1.1. Опасность дыма
Количество погибших при пожарах в нашей стране продолжает возрастать. Причиной гибели людей в 50-75 % случаев являются дым и токсичные продукты горения. Воздействуя на организм человека, дым вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, удушье. С продуктами горения связаны такие опасные факторы пожара (ОФП), как повышенная температура среды, снижение видимости уменьшение концентрации кислорода, наличие токсичных компонентов продуктов горения.
Дым, воздействуя на продукты питания и другие товары, хранящиеся на складах и в магазинах, приводит к их порче. Известны случаи когда убытки от воздействия дыма на материальные ценности превышали убытки от воздействия огня. Электронные приборы при воздействии дыма начинают давать сбои в работе. Если эти приборы управляют технологическими процессами, сбои в их работе могут привести к крупным авариям.
Продукты горения сильно усложняют работу пожарных подразделений по проведению спасательных работ, обнаружению и ликвидации очага пожара. Особенно затрудняется работа при пожарах в подвалах и других подземных сооружениях. Пожары в них характеризуется ухудшенным газообменом, сравнительно невысокой температурой и большим дымовыделением.
1.2. Задымление помещений при пожаре
Рассмотрим физические явления, происходящие при возникновении очага пожара в помещении. За счет тепла, выделяющегося при горении, происходит термическое разложение твердых и жидких горючих материалов. Часть горючих газов вступает в реакцию окисления с кислородом воздуха. Тепло, выделившееся в результате реакции, передается горючей нагрузке, ограждающим конструкциям помещения, окружающему воздуху. Над очагом пожара возникает зона нагретого газа. За счет разности плотностей горячие газы начинают подниматься над очагом пожара и образуют конвективную струю (колонку). В конвективную струю подсасывается холодный воздух, за счет чего температура газов в ней снижается (рис.10.1). Сгорание при пожаре неполное. В зоне горения недостаточно кислорода, нет полного перемешивания горючих газов с кислородом, а в конвективной колонке недостаточно высока температура. Дойдя до потолка, конвективная струя начинает растекаться по нему и образует подпотолочный слой дыма. Подмешивание воздуха продолжается и в подпотолочном слое. Дым представляет собой смесь воздуха с частично и полностью окисленными продуктами термического разложения и конденсированными жидкими и твердыми частицами. Доля воздуха в общем объеме дыма весьма высока, как правило, более 90 %.
Массовый расход дыма в конвективной колонке может быть рассчитан по формуле
G = 0,188 П z3/2, (10.1)
где G -расход дыма в конвективной колонке на высоте y от пола, кг/с; П – периметр очага пожара, м; z – расстояние от пола, м.
Время задымления помещения от потолка до уровня у от пола помещения может быть определено по формуле
t = 20 Fп (z-0,5 - Hп-0,5)/(П g-0,5), (10.2)
где Fп -площадь пола помещения, м2; Hп - высота помещения,м; g – ускорение свободного падения, м/с2 .
Время задымления помещения, определяемое формулой (10.2), очень невелико. Для помещения площадью 100 м 52 0 и высотой 6 м при очаге пожара размерами 3×3 м слой дыма опускается до уровня 3 м за 9 с, а до уровня 2 м за 16 с.
1.3. Задымление здания при пожаре
Движение продуктов горения по помещениям и зданию в целом происходит под действием тех же сил и подчиняется тем же законам, что и движение воздуха в здании в обычных условиях, т.е. в отсутствие пожара. Слой дыма, появившийся под потолком, опускается, достигает проемов в ограждающих конструкциях помещений и начинает выходить в смежные помещения. Смежные с помещением очага пожара помещения и пути эвакуации задымляются и становятся опасными для пребывания и эвакуации людей. Путями распространения дыма служат открытые проемы и каналы, щели и неплотности в местах проходок технологического, инженерного и электрооборудования. Дым движется по зданию под действием перепадов давлений, возникающих за счет разности температур, ветровых воздействий на ограждающие конструкции здания, а также работы механических систем вентиляции.
Попадая в смежное с горящим помещение, продукты горения смешиваются там с воздухом. Температура, газовый состав и оптическая плотность среды в этом помещении изменяются. Это помещение само становится источником задымления. Так происходит задымление одноэтажного здания при пожаре.
