К вопросу расчета температуры продуктов горения, удаляемых из коридоров зданий

B. М. ЕСИН, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве, Академия ГПС МЧС России

C. П. КАЛМЫКОВ, канд. техн. наук, преподаватель кафедры пожарной безопасности в строительстве, Академия ГПС МЧС России

УДК 614.841

К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ, УДАЛЯЕМЫХ ИЗ КОРИДОРОВ ЗДАНИЙ

Проведена проверка предположения о неполном участии в теплообмене ограждающих конструкций коридора при пожаре в целях исследования влияния расположения дымовых клапанов относительно дверных проемов помещений очага пожара на температуру дымовых газов, удаляемых из коридора, и определения наихудшего сточки зрения работы систем вытяжной про-тиводымной вентиляции сценария пожара. Показано, что значения температуры, получаемые по существующим расчетным методикам для полной длины коридора, являются существенно заниженными по сравнению с результатами численных экспериментов, полученными в статье, что может привести к выбору вентилятора системы противодымной защиты с недостаточной производительностью. В результате расчетов выявлен наихудший сточки зрения работы систем вытяжной противодымной вентиляции сценарий пожара — вариант, при котором температура продуктов горения, удаляемых из коридора и подходящих к дымовому (противопожарному) клапану, максимальная (т. е. когда дымовой клапан находится на минимальном расстоянии от двери помещения с очагом пожара). Отмечено, что при проведении практических расчетов следует учитывать минимальное расстояние от дверного проема помещения очага пожара (помещения, где возможно возникновение пожара) до дымового (противопожарного) клапана системы вытяжной противодымной вентиляции.

Ключевые слова: противодымная вентиляция; противодымная защита; противопожарная защита; температура продуктов горения; дымовой клапан; телообмен.

DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.47-53

Одной из систем активной противопожарной защиты зданий является система вытяжной противодымной вентиляции, обеспечивающая безопасную эвакуацию людей из здания при пожаре [1,2].

Основными параметрами вентиляционного оборудования, используемого для систем вытяжной противодымной вентиляции, являются производительность и давление, которые должен развивать вентилятор. Производительность вентилятора определяется исходя из расхода продуктов горения, удаляемых из коридора на этаже пожара [3-5]. На расход продуктов горения в значительной степени влияет их плотность или температура.

С вступлением в силу СП 7.13130.2013 [6] появилось требование, согласно которому при определении расхода продуктов горения, удаляемых вытяжной противодымной вентиляцией из коридоров, принимать без расчета фиксированные значения температуры продуктов горения не допускается.

Расчет требуемых параметров систем противо-дымной вентиляции или совмещенных с ними систем общеобменной вентиляции следует производить в соответствии с положениями [6]. Расчеты могут

быть выполнены в соответствии с [7] или на основе других методических пособий, не противоречащих указанным требованиям, например [8].

Согласно [7] для определения усредненной температуры дымового слоя в коридоре Тзт (К) используется зависимость, полученная интегрированием уравнения, характеризующего изменение температуры в дымовом слое по длине коридора:

T = T

sm r

122 (To - Tr )(2hsm + Ac/lc) x

1 - exp

lc

- 058lc

2hsm + Ac/lc

где Тг — температура воздуха в коридоре, К;

Т0 — искомое значение температуры газов, поступающих из горящего помещения в коридор, К;

hm

К l

— предельная толщина дымового слоя, м; площадь коридора, м2; длина коридора, м.

Из формулы (1) следует, что средняя температура дымового слоя в коридоре определяется температурой воздуха в коридоре до начала пожара и тем-

© Есин В. М., Калмыков С. П., 2016

пературои газов, поступающих из горящего помещения и отдающих часть тепловоИ энергии в ограждающие конструкции коридора.

Теплопотери дымовых газов определяются площадью ограждающих конструкции, участвующих в теплообмене, которая выражается через площадь и длину коридора.

Целесообразно выдвинуть предположение о том, что дым при выходе через двернои проем из помещения очага пожара может не распространяться на всю площадь коридора, а удерживаться вблизи ды-моприемного устроиства системы вытяжнои про-тиводымнои вентиляции, т. е. в теплообмене может участвовать часть ограждающих конструкции. При этом температура дымовых газов в коридоре из-за неполного участия в теплообмене ограждающих конструкциИ будет наибольшей, а значит, и расход га-зодымовоздушноИ смеси, удаляемоИ из коридора, на этаже пожара будет максимальным.

