С ростом  этажности  здания  возрастает их пожарная опасность, поскольку расчетное время эвакуации возрастает,  а время блокирования путей эвакуации дымом уменьшается.  Поэтому в дополнение к требованиям по противодымной защите, изложенным выше, для зданий высотой  10 и более этажей (более 28 м от планировочной отметки земли до уровня низа проемов, используемых для спасения людей, с  верхнего не технического  этажа)  нормативными  документами предусматривается ряд специальных мероприятий.  В таких зданиях необходимо устройство дымоудаления из коридоров  и  холлов,  создание подпора  (избыточного давления) в шахтах лифтов.  Эти здания должны иметь незадымляемые лестничные клетки.  По принятой в нашей  стране классификации незадымляемые лестничные клетки подразделяются на три типа. В зависимости от типа незадымляемость лестничных клеток обеспечивается:

1 – устройством поэтажных входов через открытые воздушные зоны по балконам, лоджиям или галереям (Н1);
2 – созданием подпора воздуха при пожаре (Н2);
3 – созданием подпора воздуха при пожаре в тамбурах-шлюзах перед лестничной клеткой (Н3).

Требования к незадымляемым лестничным клеткам 1-го типа заключаются в следующем :

• расстояние в  осях  между дверью для выхода с этажа и входа в лестничную клетку должно быть не менее 2,2-2,5 м;
• выход с  первого  этажа  лестничной  клетки  должен  быть  непосредственно наружу или через отдельный выход, допускается выход в вестибюль здания через тамбур с подпором воздуха.

Незадымляемые лестничные клетки 1-го  типа  более  надежны  по сравнению лестничными клетками других типов,  поскольку для их нормального функционирования не требуется специальной автоматики.  Это качество и определяет область их применения. Если в здании повышенной этажности имеется одна незадымляемая лестничная клетка,  то она должна  быть 1-го типа.  При большем количестве лестничных клеток в здании (секции здания) не менее 50% незадымляемых лестничных клеток должно быть 1-го типа,  остальные могут быть других типов.

Незадымляемые лестничные  клетки 1-го типа (Н1) имеют серьезные недостатки с точки зрения их эксплуатации в нормальных условиях. Один из них  связан  с повышенными теплопотерями через выходные двери на поэтажные переходы.  Теплопотери с фильтрацией воздуха  через  щели притворов  дверей и с воздухообменом при открывании дверей на порядок выше теплопотерь за счет теплопроводности через дверной массив. Второй  обусловлен  довольно  редким использованием этих лестничных клеток по их прямому назначению.  Жильцы поднимаются по ним на  3-4 этажа, а для подъема на более высокие этажи, как правило, пользуются лифтом.  Небольшая посещаемость незадымляемых лестничных  клеток 1-го  типа провоцирует создание в них неблагоприятной криминогенной обстановки.

Требования к созданию избыточного давления (подпора) воздуха в незадымляемых лестничных клетках 2-го и 3-го  типов  заключаются  в следующем. Расход наружного воздуха для приточных вентиляторов следует рассчитывать  на  поддержание  избыточного  давления  не менее 20Па:

• в нижней части лифтовых шахт при закрытых дверях на всех этажах, кроме первого;
• в нижней части незадымляемых лестничных клеток 2-го  типа  при открытых  дверях  на  пути эвакуации из коридоров и холлов на этаже пожара в лестничную клетку и из здания наружу при  закрытых  дверях из коридоров и холлов на всех этажах.

Перепад давления на дверях из поэтажных коридоров в лестничные клетки не должен превышать 150 Па.  Аналогичное требование есть и в зарубежных нормах. Оно вызвано они стремлением ограничить усилие по открыванию двери.  При  перепаде  давления 150 Па на дверь площадью 2 м² 0(2х1 м) действует сила в 300 Н ( 30 кгс), а сила,  необходимая для открывания двери,  составляет 15 кгс.  Такое соотношение силы и давления, действующих на дверь, объясняется различными точками приложения этих сил (рис.13.2).  Момент силы давления равен произведению силы DР на половину ширины двери В,  а момент силы F_откр равен произведению этой силы на полную ширину двери.  Условием открывания двери является равенство моментов,  откуда следует,  что сила F_откр равна половине силы DР.

Требования к дымоудалению из коридоров и холлов можно свести к следующему.  Дымоудаление должно осуществляться с этажа, где возник пожар, через шахту,  оборудованную центробежным вытяжным вентилятором.  На каждом этаже в шахте имеется отверстие, закрытое клапаном.

При возникновении пожара на одном из этажей по сигналу от пожарного извещателя открывается клапан,  перекрывающий отверстие в шахте дымоудаления  на этом же этаже,  включается вентилятор дымоудаления и вентиляторы подпора в незадымляемые лестничные клетки 2-го типа и в шахты  лифтов.  Предусматривается и дистанционное включение системы противодымной защиты с помощью кнопок, установленных на каждом этаже в шкафах пожарных кранов.

Одна шахта дымоудаления  обслуживает отсек коридора длиной  не более 30 м. В жилых зданиях коридоры делятся на отсеки несгораемыми перегородками с дверями через каждые 30 м длины коридора,  а в промышленных – через каждые 60 м.  На один отсек коридора в жилом здании приходится одна шахта дымоудаления,  а в  промышленном  -  две.

Предел огнестойкости стен шахты и клапана дымоудаления должен  быть не менее 0,5 ч. Мягкие шумопоглощающие вставки у вентиляторов дымоудаления должны изготовляться из несгораемых  материалов,  например из фольгированных асбо- или стеклоткани.

Для предотвращения попадания продуктов  горения  из  выхлопных отверстий  системы  дымоудаления в воздухозаборные отверстия систем подпора воздуха выброс дыма должен быть факельным через конфузор со скоростью не менее 20 м/с. Расстояние от выбросных отверстий систем дымоудаления до заборных отверстий систем  подпора  воздуха  должно быть не менее 5 м.

4.2. Расчет параметров  вентиляционного  оборудования  систем противодымной защиты зданий повышенной этажности

В верхние части незадымляемых лестничных  клеток 2-го  типа и шахт лифтов приточными вентиляторами подается наружный воздух для создания в них избыточного давления.  Из коридора  этажа пожара  по  специальной  шахте через открытый клапан удаляется дым. Шахта дымоудаления оборудована вытяжным вентилятором.

Расчет параметров  вентиляционного  оборудования  производится для неблагоприятного сочетания метеорологических условий,  положения проемов внутри здания и расположения помещения очага пожара:

• очаг пожара  возник  в  помещении (квартире) на нижнем типовом этаже в зимнее время;  расчетные параметры наружного воздуха принимаются  по  данным нормативных и справочных документов (параметры Б для холодного периода года);
• окна помещения очага пожара выходят на наветренный фасад  здания;
• в незадымляемой лестничной клетке 2-го типа закрыты все двери, кроме двух: входной в здание и в коридор этажа пожара;
• кабина лифта находится на первом этаже;  дверь шахты лифта  на первом этаже открыта, остальные – закрыты.

Подаваемый в лестничную клетку воздух через неплотности и щели в  окнах  фильтруется в окружающую атмосферу,  через щели притворов дверей – в другие части здания. Часть воздуха из лестничной клетки уходит в коридор этажа пожара,  а оставшаяся часть  – через  открытую входную дверь здания.  На верхних этажах лестничной клетки избыточное давление выше давления в шахте  лифтов.  За  счет этого  в верхнюю часть шахты лифта происходит фильтрация воздуха из объема здания. В шахте дымоудаления создается разряжение по отношению  к окружающим помещениям и из них в шахту дымоудаления фильтруется воздух.

В расчете взаимодействие систем дымоудаления,  подпора воздуха в лестничную клетку и шахты лифтов не учитываются,  т.е. считается, что взаимных перетеканий воздуха и газов между этими системами нет.

Рассмотрим физическую картину газообмена коридора этажа пожара при работе вентиляционных систем противодымной защиты.

В коридор из защищаемого объема подается воздух в количестве G_п. За счет  расслоения  холодного приточного воздуха и нагретых продуктов горения эпюра давлений на приточном проеме имеет  вид  трапеции.  В верхней  части  коридора  находятся продукты горения с температурой 300 С,  а в нижней – воздух с температурой,  равной  температуре  в лестничной клетке. Часть приточного воздуха G₁ проходит в помещение очага пожара,  другая часть G_п -G₁ смешивается с продуктами горения. Из  помещения очага пожара в коридор выходят продукты горения в количестве G₂.  Экспериментальные и теоретические исследования ВНИИПО и МНИИТЭП показали, что выход дыма из коридора этажа пожара в лестничную клетку  исключается  путем  создания притока по всей площади дверного проема со скоростью не менее 1,3 м/с для  жилых  зданий  и 1,5 м/с для общественных.

