Продольная система дымоудаления в подземных сооружениях

Сегодня отмечается возросший интерес к струйным системам вентиляции подземных и крытых парковок. Этот интерес обусловлен прежде всего неоспоримыми преимуществами данных систем в условиях высоких нагрузок на вентиляцию как в штатном режиме работы, так и в аварийной ситуации при пожаре в помещениях с высотой потолочных перекрытий 2,5–3,0 м и значительными площадями [1, 4, 5].

При первом знакомстве со струйными системами вентиляции обращает на себя внимание, что это простое и красивое техническое решение позволяет разгрузить подпотолочное пространство от вентиляционных коробов, улучшив обитаемость парковки (фото 1 и 2).

Дальнейший технический анализ показывает заметный выигрыш в экономичности таких систем за счет отсутствия аэродинамических потерь в воздуховодах и повышение безопасности при пожаре [1, 3]. Струйные вентиляционные системы автопарковок стали стандартным техническим решением в Германии и других странах Европы [5]. Суммарное снижение среднегодовых эксплуатационных затрат по данным ряда немецких фирм может достигать 40 % по сравнению с традиционными канальными системами.

Струйная вентиляция автопарковок наследует основные идеи, реализуемые в системах продольной вентиляции тоннелей с использованием осевой реактивной тяги подвешиваемых под кровлей осевых вентиляторов. Однако если в тоннелях процесс развивается вдоль линии, то в авто парковках имеет место более сложная ситуация, происходящая на площади, что кардинальным образом влияет на методы расчета и проектирования. Особенно это касается противодымной вентиляции, поскольку источник возгорания считается точечным, в то время как в штатном режиме общеобменная вентиляция ориентирована на ассимиляцию выхлопных газов, источники которых распределены практически равномерно по площади. Поэтому работа вентиляции организуется существенно различными способами в штатном режиме и в случае пожара.

Режим дымоудаления для струйных вентиляционных систем подземных сооружений является наиболее ответственным, определяющим проектные решения по выбору вентиляционного оборудования и размещение струйных вентиляторов. Расчетный воздухообмен в режиме дымоудаления принят максимальный как для тоннелей, так и подземных автопарковок.

Важнейшим параметром, определяемым при расчете продольной системы дымоудаления, является критическая скорость воздуха между притоком и вытяжкой, обеспечивающая удаление дымовых газов и создание бездымных эвакуационных зон. Методики расчета и граничные условия в случае тоннеля и парковки имеют различия.

При возникновении пожара в тоннеле скорость движения воздушного потока должна превышать критическое значение V_кр, при котором отсутствует движение дымовых газов от очага пожара в сторону, противоположную направлению движения воздуха (рис. 1). В соответствии с принятыми в 2013 году рекомендациями АВОК 7.6–2013 [8], критическая скорость движения воздушного потока в тоннеле V_кр [м/с] определяется по формуле (1):

Q_п — конвективная мощность пожара, кВт; ρ_в — плотность воздуха при температуре T₀, кг/м³; c_p — теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅К); F_т — площадь сечения тоннеля, м²; g — ускорение свободного падения, м/с²; H_т — высота тоннеля в месте возникновения пожара, м; K₁ = 0,606; K_д — коэффициент, учитывающий дорожный уклон тоннеля. Таким образом, при расчете объемного расхода воздуха необходимо учитывать геометрические характеристики тоннеля и параметры нагнетаемого воздуха.

Наиболее существенное влияние на механизм формирования потока пожарных газов и значение V_кр оказывает расчетная пожарная нагрузка. В соответствии с работой [8], расчетная пожарная нагрузка для автодорожного тоннеля должна соответствовать пожару топливной цистерны, а именно Q_п = 100 МВт.

На рис. 2 представлена зависимость скорости V_кр при различных сценариях пожара для автодорожного тоннеля с H_т = 8,5 м, F_т = 75 м² и при температуре воздуха 15 °C.

Нагрузка на вентиляционную систему подземной автопарковки при пожаре определяется мощностью очага горения, температурой и количеством дымовых газов, выделяющихся при возгорании одной или нескольких машин в локализованной случайным образом области автопарковки. Основные теплотехнические параметры очага горения принимаются в соответствии с заданным сценарием пожара, который, в свою очередь, должен соответствовать действующим в государстве нормам.

