Противодымная защита и дымоудаление зданий

Многочисленные пожары в зданиях показали, что высокотемпературный токсичный дым при пожаре быстро распространяется по различным каналам, в результате чего дым внутри зданий является одной из основных причин, затрудняющих эвакуацию людей и проведение операций по тушению пожара, а также приводящих к гибели людей. Проектирование противодымной защиты зданий имеет большое значение для обеспечения безопасности людей внутри здания и предотвращения распространения дыма. Вопросам противодымной защиты и дымоудаления здания следует уделять основное внимание при проектировании пожарной безопасности чистых операционных отделений больниц.

(1) Основной принцип проектирования противодымной защиты и дымоудаления заключается в предотвращении попадания дыма на пути эвакуации и обеспечении безопасности эвакуации. Однако для высотных зданий, зданий без окон и аналогичных объектов, таких как чистые операционные отделения больниц, где эвакуация и тушение пожара затруднены, необходимо выполнять проектирование противодымной защиты и дымоудаления на их ответственных участках с применением средств, основным назначением которых является управление дымом.

При проектировании противодымной защиты и дымоудаления в соответствии с характеристиками дыма и закономерностями его движения на этапе планировочной организации следует изучать направление течения дыма из помещений, в которых возможно возникновение пожара; на основе различных сценариев определять наиболее экономически эффективную схему противодымной защиты и трассы для управления потоком дыма, подбирать соответствующее оборудование противодымной защиты и дымоудаления, рационально назначать площади и расположение приточных и вытяжных отверстий, а также воздуховодов.

(2) Противодымная защита или дымоудаление здания могут быть реализованы путем естественного дымоудаления, механической приточной вентиляции с подпором воздуха или механического дымоудаления. Выбор метода осуществляется на основе комплексного учета планировочной структуры здания, условий вентиляции, высоты помещений, плотности пожарной нагрузки внутри здания, а также ее типа, формы и распределения.

Для удовлетворения требований к проведению хирургических операций и чистоте воздуха чистое операционное отделение, как правило, выполняется относительно герметичным, а в чистых зонах поддерживается избыточное по сравнению с окружающими помещениями давление воздуха. В чистых зонах обычно отсутствуют окна либо устанавливаются только герметичные глухие окна. При проектировании системы противодымной защиты и дымоудаления такого отделения, если оно размещено в отдельно стоящем здании, его следует рассматривать как здание без окон; если оно размещено совместно с другими подразделениями в одном здании — как помещение без окон внутри этого здания.

Рисунок 10.4　Схема расположения извещателей пожарной сигнализации и приборов приемно-контрольных пожарных

Поскольку в действующем Кодексе по проектированию пожарной защиты зданий пока отсутствуют положения, регламентирующие проектирование систем противодымной защиты и дымоудаления в зданиях, соответствующее проектирование может выполняться с учетом положений Кодекса по проектированию пожарной защиты высотных гражданских зданий и Кодекса по проектированию пожарной защиты сооружений гражданской обороны. В то же время проектирование систем противодымной защиты и дымоудаления зданий уже давно является одним из основных направлений исследований в области пожарной безопасности и противодымной защиты зданий за рубежом, было предложено множество теоретических подходов; однако в настоящее время не существует общепризнанного отработанного метода проектирования. Ведутся попытки решения этой проблемы с помощью методов перформанс-ориентированного проектирования, уже разработан ряд компьютерных моделей для прогнозирования и расчета течения дыма в зданиях.

[Справка]

① Дым представляет собой смесь воздуха с газообразными, жидкими и твердыми веществами, содержащую большое количество тепла и образующуюся в результате термического разложения вещества в процессе реакции горения.

При термическом разложении и горении вещества выделяются тепло, свет и дым. Состав и количество дыма зависят от химического состава горючего материала и условий горения, таких как температура и подача кислорода в процессе горения. Горючие строительные и отделочные материалы, горючая мебель и другие хранящиеся горючие предметы в обычных зданиях представляют собой в основном органические соединения, состоящие из таких элементов, как углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот. При полном сгорании продуктами горения вещества в основном являются диоксид углерода, оксид углерода, водяной пар, диоксид серы и азот; см. таблицу 10.7. При неполном сгорании помимо перечисленных продуктов горения также образуются органические соединения, такие как спирты, кетоны, эфиры и альдегиды. При горении веществ с высоким содержанием углерода в условиях недостатка кислорода образуется большое количество частиц углерода. Вредное воздействие дыма на организм человека в основном заключается в удушье, вызываемом образующимися при горении токсичными газами, раздражении органов человека и воздействии высокой температуры; см. таблицу 10.8.