Давление в  коридоре этажа пожара выше давлений на наветренном и заветренном фасадах здания.  Часть воздуха  и  продуктов  горения через щели дверей негорящих квартир и другие неплотности в ограждающих конструкциях уходит из коридора. Поэтому расход удаляемого дыма меньше расхода воздуха, поступающего из защищаемого объема в коридор. Расход удаляемого дыма для жилых зданий вычисляется по  формуле

G_д = 0,96× В_п ×Н_п^3/2, (4.1)

а для общественных – по формуле

G_д = 1,2 ×В_п×Н_п^3/2, (4.2)

где В_п,Н_п-ширина и высота проема из защищаемого объема в коридор, м.

Методика расчета  требуемых  параметров  вентиляторов  системы противодымной защиты зданий повышенной этажности очень близка к методике конструкторского расчета обычной вентиляционной сети.  Некоторые отличия  обусловлены спецификой системы противодымной защиты.

В расчетах необходимо учитывать не  только  изменение  давления  по тракту вентиляционных  систем противодымной защиты,  но и изменения давлений по высоте здания.  Следует учитывать также снижение температуры в тракте дымоудаления за счет фильтрации холодного воздуха и подмешивания его  к продуктам горения.

4.2.1. Расчет требуемых параметров вентиляторов дымоудаления  из коридора

Для проведения  расчетов  требуемых  параметров   вентиляторов системы противодымной защиты здания повышенной этажности необходимо знать распределение внутренних и наружных давлений по  высоте  здания. Наружные давления на заветренном фасаде вычисляются по формуле

Р_нз,i=-0,6 ×r_н×U_в²/2 – h_i× g× (r_н – r_п), (4.3)

на наветренном фасаде -  по формуле

Р_нн,i = 0,8×r_н×U_в²/2 – h_i× g (r_н – r_п),

где h_i - высота середины дверного проема i-го этажа от уровня нижнего среза входной двери здания, м; r_п – плотность приточного воздуха, кг/м³.

Давление внутри здания на всех этажах кроме  первого  принимается равным среднеарифметическому между давлениями на наветренном и заветренном фасадах

Р_в,i =0,1×r_н ×U_в²/2 – h_i ×g × (r_н – r_п). (4.4)

Давление в коридоре первого этажа принимается равным наружному давлению на  наветренном  фасаде  на уровне этого этажа.  Плотность приточного воздуха определяется по его температуре Т_п, а температура принимается равной среднеарифметическому значению между наружной температурой и расчетной температурой воздуха в здании

Т_п =  (Т_н + Т_в)/2, r_п = 353/Т_п. (4.5)

Исходными данными для расчета требуемых параметров  вентиляторов дымоудаления из коридоров являются следующие величины. Параметры наружного воздуха: температура t_н и скорость ветра U_в. Геометрические характеристики здания,  дверных проемов, клапана и шахты дымоудаления:  h_i,  В_п, Н_п,  F_кл – площадь  клапана  дымоудаления; a_ш, b_ш- размеры сечения шахты дымоудаления; материал шахты дымоудаления.

Методика расчета состоит в следующем:

1. По формуле (4.1) или (4.2) определяем расход дыма, удаляемого с этажа пожара. Температура дыма в коридоре этажа пожара принимается равной 300 С (573 К), плотность 0,616 кг/м³.

2. Определяем давление в шахте дымоудаления на уровне  первого этажа

Р_шд,1 = Р_к,1 – 2 ×(G_д/F_кл)².

3. Определяем давление на  уровне второго (i-го) этажа

Р_шд,i =Р_шд,i-1- l×(h_i - h_i-1)/d_экв ×(G_ш,i,i-1/F_шд)²/(2×r_д,i-1),

где l  -  коэффициент  трения о стены шахты дымоудаления (l=0,1 для кирпичных стен; l=0,05 для шахт из бетона; l=0,02 для металлических шахт); d_экв-эквивалентный или гидравлический диаметр шахты дымоудаления, м;  r_д,i-1-  плотность  продуктов  горения  при  температуре Т_ш,i-1; G_ш,i-1,i -  расход продуктов горения с i-1-го на i-й этаж, кг/с; F_шд = a_ш× b_ш-площадь проходного сечения шахты дымоудаления, м².

Эквивалентный диаметр сечения шахты дымоудаления

d_экв = 4×F_шд/П_шд = 2 ×a_ш×b_ш/(a_ш + b_ш).

4. Определяем расход воздуха, фильтрующегося через щели и неплотности шахты и клапанов дымоудаления на втором (i-м) этаже

G_ф,i=[( Р_в,i - Р_шд,i)/S_ш]^0,5,

где S_ш = S_уд/F_кл – характеристика сопротивления стен шахты дымоудаления,  1/(кг м);  S_уд – удельная характеристика сопротивления стен шахты дымоудаления (для кирпичных шахт S_уд = 1000 м/кг;  для бетонных стен S_уд = 3000 м/кг;  для металлических шахт S_уд = 8000 м/кг).

5. Определяем  температуру  продуктов  горения  между   вторым (i-м) и третьим (i-1-м) этажами

Т_i=[Т_в×G_а +573 ×G_д - 3×(i-1)×(G_д +0,5×G_а)]/(G_д+G_а),

где G_а = SG_ф,i – суммарный расход воздуха,  фильтрующегося в шахту дымоудаления со второго по i-й этаж, кг/с.

6. Если рассматриваемый этаж не последний,  то переходим к выполнению п.  3. Если этаж последний, то полученные давление, расход и температура являются параметрами на  оголовке шахты дымоудаления.

7. Рассчитываем требуемое давление вентилятора дымоудаления

Р_в = Р_шд,N – g ×(h_N +h_выбр)×r_к + DР_сети,

где N – номер верхнего этажа;  h_выбр – расстояние по  вертикали  от середины дверного  проема верхнего этажа до отверстия дымоудаления, м; DР_сети – потери давления в сети обвязки вентилятора дымоудаления, Па.

8.  Подача вентилятора  дымоудаления определяется по формуле

Q_в = 3600 ×(G_д + SG_ф,i)/r_N,

где Q_в – подача вентилятора дымоудаления, м³/ч; r_N – плотность продуктов горения при температуре Т_N, кг/м³.

Выбор вентилятора  дымоудаления  производится  по  аэродинамическим характеристикам.

Температура продуктов горения в шахте дымоудаления выше температуры воздуха в здании.  За счет этого между шахтой дымоудаления и помещениями в здании возникает  разность  давлений,  способствующая движению дыма. Этот эффект называют “самотягой” или “эффектом дымовой трубы”.  Отрицательной стороной этого явления может  стать  так называемая раздача дыма.  На верхних этажах давление в шахте дымоудаления может превысить давление в здании и дым будет  выходить  из шахты и задымлять помещения,  примыкающие к шахте дымоудаления. Для того, чтобы исключить это  явление,  необходимо  уменьшить  сечение шахты дымоудаления.

4.2.2. Расчет  параметров  вентиляторов  подпора в лестничные клетки и шахты лифтов

Схема расчета  параметров  вентиляторов  подпора  в лестничные клетки и шахты лифтов отличается от схемы расчета вентиляторов дымоудаления тем,  что нет необходимости учета изменения температуры по тракту.

Расчет параметров вентиляторов подпора в лестничные клетки начинается с определения давления на первом этаже лестничной клетки

P_лк,1 =  P_в,1 +  20, (4.6)

Расход воздуха из лестничной клетки в коридор этажа пожара определяется по формуле

G_п = Н_п×В_п×r_п× V_п,

где V_п -  скорость воздуха в дверном проеме из лестничной клетки в коридор этажа пожара (1,3 м/с для жилых зданий;  1,5 м/с – для  общественных).

Зная давление  на  уровне 1-го этажа лестничной клетки,  можно определить расход воздуха через открытую входную дверь здания:

G_вх = (m×f)_вх× [2×r_п× (P_лк,1 - P_вх)]^0,5 (4.7)

Давление Р_вх вычисляется по формуле

Р_вх = – g ×h_вх ×(r_н – r_п) – 0,6 ×r_н×U_в²/ 2,

где h_вх-  высота середины входного дверного проема над уровнем нижнего среза этого проема,  м;  (m×f)_вх- эквивалентная гидравлическая площадь входа в здание, м².

Эквивалентная гидравлическая площадь последовательно и параллельно работающих проемов определяется по известным формулам.

Коэффициент расхода  m открытых проемов следует принимать равным 0,64, коэффициент расхода щелей в закрытых проемах – 0,8.

Воздух, уходящий в коридор этажа пожара и через входные  двери здания,  подается  на  1-й этаж лестничной клетки со второго этажа. Давление воздуха на 2-ом этаже  лестничной  клетки  вычисляется  по формуле

P_лк,2 = P_лк,1 + x_лк×G²_2,1/(2×r_п×f²_лк),

где G_2,1-  расход  воздуха  со 2-го этажа лестничной клетки на 1-й, кг/с;  f_лк- площадь лестничной клетки, м²; x_лк- коэффициент гидравлического  сопротивления  двухмаршевой лестничной клетки в пределах одного этажа (принимать равным 60).

