть необходимость оценить ряд возможных комбинаций П-групп.

Подобие Физическое моделирование применяется во многих областях инженерного дела, таких как: испытания летательных аппаратов в аэродинамической трубе, исследования течений в реках и перемещения дыма в зданиях. Основной принцип заключается в том, что создаётся масштабная модель объекта-оригинала, и задаются такие условия испытаний, при которых сохраняются П-группы. Это означает, что в определённом месте в П-группа имеет такое же значение, как и в соответствующем месте в объекте-оригинале.

модели каждая димо. Полезных результатов можно достичь и при сохранении нескольких П-групп при условии, что влияние остальных -групп не является важным. Подробнее об этом будет написано далее.

Создание безразмерных групп Альтернативой создания П-групп c использованием Пи-теоремы является подход на основе дифференциальных уравнений. Он более изящен и приводит к более высокому уровню понимания. Кроме того, подход на основе дифференциальных уравнений может использоваться для создания П-групп для физического моделирования движения дыма в целом, а затем эти группы можно вычислить для конкретных подходов моделирования.

Для создания интересующих нас безразмерных групп, перечисленные ниже основные уравнения гидроаэродинамики представлены в линейном виде.

Сохранение массы:

Сохранение импульса в вертикальном направлении:

o - распределение давления окружающей среды.

Сохранение энергии:

Состояние:

Уравнение состояния идеального газа:

В приведённых выше основных уравнениях используются следующие переменные:

С p = удельная теплоёмкость, ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр g = ускорение силы тяжести, k = коэффициент теплопроводности, T = температура, p = давление, p0 = давление окружающей среды, u = x-составляющая скорости, x = положение (координаты), Q = выделение теплоты химической реакции на единицу объёма, o = плотность окружающей среды, I = интенсивность излучения, = коэффициент поглощения, = постоянная Стефана-Больцмана, = динамическая вязкость.

Для идеального газа газовая постоянная, R, составляет:

Cv - удельная теплоёмкость при постоянном объёме.

Безразмерные переменные представлены ниже.

l = характерный размер, U = характеристическая скорость, = характеристическое время, T0 = температура окружающей среды, p0 = давление окружающей среды, o = плотность среды, P* = отклонение характеристического давления (p* = p0U 2 ).

Подставив безразмерные переменные уравнений с (15.15) по (15.23) в основные уравнения, получаем следующие безразмерные основные уравнения:

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Состояние:

группа – константа, она всегда сохраняется, и её можно не учитывать.

Вторая отклонение характеристического давления (p* = p0U 2). Подставив это выражение (15.29), получаем Третья П4 - число Фруда. Как указано выше, под числом Фруда подразумевается соотношение между силой инерции и силами плавучести.

П4 - число Рейнольдса.

П5 - число Прандтля. Для многих газов, включая воздух, число Прандтля почти всегда постоянно по отношению к температуре. Дым – это воздух с примесью относительно небольшого количества продуктов сгорания, и принято считать, что дым имеет те же свойства, что и воздух. Таким образом, П5 можно не учитывать при моделировании, выполняемом в воздухе.

Следующие три ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Последняя П9 - широко используемое соотношение удельных теплоёмкостей, и для идеальных газов это соотношение постоянно. Для воздуха соотношение удельных теплоёмкостей почти всегда имеет постоянное значение 1,4.

Таким образом, П9 можно не учитывать при моделировании, выполняемом в воздухе.

Виды моделирования Моделирование по Фруду, моделирование с использованием солёной воды и моделирование давления применяются для моделирования движения дыма в прикладных программах. Каждый из этих видов моделирования имеет далеко не полное подобие в том смысле, что ни один из практических подходов не может сохранить все П-группы. Тем не менее, эти подходы к моделированию принесли хорошие качественные результаты и помогли лучше понять такое явление как движение дыма.