Пожар, возникший в одном из помещений, усиливает газообмен здания в целом, поскольку очаг пожара является мощным источником тепла и, как следствие, гравитационного давления.
Подходы и методы исследования аэрации многоэтажных зданий использовались для исследования распространения продуктов горения при пожаре. Данные о скорости задымления нужны для определения необходимого времени эвакуации из здания, а также для разработки схем противодымной защиты зданий и сооружений.
Основными источниками данных о необходимом времени эвакуации являются описания пожаров и натурные огневые опыты. Первые помогают наметить принципиальные решения в области противопожарной и, в частности, противодымной защиты. Во вторых можно получить надежные количественные данные об изменении опасных факторов пожара в различных местах здания.
При проведении огневых опытов в одном из помещений имитируется очаг пожара. Величина удельной пожарной нагрузки в опытах соответствует средней удельной нагрузке для помещений данного класса зданий и помещений (для жилых зданий она составляет 40 кг/м2). Во время опыта измеряются температуры и концентрации продуктов горения. На этажах, прилегающих к этажу пожара, выставляются наблюдатели со средствами защиты органов дыхания (КИПы или акваланги) и имеющие двухстороннюю телефонную или радиосвязь. У наблюдателей имеются переносные газоанализаторы на углекислый газ, окись углерода и кислород. Визуально наблюдатели фиксируют пути распространения дыма и степень задымления помещений. Опыт начинается с поджигания горючей нагрузки. Показания наблюдателей записываются на магнитофон. Магнитофонные записи и показания приборов дают достаточно полную и объективную количественную и качественную картину задымления здания при пожаре. Основным недостатком натурных огневых испытаний является их высокая трудоемкость и стоимость.
В последнее время в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются расчетно-теоретические методы определения скорости задымления зданий и сооружений при пожарах. Задача расчета скорости задымления здания при пожаре сводится к решению системы уравнений движения газов и уравнений баланса массы, энергии, масс отдельных компонентов продуктов горения и кислорода и оптической плотности дыма. Соответствующий математический аппарат разработан в ВИПТШ и ВНИИПО и реализован в виде программ для ЭВМ.
В результате решения задачи получают температуры газов, концентрации компонентов продуктов горения, оптическую плотность дыма и давления в каждом помещении, расходы через все проемы здания в любой момент времени. Зная фактическое состояние ОФП и их критические значения, можно определить необходимое время эвакуации для любого помещения и здания в целом.
Анализ результатов натурных опытов и расчетов распространения продуктов горения по зданиям при пожаре позволил выявить наиболее опасный вариант расположения очага пожара, положения (открыто, закрыто) оконных и дверных проемов, наихудшие метеорологические условия, объемно-планировочные особенности здания с точки зрения скорости его задымления и обеспечения безопасности людей. Таким вариантом является следующий. Пожар происходит в зимнее время, окна помещения с очагом пожара выходят на наветренный фасад здания, двери на пути эвакуации от этого помещения до улицы открыты. Как правило, в зданиях с поэтажными коридорами ведущими ОФП (ведущим ОФП называется тот, величина которого быстрее других достигает критического для человека значения).в помещении с очагом пожара являются повышенная температура продуктов горения, в поэтажном коридоре и лестничной клетке – отсутствие видимости.
Большое влияние на скорость задымления лестничных клеток оказывают оконные проемы. При закрытых окнах задымляются два-три этажа выше этажа пожара и один-два этажа ниже него. При открытых окнах выше этажа пожара скорость задымления лестничной клетки возрастает за счет появления тяги (эффект ” дымовой трубы”).
В зданиях с поэтажными коридорами скорость задымления лестничных клеток сравнительно невысока. Это объясняется снижением температуры в поэтажном коридоре в два и более раза по сравнению с температурой газов, выходящих из помещения с очагом пожара. В месте выхода продуктов горения из коридора в лестничную клетку конвективная колонка не образуется из-за сравнительно низкой температуры газов. Выходящие газы перемешиваются с газами в лестничной клетке и на уровне этажа пожара образуется задымленная зона. Температура газов не достигает критических для человека значений. Чем выше здание и ниже герметичность ограждающих конструкций лестничной клетки, тем сильнее газообмен, больше задымленная зона и ниже температура, концентрация и оптическая плотность дыма в ней.