Окна на  2-м  и последующих этажах лестничной клетки считаются выходящими на заветренный фасад здания, двери – внутрь здания. Зная давление на 2-м этаже лестничной клетки,  вычисляем расходы воздуха через двери и окна

G_д,i= [(P_лк,i - P_в,i) / S_дв]^0,5, (4.8)

G_о,i= J×f_о × (P_лк,i-  P_нз,i)^0,5, (4.9)

где P_лк,i- давление в лестничной клетке на уровне i-го этажа,  Па; P_нз,i- наружное давление на заветренном фасаде на уровне  середины дверного проема i-го этажа,  Па;  S_дв=S_уд/(F_дв)^0,5 - характеристика гидравлического сопротивления двери,  1/(кг м);  S_уд- удельная характеристика гидравлического сопротивления двери (S_уд изменяется от 2000 1/кг для неуплотненных дверей до 5000 1/кг  для  противодымных дверей);  J_о-  воздухопроницаемость окон (для одинарного спаренного остекления J 4о 0= 7,5 10^-3 кг/(с м Па^0,5),  для двойного раздельного – J_o= 5× 10^-3 кг/(с× м× Па^0,5); F_дв - площадь дверей, м².

Расход воздуха,  подаваемого с 3-го  (i-го)  этажа  лестничной клетки  на 2-й (i-1-й), равен сумме расходов воздуха,  уходящего по лестничной клетке на 1-й (i-2-й) этаж и через щели  дверей  и  окон 2-го (i-1-го) этажа:

G_i,i-1 = G_i-1,i-2 + G_д,i + G_о,i.

По расходу  воздуха  с i-го этажа лестничной клетки на i-1-й и давлению на i-1-м этаже определяем давление на i-м этаже лестничной клетки:

P_лк,i=  P_лк,i-1+ x_лк×G²_i,i-1/(2×r_п×f²_лк).

После этого по формулам (4.8) и (4.9) определяем утечки воздуха через щели дверей и окон i-го этажа и т.д.  вплоть до верхнего этажа лестничной клетки или ее зоны.

Требуемое давление вентилятора подпора в лестничную клетку определяется по формуле

P_вент = P_лк,N – P_вз +  DP_сети.

где P_лк,N – давление в лестничной клетке на уровне  верхнего  этажа, Па; P_вз – наружное давление на уровне воздухозабора,  расположение которого в расчете принимается с заветренной стороны здания, Па; DP_сети – потери давления в сети обвязки вентилятора, Па.

В случае деления лестничной  клетки  по  высоте  на  зоны  при расчете  величины DP_сети в нее следует включать потери давления в канале подачи воздуха в нижние зоны.  Расчет давлений и расходов  в зонированной  лестничной клетке производится по тем же формулам и в той же последовательности,  что и для лестничной клетки,  не разделенной на зоны.

Давление в  шахте  лифтов  на уровне 1-го этажа вычисляется по формуле

P_шл,1 = P_в,1 + 20 (4.10)

Давление в  коридоре  этажа  пожара  определяется  по  формуле (4.6). Потери давления на трение в шахте лифтов на два-три порядка меньше потерь давления в лестничной клетке,  поэтому можно считать, что

P_шл,N = P_шл,i = P_шл,1.

При пожаре кабины лифтов должны опускаться на 1-ый этаж и  останавливаться  там с открытыми дверями,  дверь шахты лифтов на 1-ом этаже также открыта. Воздух из шахты лифтов на первом этаже выходит в открытый дверной проем через щель, образованную стенами и кабиной лифта.  Периметр этой щели равен периметру дверного проема шахты, а ширину при отсутствии данных следует принимать равной 3-5см. Расход через дверь 1-го этажа шахты лифтов вычисляется по формуле

G_шл,i= f_щ×m_щ ×[2×r_п(Р_шл,1 -Р_в,1)]^0,5 = f_щ×m_щ×(40×r_п)^0,5. (4.11)

Двери шахты лифтов на всех вышележащих этажах считаются  выходящими на заветренный фасад здания,  расход воздуха через щели этих дверей вычисляется по формуле

G_щ,i =[( P_шл,i - P_нз,i)/S_дл]^0,5 , (4.12)

где S_дл =S_уд/(F_дл)^0,5 – характеристика гидравлического сопротивления дверей шахты лифтов,  1/(кг× м);  S_уд – удельная характеристика гидравлического сопротивления дверей шахты лифтов (изменяется от  1500 до 2500 1/кг; F_дл – площадь дверей шахты лифтов, м².

Подача вентилятора подпора воздуха в шахту лифтов  вычисляется по формуле

Q_шл = SG_шл,i,

а давление – по формуле (4.10).

Расчет параметров вентиляторов подпора в лестничные  клетки  и шахты лифтов удобно оформить в виде таблицы.

В качестве  примера рассчитаем параметры вентиляторов дымоудаления и подпора в лестничную клетку и шахту лифтов 16-этажного  жилого  здания,  выстроенного  в Москве.  Исходные данные для расчета следующие:

• высота этажа здания  3 м;
• высота пола 1-го этажа над уровнем нижнего среза входной двери
• здания 3 м;
• размеры дверей из лестничной клетки в коридор 2х0,85=1,7 м²;
• размеры сечения  шахты дымоудаления 0,5×0,5 м;
• материал шахты дымоудаления – бетон;
• площадь клапана дымоудаления 0,2 м²;
• удельная характеристика гидравлического сопротивления дверей лестничной клетки  2000 1/кг;
• остекление в  лестничной клетке – одинарное спаренное площадью 1,5х1,5 = 2,25 м²;
• периметр дверей шахты лифта 6 м, площадь 2м²;
• удельная характеристика гидравлического  сопротивления  дверей шахты лифта 1500 1/кг;
• вход в здание выполнен в виде тамбура с дверями 2х1=2 м²;
• расчетная температура в здании 18 С;
• площадь лестничной клетки 18 м².

По нормативным документам выбираем расчетные параметры наружного воздуха для Москвы :  t_н = -28 С, U_в = 4,2 м/с. Для проведения расчетов берем скорость ветра U_в =5 м/с.

Плотность наружного воздуха

r_н = 353/(t_н + 273) = 353/Т_н = 353/(-28 + 273) = 1,44 кг/м³.

Температура приточного воздуха

Т_п = (Т_в + Т_н)/2 = (t_в + t_н)/2 +273 = 268 К.

Плотность приточного воздуха

r_п = 353/Т_п = 1,32 кг/м³.

Расход приточного воздуха из лестничной клетки в коридор этажа пожара

G_п = r_п×V_п×f_п = 1,32×1,3×2,0×0,85 = 2,91 кг/с.

Расход дыма, удаляемого с этажа пожара

G_д = 0,96 ×В_п× Н_п^3/2 = 0,96×0,85×2^3/2 = 2,284 кг/с.

Высота середины дверного проема из лестничной клетки в коридор этажа пожара от уровня нижнего среза входной двери здания

h₁ = 3 + 1 = 4 м.

Внутреннее давление на 1-м этаже вычисляем по формуле (4.4)

Р_в,1 = -9,81×4 (1,44 – 1,32) + 0,8×1,44×5 52 0/2 = 9,6 Па.

Давление в лестничной клетке на уровне 1-го этажа  по  формуле (4.6)

Р_лк,1= 9,6 + 20 = 29,6 Па.

Расход через дверь лифта на 1-м этаже – по формуле (4.11)

G_шл,1= 0,05x6x0,8 (40×1,32)² = 1,74 кг/с.

Результаты дальнейших расчетов заносим в таблицу.

Эквивалентная площадь входа в здание

(m×f)_вх = [1/(2x1x0,64)² + 1/(2x1x0,64)²]^-0.5= 0.905 м².

Расход воздуха через входную дверь здания

G_вх =  (m×f)_вх ×[2×r_п×(Р_лк,1 - Р_вх )]^0.5=

=0,905 [2x1,32 (29,6 +12)]^0.5 == 9,48 кг/с.

Давление на i-м этаже лестничной клетки

Р_лк,i = Р_лк,i-1+  x_лк×G²_i,i-1/(2×r_п×f²_лк) =  Р_лк, + 0,07×G²_i,i-1

Характеристика гидравлического сопротивления дверей лестничной клетки

S_дв = 2000 ×F_дв^-0.5 =  2000 x1,7^-0,5 = 1534 1/(кг× м)

Расход воздуха  через  щели притворов дверей лестничной клетки

вычисляем по формуле (4.8)

G_дв,i =  [(Р_лк,i - Р_в,i)/1534]^0,5 = 0,0255× [P_лк,i -P_в,i]^0,5

Расход воздуха через щели окон по формуле (4.9)

G_o,i = 0,0169 ×(Р_лк,i – Р_нз,i)^0.5

Характеристика гидравлического сопротивления дверей шахты лифтов

S_дл = 1500 ×(F_дл)^-0.5 = 1500×2,0^-0,5 = 1060 1/(кг× м).