Таблица 10.7　Токсичные газы, образующиеся при горении некоторых горючих веществ

Таблица 10.8　Воздействие продуктов термического разложения распространенных горючих веществ на организм человека

(i) Удушающее действие. Концентрация оксида углерода, образующегося в помещении пожара, существенно различается в зависимости от природы, количества и способа складирования горючих веществ, а также условий открытия проемов в помещении. Она в основном зависит от соотношения скоростей реакций термического разложения и окисления горючих веществ. При постоянном повышении температуры в помещении термическое разложение горючих веществ ускоряется, образуется больше свободного углерода, а недостаточная подача кислорода приводит к росту концентрации оксида углерода. Концентрация оксида углерода в помещении пожара обычно может достигать 4%～5%, а максимально — около 10%. Безопасная концентрация оксида углерода при воздействии на человека в течение 1 ч составляет 0,04%～0,05%; для эвакуации персонала эта концентрация не должна превышать 0,2%.

При активном развитии пожара внутри здания концентрация диоксида углерода может достигать 15%～23%. Как правило, воздействие концентрации диоксида углерода около 10% вызывает головокружение; в тяжелых случаях возможны кома, затруднение дыхания и даже остановка дыхания и потеря сознания. Воздействие концентрации диоксида углерода около 20% вызывает паралич центральной нервной системы человека, что приводит к летальному исходу.

При пожаре горение потребляет большое количество кислорода, его концентрация в воздухе значительно снижается и при активном горении может опускаться до 3%～4%. Как правило, при снижении концентрации кислорода в воздухе ниже 11% человек теряет способность к логическому мышлению, у него возникают судороги, кожа приобретает синюшный оттенок. При концентрации кислорода ниже 6% человек погибает после кратковременного воздействия.

(ii) Раздражающее действие. Среди продуктов термического разложения горючих веществ при пожаре присутствуют газы, такие как хлористый водород, аммиак, фтористый водород, диоксид серы, фосген и диоксид азота, которые оказывают сильное раздражающее действие на организм человека.

(iii) Воздействие высокой температуры. При возникновении пожара в здании и достижении температуры, соответствующей стадии общего воспламенения (вспышки), температура в помещении может превышать 500 ℃ и даже достигать 800 ℃. Высокая температура не только учащает сердцебиение и вызывает обильное потоотделение, приводя к быстрому появлению усталости и обезвоживания, но и может вызывать ожоги, приводящие к травмам или гибели людей. Кроме того, высокотемпературный дым является одной из основных причин быстрого распространения и расширения зоны пожара, а также увеличения ущерба от него. Дым также снижает дальность видимости, вызывает чувство страха и затрудняет эвакуацию и проведение операций по тушению пожара.

② Закономерности движения дыма внутри здания. Высокотемпературный дым, образующийся при пожаре, имеет меньшую плотность, чем холодный воздух; под действием выталкивающей силы он поднимается вверх, а при столкновении с перекрытием или потолком изменяет направление движения, в результате чего происходит горизонтальное распространение дыма. Если температура дыма при этом не снижается, высокотемпературный дым и окружающий воздух образуют четко разделенный ламинарный поток. Однако в реальности по мере движения и распространения дыма, с одной стороны, в него постоянно подмешивается холодный воздух, с другой — он охлаждается и встречает препятствия со стороны строительных конструкций, таких как перекрытия и потолки, поэтому его температура постепенно снижается; при встрече горизонтально движущегося и распространяющегося дыма с окружающими предметами он дополнительно охлаждается и движется вниз. Таким образом, постепенно охлаждающийся дым и охлажденный воздух движутся в направлении зоны пожара, образуя естественную конвекцию в помещении, которая усиливает интенсивность горения.

Скорость движения и распространения дыма связана с его температурой и направлением потока. Скорость горизонтального распространения дыма относительно невелика: как правило, на ранней стадии пожара она составляет 0,1～0,3 м/с, на средней стадии — 0,5～0,8 м/с. Скорость вертикального распространения дыма относительно высока и обычно составляет 1～5 м/с. В лестничных клетках или трубных шахтах сила тяги, возникающая из-за эффекта дымовой трубы, может повышать скорость движения дыма до 6～8 м/с.

③ Течение дыма в помещении пожара. По мере подъема дыма в помещении пожара после достижения потолка он распространяется горизонтально во всех направлениях, встречает препятствия и охлаждается окружающими ограждающими конструкциями, после чего стремится двигаться вниз вдоль стен. Дым постоянно образуется, верхний слой дыма постепенно утолщается; когда он опускается ниже уровня дверных и оконных проемов, дым диффундирует наружу и в коридор через открытые дверные и оконные проемы. Если двери и окна закрыты, слой дыма продолжает утолщаться; когда температура в помещении повышается до определенного уровня (как правило, 200～300 ℃), стекла в дверях и окнах разрушаются, и дым выходит наружу и в коридор через щели в дверях и окнах.