Моделирование по Фруду Как описано выше, моделирование по Фруду является, вероятно, наиболее распространённым подходом к физическому моделированию движения дыма. Создаётся масштабная модель комнаты, атриума или иного сооружения. В модели проводятся испытания в воздухе при нормальных атмосферных условиях. Соотношения подобия используются, чтобы определить величину расчётного пожара и всех принудительных потоков воздуха, а также чтобы перенести измерения с модели на объект-оригинал. Более подробно эти соотношения подобия мы обсудим далее.

Поскольку плавучесть есть гравитационная сила, и она оказывает решающее влияние на поток, возникающий при пожарах, число Фруда (П3) должно быть сохранено. По причинам, описанным выше, также сохраняются П1, П2, П5 и П9.

Если размер модели подобран должным образом, поток становится полностью турбулентным, и эффекты вязкости на твёрдых поверхностях пренебрежимо малы. В связи с этим число Рейнольдса (П4) можно не учитывать. Информация по определению величины модели с целью сведения эффектов вязкости к минимуму, чтобы можно было не учитывать число Рейнольдса, приводится далее.

При моделировании по Фруду температуры в модели такие же, что и в соответствующих местах объектаоригинала. Поскольку температуры в обоих случаях одинаковы, то и теплопередача примерно одинакова. Тем не менее, группы теплопередачи (П6, П7,П8) не сохраняются. Температура дыма вдали от пламени достаточно низкая, поэтому нет необходимости сохранять группы теплопередачи. Однако, для газов высокой температуры, таких как газы пламени, данные группы нельзя не учитывать.

Накоплен значительный опыт по применению моделирования по Фруду. Сравнение температур в объектеоригинале и в модели масштаба 1:7 (рис.15.1), произведённое Квинтьером, МакКэффри и Кашиваги (Quintiere, McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27]), демонстрирует степень ожидаемого соответствия. Чоу и Ло (Chow and Lo, 1995 [28]) использовали моделирование по Фруду для моделирования движения дыма в атриуме и заполнения атриума дымом.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Рис. 15.1 Моделирование по Фруду: сравнение температуры газа в коридоре (адаптировано на основе Quintiere, McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27]) Моделирование с использованием солёной воды Использование одной жидкости (или газа) для моделирования течения другой жидкости (или газа) называется аналоговым моделированием. Моделирование с использованием солёной воды широко применяется для моделирования движения дыма. Принцип моделирования с использованием солёной воды заключается в том, что масштабную модель погружают в резервуар с пресной водой и добавляют солёную воду, чтобы смоделировать тепловой источник. Поскольку солёная вода имеет более высокую плотность, чем пресная, она имеет тенденцию стекать вниз. Дым же обычно поднимается кверху. С учётом этого модель переворачивают в резервуаре вверх дном.

Часто модель создаётся из прозрачного полимера, а солёная вода подкрашивается в голубой цвет. Это помогает увидеть, сфотографировать или заснять на видео поток солёной воды. Основное преимущество моделирования с помощью солёной воды состоит именно в том, что оно помогает визуализировать дымовой поток.

Моделирование с помощью солёной воды похоже на моделирование по Фруду в том, что число Фруда сохраняется. Концентрация соли регулируется таким образом, чтобы плотность солёной воды в модели соответствовала плотности дыма в объекте-оригинале. В моделировании с помощью солёной воды отсутствует теплопередача, но в процессе заполнения модели солёная вода смешивается с пресной водой. Поскольку теплопередача отсутствует, использование моделирования с помощью солёной воды неприемлемо для моделирования потока пламени или потока рядом с пламенем.

Чоу и Сю (Chow and Siu, 1993 [29]) провели эксперименты по визуализации заполнения дымом нескольких атриумов на основе моделирования с помощью солёной воды. Йий (Yii, 1998 [30]) провёл серию экспериментов по моделированию растекающихся балконных струй с помощью солёной воды.