Расход воздуха через щели дверей шахты лифтов по формуле (4.12)

G_шл,i = [( 29,6 - Р_в,i)/1060]^0.5 = 0,0307 ×(29,6 – P_в,i)^0.5

Расход приточного воздуха, подаваемого вентилятором в лестничную клетку, G_в,лк, составляет 19,69 кг/с.

Расход приточного  воздуха,  подаваемого  вентилятором в шахту лифтов, составляет:

G_в,шл =SG_шл,i = 5,74 кг/с.

Объемный расход воздуха в лестничную клетку

Q_лк = G_в,лк /r_н = 19,69/1,44 = 11,57 м  /с = 41 650 м³/ч.

Объемный расход воздуха в шахту лифтов

Q_шл = G_в,шл /r_н = 5,74/1,44 = 3,99 м /с = 14 350 м³/ч.

Расчет параметров вентилятора дымоудаления проводится  в  табличной  форме  в  соответствии  с алгоритмом,  изложенным в разделе 13.2 учебника.  Требуемое  давление  на оголовке шахты дымоудаления равно -1088 Па, массовый расход продуктов горения 4,81 кг/с, температура 393 К. Объемный расход вентилятора составляет 19 273 м³/ч.

После расчета требуемых давлений  можно  приступить  к  выбору вентиляторов.

Расчет параметров  вентиляторов  системы  противодымной защиты здания повышенной этажности -  процедура  достаточно  трудоемкая  и требует нескольких часов работы.  Этот недостаток не является принципиальным и может быть устранен путем  разработки  соответствующих программ для персональных ЭВМ. Время расчета одного варианта меньше времени ввода исходных данных даже для самых маломощных ПЭВМ.

4.3. Управление  работой  систем  противодымной защиты зданий повышенной этажности

Основными элементами управления системами противодымной защиты в зданиях повышенной этажности являются:

• автоматические устройства обнаружения пожара и передачи сигнала о его возникновении и неисправности систем на диспечерский пункт (автоматические пожарные извещатели,  приемные станции,  линии связи);
• оборудование систем противодымной защиты (вентиляторы дымоудаления, вентиляторы подпора воздуха, поэтажные клапаны дымоудаления, воздухозаборные клапаны);
• устройства автоматического, дистанционного и местного управления оборудованием  системы  противодымной  защиты (щиты управления, промежуточные реле,  пакетные переключатели,  магнитные пускатели и др.).
• При возникновении пожара  система  управления  противопожарной защитой должна выполнить следующие операции:
• сигнализация (световая и звуковая) о  возникновении  пожара  с указанием этажа, на котором произошло загорание;
• включение в работу вентиляторов дымоудаления и подпора  воздуха;
• открытие клапана дымоудаления на том этаже и в той секции, где возник пожар;
• открытие воздухозаборных клапанов систем подпора;
• сигнализация о  неисправности  системы  с  указанием этажа или места возникновения неисправности;
• передача раздельных  сигналов о возникновении пожара и включении системы противодымной защиты,  общей неисправности и  состояния линий связи на центральный диспечерский пункт;
• отключение систем общеобменной вентиляции с  механическим  побуждением, кондиционирования и воздушного отопления;
• включение систем оповещения людей о пожаре;
• срабатывание автоматики  лифтов  по приведению их в режим “пожарная опасность” и “перевозка пожарных подразделений”.

В режиме  “пожарная опасность” кабины лифтов должны опускаться на 1-й этаж и оставаться там с открытыми дверями кабин и шахт в течение всего времени пожара. Использование лифтов для перевозки пассажиров в этом режиме исключается.  В  режиме  “перевозка  пожарных подразделений” блокировка  использования лифтов снимается специальным ключом и управление лифтом осуществляется только из его кабины.

В жилых  зданиях  автоматические  тепловые пожарные извещатели максимального действия устанавливаются в каждой квартире на  потолках прихожих над входными дверями в жилые помещения и кухню.  В коридорах и холлах общественных зданий, общежитий и гостиниц устанавливаются дымовые пожарные извещатели. На каждом этаже все извещатели включаются последовательно в луч.

Для дистанционного  включения  системы  противодымной защиты и насосов-повысителей предусматриваются кнопки в шкафах пожарных кранов. В схему управления они включаются независимо от автоматических пожарных извещателей. Местное управление вентилятором дымоудаления, вентиляторами  подпора и воздузаборными клапанами предусматривается в зоне размещения этого оборудования.

Щит управления оборудованием системы противодымной защиты размещается в специально отведенном помещении 1-го этажа здания.  Предусматривается выносной щиток пожарной сигнализации,  устанавливаемый при входе в секцию здания на фасаде или в вестибюле.

4.4. Конструктивное исполнение элементов систем противодымной защиты зданий повышенной этажности

Конструктивными элементами  системы противодымной защиты являются вентиляторы дымоудаления и  подпора  воздуха,  воздухозаборные клапаны вентиляторов подпора,  клапаны дымоудаления, автоматические устройства управления системой.  В  системах  противодымной  защиты применяются обычные  вентиляторы и обычные воздухозаборные клапаны.

Имеются каталоги вентиляторов и воздухозаборных колапанов. Автоматические системы противопожарной и,  в частности, противодымной защиты рассматриваются в специальных курсах.  Представляется  целесообразным  рассмотреть конструктивные особенности клапанов дымоудаления.

С появлением первых систем противодымной защиты в нашей стране в  качестве  клапанов дымоудаления применялись жалюзийные воздушные заслонки (клапаны воздушные регулировочные КВР).  Клапан  типа  КВР состоит из корпуса, в боковых стойках которого имеются отверстия для осей жалюзи.  Одна из сторон каждой  пластины  жалюзи соединена с тягой,  приводимой в движение электродвигателем. Вращение  двигателя вызывает движение тяги,  открывающее или закрывающее пластины.  Недостатком клапанов типа КВР является их высокая воздухопроницаемость (низкое значение S_уд) и невысокая надежность.

В качестве поэтажных клапанов дымоудаления применялись клапаны гильотинного  типа.  Клапан  гильотинного  типа имеет металлическую крышку,  которая удерживается в закрытом положении электромагнитным исполнительным механизмом.  При подаче сигнала на электромагнит его сердечник втягивается в соленоид и  освобождает  заслонку  клапана. Под  действием  собственного  веса заслонка падает вниз и открывает отверстие дымоудаления.  Недостатком гильотинного клапана  является низкая  надежность,  обусловленная заеданиями заслонки в направляющих.  В Москве до настоящего времени есть здания,  в которых в  качестве клапанов дымоудаления установлены клапаны типа КВР и клапаны гильотинного типа.

В настоящее время наиболее широко распространены клапаны  типа КДП (клапан дымоудаления поэтажный) и клапаны шторчатого типа. Клапан типа КДП состоит из корпуса, заслонки и магнитного исполнительного механизма.  При подаче сигнала на  исполнительный механизм  освобождается  защелка,  удерживающая заслонку в закрытом положении. Заслонка, установленная под небольшим углом к вертикали, под  действием  собственного  веса вращается на оси и открывает отверстие дымоудаления.  Для возврата заслонки в исходное  (закрытое) положение  имеется  металлический тросик,  а для передачи сигнала в систему автоматики о положении клапана (открыт  -  закрыт)  на  его корпусе имеется концевой выключатель.

Клапаны шторчатого типа являются одной из последних и наиболее перспективных разработок ВНИИПО и конструкторских организаций. Клапан шторчатого типа состоит из корпуса,  в котором закреплена  заслонка,  набранная  из  отдельных металлических пластин специального профиля.  В закрытом положении заслонка  удерживается магнитным исполнительным механизмом. При подаче сигнала на исполнительный механизм сердечник магнита втягивается в соленоид  и  освобождает заслонку.  Под действием собственного веса заслонка складывается наподобие мехов гармони и открывает отверстие  дымоудаления. Возврат заслонки в закрытое положение осуществляется вручную.

При проверке соответствия проектов и действующих объектов требованиям пожарной безопасности следует рекомендовать  к  применению клапаны типа  КДП  и  шторчатого  типа,  прошедшие испытания на огнестойкость по методикам, разработанным  ВНИИПО.

4.5. Приемка  и эксплуатация систем противодымной защиты зданий повышенной этажности

4.5.1. Натурные огневые испытания вентиляционных систем противодымной защиты

Существует два вида испытаний вентиляционных  систем  противодымной  защиты  зданий  повышенной этажности:  аэродинамические или “холодные” и натурные  огневые.  Натурные огневые испытания  систем противодымной  защиты проводятся в особых случаях.  К таким случаям относятся следующие:

• при строительстве  зданий  или устройстве систем противодымной защиты применены решения не регламентированные действующими  нормативными документами;
• здание является головным в серии массового строительства;
• здание является уникальным по архитектурному решению, назначению или другим признакам.

