Повышение эффективности противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов
На правах рукописи
КАЛМЫКОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОДЫМНОЙ
ЗАЩИТЫ АВТОСТОЯНОК ЗАКРЫТОГО ТИПА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУЙНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Специальности: 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность»
(Технические науки. Отрасль строительство)
05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2011
Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Есин Владимир Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Пузач Сергей Викторович
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва
доктор технических наук, профессор Диденко Василий Григорьевич
ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»,
г. Волгоград
Ведущая организация: ФГУ «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России, г. Балашиха
Защита состоится « 20 » июня 2011 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д.1, ауд. Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан « 19 » мая 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Пшеничкина В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы:
Автостоянки закрытого типа (подземные автостоянки, а также надземные автостоянки закрытого типа) в настоящее время становятся неотъемлемой составной частью инфраструктуры крупных городов России. Нормативными документами, действующими в Российской Федерации, требуется устройство систем дымоудаления при пожаре из объема автостоянки.
Зона действия дымоприемных отверстий в воздуховодах ограничена, вследствие чего в проектах систем дымоудаления необходимо предусматривать развитую в пределах этажа автостоянки сеть воздуховодов большого сечения. Наличие воздуховодов заставляет увеличивать высоту помещений автостоянки, что приводит к удорожанию строительства. Факторами, также вызывающими удорожание строительства, являются мероприятия, обеспечивающие нераспространение пожара и продуктов горения из помещения автостоянки
в другие помещения по системам воздуховодов общеобменной и противодымной вентиляции (установка огнезадерживающих клапанов и обеспечение нормативных пределов огнестойкости). Одним из возможных выходов
из сложившейся ситуации является использование струйных вентиляторов.
Сегодня в России применение струйных вентиляторов сдерживается рядом причин нормативного и методологического характера. К причинам нормативного характера следует отнести принятые в России методы обеспечения незадымляемости помещений. Вторая причина связана с сертификацией оборудования, применяемого в системах противодымной защиты.
В зарубежной и отечественной нормативной литературе и в доступных литературных источниках отсутствуют научно-обоснованные требования
к проектным параметрам струйных вентиляторов и рациональному их размещению в помещениях автостоянок закрытого типа, обеспечивающие эффективную работу противодымной вентиляции. Это свидетельствует о недостаточной изученности вопроса применения подобных систем дымоудаления и приводит к трудностям при проектировании и оценке правильности и эффективности работы подобных систем.
Поэтому представляется актуальным проведение исследования работы системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов с целью внедрения в автостоянках закрытого типа как возможного варианта устранения недостатков классических систем дымоудаления из автостоянок.
Цель работы: повышение эффективности противодымной защиты
с использованием струйных вентиляторов путем оптимизации проектных параметров и схем рационального размещения струйных вентиляторов
в помещениях автостоянок закрытого типа.
Указанная цель предполагает следующие задачи исследования:
- Адаптировать математические модели для описания работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов
в помещении закрытой автостоянки с учетом очага горения. - Провести расчеты по исследованию работы систем струйной и традиционной противодымной вентиляции в помещении закрытой автостоянки при пожаре.
- Определить минимальные значения проектных параметров струйных вен-тиляторов и схемы их рационального размещения, обеспечивающие эффективную работу системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов.
- По данным проведенных численных экспериментов определить расчетные зависимости задымленности и изменения площади зоны повышенной температуры в помещении автостоянки закрытого типа при работе системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов.
- На основе полученных результатов исследования разработать рекомендации по использованию струйных вентиляторов для целей противодымной защиты подземных и надземных закрытого типа автостоянок.
Основная идея работы состояла в исследовании на основе математического моделирования влияния различных факторов
на эффективность работы системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов при пожаре и определении минимальных значений проектных параметров струйных вентиляторов и схем рационального их размещения
в помещениях автостоянок закрытого типа.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
– установлена зависимость скорости струй на выбросных патрубках струйных вентиляторов от площади патрубков, соответствующая критерию эффективности работы струйной противодымной вентиляции;
– на основании численных экспериментов получены зависимости, характеризую-щие количественную оценку задымленности и изменения площади зоны повышенной температуры в помещении автостоянки в зависимости от проектных параметров струйных и вытяжных вентиляторов и геометрических параметров автостоянки.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением апробированного на решении задач подобного класса программных комплексов SOFIE и FDS; удовлетворительным согласованием результатов моделирования с результатами натурных экспериментов других авторов.
Объект исследования: эффективность противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов.