В зданиях, не имеющих поэтажных коридоров, т.е. в зданиях с квартирами и другими пожароопасными помещениями, выходящими непосредственно на лестничную клетку, картина ее задымления существенно отличается от описанной выше. Температура газов, выходящих в лестничную клетку, близка к температуре газов в помещении очага пожара. За счет высокой разности температур и высокой скорости истечения газов в месте выхода образуется интенсивная конвективная колонка. Скорость восходящего потока составляет несколько метров в секунду. Лестничная клетка в этом случае задымляется на всю высоту и с высокой скоростью. Температура и другие ОФП превышают критические для человека значения. Возможно загорание дверных полотен других квартир, окраски стен, деревянных или пластиковых перил ограждений, электропроводки и др.
1.4. Изоляция источников задымления здания и управление дымовыми и воздушными потоками
Своевременная эвакуация людей из здания является одним из основных способов обеспечения их безопасности при пожарах. Противодымная защита объектов должна обеспечивать незадымление, снижение температуры и удаление продуктов горения и термического разложения на путях эвакуации из зданий в течение времени, достаточного для эвакуации, и (или) коллективную защиту людей и (или) защиту материальных ценностей.
В настоящее время изоляция источников задымления здания и управление дымовыми и воздушными потоками – основные способы противодымной защиты большинства промышленных и гражданских зданий. Такое положение, по-видимому, сохранится и в обозримом будущем.
Для одноэтажных промышленных зданий с помощью управления дымовыми и воздушными потоками удается обеспечить свободную от дыма рабочую зону и (или) незадымляемость путей эвакуации и помещений, смежных с горящим. Системы противодымной защиты многоэтажных зданий обеспечивают незадымляемость вертикальных путей эвакуации из здания, т. е. лестничных клеток, и существенно уменьшают задымление здания в целом. Подробному рассмотрению этих вопросов посвящено дальнейшее содержание учебника.
Противодымная защита с помощью изоляции источников задымления здания и управления воздушными потоками в некоторых случаях неэффективна. Имеются случаи, когда этот метод просто неприменим.
1.5. Использование противодымных конструкций
Практически все ограждающие конструкции здания препятствуют выходу дыма из горящего или задымленного помещения в смежные помещения и на пути эвакуации. Эффективность конструкций с точки зрения противодымной защиты заметно возрастает, если они отвечают определенным требованиям по дымогазопроницаемости. Рассмотрим эти требования на примере дверей.
Количественной характеристикой дымопроницаемости двери является удельная характеристика гидравлического сопротивления:
Sуд = DP× F0,5дв / G2,
где DP – перепад давления на испытуемой двери, Па; G -расход фильтрата через дверь, кг/с; Fдв -площадь проходного сечения проема, м2.
Исследование дымопроницаемости дверей осуществляется на специальной установке. Испытания проводятся при трех температурных режимах. Первый соответствует условиям нормальной эксплуатации, т. е. отсутствию пожара (измеряется расход воздуха, фильтрующегося через дверной блок при фиксированном перепаде давления); второй – условиям в поэтажном коридоре этажа пожара; третий – стандартному.
Испытания, проведенные ВНИИПО, показали, что удельная характеристика гидравлического сопротивления дверей без уплотнения в притворах составляет 2 000-2 500 1/кг. Требуемое значение характеристики для противодымных дверей составляет 50 000 1/кг.
Двери с высоким пределом огнестойкости и низкой дымопроницаемостью не только препятствуют выходу пожара и продуктов горения за пределы помещения, но и способствуют самотушению пожара. Такое явление наблюдалось в огневых экспериментах на полномасштабной экспериментальной установке ВНИИПО “фрагмент этажа высотного здания”. В начальный период пожара при закрытых дверях и невскрытом остеклении горение происходит за счет кислорода, имеющегося внутри помещения. Среднеобъемная температура поднимается до 400 С и стабилизируется. Если не происходит поступления кислорода вследствие вскрытия остекления, открывания, прогорания или разрушения двери, то температура в помещении начинает снижаться и может произойти самозатухание пожара. Следует подчеркнуть, что открывание двери до остывания продуктов горения и предметов обстановки до температуры ниже температуры воспламенения продуктов пиролиза, может привести к воспламенению этих продуктов и выбросу пламени через дверной проем.