При проведении натурных огневых испытаний в одном из помещений 1-го типового этажа устраивается очаг пожара.  Величина пожарной нагрузки  должна  соответствовать  средней  статистической пожарной нагрузке помещений данного класса. Положение проемов и режимы работы  вентиляторов  должны соответствовать расчетным.  Во время опыта контролируется выполнение системой противодымной защиты возложенных на нее задач (обеспечение незадымляемости защищаемых объемов),  выявляются пути распространения дыма по зданию, измеряются температуры  газов,  концентрации токсичных компонентов продуктов горения на этаже пожара и на смежных с ним этажах.

Порядок организации,  подготовки и проведения натурных огневых опытов изложен в методических документах.

4.5.2. Аэродинамические испытания

Существует два  вида аэродинамических испытаний:  приемо-сдаточные и контрольные. Приемо-сдаточные  испытания проводятся во время работы рабочей комиссии. Контрольные испытания проводятся после проведения работ по ремонту системы противопожарной защиты в целом или отдельных ее элементов.

До проведения приемочных испытаний проверяется качество строительных и монтажных работ.  Особое  внимание  следует  обращать  на состояние каналов подпора воздуха и дымоудаления, прочность крепления оборудования,  соосность установки вентиляторов, наличие мягких шумопоглощающих вставок,  тщательную  заделку  отверстий  и щелей в междуэтажных перекрытиях и местах прокладки коммуникаций, плотность закрывания дверей, наличие и работоспособность дверных доводчиков и др.  Путем внешнего осмотра приборов и оборудования проверяется  их целостность,  соответствие паспортным данным и проекту, наличие защитных остеклений на ручных пожарных извещателях, указателей и надписей на оборудовании системы.

Проверяется также:

• качество выполнения  и  соответствие  правилам  монтажа   всех электропроводок;
• правильность выбора мест установки приемных станций, щитов управления, выносных сигнальных табло, обеспечение их соответствующими пояснительными надписями.

В процессе  проверки рабочая комиссия производит пробное включение вентиляторов, электроприводов всего противопожарного оборудования с целью выявления его работоспособности и правильности монтажа. Комплексное  опробование системы включает проверку работы и наладку систем:

• пожарной сигнализации на всех режимах,  включая проверку  прохождения сигналов “пожар” и “неисправность” на диспетчерский пункт;
• управления и сигнализации;
• подпора воздуха  и дымоудаления на соответствие заданным параметрам;
• внутреннего противопожарного водопровода на требуемые напоры и расходы воды;
• срабатывание автоматики  лифтов по приведению их в режимы “пожарная опасность” и “перевозка пожарных подразделений”.

При наладке  цепей  автоматики  системы  проверяют  наличие  и состояние всех пожарных извещателей, установленных в здании, надежность присоединения проводов к извещателям, поступление сигналов на приемные устройства сигнализации при имитации обрыва цепей пожарных извещателей и нажатии кнопок дистанционного пуска системы. Срабатывание автоматики от пожарного извещателя типа ДТЛ имитируется путем отсоединения одного   из  его  контактов.  Дистанционное  включение системы противодымной защиты проверяется нажатием кнопки  дистанционного пуска системы.

В аэродинамических испытаниях измеряются  основные  параметры, определяющие эффективность работы системы противодымной защиты:

• расход воздуха,  удаляемого через открытый клапан дымоудаления с нижнего типового этажа;
• расход воздуха через открытый проем из  защищаемого  объема  в коридор  нижнего типового этажа и перепад давления между защищаемым объемом и наветренным фасадом здания;
• избыточное давление в шахте лифта на уровне 1-го этажа по  отношению к наветренному фасаду здания.

Если измеренные в испытаниях величины больше или равны  регламентированным  значениям,  то  система  удовлетворяет предъявляемым требованиям.  Если же фактические параметры ниже требуемых, необходимо найти причину такого положения и устранить ее. Часто причинами заниженных значений параметров являются следующие:

• несоответствие паспортных  характеристик  вентиляторов  фактическим;
• низкая герметичность шахт и клапанов дымоудаления, ограждений, дверей и окон лестничных клеток и шахт лифтов;
• заниженное проходное  сечение шахт дымоудаления;
• завышенное сопротивление сетей обвязки вентиляторов.

Определение причин   несоответствия   фактических   параметров систем противодымной защиты проектным  представляет  собой  сложную задачу.

Периодичность проведения аэродинамических  испытаний,  порядок их организации,  объем измерений, применяемые приборы регламентируются  действующими нормативными и методическими документами.

4.5.3. Организационные  вопросы  эксплуатации систем противодымной защиты

Датой ввода системы противопожарной защиты  здания  повышенной этажности в  эксплуатацию  считается  дата  приемки  в эксплуатацию государственной приемочной комиссией  всего  объекта.  Руководитель жилищно-эксплуатационной организации  назначает  приказом  из числа инженерно-технических работников лицо,  ответственное за эксплуатацию средств систем противопожарной защиты.

Наличие договора со специализированной организацией на  выполнение работ по техническому обслуживанию систем противопожарной защиты не снимает ответственности с руководителя жилищно-эксплуатационной организации за состояние этих систем.

Жилищно-эксплуатационная организация,  осуществляющая эксплуатацию систем противопожарной защиты, должна:

• контролировать состояние включенных в  работу  противопожарных систем и  принимать  соответствующие  меры  в  случае  выхода их из строя;
• организовывать обучение  лиц  из состава инженерно-технических работников, ответственных за эксплуатацию систем;
• ежегодно, в  сроки,  предусмотренные графиком профилактических мероприятий, производить ремонт и окраску пожарных шкафов  и  полок для хранения пожарных рукавов,  помещений, где установлено противопожарное  оборудование;
• включать раздел  “Подготовка  систем  противопожарной защиты к работе в зимних условиях” в соответствующие  ежегодные  мероприятия по подготовке жилого фонда к зиме;
• проводить разъяснительную работу среди населения  по  вопросам обеспечения сохранности  приборов  и оборудования систем противопожарной защиты, их назначения, а также обучение правилам использования в случае возникновения пожара.

Передаваемое на специализированное  обслуживание  оборудование систем противопожарной защиты остается на балансе заказчика. Оплата капитального ремонта систем противопожарной защиты производится  за счет средств капитального ремонта.

Более подробно вопросы организации эксплуатации систем  противопожарной защиты изложены в специальной нормативной литературе.

Профессор кафедры ПБС, д.т.н. профессор Есин В.М.

Системы дымоудаления  из помещений предназначены для обеспечения незадымляемости путей эвакуации людей из горящих  и  смежных  с ними помещений,  а также для облегчения работы пожарных подразделений по ликвидации очага пожара. Состав помещений, подлежащих оборудованию специальными системами дымоудаления, определяется нормативными документами. Необходимость устройства этих систем обусловливается  пожарной опасностью помещения,  которая,  в свою очередь,  во многом зависит от категории производства.  В помещениях категории В необходимость  устройства специальных систем дымоудаления определяется на основании сравнения времени задымления помещения до  заданного уровня с расчетным временем эвакуации.  Время задымления помещения (опускания слоя дыма) до уровня 2,5 м от пола  рассчитывается по формуле (1.2)

t_з = 6,39×F_п / ( y^-0,5 – H^-0,5)/П.

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

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

• принять равным  большему из периметров открытых или негерметически закрытых емкостей с горючими веществами,  мест  складирования горючих материалов или негорючих материалов в сгораемой упаковке;
• П=12 м для помещений, оборудованных спринклерными системами.

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

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

3.2. Расчет параметров систем дымоудаления с естественным побуждением

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

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

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

L_к = 0,182×y×[g×Q_o⁴ ×z/(c_p×r_н×T⁴)]^1/3

где Q_o – конвективная производительность очага пожара;  с_p – удельная изобарная теплоемкость; r_н,  Т_н – соответственно  плотность  и температура воздуха в помещении.

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

G_к = 0,188 ×П ×z^3/2

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

G_у = m_у× F_у×[2 ×r_пг×g× h_с×(r_н - r_пг)]^1/2

где  F_у – площадь проходного сечения люков дымоудаления; m_у -коэффициент расхода люков дымоудаления; r_пг – плотность дыма в подпотолочном слое.

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

Для того,  чтобы получить выражение для площади люков дымоудаления, приравняем зависимости для G_у и G_к

m_у×F_у×[2× r_пг×g×h_с×(r_н - r_пг)]^1/2 = 0.188 ×П ×y^3/2

или

F_у=0,188× П× y^3/2/{m_у×F_у× [2×r_пг ×g× h_с×(r_н - r_пг)]^1/2}, (3.1)

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

(1-j)× h×Q_p^н ×y_уд×F_гор =с_p×G_у×T_пг

Т_пг = ( (1- j) ×h× Q_p^н×y_уд×F_гор)/(с_p×G_у),

где j -   доля  тепла,  отдаваемого  очагом  горения  ограждающим конструкциям (j = 0,25-0,5); h -  коэффициент  полноты  сгорания (h =0,85-0,9); Q^н_p – теплота сгорания,  кДж/кг; y_уд – удельная скорость выгорания, кг/(с м²); F_гор – площадь горения, м²; с_p – удельная изобарная теплоемкость, кДж/(кг К).