При выбросе дыма через вертикальное окно воздух, увлекаемый дымом из прилегающей зоны, может пополняться с обеих сторон окна, а траектория движения дыма изгибается вверх, поэтому опасность распространения пожара вверх через окно относительно невелика; при выбросе дыма через горизонтальное окно воздух, увлекаемый из прилегающей зоны, не может своевременно пополняться с обеих сторон окна, в результате чего пламя прижимается к поверхности стены и распространяется на относительно большое расстояние; такая ситуация представляет большую угрозу для вышележащего этажа.

Когда дверь помещения закрыта, отсутствуют другие проемы, сообщающиеся с коридором, а окна на наружной стене открыты: при наличии ветра снаружи и расположении окна с наветренной стороны нейтральная плоскость давления поднимается; при расположении окна с подветренной стороны нейтральная плоскость давления опускается.

Когда дверь помещения открывается в сторону коридора, течение дыма становится более сложным; оно зависит от таких факторов, как эффект дымовой трубы здания, способ противодымной защиты и дымоудаления, скорость наружного ветра и температура пожара.

④ Течение дыма в коридоре. Дым, поступающий из помещения в коридор, сначала движется под поверхностью потолка; из-за охлаждения и смешивания с воздухом слой дыма постепенно утолщается. Дым вблизи потолка и поверхностей стен легко охлаждается и сначала движется вниз вдоль поверхностей стен; по мере увеличения протяженности пути движения и усиления смешивания с окружающим воздухом температура дыма постепенно снижается, он теряет выталкивающую силу и в итоге в центре коридора остается свободное круглое пространство.

Пожарные испытания показали, что на стадии активного развития пожара дым, выходящий из помещения, движется вдоль потолка коридора в ламинарном состоянии, а толщина слоя дыма остается неизменной на расстоянии 20～30 м. Однако в процессе движения, если слой дыма встречает препятствия в виде балок и других выступающих конструкций, либо подвергается возмущению при поступлении наружного воздуха или потоков воздуха от систем вентиляции и кондиционирования, длина его ламинарного участка сокращается, и поток переходит в турбулентный режим.

⑤ Течение дыма через вертикальные шахты, такие как лестничные клетки, шахты лифтов и трубные шахты. Когда температура воздуха внутри здания выше температуры наружного воздуха, воздушный поток, поступивший через проемы в наружных стенах этажей, расположенных ниже нейтральной плоскости давления здания, поднимается вверх по вертикальным шахтам (лестничным клеткам, шахтам лифтов, трубным шахтам), поступает в помещения через проемы шахт на этажах выше нейтральной плоскости давления здания, после чего выходит наружу через проемы в наружных стенах каждого этажа. Как правило, распределение давления внутри здания подчиняется следующей закономерности: в нижней части здания, когда давление наружного воздуха ＞ давление на этажах ＞ давление внутри шахт, наружный воздух поступает в здание; в верхней части здания, когда давление внутри шахт ＞ давление на этажах ＞ наружное давление, воздух из помещений выходит из здания. Кроме того, из-за перепадов давления между перекрытиями соседних этажей воздух движется с нижнего этажа на верхний; в таких условиях при возникновении пожара на нижнем этаже дым движется вверх, при этом верхний этаж подвергается еще большей опасности, чем этаж, непосредственно примыкающий к горящему.

Когда температура воздуха внутри здания выше температуры наружного воздуха, за счет разницы удельного веса внутреннего и наружного воздуха возникает выталкивающая сила. Давление в верхней части здания больше наружного давления, а в нижней части — меньше наружного давления. При наличии проемов в наружных стенах воздух из помещений выходит через проемы в верхней части здания, а наружный воздух поступает через проемы в нижней части. Это явление называется эффектом дымовой трубы (эффектом естественной тяги) здания. В нормальных условиях это явление играет важную роль в движении воздуха внутри зданий. При пожаре большое количество тепла, выделяемого при горении, приводит к быстрому росту температуры внутри помещений, эффект дымовой трубы здания становится более выраженным, а пожар распространяется быстрее.

⑥ В общем случае проектирование противодымной защиты и дымоудаления включает один или несколько из следующих методов: метод подпора воздуха; метод вытяжки дыма; метод воздушных потоков.

(i) Метод подпора воздуха. Метод подпора воздуха является наиболее распространенным методом противодымной защиты; наиболее известный пример — создание подпора воздуха в лестничной клетке по отношению к помещениям и дымовым тамбурам. Данный метод предназначен для создания перепада давления по обе стороны противодымной преграды; в большинстве случаев создается перепад давления 25 Па по обе стороны дымозаградительной перегородки. Обычно система противодымной защиты и дымоудаления создает перепад давления 25 Па между зоной пожара и смежной зоной, либо между дымовым тамбуром и лестничной клеткой. Например, в типовом высотном офисном здании из коридора зоны пожара выполняется вытяжка для создания разрежения 25 Па, при этом в помещениях и дымовых тамбурах поддерживается избыточное давление, а в лестничной клетке также поддерживается избыточное давление.