Двери с пониженной дымогазопроницаемостью являются одним из немногих примеров удачного сочетания противопожарных и эксплуатационных требований. Двери с пониженной дымогазопроницаемостью обладают и пониженной воздухопроницаемостью, что уменьшает теплопотери здания и тем самым способствует экономии топливных ресурсов.
Наряду с конструкциями, для которых ограничение распространения дыма дополняет основное их назначение, известны устройства и конструкции, специально предназначенные для защиты от задымления. Примерами таких конструкций могут служить противодымные затворы и занавесы. При появлении дыма в помещении или коридоре открываются устройства, удерживающие мешок из несгораемой ткани в свернутом состоянии под потолком помещения, воздух из баллонов начинает поступать в мешок, заполняет его, и мешок перекрывает проем из помещения или коридор. Для эвакуации из задымленного помещения или коридора в мешке имеются специальные отверстия.
Для защиты проемов от поступления через них дыма и пламени служат и орошаемые занавесы. В обычном состоянии занавес находится над защищаемым проемом в свернутом виде. При возникновении пожара под действием груза он разворачивается и перекрывает проем. В емкость поступает вода и орошает занавес. Эффективность противодымного занавеса подтверждена натурными испытаниями, проведенными во ВНИИПО.
1.6. Дымоподавление
Дымоподавление представляет собой изменение свойств продуктов горения в целях уменьшения их токсичности или (и) оптической плотности дыма. Рассмотрим два способа дымоподавления: электростатический способ очистки дымовых газов и осаждение дыма на тонкораспыленных растворах химических реагентов.
Электростатический способ широко используется для очистки дымовых газов на тепловых электростанциях. На пути движения дыма, обычно в дымовой трубе, устанавливаются коронирующие и осадительные электроды. При коронном разряде образуются свободные электроны и ионы, заряжающие конденсированные частицы дыма. Заряженные частицы под действием электрического поля движутся к осадительным электродам и осаждаются на них. Электростатический способ обеспечивает высокую степень осаждения (до 99%) при энергозатратах 0,3 кВт ч на 10003 дыма. Обеспечивается эффективное осаждение частиц дыма размерами от 0,1 до 1000 мкм. Концентрация конденсированной фазы может изменяться от долей г/м3 до 50 г/м3. В одном из японских патентов приводится пример реализации электростатического способа осаждения дыма применительно к многоэтажному зданию с большим количеством помещений. В литературе отсутствуют описания практического применения электростатического способа осаждения дыма при пожарах.
В Ленинградском филиале ВНИИПО проводились исследования осаждения частиц дыма на распыленных водных растворах химических реагентов. Опыты, проведенные на лабораторной дымовой камере объемом 1 м3, показали, что путем подбора различных компонентов раствора и дисперсности распыла удается достичь снижения оптической плотности дыма на 80-83%. Снижение концентрации продуктов горения при этом достигает 75-90 %. Такой эффект получается при давлении распыла 1,4-1,6 МПа за 2-3 мин при расходе раствора 0,5-0,8 л и мелкости распыла 100-300 мкм.
Дымоподавление как способ противодымной защиты в настоящее время находится в стадии научно-исследовательских разработок, заявок на изобретения, патентов. Широкого практического применения в пожарной охране дымоподавление пока не получило.
Для очистки дыма используются и механические фильтры. Хотя способы активного дымоподавления в обозримом будущем едва ли найдут широкое применение в промышленных и гражданских зданиях, существуют определенные области, когда традиционные способы противодымной защиты неэффективны или неприменимы по другим причинам (грязные зоны АЭС, подводные лодки, самолеты и космические аппараты).
Профессор кафедры ПБС, д.т.н. профессор Есин В.М.