В рамках настоящей статьи была проведена проверка данного предположения в целях исследования влияния положения дымовых клапанов относительно дверных проемов помещении очага пожара на температуру дымовых газов, удаляемых из коридора, и выявления наихудшего с точки зрения работы систем вытяжноИ противодымноИ вентиляции сценария пожара.

Для возможного решения данного вопроса исследования были проведены серии численных экспериментов с помощью программного комплекса [9] в целях определения температуры продуктов горения в коридоре при пожаре в здании для вариантов, получаемых сочетанием следующих характеристик:

а) назначение объекта:

- жилое;

- торговое;

- офисное;

б) конфигурация коридора:

- кольцевая;

- угловая;

- прямолинеИная;

в) положение дымового клапана:

- вблизи дверного проема из горящего помещения в коридор;

- на максимальном расстоянии от дверного проема из горящего помещения в коридор;

- среднее между двумя указанными положениями.

Помещение очага пожара моделировалось площадью 50 м2 и высотоИ 2,8 м. Очаг пожара принимался в зависимости от функционального назначения объекта по [10-12]. Помещение оснащалось оконным проемом размером 1,6x1,6 м. Вскрытие

остекления происходило в соответствии с закономерностями, описанными в [8, 13].

С помещением сообщался коридор через двер-ноИ проем размером 1,2x2,0 м. Ширина коридора принималась равноИ 1,6 м, высота — 2,8 м, а длина — в зависимости от конфигурации: для кольцевоИ — 20 м; угловоИ — 30 м; прямолинеИноИ — 45 м.

В коридоре предполагалось наличие вытяжноИ противодымноИ вентиляции. Размеры дымового клапана принимались 0,6x0,6 м. МассовыИ расход удаляемого из коридора дыма, определенный по [14], задавался в зависимости от назначения здания.

На рис. 1 представлены схемы моделируемых сценариев пожара: на рис. 1,а — в помещении, сообщающемся с коридором кольцевоИ конфигурации, рис. 1,б — угловоИ конфигурации, рис. 1,в — прямолинеИноИ конфигурации.

Рис. 1. Схема моделируемого сценария пожара в помещении, сообщающемся с коридором кольцевоИ (а), угловоИ (б) и прямолинеИноИ (в) конфигурациИ: 1 — очаг пожара; 2 — оконныИ проем; 3 —дверноИ проем; 4—дымовые клапаны

Температура продуктов горения определялась в вертикальной плоскости сечения дымового клапана. При этом записывались как максимальные, так и средние значения по сечению клапана.

На рис. 2 показана динамика изменения максимальной температуры продуктов горения в сечении дымового клапана в коридоре кольцевой конфигурации при пожаре в жилом здании, на рис. 3 — в офисном здании.

Из рис. 2и3 видно, что с увеличением расстояния от дверного проема, ведущего из помещения очага пожара в коридор, до дымового клапана температура дыма, проходящего через клапан, снижается.

При расположении дымового клапана вблизи дверного проема из горящего помещения в коридор температура удаляемого дыма максимальна по отношению к вариантам среднего или наиболее удаленного расположения дымового клапана.

и

о СЗ

и

о cf

я Л 5? И 2 (S

400 350 300 250

В 200 ft ST

В 150

(2 м 100

50

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Время, с

б

1 /

/

/ г У "2 V

( "/ s

// £ £ У / 3

У/

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Время, с

в

400 350 300 250 200 150 100 50

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Время, с

Рис. 2. Динамика изменения максимальной температуры продуктов горения в сечении дымового клапана в коридоре кольцевой (а), угловой (б) и прямолинейной (в) конфигураций при пожаре в жилом здании: 1 — расположение дымового клапана вблизи дверного проемы; 2 — среднее расположение дымового клапана; 3 — на максимальном расстоянии от дверного проема

/ \

\ 1

г V /

( ч \ / 2 л \

s

3

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Время, с

б

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Время, с

750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Время, с

Рис. 3. Динамика изменения максимальной температуры продуктов горения в сечении дымового клапана в коридоре кольцевой (а), угловой (б) и прямолинейной (в) конфигураций при пожаре в офисном здании: 1 — расположение дымового клапана вблизи дверного проемы; 2 — среднее расположение дымового клапана; 3 — на максимальном расстоянии от дверного проема