Моделирование давления Информация о моделировании давления приводится здесь для полноты картины. При этом моделировании сохраняется как число Фруда, так и число Рейнольдса. Число Рейнольдса сохраняется посредством изменения давления окружающей среды. Давления можно представить следующим образом:

pm = давление в модели, Па;

pf = давление в объекте-оригинале, Па;

lm = длина в модели, м;

h = длина в объекте-оригинале, м.

Единицы, приведённые в уравнении (15.37), являются единицами, которые можно было бы употребить в данном случае, но это не единственный возможный вариант, при условии, что оба давления выражены в одних единицах, также как и обе длины. Например, давления могут быть выражены в атмосферах, а длины - в дюймах.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Модель в масштабе 1:8 будет необходимо испытать в резервуаре высокого давления под давлением около 23 атмосфер. Моделирование давления применяется крайне редко, вероятно, по причине того, что проведение испытаний в резервуаре высокого давления является дорогостоящим, а также того, что при моделировании по Фруду эффекты числа Рейнольдса могут быть сведены к минимуму. При моделировании давления, как и при моделировании по Фруду, группы теплопередачи не сохраняются.

Соотношения подобия при моделировании по Фруду Основной принцип масштабной модели может быть выражен следующим образом:

xm = положение (координаты) в модели, м;

xf = положение (координаты) в объекте-оригинале, м;

lm = длина в модели, м;

lf = длина в объекте-оригинале, м.

Соотношение (lm /lf) – это масштаб модели. Например, для модели в масштабе 1:10 соотношение lm / lf = 1/10.

Как было описано выше, при моделировании по Фруду температуры в модели совпадают с температурами в соответствующих местах объекта-оригинала. Таким образом, соотношение подобия для температуры представлено как:

Tm = температура газа в модели, °C;

Tf = температура газа в объекте-оригинале, °C.

Поскольку модель и объект-оригинал имеют одинаковую температуру и давление, соотношение подобия для плотности составляет:

pm = плотность газа в модели, кг/м3 и Pf = плотность газа в объекте-оригинале, кг/м3.

Сохранение числа Фруда можно выразить следующим образом:

Um = скорость в модели, м/с;

Uf = скорость в объекте-оригинале, м/с; и g = ускорение силы тяжести, м/с2.

Из уравнения (15.41) следует, что соотношение подобия для скорости составляет:

Um = скорость в модели, м/с;

Uf = скорость в объекте-оригинале, м/с;

lm = длина в модели, м; и lf = длина в объекте-оригинале, м.

Единицы, приведённые выше для переменных уравнения (15.42), являются единицами, которые можно было бы употребить в приложении, но это не единственный возможный вариант при условии, что единицы, в которых выражены Um и Uf, совпадают, как и единицы, в которых выражены lm и lf. Например, обе скорости могут быть выражены в футах в минуту, а обе длины в дюймах. Все соотношения подобия, обсуждаемые в данном разделе, имеют схожую форму, и основная идея о возможности использования широкого спектра единиц также верна для всех остальных приведённых здесь соотношений подобия.

Объёмный расход есть скорость, умноженная на площадь, и соотношение можно представить в виде:

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр = объёмный расход в модели, м3/с;

= объёмный расход в объекте-оригинале, м3/с.

Массовый расход есть объёмный расход, умноженный на плотность. Совместив уравнения (15.40) и (15.43), получим:

mm = массовый расход в модели, кг/с;

m f = массовый расход в объекте-оригинале, кг/с.

tm = время в модели, с;

tf = время в объекте-оригинале, с.

Qm = mm C p T и Q f = m f C p T (T = Tm = T f ), уравнение (15.44) преобразуется в:

& = теплоотдача в объекте-оригинале, кВт.

Если конвективная доля пожара в модели, соотношение подобия для конвективной теплоотдачи выглядит так:

& = конвективная теплоотдача в модели, кВт;

& = конвективная теплоотдача в объекте-оригинале, кВт.

отношение в уравнение (15.42), получаем (помните, что = m = f ):

pm = перепад давления в модели, Па;

pf = перепад давления в объекте-оригинале, Па.