По европейским стандартам мощность очага горения Q_f в помещении автопарковки составляет 4 или 8 МВт в зависимости от отсутствия или наличия спринклерной системы пожаротушения [12]. Отмечается тенденция к повышению нижнего порога пожарной нагрузки до 8,5 МВт [5].

Минимальное значение Qf , принятое в соответствии с решением Европейского подкомитета (SC 1, Smoke and Heat Control Systems) в рамках технического комитета TC 191 (Fixed Firefighting Systems) и закрепленное в европейских стандартах [12, 13], составляет 4 МВт.

Массовый расход дымовых газов M_f в соответствии с работой [9] определяется по геометрическим параметрам очага горения, а именно по минимальному среднему уровню стояния нижней границы дыма Y = 2 м и периметру очага горения W_f :

M_f = 0,188W_f K_вY^1,5 , (2)

где коэффициент K_в = 1 при механическом дымоудалении.

Важно отметить, что процесс горения автомобиля является нестационарным. Один час — это среднее время, необходимое для сгорания автомобиля. В кульминационный период горения мощность очага горения изменяется от 1,5 до 6 МВт и затем снижается до 1 МВт [14].

На рис. 3 представлена зависимость расчетного значения W_f от мощности очага горения, построенная по данным из нормативных документов [10, 12] и расчетных данных, полученных по накопленному опыту проектирования подземных автостоянок.

Определим основные исходные параметры для расчета системы дымоудаления: объемный расход дымовых газов V_f [м³/с] и температуру дымовых газов T_с, К. Определяется конвективная составляющая мощности очага пожара Q_к как часть тепловыделения горения, идущая на нагрев продуктов сгорания:

Q_к = (1 – ϕ)Q_f , МВт, (3)

где ϕ — доля теплоты, отдаваемая очагом горения за счет излучения и теплопроводности, при отсутствии данных принимается равной 0,4 [9].

Искомые параметры определяются из принятого допущения, что настилающая подпотолочная струя сводит к минимуму теплообмен конвективного потока с ограждающими конструкциями, а охлаждение продуктов сгорания при пожаре происходит, в основном, за счет перемешивания с поступающим приточным воздухом:

где c_р — это удельная изобарная теплоемкость продуктов сгорания и воздуха [кДж/(кг⋅К)], величину которой принимают равной 1,09. Воздушный поток, необходимый для дымоудаления, равен:

где ρ_в = 1,22 кг/м³ — величина плотности воздуха.

Определение значения Tс при канальной и вертикальной вентиляционной схеме происходит с учетом теплообмена резервуара дыма с элементами ограждающих конструкций. Для этого в расчете учитываются соответствующие площади потолка и боковых стен [9]. В многоярусной подземной парковке такой теплообмен трудно достижим.

В условиях закрытой многоуровневой автопарковки при высоте потолков от 2,5 до 3,5 м струйная вентиляционная система является наиболее рациональным и безопасным решением. Охлаждение потолочных перекрытий струйными вентиляторами, подмес холодного приточного воздуха к продуктам сгорания позволяют обеспечить не только снижение температуры ограждающих конструкций и общего уровня температур внутри помещения автостоянки, но и эффективное дымоудаление. Создается бездымная зона около эвакуационных выходов по всей высоте помещения. Снижение высоты потолков в этом случае не оказывает влияния на стабильность поддержания границы бездымной зоны и не является фактором риска.

Обеспечение безопасности автостоянки и поддержание границы бездымной зоны при пожаре требует специального расчета основных параметров воздухообмена внутри помещения автостоянки при пожаре. Такой расчет выполняется на основе рассмотренных выше параметров пожарной нагрузки.

Учитывая, что безопасность — это главный приоритет при проектировании автопарковки, вентиляционная система проектируется прежде всего под задачу обеспечения безопасной эксплуатации при заданной проектной пожарной нагрузке. Такой подход к проектированию обычно гарантирует двукратный запас по мощности вентиляции в штатном режиме работы, при удалении угарного газа от работающих двигателей. Поэтому в качестве привода струйного вентилятора чаще всего используют двухскоростные электродвигатели. Обеспечение дымоудаления в окрестностях локализованного случайным образом очага горения требует максимальной производительности от струйных вентиляторов, задействованных в пределах пожарной группы (рис. 4) [3, 4].