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

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

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

На различные фасады здания действуют различные ветровые давления:

P_оз =K_з×r_н×U_в²/2;  P_обок =K_бок×r_н×U_в²/2; P_он= K_н×r_н×U_в²/2.

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

G_у =  G_з + G_бок1 + G_бок2 + G_н, (3.2)

где G_з- расходы через проемы заветренного фасада;  G_бок1, G_бок2 -расходы через проемы боковых фасадов;  G_н- расход через проемы наветренного фасада.

Для того чтобы вычислить расходы, необходимо знать давление на уровне пола горящего помещения Р_ов, которое вычисляется по формуле

P_ов = -0,3×r_н×U_в²/2 – g×h_п×[1+(F₁/F₂)²](r_н - r_пг).

Если на заветренный фасад выходят несколько проемов, то расчет ведется для тех из них,  для которых Р_ов принимает наименьшее значение.  Зная  давление  Р_ов,  можно вычислить перепады давлений на уровне середины проемов горящего помещения и  расходы,  входящие  в формулу для G_у.  Перепады давления на уровне середины проема вычисляются  таким образом

P_i=P_oi – P_ов-g×h_п ×(r_н -r_пг)/2,

где  i-номер  рассматриваемого фасада (для наветренного фасада i=н, Р_oi =P_он = 0,2×r_н×U_в² и т.д.).

Требуемая площадь устройств дымоудаления вычисляется по формуле:

F_у =G_у/[m_y× (2×r_пг×DP_расп)^0,5],

где DP_расп – располагаемый перепад давлений.

Располагаемый перепад давлений – это разность давления внутри помещения на уровне оголовка устройства дымоудаления и давления вне здания на том же уровне:

DP_расп= P_вд – P_нард,

где  Р_вд – давление в помещении на уровне оголовка устройства дымоудаления; P_нард – давление вне здания на  уровне  оголовка  устройства дымоудаления.

Располагаемый перепад давлений должен быть положительным, т.е. P_вд>P_нард. В  противном случае проем, предназначенный для удаления дыма, будет работать как приточный, и дым будет выходить в  смежные помещения.

Выражение для располагаемого  перепада давлений имеет вид:

DР_расп = Р_ов - H×g×r_пг - K_л×r_н×U_в²/2+H×g×r_н = Р_ов - K_л×r_н×U_в²/2 +H×g×(r_н - r_пг). (3.3)

При организации дымоудаления через проемы в покрытии или шахты в качестве H берется высота помещения от пола  до  оголовка  шахты.

При организации дымоудаления через открывающиеся фрамуги  окон  или светоаэрационных фонарей в качестве H берется расстояние от пола до середины фрамуги.  При такой  организации  дымоудаления  необходима проверка условия DР_расп>0. В качестве аэродинамического коэффициента для проверки следует брать коэффициент для  наветренного  фасада здания  (К_у=0,4),  а  в  качестве Н – расстояние от пола до нижнего среза фрамуги.

Если условие DР_расп>0 не выполняется,  то фрамуги  нельзя  использовать  для дымоудаления.  Если в здании имеются оконные проемы на противоположных фасадах и для наветренного фасада  DР_расп<0,  то для  дымоудаления можно использовать фрамуги на заветренном фасаде.

В этом случае система дымоудаления должна быть оборудована  автоматикой,  открывающей  фрамуги на заветренном фасаде и блокирующей их открывание на заветренном фасаде.  Если остекление есть лишь на одном  фасаде здания и условие DР_расп >0 не выполняется,  дымоудаление через фрамуги недопустимо и следует устраивать  дымоудаление  через шахты.  Проверка  условия DР_расп >0 необходима и для шахт дымоудаления.  Если для шахты дымоудаления условие DР_расп >0 не  выполняется, следует предусматривать механическую систему дымоудаления.

Рассмотрим влияние основных параметров, определяющих эффективность работы систем естественного дымоудаления.

Скорость и направление ветра

Ветpовое давление на  оголовке  шахты  дымоудаления  входит  в выpажение для pасполагаемого пеpепада давлений со знаком минус. Поэтому пpименение оголовков шахт,  имеющих положительный аэpодинамический  коэффициент,  пpиводит к уменьшению pасполагаемого пеpепада давлений.  Аэродинамический коэффициент оголовков шахт дымоудаления типа цилиндрический стакан + дефлектор,  по данным Б.В.Грушевского, равен -0,04 + -0,06.  Устройства с жалюзийными  решетками  являются задуваемыми (имеют положительный аэродинамический коэффициент).  Их применение на практике недопустимо без дополнительного оборудования ветроотбойными устройствами.

Разность гравитационных  давлений  (третье слагаемое в формуле (3.3) всегда положительна.  Первые два слагаемых в формуле(3.3) в случае,  когда все приточные проемы выходят на  наветренный  фасад, положительны и ветровое давление способствует работе системы дымоудаления. Если часть приточных проемов выходит на заветренный фасад, то  эти слагаемые отрицательны и ветровое давление препятствует работе системы. Если первые два слагаемых для второго случая по абсолютной  величине  больше гравитационного,  то под корнем мы получим отрицательную величину. Физически это означает, что через шахту дымоудаления в помещение будет поступать наружный воздух, а дым будет выходить через дверные проемы в смежное с горящим  помещение,  т.е. устройство дымоудаления не будет выполнять своих функций.

Температура продуктов горения

С увеличением  температуры  продуктов  горения  уменьшается их плотность и увеличивается располагаемый перепад давления.  С другой стороны,  при  снижении  плотности  продуктов горения увеличивается объемный расход и потери давления в дымоудаляющих устройствах. Б.В. Грушевским показано, что минимальные площади люков дымоудаления реализуются при разности температур продуктов  горения  и  приточного воздуха равной 80 К или Т_пг/Т_н=1,3.  Им же показано,  что 25 % погрешности температуры продуктов горения соответствует 9% погрешность при определении площади люков.

Толщина слоя дыма

С увеличением толщины слоя дыма возрастают располагаемый перепад  давления и эффективность системы дымоудаления.  Для увеличения толщины слоя дыма за рубежом устраивают так называемые дымовые зоны или  “резервуары  дыма”.  Дымовая зона представляет собой некоторое пространство под потолком  помещения,  ограниченное  противодымными экранами. Противодымный экран представляет собой перегородку  из негорючих материалов.  Перегородка крепится к потолку и имеет высоту меньшую, чем высота помещения. К экранам предъявляются требования  по дымопроницаемости и огнестойкости.  Помимо повышения эффективности системы дымоудаления противодымные экраны препятствуют распространению пожара по помещению.

При расчете дымовых зон учитывается размер очага пожара, высота помещения,  толщина слоя дыма,  площадь проходного сечения люков дымоудаления. При отсутствии достаточного количества проектных данных  для  расчета “резервуара дыма” за рубежом рекомендуется применять “резервуары” размером не более 60х60 м /1/.  Расчет “резервуаров  дыма” производится аналогично расчету площади люков дымоудаления с обеспечением незадымленной зоны в нижней части помещения. При заданных  размерах “резервуара дыма” определяется площадь люков дымоудаления.  При заданной площади люков дымоудаления можно  рассчитать площадь “резервуара дыма”. Расчет основан на использовании баланса масс дыма, входящего в подпотолочный слой из конвективной колонки и удаляемого через устройства дымоудаления.

Приток холодного воздуха

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

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

Размеры и количество отверстий дымоудаления

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

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

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

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

Границы применимости методов

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

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

3.3. Конструктивное исполнение дымоудаляющих устройств

Некоторые типы  дымоудаляющих устройств в условиях нормальной эксплуатации здания,  т.е. в отсутствие пожара, могут использоваться  для  вентиляции помещений.  В нашей стране наибольшее распространение получили шахты дымоудаления,  разработанные институтами Госхимпроект,  ГПИ-1, Промстройпроект. Дымоудаляющие устройства выполняются из  сборных железобетонных элементов с металлическим каркасом.

Дымоудаление из помещения приводит  к  интенсификации  горения пожарной нагрузки. Поэтому в некоторых случаях, например в театрах, нормативными документами не предусматривается автоматическое открывание устройств дымоудаления.  В этом случае клапан дымоудаления не оборудуется легкоплавким замком и управление клапаном  дымоудаления осуществляется  руководителем тушения пожара дистанционно с помощью лебедок и тросов.

3.4. Использование  механической  вентиляции для дымоудаления из помещений

Выше рассматривалось влияние ветра на работу систем естественного  дымоудаления.  Было показано,  что ветровое воздействие может сделать  работу  дымоудаляющих  устройств   неэффективной.   Иногда конструктивные  особенности здания не позволяют реализовать требуемые площади устройств дымоудаления.  Удаление дыма за счет аэрации, как правило,  неэффективно в зданиях с количеством этажей более одного-двух.  Этих трудностей удается избежать при использовании механических вентиляторов.