Предметом исследования являются проектные параметры и схемы рационального размещения струйных вентиляторов в помещениях автостоянок закрытого типа.
Практическая значимость:
- предложен критерий эффективности работы противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов;
2) полученные результаты исследований могут использоваться непосредственно в нормативно-технических подразделениях и проектных организациях при подготовке нормативных документов по пожарной безопасности по проектированию, строительству и эксплуатации, проектной
и рабочей документации реальных объектов;
3) разработка проектов систем противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов на основе полученных в работе результатов
и дальнейшее применение таких систем в автостоянках закрытого типа позволит уменьшить затраты на строительство вследствие уменьшения высоты этажа автостоянки или увеличить полезное пространство подобных объектов
за счёт отсутствия воздуховодов большого сечения систем дымоудаления.
Реализация результатов работы: результаты работы использованы
при разработке рекомендаций Р НП «АВОК» 5.5.1–2010 «Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий», при разработке проекта системы противодымной защиты подземной автостоянки комплекса Россия Московского международного делового центра Москва-Сити
и используются в учебном процессе в Академии ГПС МЧС России.
Апробация и реализация результатов работы:
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международной конференции – рабочей встрече экспертов России и НАТО «Стойкость городских сооружений к комбинированным опасным воздействиям: уроки 11 сентября и научные задачи на будущее». – Москва, 2007 г; Европейском АВОК – EHI симпозиуме «Современное энергоэффективное оборудование для теплоснабжения и климатизации зданий». – Москва, 2008 г; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности». – Москва, 2008 г; XXVI конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности». – Москва, 2009 г; Международной конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство». – Волгоград, 2010 г; XXVII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности». – Москва, 2010 г.
Положения, выносимые на защиту:
– адаптированные и апробированные на основании сравнения с экспериментальными данными математические модели для описания работы противодымной вентиляции автостоянки закрытого типа
с использованием струйных вентиляторов;
– результаты численного моделирования работы противодымной вентиляции с использованием струйных вентиляторов в помещении автостоянки закрытого типа;
– научно-обоснованные требования, предъявляемые к проектным параметрам струйных вентиляторов и схемам рационального их размещения в помещениях автостоянок закрытого типа.
Публикации, структура и объем работы. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки Российской Федерации для публикации основных научных результатов. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включая 102 иллюстрации. Список литературы содержит 117 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна, практическая ценность полученных результатов работы, а также положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе отображено современное состояние противодымной защиты автостоянок закрытого типа. Рассмотрены различные принципы и способы обеспечения противодымной защиты подобных объектов.
Традиционные системы дымоудаления из автостоянок обладают рядом недостатков (наличие воздуховодов большого сечения, необходимость устройства мероприятий, обеспечивающих нераспространение пожара
и продуктов горения из помещения автостоянки в другие помещения
по системам воздуховодов общеобменной и противодымной вентиляции),
что приводит к удорожанию строительства таких объектов.
В зарубежных литературных источниках указывается, что для вентилиро-вания и дымоудаления из подземных объектов и, в частности, автостоянок начали применяться струйные вентиляторы. Использование подобных систем дымо-удаления позволит избежать указанных выше недостатков традиционных систем.
Однако, отсутствие научно-обоснованных требований, предъявляемых
к проектным параметрам струйных вентиляторов и рациональности их размещения в помещениях автостоянок, как в нормативной литературе, так
и в доступных отечественных и зарубежных литературных источниках приводит к трудностям при проектировании систем противодымной защиты,
а также оценке правильности и эффективности работы таких систем.
Это является причиной для проведения исследований работы систем противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов.
Исследование работы системы струйной противодымной вентиляции закрытых автостоянок требует решения ряда многофакторных задач. Одна
из таких задач связана с взаимодействием струй импульсных вентиляторов
с очагом пожара. Из проведенного краткого анализа следует, что решить поставленную задачу аналитически не удается. Возможными подходами
к решению поставленной задачи является проведение натурных экспериментов или математическое моделирование. Проведение натурных экспериментов
по исследованию работы струйных вентиляторов для противодымной защиты автостоянок закрытого типа встречает существенные трудности организационного и финансового характера. Приемлемым способом представляется использование методов математического моделирования.
Проведенный анализ существующих математических моделей для решения задачи об использовании струйных вентиляторов для противодымной защиты автостоянок закрытого типа позволяет выбрать полевую математическую модель.