Применение некоторых соотношений подобия проиллюстрировано в примерах 15.1 и 15.2. Цудзимото, Такэноу-чи и Уехара (Tsujimoto, Takenou-chi, and Uehara, 1990 [31]) провели эксперименты, подтвердившие корректность выше приведённых уравнений для движения дыма в атриумах. Квинтьер, МакКэффри и Кашиваги (Quintiere, McCaffrey and Kashiwagi, 1978 [27]) провели эксперименты по движению дыма, подтвердившие корректность применения этих соотношений подобия для моделирования перемещения дыма по коридору и внутри помещения.

Пример 15.1 Пожар в масштабе Если мощность пожара в объекте-оригинале составляет 5280 кВт, какова мощность соответствующего пожара в модели масштаба 1:7?

Используя уравнение (15.46), получаем:

Пример 15.2 Преобразование данных о дымовом слое В модели масштаба 1:8 уровень дымового слоя опускается до 0,533 м над уровнем пола через 42 с. после возгорания. Как эти данные соотносятся с объектом-оригиналом?

Преобразуем уравнение (15.45):

Преобразуем уравнение (15.38):

Это означает, что в объекте-оригинале через 119 с. уровень дымового слоя опустится до 4,27 м над уровнем пола.

Приблизительное масштабирование теплопередачи Несмотря на то, что группы теплопередачи и число Рейнольдса не были сохранены, некоторые из эффектов теплопередачи могут быть частично сохранены путём учёта поверхностной теплопередачи и теплообмена между твёрдыми телами. Для полубесконечной поверхности к материалам стены и потолка можно применить следующее соотношение:

(k pC)w,m = тепловая инерция материалов стены или потолка модели, кВт2 м-4К-2с;

(k pC)w,f = тепловая инерция материалов стены или потолка объекта-оригинала, кВт2 м-4К-2с.

Тепловая инерция (k pC) некоторых материалов приведена в таблице. В примере 15.3 приведён расчёт термических свойств в масштабной модели. В этом примере уравнение (15.49) используется для пропорционального уменьшения тепловой инерции в модели до 0,44 кВт2м-4К-2с. Тепловую инерцию достаточно масштабировать лишь приблизительно, и для этих целей подойдут материалы от бетона до гипсокартона.

ция (Marinite XL) (Kaowool) Пример 15.3 Масштабирование термических свойств Стены и потолок объекта-оригинала выполнены из бетона. Пересчитайте значения термических свойств для модели в масштабе 1:8.

Согласно таблице, k pC бетона составляет 2,9 кВт2 м-4 K-2 c. Используя уравнение (15.49), получаем:

Термические свойства достаточно масштабировать лишь приблизительно, и для этих целей подойдёт широкий спектр материалов.

Практические вопросы моделирования по Фруду Предполагается, что масштабная модель должна создаваться таким образом, чтобы каждый из её размеров был полностью пропорционален соответствующим размерам объекта-оригинала, но при этом необязательно моделировать каждую мелкую деталь объекта-оригинала. Небольшие предметы, такие как электроарматура, выключатели, дверные ручки, декоративные элементы, детекторы дыма и спринклеры не должны повлиять на поток дыма в целом, и эти предметы можно не учитывать. При отсутствии хорошо разработанных критериев о размере таких небольших предметов, предлагается не учитывать предметы менее 0,23 м.

Как было указано выше, размер модели должен быть подобран правильно, так чтобы эффекты вязкости были ничтожно малы, и число Рейнольдса (П4) можно было бы не учитывать. Модель должна быть достаточно большой, чтобы поток был полностью турбулентным в тех местах, которые представляют интерес. Общее правило таково, что наименьшая длина, которая способна поддерживать такой турбулентный поток, составляет 0,3 м.