Следует учитывать, что реальный сценарий возгорания даже одной машины зависит от многих факторов и, как показано ранее, является нестационарным процессом.

Задача струйной вентиляции при пожаре — отвод продуктов сгорания к отверстиям дымоудаления и обеспечение границы бездымной зоны, как это показано на рис. 4. Включенная на максимальную производительность группа вентиляторов, или пожарная группа, обеспечивает решение данной задачи при условии, что пожарная нагрузка не выше расчетной. В случае разрастания пожара могут подключаться остальные вентиляторы.

Проектирование струйной вентиляционной системы для дымоудаления в закрытой автопарковке имеет целый ряд особенностей. Только если производительность вентиляторов дымоудаления Veх и скорость приточного воздуха V1 выше определенных пороговых значений, можно обеспечить расчетную границу задымления. Иначе возможно возникновение противотоков и полное задымление парковки. Симуляция подобной ситуации выполнена средствами CFD-моделирования (рис. 5). Струйный вентилятор создает в подпотолочном пространстве осесимметричную струю с начальной скоростью 20 м/с. Одновременно в надпольном пространстве возникает противоток со скоростью 0,5 м/с. Противоток обусловлен отсутствием достаточного подпора со стороны приточного воздуха и недостаточной производительностью по вытяжке.

Приточные и вытяжные вентиляторы создают воздушный поток в помещении парковки с заданным расходом и скоростью. Струйная вентиляция перераспределяет воздушный поток, создавая в подпотолочном пространстве высокоскоростное течение, как это показано на рис. 6. При пожаре подпотолочный поток продуктов сгорания, имеющий температуру 300–600 °C, локализован по местоположению очага горения и вытяжки.

В результате взаимодействия горячих и холодных потоков воздуха реализуется сдвиговое течение разноплотностных газов. Возникает неустойчивость Кельвина-Гельмгольца с развитием на границе раздела волновых движений, что приводит к перемешиванию дыма и воздуха и снижению температуры газовоздушной смеси по мере движения к отверстиям дымоудаления [3].

При расчете параметров струйной вентиляционной системы в режиме дымоудаления делается ряд допущений:

❏ объемный расход дымовых газов Vf [м3/с] и температура дымовых газов Tc [К] рассчитываются исходя из проектной пожарной нагрузки Qf , МВт;

❏ допускается затекание дымовых газов в сторону притока на расстояние не более 10 м от очага горения, при этом нижняя граница дыма не менее Y = 2 м от поверхности пола [3, 11, 12];

❏ допускается полное перемешивание дымовых газов с приточным холодным воздухом за пределами бездымной зоны, но не ближе 10 м от ее границы.

Для расчета границы устойчивости разноплотностного течения используют критерий Фруда Fr, рассчитанный по следующей формуле [2, 4]:

где T_т — температура газовоздушной смеси за очагом горения, К.

Число Фруда не должно превышать определенного значения. В противном случае будет возникать обратный поток дымовых газов и происходить задымление автостоянки. Предельное значение числа Фруда находится между 4,5 и 6,0 [2]. Для повышения надежности работы системы дымоудаления накладывают ограничение Fr < 4,5.

Примем на основе действующих нормативных документов производительность вытяжной вентиляции V_eх [м³/ч], например, по кратности циркуляции не менее 10 в соответствии с BS 7346-7:2006 [12] или в соответствии с техническим заданием.

В этом случае должно выполняться следующее условие:

V_ex > V_f .

Определим объем чистого воздуха при температуре T0 в составе газовоздушной смеси по формуле:

V_vв = V_ex – V_f , м³/ч. (7)

Суммарный массовый расход газовоздушной смеси по вытяжке:

M_tot = M_vв + М_f , кг/ч, (8)

где M_vв = V_vвρ_в, кг/ч; M_f — массовый расход дымовых газов, кг/ч.

Средняя температура газовоздушной смеси составит:

Средняя скорость приточного воздуха в помещении пожарного отсека в сторону очага горения, компенсирующего объем удаляемой газовоздушной смеси:

где BY — площадь сечения помещения автостоянки в пределах бездымной зоны, перпендикулярная вектору воздушного потока, м². Определив значения параметров T_т и V₁ можно рассчитать искомую величину F_r в соответствии с (6).