На основании обзора и анализа литературных источников сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе диссертации приводится постановка задачи, которая включает в себя следующее: уравнения сохранения массы, масс отдельных компонентов продуктов горения, импульса, энергии; модели турбулентности; модели горения; модели радиационного теплообмена; условия однозначности (начальные и граничные условия); метод численного решения основных уравнений.
Обобщённое дифференциальное уравнение математических моделей имеет вид:
, (1)
где t – время, – плотность, 
- консервативная величина (скаляр), xj –коорди-ната, ui – составляющая скорости, 
– соответствующий ей коэффициент пере-носа, 
– источниковый член.
Уравнение (1) описывает сохранение импульса при 
, сохранение энергии при 
, сохранение массы при 
, сохранение массы компонентов при 
, перенос кинетической энергии турбулентности при 
и скорости ее диссипации при 
.
При реализации процессов турбулентного переноса с помощью 
модели турбулентности с поправкой на влияние естественной конвекции решаются два уравнения переноса.
Уравнение переноса для турбулентной кинетической энергии k:
(2)
где 
– турбулентная динамическая вязкость, 
,
– аналоги критерия Прандтля для уравнений кинетической энергии турбулентных пульсаций и скорости ее дис-сипации, 
– ламинарная динамическая вязкость, 
– коэффициент объемного рас-ширения, 
– ускорение свободного падения, Pr –критерий Прандтля; T – темпера-тура. Черта над символами переменных означает осреднение величины.
Уравнение переноса для диссипации турбулентной кинетической энергии :
(3)
где С1 и С2 – эмпирические константы.
При реализации процессов турбулентного переноса с помощью модели крупных вихрей коэффициенты диссипативных процессов (вязкость LES, теплопроводность LES, диффузия DLES), масштабы которых меньше размеров расчетной сетки, не решаются впрямую, а заменяются выражениями, моделирующими их воздействие.
Коэффициент турбулентной вязкости рассчитывается как:
, (4)
где – тензор скоростей деформации, 
– оператор Гамильтона, Сs – эмпирическая константа, – размер расчетной сетки.
Коэффициенты турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии связаны с коэффициентом турбулентной вязкости уравнениями:
(5)
где Prt и Sct – турбулентные числа Прандтля и Шмидта, сp – удельная теплоёмкость, p – давление, D – коэффициент диффузии.
Для замыкания системы уравнений переноса используется уравнение состояния идеального газа, которое для смеси газов имеет вид:
(6)
где 
– универсальная газовая постоянная, Mm – молярная масса m-го компонента, Ym – массовая концентрация m-го компонента смеси.
Процесс горения рассматривается в виде одноступенчатой необратимой реакции между топливом и окислителем:
, (7)
где – массовые концентрации паров топлива, окислителя и продуктов горения; s – стехиометрический коэффициент.
Для расчета лучистого теплообмена записывается дополнительное уравнение для переноса лучистой энергии в газовой среде, которое решается методом дискретного радиационного переноса.
В математических моделях для различных типов поверхностей принимались следующие граничные условия:
- лично автором предложены граничные условия для моделирования работы струйного вентилятора: на поверхности нулевой толщины задавалась нормальная составляющая скорости ui, для турбулентных параметров использовались значения k и ;
- на внутренних поверхностях ограждающих и несущих конструкций использовалось условие прилипания
; - на свободной границе du/dn = 0;
- в очаге пожара в качестве граничных условий для турбулентных параметров использовались значения kfuel и fuel;
- для вытяжных вентиляционных отверстий: соответствующая составляющая скорости ui; градиенты других переменных полагаются равными нулю dФ/dn = 0;
- для приточных вентиляционных отверстий: соответствующая составляющая скорости ui, турбулентная кинетическая энергия k и скорость её диссипации ; температура, давление и концентрации компонентов соответствуют параметрам атмосферного воздуха (смесь кислорода и азота);
- теплообмен с твердыми поверхностями моделировался заданием коэффициента теплоотдачи при конвекции с помощью модифицированной пристеночной функции:
, (8)
где T+ – безразмерная температура, TP – температура в пристенной точке
с координатой yP, TW –температура стенки и qW – тепловой поток через стенку.
При моделировании пожара методом крупных вихрей теплообмен
с твердыми поверхностями моделировался заданием коэффициента теплоотдачи при конвекции:
(9)
где С – коэффициент свободной конвекции определяется для горизонтальных
и вертикальных поверхностей, k – теплопроводность газа, L – характерная длина, Re – критерий Рейнольдса.