Оборудование вентиляционной  сети  (вентиляторы,  воздуховоды, запорно-регулирующая арматура), используемой для дымоудаления должна выдерживать высокие температуры перемещаемой среды в течение заданного времени.  Это время может быть определено, исходя из пределов огнестойкости основных несущих и ограждающих конструкций, среднего времени тушения пожара в помещениях данного типа, времени эвакуации и др.  Наиболее логично выбор этого времени связывать с пределами огнестойкости конструкций.

Фактическое время,  в  течение которого оборудование может выдерживать воздействие высоких температур,  определяется экспериментально. Исследования, проведенные в ВИПТШ, показали, что центробежные вентиляторы обычного исполнения способны перемещать газы с температурой 500-600 С в течение часа.  В 1991 г.  во ВНИИПО проведены исследования работоспособности крышных вентиляторов в условиях  высоких температур.  Они показали,  что крышные вентиляторы ВКР-6,3 и ВКР-8,  выполненные на одном валу с двигателем, способны перемещать газы с температурой около 600 С в течение часа.

Требования к  сетям  вентиляторов  дымоудаления  заключаются в следующем: воздуховоды должны быть плотными (класса П); шахты должны  быть выполнены из негорючих материалов и иметь предел огнестойкости 0,75 ч.;  клапаны должны быть выполнены из негорючих материалов,  иметь предел огнестойкости не менее 0,5 ч. Допускается применение клапанов с ненормируемым пределом огнестойкости  для  систем, обслуживающих одно помещение.  Управление клапанами должно быть автоматическим, дистанционным и ручным или автоматическим и ручным.

Вентиляторы систем дымоудаления следует  размещать в отдельных помещениях от вентиляторов других систем. Допускается устанавливать вентиляторы на  кровле  и  снаружи здания кроме районов с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 С и ниже.

Принципы расчета параметров вентиляторов дымоудаления  практически совпадают с принципами расчета параметров систем с естественным дымоудалением.  Эти принципы заключаются в том, что вентиляторы должны удалять количество дыма, равное либо количеству дыма, поступающего из конвективной колонки в подпотолочный  слой,  либо  количеству воздуха,  поступающего через открытые проемы в горящее помещение.

3.5. Использование систем технологической и общеобменной вентиляции для дымоудаления из помещений

Часто системы  естественного  воздухообмена (аэрации) оказываются недостаточными для того,  чтобы обеспечить требуемый условиями технологии  воздухообмен или поддерживать соответствующий микроклимат.  В этих случаях устраиваются системы  механической  технологической или общеобменной вентиляции,  а иногда – системы кондиционирования.

В качестве примера производственных зданий с мощными системами технологической вентиляции можно назвать химические заводы, многоэтажные наземные и подземные гаражи,  сооружения  метрополитенов  и др.  Системами кондиционирования оборудуются щиты управления тепловыми и атомными электростанциями, помещения вычислительных центров, помещения производств электроники и др.

За рубежом механические системы технологической,  общеобменной вентиляции и кондиционирования широко используются  для  дымоудаления.  Часто используются системы, работающие в одном режиме в условиях нормальной эксплуатации,  и в другом, форсированном, при пожаре. Действующие в нашей стране нормативные документы допускают возможность использования механической вентиляции технологического или общеобменного назначения для противодымной защиты. Преимущества такого подхода с экономической точки зрения очевидны: создание специальной системы противодымной защиты,  как и создание  любой  другой системы противопожарной защиты,  связано с дополнительными затратами. Есть преимущества и технического характера. Системы, предназначенные для технологических нужд или обеспечения нормального микроклимата,  используются постоянно.  Вероятность их нормальной  работы при пожаре существенно выше,  чем вероятность срабатывания системы, функционирующей в режиме ожидания.

Для того чтобы  применение  технологической  или  общеобменной вентиляции для противодымной защиты не стало причиной распространения пожара в другие помещения здания,  необходимо  соблюдение  ряда требований. Очевидно, что вентиляционные каналы и инженерное оборудование систем должно отвечать тем же требованиям,  что и соответствующие части систем противодымной защиты. Следует учитывать и возможность наличия горючих отложений в  каналах  технологической  или общеобменной вентиляции.

Практическим примером использования технологической вентиляции для  противодымной защиты может служить восьмиярусная подземная автостоянка на 1 800 автомобилей в Москве на пересечении пр.  Мира  и ул.  Эйзенштейна. Автостоянка оборудована системами приточной и вытяжной вентиляции производительностью 480 000 м³/ч. При возникновении  пожара  на одном из ярусов вытяжные отверстия вытяжной системы перекрываются на всех ярусах,  кроме того, на котором возник пожар. Вытяжная  вентиляция полностью переключается на режим дымоудаления из горящего помещения.  Приточные вентиляционные  системы  начинают подавать воздух не в ярусы, как в режиме нормальной эксплуатации, а на пути эвакуации для создания в них избыточного давления  воздуха.

Проведенные  в  1989  г.  испытания подтвердили эффективность такой системы.

3.6. Проверка соответствия систем дымоудаления из помещений противопожарным требованиям

Проверка соответствия систем дымоудаления из помещений  противопожарным требованиям осуществляется методом сопоставления проектных решений с требованиями действующих нормативных документов.  При проверке  систем дымоудаления сначала определяется необходимость их устройства в соответствии с отраслевыми нормативным документами.  В жилых, общественных и административных зданиях системами дымоудаления оборудуются все помещения без естественного освещения  площадью более 50 м², предназначенные для хранения и переработки горючих материалов. В производственных и складских зданиях этими устройствами оборудуются помещения с постоянными рабочими местами без естественного освещения категорий А,  Б или В,  а в одноэтажных зданиях  Ivа степени огнестойкости – помещения категории Г или Д.

Определяя необходимость систем дымоудаления из помещений, следует учитывать,  что в любых помещениях,  оборудованных установками газового пожаротушения,  и помещениях жилых,  общественных и  административно-бытовых зданий,  оснащенных автоматическими установками водяного пожаротушения, допускается их не предусматривать. Не  предусматривается дымоудаление также из помещений категории В площадью до 200 м², если они оборудованы автоматическими установками водяного пожаротушения,  либо площадью 50 м² без автоматических установок пожаротушения, но с удалением дыма из коридоров.

Затем проверяется  выбранный в проекте способ дымоудаления.  В одноэтажных зданиях предусматривается,  как правило, дымоудаление с естественным побуждением, в многоэтажных – с механическим. Исключением из этого правила являются помещения с пожарной нагрузкой,  горение которой носит характер тления (книги,  бумага, войлок и др.). Температура дыма при горении таких материалов  невысока  и  системы естественного  дымоудаления оказываются неэффективными.

При естественном  дымоудалении  проверяется  условие F_уф>F_утр.

При механическом дымоудалении фактический расход должен быть больше требуемого (G_уф>G_утр).

Проверяется размещение дымоудаляющих устройств. В соответствии с требованиями нормативных документов устройства дымоудаления должны размещаться равномерно по площади помещения.  Это положение нормативных документов представляется не очень разумным.  Если в помещении есть места с повышенной  пожарной  опасностью,  целесообразно сосредоточить  большее  количество дымоудаляющих устройств над ними за счет уменьшения над участками  с  меньшей  пожарной  опасностью.

Исполнение оголовков дымоудаляющих устройств должно обеспечивать их незадуваемость.  Оголовки типа цилиндрический  стакан  плюс дефлектор отвечают этому условию,  а оголовки,  оборудованные жалюзийными решетками,  являются задуваемыми,  т.е. имеют положительный аэродинамический коэффициент.

Проверяется соответствие огнестойкости и горючести  материалов и  конструкций,  соответствие  проектных решений способа открывания (ручное,  дистанционное,  автоматическое)  дымоудаляющих  устройств требованиям нормативных документов.

Если какие-либо из проектных решений не соответствуют требованиям нормативных документов, то разрабатываются соответствующие мероприятия для устранения отмеченных недостатков.

Профессор кафедры ПБС, д.т.н. профессор Есин В.М.

Объемно-планировочные и конструктивные решения по  противодымной защите применяются в зданиях независимо от их этажности. Специальные средства (дымоудаление из помещений, где возник очаг пожара, из коридоров,  создание избыточного давления в шахтах лифтов, незадымляемые лестничные  клетки) применяются для противодымной защиты в случаях, регламентируемых действующими  нормативными документами.

Многоэтажные здания  с точки зрения требований к их противодымной защите  можно  разделить  на  две группы:  здания высотой менее 28 м от планировочной отметки земли до уровня низа открываемых проемов  верхнего  этажа  (до 9 этажей включительно) и здания высотой более указанной. Такое деление обусловлено возможностями техники, предназначенной  для  спасания людей.  В гарнизонах пожарной охраны основным средством спасания людей является  30-метровая  механическая  автолестница. Первую группу зданий для краткости будем называть многоэтажными зданиями, а вторую – зданиями повышенной этажности.