В следующем примере приводятся пояснения к выбору масштаба для модели. Предположим, что требуется правильно определить потоки, проходящие через проёмы из атриума в смежные помещения. Эти проёмы высотой - 2,4 м и шириной – 3,7 м. Будем считать, что эта высота есть наименьшее значение, где будет проходить полностью развитый поток. Тогда соответствующий проём в масштабной модели должен быть не менее 0,3 м. Таким образом, модель должна быть в масштабе 1:8. Масштаб для каждой ситуации моделирования должен определяться с учётом того, какие потоки важно смоделировать.

Поскольку некоторые из эффектов теплопередачи могут быть частично сохранены путём масштабирования тепловой инерции с использованием уравнения (15.49), достаточно осуществить лишь приблизительное масштабирование, как было описано выше. Чтобы была возможна визуализация дымового потока, некоторые стены делают из стекла.

Как указано выше, моделирование по Фруду приемлемо для температур вдали от пламени. Моделирование по Фруду подходит для моделирования движения дыма при пожаре в атриуме, где пламя не достигает потолка. Пламя, по-видимому, не будет смоделировано правильно, но ожидается, что потоки дыма вдали от пламени будут смоделированы реалистично.

Моделирование по Фруду также подходит для моделирования дымовых потоков в здании, возникающих при пожаре, полностью охватившем помещение. Из-за высоких температур моделирование неприемлемо для горящего помещения или любого пламени, вырывающегося из этого помещения, но ожидается, что моделирование дымового потока вдали от горящего помещения будет реалистичным.

NFPA 92B. РУКОВОДСТВО ПО СИСТЕМАМ ПРОТИВОДЫМНОЙ

ЗАЩИТЫ АТРИУМОВ, МОЛЛОВ И БОЛЬШИХ ПОМЕЩЕНИЙ

Информация в данной главе представлена на основе стандарта Национальной ассоциации по противопожарной защите (США) NFPA 92B «Руководство по системам противодымной защиты атриумов, торговых центров и больших помещений» [4].

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Целью данного руководства является обеспечить заказчиков, проектировщиков, представителей надзорных органов и пожарных подразделений методикой противодымной защиты в больших, цельных (не поделенных на отсеки) помещениях. В руководстве представлена следующая информация:

Вопросы перемещения дыма внутри помещения;

Физические процессы, лежащие в основе перемещения дыма в помещениях;

Методы противодымной защиты;

Оборудование в здании и элементы управления;

Методы проведения проверок, технического обслуживания и ремонта.

В данном руководстве представлена методология оценки нахождения дыма внутри большого помещения при пожаре в нём либо в прилегающем к нему помещении. Эти методы составляют техническую основу для помощи в проектировании, установке, проверке, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте новых и модернизированных систем противодымной защиты, установленных в зданиях с большими помещениями для защиты от дыма в помещении, где произошло возгорание, или между пространствами, не разделенными дымозащитными преградами. К зданиям, рассматриваемым в данном руководстве, относятся здания с атриумами, крытыми моллами и другими подобными большими помещениями. Данное руководство не предназначено для применения к складским, производственным или прочим аналогичным помещениям.

Алгебраические подходы к противодымной защите, содержащиеся в данном руководстве, предполагают, что дымоудаление будет производиться механическими средствами.

Целью данного руководства является предоставить рекомендации по системам противодымной защиты для обеспечения ими следующего:

(1) поддержание безопасных условий в путях эвакуации из зданий с большими помещениями в течение времени, требующегося на эвакуацию;

(2) контроль и снижение перемещения дыма между зоной пожара и смежными помещениями;

(3) обеспечение условий внутри и снаружи зоны пожара для помощи персоналу по борьбе с чрезвычайными ситуациями в проведении поисково-спасательных операций и обнаружении и контролировании распространения пожара;

(4) помощь в защите жизни людей и снижении ущерба имуществу;

(5) помощь в удалении дыма после пожара.