Начальные условия (t = 0):
- помещение заполнение неподвижной смесью кислорода и азота: ui = uj = uk = 0;
- параметры газовой среды: массовая концентрация кислорода YO2 = 0,23; массовая концентрация азота YN2 = 0,77; температура T0 = 293 К; давление p0 = 101325 Па.
Температурные зависимости теплофизических свойств веществ устанавли-вались с помощью кусочно-полиномиальной аппроксимации; давление определялось согласно итерационной схеме SIMPLEC. Для приведения системы уравнений к алгебраической форме была использована «комбинированная» разностная схема; дискретизации производной по времени осуществлялась при помощи полностью неявной разностной схемы первого порядка. Все уравнения решались с помощью построчного алгоритма трёхдиагональной матрицы.
В третьей главе проведено численное исследование работы системы противодым-ной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов.
Для того чтобы оптимальным образом сформулировать математические модели применительно к решаемым задачам и убедиться, что они адекватно описывают рассматриваемые процессы и явления, была проведена проверка адекватности моделей на основе сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.
Для реализации математических моделей на ЭВМ были использованы программные комплексы SOFIE и FDS, специально разработанные международным консорциумом научных и исследовательских организаций для моделирования пожаров.
Данные экспериментов в помещении автостоянки закрытого типа были взяты из работы сотрудников компаний Novenco и TNO. Эксперименты проводились в подземной автостоянке в г. Амстердам, Нидерланды.
Суть проводимых экспериментов заключалась в измерении скорости потока воздуха в зоне действия струйного вентилятора на расстоянии 8 и 16 м от его выбросного патрубка. Высота помещения закрытой автостоянки составляла 2,5 м. Диаметр рабочего колеса струйного вентилятора равнялся 0,355 м. Производительность струйного вентилятора при тяге в 32 Н составляла 1,8 м3/с.
Размеры помещения закрытой автостоянки составляли 45 20 2,5 м. Размеры струйного вентилятора принимались равными 0,3 0,3 м. Скорость
на выбросных патрубках вентиляторов принималась равной 20 м/с. Значения скорости приведены для момента времени 300 с от начала моделируемого процесса.
На рис. 1 показано распределение скорости воздушного потока
в горизонтальной и вертикальной плоскостях оси рабочего колеса вентилятора на расстоянии 8 м и 16 м от выбросного патрубка вентилятора, соответственно. Расстояние по вертикали (рис. 1, б) принято от пола моделируемого помещения.
На основании проведенного сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными сделан вывод о том, что данные математические модели пригодны для решения поставленной в работе задачи исследования работы системы противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов. Полученные расчетные данные в целом согласуются с результатами экспериментов.
а б
Рис. 1. Распределение скорости воздушного потока в горизонтальной плоскости на расстоянии 8 м (а) и в вертикальной плоскости на расстоянии 16 м (б) от выбросного патрубка вентилятора
Для исследования влияния различных факторов на эффективность работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов
и определения минимальных значений проектных параметров струйных вентиляторов и рационального их размещения в помещениях автостоянок закрытого типа были проведены одиннадцать серий численных экспериментов.
Реализация процессов горения осуществлялась с помощью диффузионно-вихревой модели. При оценке образования сажи и её распространения в объёме помещения была использована модель Теснера. Для расчета лучистого теплообмена в основную систему уравнений добавлялось дополнительное уравнение для переноса лучистой энергии в газовой среде, которое решалось методом дискретного радиационного переноса.
В первой серии численных экспериментов определялась величина скорости струй на выбросных патрубках струйных вентиляторов, необходимая для перемещения дымовых газов к дымоприёмным отверстиям вытяжных шахт.
Размеры моделируемого помещения принимались равными 45 20 3 м; площадь составляла 900 м; размеры струйного вентилятора принимались равными 2,0 0,4 0,4 м. Расстояние между вентиляторами принималось равным 20 м. Скорость потока воздуха, выходящего из выбросного патрубка струйного вентилятора, составляла: 20 м/с – 1-й расчёт, 10 м/с – 2-й расчёт, 5 м/с – 3-й расчёт. Очаг горения представлял собой прямоугольную горелку с размерами 1,88 3,0 м. Мощность тепловыделения была постоянной и равнялась 4 165 кВт.
На рис. 2 показано распределение скорости воздушного потока
в вертикальной плоскости оси рабочего колеса вентиляторов на расстоянии
8 и 16 м от выбросного патрубка первого вентилятора, соответственно,
на момент времени 300 с от начала моделируемого процесса.