Представленная методика поверочного расчета (6)–(10) позволяет проверить правильность проектных решений по противодымной защите при модернизации уже существующего объекта или при заранее заданных конструктивных параметрах автостоянки и ее вентиляционной системы.

При проектировании закрытой автопарковки «с нуля» необходим анализ влияния основных параметров технического задания на проектирование системы дымоудаления и струйной вентиляционной системы в целом. Примем, что минимальное значение скорости приточного воздуха V₁, соответствующее заданному значению числа F_r, будет равно V_кр — критической скорости воздушного потока. Исходя из формулы (6) можно получить выражение для расчета:

Используем для замены T_т следующую формулу:

Система уравнений (10)–(12) после ряда формальных операций приводится к кубическому уравнению:

Из уравнения (13), используя метод Кардано, получаем решение:

Начиная проектирование струйной вентиляционной системы, необходимо обеспечить приоритет безопасности нахождения человека на стоянке. Убедимся, что скорость воздушного потока приточного воздуха, обеспечивающая бездымную зону на путях эвакуации при пожаре, не превышает допустимого значения 2 м/с.

Как следует из представленного графика (рис. 7), значение скорости приточного воздуха, обеспечивающей бездымную зону в 10 м от очага горения, не является фактором риска для человека. Данное значение V_кр одновременно принимается как минимальная осевая скоростью струи V_xmin, создаваемая струйным вентилятором в режиме максимальной мощности, что позволяет рассчитать максимальное допустимое расстояние между вентиляторами (в струе).

Другим фактором риска при пожаре в закрытых парковках является повышение температуры в очаге горения и общего температурного фона помещения. Особенно опасен фактор перегрева при пожаре в многоярусных подземных парковках с противопожарными перекрытиями, практически исключающими отвод избыточной тепловой энергии за счет теплопроводности ограждающих конструкций. Как показано [3], в этом случае возможно неуправляемое катастрофическое разрастание пожара. На рис. 8 представлены температуры продуктов сгорания T_с и средней температуры газовоздушной смеси T_т в зависимости от конвективной мощности очага горения. Существенное снижение температуры дымовых газов достигается за счет подмеса холодного приточного воздуха.

Из анализа методики расчета параметров пожарной нагрузки и закономерностей (3)–(10) следует, что производительность вентиляторов дымоудаления при пожаре зависит от геометрических характеристик помещения парковки, а именно от площади поперечного сечения парковки BY в пределах бездымной зоны, перпендикулярной вектору потока приточного воздуха (рис. 4).

На рис. 9 представлены графики, определяющие минимальную производительность вентиляторов дымоудаления, при значении Fr = 4,5 и различных сценариях пожара в зависимости от ширины пожарного отсека (считаем, что величина Y = 2 м).

В случае допустимости менее жестких требований по обеспечению бездымной зоны для средних и малых автопарковок значение F_r возможно повысить до 6,0, что позволяет на 10–15 % уменьшить типоразмер вентилятора дымоудаления (рис. 10).

Обобщая полученные результаты, следует отметить заметное увеличение производительности вентиляторов дымоудаления до 100 тыс. м³/ч как следствие использования продольной схемы вентиляции. Полученный результат был подтвержден при CFD-моделировании пожара на подземной автопарковке [6, 7]. Рассматривая различные варианты конфигурации пожарных отсеков, отмечается, что для длинного узкого отсека при соотношении «длина/ширина», равном 10–12, характерны предельные значения по V_кр и T_т.

Поэтому анализ влияния соотношений габаритных размеров пожарных отсеков на режимные параметры вентиляционной системы необходим для определения допустимых геометрических соотношений при проектировании автопарковки.

Уменьшение расхода приточного воздуха при сужении помещения автопарковки и заданных пожарных нагрузках неизбежно вызывает рост температуры газовоздушной смеси T_т, поэтому для стабилизации границы дыма, в соответствии с формулой (6) необходимо увеличение расчетного значения скорости V_кр приточного воздуха (рис. 11).