Противодымная защита  многоэтажных  зданий  осуществляется  в основном с помощью объемно-планировочных и конструктивных решений. Широко используется изоляция помещений здания и особенно путей эвакуации от возможных источников задымления,  изоляция наиболее вероятных мест возникновения пожара.

Источниками задымления  зданий  являются  пожаровзрывоопасные технологические процессы,  кладовые и склады сгораемых материалов и несгораемых материалов в сгораемой упаковке, подвальные и цокольные этажи,  мусоропроводы;  наиболее  вероятными путями распространения продуктов горения – лестничные клетки, шахты лифтов, коридоры, шахты инженерных коммуникаций.

Пожароопасные производства, склады, кладовые сгораемых материалов  и  несгораемых материалов в сгораемой упаковке следует размещать в помещениях у наружных стен с оконными проемами и отделять их от  смежных  помещений  и  коридоров противопожарными перегородками 1-го типа и противопожарными перекрытиями в зависимости от  степени огнестойкости  здания.  Проемы  в перегородках защищаются в зависимости от категории помещения либо  тамбурами-шлюзами  с  постоянным подпором воздуха,  либо противопожарными дверями 2-го типа. В таких помещениях предусматривается устройство дымоудаления.  Для кладовых площадью  менее 50 м² допускается не предусматривать устройства дымоудаления, но в этом случае должно быть предусмотрено дымоудаление из коридора.

Особое внимание уделяется изоляции помещений, расположенных в подвальных и цокольных этажах.  Подвальные и цокольные этажи от вышележащих  отделяются  противопожарными перекрытиями в соответствии со степенью огнестойкости здания, выходы из них должны предусматриваться непосредственно наружу.  Выходы из помещений,  размещаемых в подвальных и цокольных этажах,  допускается проектировать через общие  лестничные  клетки  только  в случае,  когда в этих помещениях отсутствуют сгораемые материалы.  Подвальные и цокольные этажи разделяются на отсеки,  секции или отдельные помещения. В общественных зданиях площадь  такого отсека не должна превышать 700 м².  Для выпуска дыма в каждом отсеке предусматриваются оконные проемы  (“продухи”).  Эти  проемы  используются  пожарными  для  введения  сил и средств при тушении. Поэтому высота проема должна быть не менее 1,2 м,  а ширина – 0,75 м.  В жилых секционных зданиях подвальные и цокольные этажи делятся по секциям,  в несекционных  зданиях  площадь отсека не должна превышать 500 м².

В производственных зданиях подвалы при размещении в них  помещений категории В должны разделяться противопожарными перегородками 1-го типа на части площадью не более 3000 м² каждая, при этом ширина каждой части (считая от наружной стены) не должна превышать 30 м. Для удаления дыма в указанных помещениях следует предусматривать  окна с приямками.  Суммарная площадь окон должна быть не менее 0,2%  площади пола. Коридоры в таких подвалах должны иметь ширину  не  менее  2  м с выходами непосредственно наружу или через обособленные лестничные клетки.  Перегородки,  отделяющие помещения от  коридоров,  должны  быть противопожарными 1-го типа.  Подвалы с производственными помещениями категории В  в  случае  невозможности размещения  их  у  наружных стен следует разделять противопожарными перегородками 1-го типа на части площадью не более 1500 м²и устраивать в них дымоудаление.

При пожарах в закрытых помещениях для удаления продуктов горения  и  введения  сил  и  средств  приходится вскрывать ограждающие конструкции.  Пожары в этом случае приобретают затяжной характер  и наносят значительный ущерб. Дымоудаляющие устройства из помещений в подвальных и цокольных этажах могут обеспечить незадымляемость здания только в сочетании с другими конструктивными и объемно-планировочными решениями,  направленными на изоляцию этих помещений от вышележащих  этажей.  Низкая эффективность дымоудаляющих устройств из подвальных и цокольных этажей является следствием невысоких  значений среднеобъемных температур. Невысокий уровень температур в свою очередь является следствием слабого газообмена и недостатка кислорода.

Для предотвращения  задымления через проходки инженерного оборудования и электрооборудования зазоры между коммуникациями  должны заделываться  наглухо строительным раствором или мастикой из несгораемых материалов.  Вопрос об уменьшении газопроницаемости проходок электрических  кабелей  особенно  актуален  для кабельных помещений тепловых и  атомных электростанций.  Его решению посвящен целый ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок  ВНИИПО, ВНИИКП и других институтов.

Вентиляционные сети  в  производственных зданиях могут служить путями распространения продуктов горения и пламени.  Решения,  предотвращающие это  нежелательное  явление,   регламентируются  нормативными документами.  Предусматриваются, в частности,  установка огнезадерживающих клапанов с нормируемым пределом огнестойкости,  специальные режимы работы вентиляционных систем при пожаре.

Причиной задымления  зданий часто являются пожары в мусоропроводах. Для уменьшения пожарной опасности мусоропроводов нормативными и  методическими  документами предусматривается ряд требований к огнестойкости ограждающих конструкций и дверей мусоросборной  камеры. Ствол мусоропровода должен изготовляться из несгораемых материалов. Другие требования к элементам мусоропровода сводятся к уменьшению  газодымопроницаемости  ствола  и  загрузочных клапанов.  Для улучшения проветривания ствола мусоропровода в обычных  условиях  и дымоудаления при пожаре (загорании) в нем оголовки стволов оборудуются дефлекторами, а в некоторых случаях – механическими вентиляторами.

Повышенные требования пожарной  безопасности  предъявляются  к лестницам и шахтам лифтов. Изоляция лестниц от помещений различного назначения на этажах здания достигается их размещением в лестничных клетках. Огнестойкость стен лестничных клеток устанавливается в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания.  Во внутренних стенах лестничных клеток не допускается устройство каких-либо проемов,  кроме дверных. Дверные проемы должны защищаться глухими самозакрывающимися дверями с уплотнением в притворах. В настоящее время проводится работа по нормированию дымопроницаемости дверей и других ограждающих конструкций.  Двери, устанавливаемые в проемах лестничных клеток,  должны иметь удельную  характеристику  гидравлического сопротивления  не  менее 5000 1/кг.  Лестничные клетки должны иметь естественное освещение.  Если освещение лестничной клетки выполнено из  стеклоблоков,  необходимо предусматривать открывающиеся фрамуги для проветривания лестничной клетки в случае ее задымления.

В промышленных зданиях со взрывоопасными производствами  дверные проемы лестничных клеток защищаются тамбурами-шлюзами с  постоянным подпором воздуха. В лестничных клетках запрещается устройство рабочих, складских и ему подобных  служебных  помещений,  прокладка трубопроводов с ЛВЖ и ГЖ,  открытая прокладка электрических кабелей и воздуховодов,  облицовка конструкций сгораемыми  материалами.  Не допускается  также  устройство  выходов в лестничные клетки из шахт грузовых подъемников.

Перегородки лифтовых шахт,  за исключением шахт лифтов в лестничных клетках, а также помещения машинных отделений лифтов, шахт и ниш для прокладки коммуникаций должны выполняться из  негорючих материалов с пределом огнестойкости не менее 0,75 ч.

Выходы из  лифтов  в производственных зданиях во взрывоопасные помещения (категории А и Б) на всех этажах следует  предусматривать через тамбуры-шлюзы  с постоянным подпором воздуха 20 Па,  а выходы из лифта в подвальные этажи – через тамбуры-шлюзы с подпором воздуха в  20  Па  при пожаре.  В общественных зданиях двери шахт лифтов должны выходить в холлы или тамбуры-шлюзы,  огражденные  противопожарными  перегородками  1-го  типа.  Двери лифтовых холлов и тамбуров-шлюзов должны быть противопожарными 2-го типа,  самозакрывающимися с уплотнением в притворах.  В производственных зданиях указанные двери должны выполняться из несгораемых материалов,  в  общественных допускается выполнение дверей из сгораемых материалов.

Нормативными документами  регламентируются мероприятия по противодымной защите коридоров. В зависимости от степени огнестойкости здания регламентируется огнестойкость ограждающих конструкций коридора.  Коридоры  должны  иметь  естественное  освещение.  В  производственных зданиях категорий А, Б и В высотой более 2 этажей в коридорах, не имеющих естественного освещения через световые проемы в наружных стенах, должно быть предусмотрено дымоудаление.

Существенное значение для ограничения распространения продуктов горения по зданиям имеет защита дверных и технологических проемов в ограждающих конструкциях.  Этот вопрос рассматривается в разделе “Противопожарные преграды”.

Профессор кафедры ПБС, д.т.н. профессор Есин В.М.

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 z^3/2, (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 F_п (z^-0,5 -  H_п^-0,5)/(П g^-0,5), (10.2)

где F_п -площадь  пола  помещения,  м²;  H_п -  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:

S_уд =  DP× F^0,5_дв / G²,

где DP – перепад давления на испытуемой двери, Па; G  -расход фильтрата через дверь, кг/с; F_дв -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.