Расчетный сценарий проведения численного эксперимента принимался
из условия горения одного автомобиля, т.к. остальные автомобили, находящиеся
в автостоянке будут отсекаться от горящего автоматической системой пожаротушения. Мощность тепловыделения при горении автомобиля принималась согласно экспериментальным данным. Скорость струй на выбросных патрубках вентиляторов принимались по паспортным данным из каталогов фирм-производителей струйных вентиляторов в диапазоне от 5 до 20 м/с.
а б
– V = 20 м/с; 
– V = 10 м/с; 
– V = 5 м/с.
Рис. 2. Распределение скорости воздушного потока в вертикальной плоскости
на расстоянии 8 м (а) и 16 м (б) от выбросного патрубка вентилятора
Как видно из вышеприведенного рисунка, отрицательных значений скорости воздушного потока не наблюдается лишь при скорости струи
на выбросном патрубке вентилятора равной 20 м/с. При скоростях воздушных струй 5 и 10 м/с возникают отрицательные значения скорости над очагом пожара, свидетельствующие о циркуляции воздуха (дыма) внутри помещения, что противоречит принципам работы струйной вентиляции.
Во второй серии расчетов определялось максимальное расстояние между параллельно расположенными струйными вентиляторами, для этого моделировалась работа системы противодымной вентиляции на примере четырёх струйных вентиляторов в помещении автостоянки.
Площадь моделируемого помещения составляла 1 800 м. Расположение струй-ных вентиляторов предполагалось в два ряда, в каждом ряду по два вентилятора. Расстояние между последовательно расположенными вентиляторами принималось равным 20 м, при этом варьировалось расстояние между параллельно расположен-ными вентиляторами: 10 м – в первом расчете, 20 м – во втором и 30 м – в третьем.
На рис. 3 показано распределение скорости воздушного потока
в горизонтальной плоскости оси рабочего колеса вентилятора на расстоянии 8 и 16 м от выбросного патрубка первого вентилятора, соответственно.
Из рис. 3, а видно, что при расстоянии между параллельно расположенными вентиляторами в 10 и 20 м, отрицательных значений скорости воздушного потока в области помещения между вентиляторами не наблюдается, а при расстоянии между параллельно расположенными струйными вентиляторами в 30 м, есть такие значения; на рис. 3, б отрицательных значений нет только у профиля скоростей, соответствующего расстоянию между параллельно расположенными струйными вентиляторами в 10 м.
а б
– a = 30 м; 
– a = 20 м; 
– a = 10 м.
Рис. 3. Распределение скорости воздушного потока в горизонтальной плоскости
на расстоянии 8 м (а) и 16 м (б) от выбросного патрубка вентилятора
Из этого сделан вывод о том, что для эффективной работы системы противодымной защиты расстояние между параллельно расположенными струйными вентиляторами должно составлять не более 10 м.
В третьей серии расчетов определялось максимальное расстояние между последовательно расположенными струйными вентиляторами. Расстояние между вентиляторами варьировалось от 10 м до 40 м. Скорость на выбросных патрубках вентиляторов принималась постоянной и равной 20 м/с.
На рис. 4 показано распределение скорости воздушного потока
в горизонтальной плоскости оси рабочего колеса вентиляторов на участке
от выбросного патрубка первого вентилятора до входного патрубка второго вентилятора на расстоянии 2,6 м от уровня пола помещения. Результаты экспери-ментов приведены для момента времени 300 с от начала моделируемого процесса.
– b = 40 м; 
– b = 30 м; 
– b = 20 м; 
– b = 10 м.
Рис. 4. Распределение скорости воздушного потока в горизонтальной плоскости на участке
от выбросного патрубка первого вентилятора до входного патрубка второго вентилятора
На расстоянии 5 м от очага пожара скорость дымовых газов составит 1,4 м/с. Следовательно, при нахождении очага пожара в центре зоны шириной 10 м между струйными вентиляторами для предотвращения растекания дымового слоя скорость струй должна превышать указанное выше значение.
Из рис. 4 видно, что скорость струи, выходящей из первого струйного вентилятора, меньше 1,4 м/с наблюдается на профиле скорости струи, когда расстояние между последовательно расположенными вентиляторами составляет 40 м. Из этого сделано заключение о том, что расстояние между последовательно расположенными вентиляторами должно составлять не более 30 м.
В четвёртой серии численных экспериментов исследовалось влияние площади и количества вытяжных дымоприёмных устройств в зависимости от расхода продуктов горения на эффективность работы противодымной защиты автостоянок закрытого типа с использованием струйных вентиляторов.