Результаты расчетов

Положение клапана относительно Температура дыма в сечении дымового клапана, °С, полученная

Назначение объекта Конфигурация коридора в численных экспериментах расчетом по методике

дверного проема средняя максимальная ВНИИПО* [2]

Офисное Кольцевая Близко 243 338 205

Среднее 242 300

Далеко 225 239

Угловая Близко 254 356 151

Среднее 218 250

Далеко 174 187

Прямо- Близко 255 366 110

линейная Среднее 166 218

Далеко 155 161

Жилое Кольцевая Близко 241 329 222

Среднее 238 290

Далеко 217 231

Угловая Близко 257 355 163

Среднее 208 238

Далеко 155 164

Прямо- Близко 249 350 117

линейная Среднее 148 194

Далеко 137 140

Торговое Кольцевая Близко 258 357 211

Среднее 257 315

Далеко 242 258

Угловая Близко 271 379 155

Среднее 232 270

Далеко 176 191

Прямо- Близко 255 366 111

линейная Среднее 166 218

Далеко 154 161

* Значения приведены при пожаре с нагрузкой [15] для офисного (административное помещение; мебель + бумага (0,75 + 0,25)), жилого (здание 1-й и 2-й степеней огнестойкости; мебель + ткани) и торгового (промтовары; текстильные изделия) зданий. Количество пожарной нагрузки принималось согласно [16].

Это влияние усиливается с увеличением длины коридора для угловой и прямолинейной конфигураций по сравнению с кольцевой в случае среднего или наиболее удаленного положения дымового клапана. При расположении дымового клапана вблизи дверного проема для всех вариантов расстояние между ними неизменно.

Рис. 4. Поле температуры на высоте 2 м от пола при пожаре в жилом здании с коридором угловой конфигурации при расположении дымового клапана на минимальном

В таблице представлены результаты расчетов по всем рассматриваемым вариантам.

Данные расчетов, полученные по методике [7], удовлетворительно согласуются с результатами чис-

ленных экспериментов для всех трех типов зданий с коридорами различной конфигурации при расположении дымового клапана на максимальном расстоянии от дверного проема, ведущего из горящего помещения в коридор. Для этого варианта площадь ограждающих конструкций коридора, участвующих в теплообмене, наибольшая по сравнению с другими вариантами и сопоставима с площадью Ас, принимаемой по формуле (1) для всей длины коридора. Расхождение при этом составляет от 2 до 29 %, причем для кольцевой и угловой конфигураций коридора оно не превышает 13 %.

При установке дымового клапана в среднем положении расхождение увеличивается до 34 %, а вблизи дверного проема — до 57 %.

Для практических расчетов расхода дыма, удаляемого при пожаре из коридора, по мнению авторов, целесообразно принимать не локальные значения температуры, а среднее по площади дымового клапана значение.

В свою очередь, значения температуры, полученные по методике [7] для полной длины коридора, являются существенно заниженными по сравнению с результатами численных экспериментов, что может привести к выбору вентилятора системы про-тиводымной защиты с недостаточной производительностью.

На рис. 4 приведены результаты моделирования в виде полей температуры на высоте 2 м от пола при пожаре в жилом здании. Данные результаты подтверждают предположение о том, что при расположении дымового клапана на максимальном рассто-

янии от двери помещения с очагом пожара большая часть дымовой струи из горящего помещения по пути к клапану перемешивается с дымовоздушной смесью и температура удаляемого через клапан дыма снижается. При небольшом расстоянии от двери горящего помещения до клапана дымоудаления большая часть струи дыма, выходящей из двери горящего помещения, подходит к клапану дымоудаления с высокой температурой, и температура удаляемого дыма превышает среднюю температуру в коридоре.

Выводы

1. Проведенные численные эксперименты подтверждают предположение о влиянии расположения дымовых клапанов относительно дверных проемов помещений очага пожара на температуру дымовых газов, удаляемых из коридора.

2. Результаты расчетов позволили выявить наихудший с точки зрения работы систем вытяжной про-тиводымной вентиляции сценарий пожара. Таковым является вариант, при котором дымовой (противопожарный) клапан находится на минимальном расстоянии от двери помещения с очагом пожара и температура продуктов горения, удаляемых из коридора, максимальная.