Принципы проектирования Пожар в больших помещениях, моллах и атриумах Предполагается, что дым, возникающий при пожаре в большом свободном пространстве, является плавучим, поднимающимся в виде струи над огнём и достигающим потолка либо претерпевающим стратификацию из-за температурной инверсии. После того, как дым достигнет потолка, или произойдёт его стратификация, пространство начнёт заполняться дымом, а граница дымового слоя опускаться. Скорость снижения границы дымового слоя зависит от скорости, с которой дым поступает в дымовой слой из дымовой струи. Такое заполнение дымом представлено в двухзонной модели, где есть чёткая граница между низом дымового слоя и окружающим воздухом. В инженерных целях скорость поступления дыма из струи в дымовой слой может быть определена как скорость вовлечения воздуха в струю под границей дымового слоя. Воздействие спринклеров может привести к снижению скорости выделения тепла и скорости вовлечения воздуха в струю.

Вследствие методологии зонного моделирования в модели используется допущение об однородности свойств (концентрации дыма и температуры) от границы дымового слоя до потолка и в горизонтальном направлении – сквозь весь дымовой слой.

Равновесное положение границы дымового слоя может быть достигнуто при удалении дыма при такой же скорости, с которой дым поступает в дымовой слой. Кроме того, дымоудаление может вызвать задержку в скорости опускания дымового слоя.

Там, где дымовой слой опустился до уровня прилегающих помещений, в которых есть люди, предотвращение перемещения дыма из атриума или молла в эти помещения может осуществляться с помощью физических преград или встречного воздушного потока. Встречный воздушный поток может использоваться для ограничения перемещения дыма в открытые прилегающие помещения, при этом воздух подаётся изнутри прилегающего помещения. Необходимый объёмный расход подаваемого воздуха, требующегося для достижения необходимой скорости, может быть значительным.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Чтобы работа вытяжных вентиляторов была эффективной, необходимо наличие приточного воздуха. Поступление приточного воздуха должно происходить с низкой скоростью. В целях эффективной противодымной защиты поток приточного воздуха должен быть достаточно рассеянным, чтобы не повлиять на пламя, дымовую струю или границу дымового слоя. Точки подачи приточного воздуха должны быть расположены под границей дымового слоя. Скорость потока приточного воздуха не должна превышать скорость дымоудаления, чтобы в атриуме или молле было достигнуто избыточное давление по сравнению с прилегающими помещениями. Если воздух поступает в дымовой слой над границей дымового слоя, это необходимо учитывать при расчёте дымоудаления.

Пожары в смежных помещениях Пожары в смежных помещениях могут приводить к возникновению плавучих газов, растекающихся в большое помещение. В таком случае расчёт должен быть аналогичным расчёту пожара в большом помещении. Однако, расчёт должен учитывать разницу в вовлечении воздуха в основную и растекающуюся струи.

Если смежные открытые помещения защищены автоматическими спринклерами, вычисления, приведённые в данном руководстве, могут показать, что дополнительная вентиляция не требуется. С другой стороны, независимо от того, работают спринклеры в смежных помещениях или нет, попадание дыма в большое помещение можно предотвратить, если дымоудаление в смежном помещении осуществляется со скоростью, при которой возникает достаточная скорость притока сквозь границу в большое пространство.

Системы пожаротушения Системы автоматического пожаротушения проектируются для ограничения скорости горения массы топлива и, как следствие, ограничения возникновения дыма. При ограничении скорости горения массы снижается дымообразование. Пожары в помещениях со спринклерами, прилегающих к атриумам и пешеходным зонам крытых моллов, также могут быть эффективно ограничены с целью снизить воздействие на атриумные пространства или пешеходные зоны крытых моллов и, соответственно, повысить эффективность системы дымоудаления.