В инженерной практике при применении метода подпора воздуха требуется расчет площадей утечек воздуха через стены, потолки, перекрытия и двери на каждом этаже. Например, в лестничной клетке зона дымоудаления обычно создает разрежение 25 Па по отношению к смежной дымовой зоне или лестничной клетке. Сначала следует рассчитать площади стен, потолка и перекрытий лестничной клетки; при умножении их на коэффициент утечек воздуха получают площадь утечек через ограждающие конструкции, а при добавлении площади утечек через двери лестничной клетки — общую площадь утечек лестничной клетки. По общей площади утечек и требуемому перепаду давления 25 Па можно рассчитать расход приточного воздуха и тем самым определить производительность системы подпора.

(ii) Метод вытяжки дыма. Цель метода вытяжки дыма — поддержание в пространстве среды, пригодной для пребывания людей, при котором нижняя граница слоя дыма находится выше предельной высоты, требуемой для безопасной эвакуации людей — как правило, на высоте 2,1 м от уровня пола, либо согласно японским рекомендациям, $H_s \geqslant 1.6+0.1H_f$ (где $H_f$ — чистая высота помещения). Метод вытяжки дыма широко применяется в атриумах и системах крупных торговых центров. Существует несколько расчетных моделей для метода вытяжки дыма, которые в данной работе подробно не описываются.

(iii) Метод воздушных потоков. Принцип метода воздушных потоков заключается в предотвращении движения дыма через проемы между зонами противодымной защиты за счет подачи достаточного количества воздуха. Факторы, влияющие на расчет при методе воздушных потоков, включают высоту проема, температуру дыма, температуру окружающего воздуха и скорость воздушного потока. При применении метода воздушных потоков следует учитывать, что скорость воздушного потока не должна превышать 1 м/с. Если требуемый расход воздуха превышает данный предел, необходимо выполнить техническую оценку эффективности такого решения для определения целесообразности применения данного метода.

⑦ Вытяжные отверстия для дымоудаления в чистых зонах должны быть оснащены средствами предотвращения обратного тока. Вытяжные отверстия для дымоудаления должны быть пластинчатого типа. ⑧ Дымовые клапаны в чистой зоне должны устанавливаться встроенным (заподлицо) способом, а поверхность дымовых клапанов должна быть пригодна для легкой очистки и дезинфекции.

【Справка】 Дымовой противопожарный клапан. Дымовой противопожарный клапан устанавливается на воздуховодах системы дымоудаления и в нормальных условиях остается открытым; при пожаре он автоматически закрывается, когда температура газа в воздуховоде достигает 280 ℃. Это клапан, который в течение определенного времени удовлетворяет требованиям по огнестойкости и целостности при пожаре и служит для блокирования распространения дыма и прекращения распространения огня. Его состав и форма аналогичны составу и форме противопожарного клапана. Обычно он устанавливается на воздуховодах системы дымоудаления и в нормальном режиме закрыт, имеет как ручной, так и автоматический привод. При возникновении пожара пожарный извещатель выдает сигнал пожарной тревоги, контроллер подает питание на электромагнит клапана, в результате чего клапан быстро открывается, либо клапан может быть открыт вручную для дымоудаления. При достижении температуры 280 ℃ клапан автоматически закрывается и возвращается в исходное положение вручную. Клапан может быть сблокирован с другим оборудованием и после срабатывания выдает электрический сигнал.

После возникновения пожара в помещении открываются вытяжные отверстия дымоудаления в этом помещении, одновременно запускается вентилятор дымоудаления для удаления дыма, а люди эвакуируются. Когда температура дыма в воздуховоде дымоудаления достигает или превышает 280 ℃, дым уже содержит частицы горящего вещества, но в обычных условиях люди в помещении к этому моменту уже завершают эвакуацию. Если не прекратить дымоудаление в этот момент, существует опасность распространения огня и дыма в другие зоны, что может привести к возникновению новых очагов возгорания. Поэтому очень важно устанавливать на воздуховодах дымоудаления дымовые противопожарные клапаны, способные автоматически закрываться при температуре дыма выше 280 ℃.

Установка дымовых противопожарных клапанов должна выполняться в соответствии со следующими положениями:

① Дымовой противопожарный клапан должен устанавливаться на ответвительных воздуховодах системы дымоудаления.

② Дымовой противопожарный клапан должен устанавливаться в месте входа воздуховода дымоудаления в помещение вентилятора дымоудаления, при этом он должен быть сблокирован с вентилятором дымоудаления.

③ Дымовой противопожарный клапан должен устанавливаться на воздуховодах дымоудаления, которые вынужденно проходят через противопожарные стены, при этом он должен быть сблокирован с вентилятором дымоудаления.