3. При проведении практических расчетов, в том числе по [7, 14], следует учитывать минимальное расстояние от дверного проема помещения очага пожара (помещения, где возможно возникновение пожара) до дымового (противопожарного) клапана системы вытяжной противодымной вентиляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Klote J. H., Milke J. A. Principles of smoke management. — Atlanta i American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2002. — 3ТТ p.

2. Klote J. H., Milke J. A., Turnbull P. G., Kashef A., Ferreira M. J. Handbook of Smoke Control Engineering. — Atlanta i American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2012.— 512 p.

3. MaddoxJ.A. Smoke control and high-rise office buildings with operable windows; two case studies // Conference Proceeding by ASHRAE. — 2004. — Vol. 110, Part 1. — P. 646-651.

4. Ecuí B. M., Epoôeee A. H., BaëeeeT. H. Температурные режимы в помещениях на этаже, где происходит пожар // Огнестойкость строительных конструкций i сб. науч. тр. — M. i ВНИИПО, 198Т. — С. 53-62.

5. Ecuí В. М., Калмыкое С. П. Сравнение методик расчета требуемых параметров вентиляционных систем противодымной защиты многоэтажных зданий // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 6. — С. 4Т-52.

6. СП Т.13130.2013. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Требования пожарной безопасности. — M. i ФГБУ ВНИИПО MЧС России, 2013.

Т. Расчетное определение основных параметров противодымной вентиляции зданий. Mетодиче-ские рекомендации к СП Т.13130.2013. — M. i ВНИИПО MЧС РФ, 2013.

8. КазжеМ.М., ÇyàêoeaE. В. Пожароустойчивость светопрозрачных строительных конструкций // Стекло и бизнес. — 2014. — № 2. — С. 60-63.

9. McGrattan K. et al. Fire Dinamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018-5. — Washington : National Institute of Standards and Technology, 2007.

10. Mayfield C., Hopkin D. Design Fires for Use in Fire Safety Engineering (FB 29). — Bracknell: IHS BRE Press, 2011. —82 p.

11. Heskestad G., Hill J. P. Experimental Fires in Multiroom / Corridor Enclosures. — Gaithersburg : National Bureau of Standards; NBS GCR-86-502, 1986. — 130 p.

12. Yau R., Cheng V., YinR. Treatment of fire source in CFD models in performance-based fire design // International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes. — 2003. — Vol. 5, No. 3. — P. 54-68.

13. КазиевМ. M., Подгрушный А. В., ДудуновА. В. Разрушение светопрозрачных строительных конструкций при тепловом воздействии в условиях пожара // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — 2009. — № 2. — С. 5-10.

14. Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий. Рекомендации АВОК 5.5.1-2015. — М. : НП "АВОК-Пресс", 2014.

15. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учебное пособие. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000.

16. Молчадский И. С. Пожар в помещении. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2005.

Материал поступил в редакцию 10 сентября 2015 г.

Для цитирования: Есин В. М., Калмыков С. П. К вопросу расчета температуры продуктов горения, удаляемых из коридоров зданий // Пожаровзрывобезопасность. — 2016. — Т. 25, № 1.

— С. 47-53. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.47-53.

TO THE QUESTION OF CALCULATION OF TEMPERATURE OF THE PRODUCTS OF BURNING DELETED FROM CORRIDORS OF BUILDINGS

ESIN V. M., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Department

of Fire Safety in Construction, State Fire Academy of Emercom of Russia

KALMYKOV S. P., Candidate of Technical Sciences, Lecturer of Department of Fire Safety in Construction, State Fire Academy of Emercom of Russia

: English

ABSTRACT

An inspection of the assumption of incomplete participation in heat exchange of the protecting corridor designs at the fire with a research objective of influence of an arrangement of smoke valves in relation to doorways of placements of the seat of fire on temperature of the combustion gases deleted from a corridor, and definition of the worst scenario of the fire from the point of view of work of systems of exhaust smoke ventilation is carried out. The values of temperature received by the existing settlement techniques for the full length of a corridor, are significantly underestimated in relation to results of the numerical experiments received in article that can cause a choice of the fan of system of smoke control system with an insufficient productivity. Results of calculations allowed to reveal the worst scenario of the fire from the point of view of work of systems of exhaust smoke ventilation from corridors; that is the option, when temperature of the products of burning deleted from a corridor maximum, i. e. when the smoke (fire-prevention) valve is at the minimum distance from a room door with the seat of fire. It is noted that for carrying out practical calculations it is necessary to consider the minimum distance from a doorway of the room of the seat of fire (the room where fire emergence) to the smoke valve (fire-prevention) of system of exhaust smoke ventilation.