При определении габаритов пожарного отсека возникает естественное стремление к уменьшению типоразмера вентилятора дымоудаления за счет снижения ширины отсека (размер В на рис. 6) и увеличении длины отсека. Однако при этом необходимо учитывать рост температуры газовоздушной смеси T_т, обусловленной уменьшением количества холодного приточного воздуха (рис. 12).

Длинные узкие пожарные отсеки парковок применяются не часто и имеют компоновку, предполагающую размещение машин в два ряда, как это показано на рис. 13. Минимальная ширина B парковки не менее 16 м. Следовательно, в соответствии с температурным графиком (рис. 12), максимальная температура газовоздушной смеси не более 150 °C.

В любом случае расстояние между притоком и вытяжкой должно быть максимальным по условиям планировки пожарного отсека автостоянки.

В соответствии с требованиями нового Свода Правил [11] общая площадь пожарного отсека автопарковки составляет не более 3000 м². Аналогичные требования применяются и в европейских нормативных документах, однако существуют примеры проектирования пожарных отсеков подземных автостоянок большей площади.

Например, подземная парковка торгового центра Villa Arena в голландской столице — Амстердаме — имеет пожарные отсеки площадью около 5000 м². Анализ пожарных рисков данного объекта, оснащенного струйными вентиляторами, подтвердил возможность увеличения размеров пожарных отсеков, при условии применения различных дополнительных, компенсирующих противопожарных мероприятий.

Производительность вентиляторов дымоудаления была увеличена до 410 тыс. м³/ч, чему соответствует значение числа Фруда Fr = 2,6.

Гарантированное охлаждение продуктов сгорания и перекрытий при пожаре в автопарковке требует увеличения производительности и мощности вентиляторов дымоудаления. Однако нормативное требование по обеспечению работоспособности системы дымоудаления при температуре 600 °C в случае использования струйной вентиляционной системы представляется чрезмерным. Мировые производители предлагают вентиляторы дымоудаления для парковок с пределом огнестойкости до 400 и до 600 °C. Предел огнестойкости для струйных вентиляторов обычно ограничен уровнем в 350 °C. Аварийный отказ одного или двух вентиляторов, находящихся в районе очага горения, не приводит к потере работоспособности струйной вентиляционной системы в целом.

1. Вишневский Е.П., Чепурин Г.В. Системы струйной вентиляции автостоянок крытого типа. Постановка задачи // Мир строительства и недвижимости, №39/2011.
2. Вишневский Е.П., Волков А.П. Системы струйной (импульсной) вентиляции крытых и подземных автостоянок // Мир строительства и недвижимости, №43/2012.
3. Вишневский Е.П., Волков А.П. Противодымная защита крытых и подземных автопарковок, оборудованные струйной (импульсной) вентиляцией // Мир строительства и недвижимости, №44/2012.
4. Вишневский Е.П., Волков А.П. Особенности расчета параметров пожара крытой и подземной автопарковок, оснащенных струйной вентиляцией // Мир строительства и недвижимости, №45/2012.
5. Виссник Йос, Вогет К. Вентиляция в подземных гаражах. Опыт Германии // Мир строительства и недвижимости, №43/2012.
6. Есин В.М., Калмыков С.П. Использование струйных вентиляторов в системах дымоудаления автостоянок // АВОК, №2/2006.
7. Калмыков С.П. Моделирование процессов теплои массопереноса при работе системы струйной вентиляции автостоянок закрытого типа. Автореф. дис. к.т.н. — М., 2008.
8. НП «АВОК» 7.6–2013. Определение параметров продольной системы вентиляции автотоннелей.
9. НП «АВОК» 5.5.1–2010. Расчет параметров систем противодымной защиты зданий.
10. СНиП 2.04.05–91. Противодымная защита при пожаре и вентиляция подземных стоянок.
11. СП 113.13330.2012. Стоянки автомобилей. Акт. вер. СНиП 21-02–99* (01.01.2013).
12. BS 7346-7:2006. Components for smoke and heat control systems. Part 7: Code of practice on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat control systems for covered car parks ICS 13.220.20.
13. EN 12101. Smoke and heat control systems — Part 6: Specification for pressure differential systems, Kits; German ver. EN 12101-6:2005.
14. Ferziger J.H. and Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics, New York–Singapore, 1999.