Задача функционирования автоматических спринклеров, установленных в соответствии с документом NFPA 13 «Стандарт по установке спринклерных систем» [38], состоит в обеспечении противопожарного контроля, который можно описать следующим образом: ограничение мощности пожара путём распределения воды таким образом, чтобы снизить скорость выделения тепла и смочить прилегающие горючие материалы, контролируя при этом температуру припотолочных газов с целью предотвращения разрушения конструкции. Было проведено небольшое число исследований, в ходе которых проводились полномасштабные пожарные испытания, при которых спринклерная система была подвергнута большой нагрузке, но обеспечила предполагаемый уровень функционирования. Эти исследования продемонстрировали, что в условиях противопожарной защиты скорость выделения тепла ограничивается, но образование дыма может продолжаться. Тем не менее, температура дыма уменьшается.

Полномасштабные пожарные испытания спринклерных систем проводились для офисов открытой планировки. Эти испытания показали, что при пожарах в помещениях со спринклерами после их активации и достижения ими контроля над огнём наблюдается экспоненциальный спад скорости выделения тепла. Результаты этих испытаний также указывают на то, что расчётный пожар с установившейся скоростью выделения тепла в 500 кВт даёт завышенную оценку для офисов открытой планировки со спринклерами.

Существуют ограниченные данные полномасштабных испытаний для определения мощности расчётного пожара для других типов помещений со спринклерами. Исследователи Ханселл и Морган предлагают завышенную оценку для конвективной теплоотдачи, основываясь на статистике пожаров в Соединённом Королевстве Великобритании и Северной Ирландии: 1 МВт для офиса со спринклерами, от 0,5 до 1,0 МВт для гостиничного номера со спринклерами и 5 МВт для торгового помещения со спринклерами. Эти стационарные расчётные пожары предполагают, что помещения оснащены спринклерами стандартного реагирования.

В Австралии были проведены полномасштабные испытания для торговых помещений. Эти испытания показали, что в некоторых распространённых типах торговых помещений (магазинах одежды и книжных магазинах) пожар регулируется и в итоге ликвидируется одним спринклером. Кроме того, эти испытания показали, что сложность при тушении пожара спринклерными системами может возникать в торговых помещениях с большой топливной нагрузкой, например, в магазинах игрушек.

Вероятность активации спринклеров зависит от многих факторов, включая скорость выделения тепла при пожаре и высоту потолка. Таким образом, при пожарах небольшой мощности срабатывание спринклеров с наибольшей вероятностью произойдёт в разумный срок в помещениях с более низкой высотой потолка, например, от 2,4 м до 7,6 м. Активация спринклеров в зоне пожара вызывает остывание дыма, что приводит к снижению его плавучести. Сниженная плавучесть может приводить к опусканию дыма и снижению видимости.

Уравнения в разделе «Методы расчёта», иллюстрирующие заполнение дымом [(3) и (4)] и дымообразование [(8), (9) в данной главе и (13.17), (13.23) в главе «Принципы противодымной защиты атриумов»], не применяются, если произошла потеря плавучести при работе спринклеров.

На начальном активном этапе развития пожара при работе спринклеров дымовой слой остаётся стратифицированным под потолком. Около спринклеров дым затягивается каплями воды в холодный нижний слой и затем благодаря плавучести возвращается в дымовой слой. Как только спринклеры начинают функционировать на полную мощность и начинают тушить пожар, температура газов в дымовом слое быстро падает и дым рассеивается по всему объёму помещения, т.к. его плавучесть снижается.

ТР-5045 Противодымная защита атриумных зданий. Обзор зарубежных источников Стр Активация спринклеров в помещениях, прилегающих к атриуму, приводит к остыванию дыма. При пожарах с низкой скоростью выделения тепла температура дыма, вытекающего из отсека, приближена к температуре окружающей среды, и дым будет рассеян над высотой проёма. При пожарах с высокой скоростью выделения тепла температура дыма будет выше температуры окружающей среды, и дым, поступающий в атриум, является плавучим.

Температура дыма, образующегося при пожаре в помещении со спринклерами зависит от таких факторов, как скорость выделения тепла при пожаре, количество работающих спринклеров и плотность применения спринклеров. Полномасштабные пожарные испытания при температуре воды 10°C показывают, что при четырёх работающих спринклерах температура дыма снижается до уровня температуры окружающей среды или