Keywords: smoke ventilation; smoke control system; fire safety; temperature of products of burning;

smoke valve; heat exchange.

REFERENCES

1. Klote J. H., Milke J. A. Principles of smoke management. Atlanta, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2002. 377 p.

2. Klote J. H., Milke J. A., Turnbull P. G., Kashef A., Ferreira M. J. Handbook of Smoke Control Engineering. Atlanta, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2012. 512 p.

3. Maddox J. A. Smoke control and high-rise office buildings with operable windows: two case studies. Conference Proceeding by ASHRAE, 2004, vol. 110, part 1,pp. 646-651.

4. Esin V. M., Erofeev A. N., Valeev G. N. Temperaturnyye rezhimy v pomeshcheniyakh na etazhe, gde proiskhodit pozhar [Temperature conditions in rooms on a floor where there is a fire]. Ognestoykost stroitelnykh konstruktsiy. Sbornik nauchnykh trudov [Fire-resistance of building constructions. Collected scientific papers]. Moscow, All-Union Research Institute for Fire Protection of the Ministry of Internal Affairs of the USSR, 1987, pp. 53-62.

5. Esin V. M., Kalmykov S. P. Sravneniye metodik rascheta trebuyemykh parametrov ventilyatsionnykh sistem protivodymnoy zashchity mnogoetazhnykh zdaniy [Comparison of method of calculation of demanded parameters of ventilating systems of smoke control of multistoried buildings]. Pozharovzryvo-bezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 6, pp. 47-52.

6. Set of rules 7.13130.2013. Heating, ventilation and conditioning. Fire safety requirements. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2013 (in Russian).

7. Settlement determination of main parameters of smoke ventilation of buildings. Methodical recommendations to Set of rules 7.13130.2013. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2013 (in Russian).

8. Kaziev M. M., Zubkova E. V. Pozharoustoychivost svetoprozrachnykh stroitelnykh konstruktsiy [Fire resistance of translucent construction designs]. Steklo i biznes — Glass & Business, 2014, no. 2, pp. 60-63.

9. McGrattan K. et al. Fire Dinamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018-5. Washington, National Institute of Standards and Technology, 2007.

10. Mayfield C., Hopkin D. Design Fires for Use in Fire Safety Engineering (FB 29). Bracknell, IHS BRE Press, 2011. 82 p.

11. Heskestad G., Hill J. P. Experimental Fires in Multiroom/Corridor Enclosures. Gaithersburg, National Bureau of Standards; NBS GCR-86-502, 1986. 130 p.

12. Yau R., Cheng V., Yin R. Treatment of fire source in CFD models in performance-based fire design. International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, 2003, vol. 5, no. 3, pp. 54-68.

13. Kaziev M. M., Podgrushnyj A. V., Dudunov A. V. Razrusheniye svetoprozrachnykh stroitelnykh konstruktsiy pri teplovom vozdeystvii v usloviyakh pozhara [A pane of glass destruction under thermal influence in the conditions of a fire]. Pozhary i schezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvi-datsiya — Fire and Emergencies: Prevention, Elimination, 2009, no. 2, pp. 5-10.

14. Calculation of smoke protection systems for residential and commercial buildings. Recommendations AVOK 5.5.1-2015. Moscow, NP ABOK-Press Publ., 2014.

15. Koshmarov Yu. A. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii. Uchebnoye poso-biye [Modeling and analysis of human movements in various buildings. Schoolbook]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2000.

16. Molchadskiy I. S. Pozhar v pomeshchenii [Fire indoors]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2005.

For citation: Esin V. M., Kalmykov S. P. K voprosu rascheta temperatury produktov goreniya, uda-

lyayemykh iz koridorov zdaniy [To the question of calculation of temperature of the products of

burning deleted from corridors of buildings]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion

Safety, 2016, vol. 25, no. 1, pp. 47-53. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.47-53.