Суммарный расход удаляемых продуктов горения принимался 100 000 и 150 000 м3/ч для каждого из вариантов численных экспериментов. Расход приточного воздуха составлял 70 % от удаляемого. Количество дымоприёмных отверстий принималось равным от 2 до 8 с размерами 1,2 0,8м.
По четвертой серии расчётов сделано заключение о том, что для эффективной работы системы противодымной защиты автостоянки закрытого типа с использованием струйных вентиляторов при расходе удаляемых продуктов горения 100 000м3/ч следует предусматривать дымоприёмные отверстия
с достаточно большой суммарной площадью (10–12 м2). Увеличение расхода удаляемых продуктов горения из помещения автостоянки позволяет уменьшить количество и площадь дымоприёмных отверстий.
В дополнение к вышеприведённым численным экспериментам было проведено исследование влияния на эффективность работы противодымной вентиляции таких факторов, как: высоты закрытой автостоянки, высоты установки струйных вентиляторов, наличия автотранспортных средств, наличия балок, расположенных поперечно струйным вентиляторам.
Получена детальная картина полей дальности видимости и температуры в зависимости от влияния исследуемого фактора на эффективность работы противодымной вентиляции. Определены факторы, оказывающие доминирующее влияние на эффективность работы системы дымоудаления (высота установки вентиляторов, суммарная площадь дымоприёмных устройств, поперечно-расположенные балки перекрытия перемещаемому потоку дымовых газов) и факторы, не оказывающие значительного влияния (высота помещения автостоянки, наличие и расположение автотранспортных средств).
В заключении проведено сравнение работы классической и импульсной систем противодымной вентиляции подземной автостоянки при горении одного автомобиля.
Рассматривались три варианта сравнения:
– вариант 1: расход удаляемых продуктов горения принимался равным 50 000 м3/ч;
– вариант 2: расход удаляемых продуктов горения принимался равным 100 000 м3/ч;
– вариант 3: расход удаляемых продуктов горения принимался равным 150 000 м3/ч.
На рис. 5–6 показаны поля дальности видимости и температуры
в горизонтальной плоскости на уровне рабочей зоны на моменты времени 300
и 900 с от начала моделируемого процесса.
а б
Рис. 5. Поля дальности видимости ( = 300 с; L = 50 000 м3/ч) при работе классической системы дымоудаления (а) и системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов (б)
а б
Рис. 6. Поля температуры ( = 300 с; L = 50 000 м3/ч) при работе классической системы дымоудаления (а) и системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов (б)
При сравнении результатов моделирования работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов с результатами моделирования работы классической противодымной вентиляции можно отметить, что на момент времени 300 с от начала моделируемого процесса для всех трёх вариантов работы классической системы противодымной вентиляции наблюдается как отсутствие задымления, так и отсутствие наступления повышенной температуры на уровне рабочей зоны.
Напротив, при работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов отмечается несколько большее задымление и повышение температуры на момент времени 300 с на уровне рабочей зоны, так как дым
не удерживается вблизи перекрытия в зоне дымоприёмных отверстий, а сгоняется
в горизонтальном направлении к дымоприёмным отверстиям вытяжных шахт.
На момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при работе классической системы противодымной вентиляции наблюдается снижение дальности видимости ниже предельного значения (менее 20 м) на уровне рабочей зоны на большей части помещения закрытой автостоянки. Наступление же значений температуры, превосходящих критическую для человека величину (70 °С), отмечается на незначительной площади помещения закрытой автостоянки.
При работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса степень задымления и зона повышенной температуры в помещении закрытой автостоянки сохраняется практически такой же, как и на момент времени 300 с.
В четвёртой главе для оптимизации проектных параметров
и рационального размещения струйных вентиляторов в помещениях автостоянок закрытого типа проведена количественная оценка распространения опасных факторов пожара при работе системы противодымной защиты
с использованием струйных вентиляторов на уровне рабочей зоны и выбор наиболее эффективного варианта работы системы.
Основной функцией системы противодымной защиты является предотвращение или ограничение воздействия опасных факторов пожара
на людей при пожаре для обеспечения их безопасной эвакуации, а условие наступления опасных факторов пожара проверяется на уровне рабочей зоны. Высота рабочей зоны, согласно нормативным документам, составляет 1,7 м.
При моделировании работы системы противодымной защиты
с использованием струйных вентиляторов в помещении автостоянки в случае пожара отмечается наступление только повышенной температуры (более 70 °С) и снижение дальности видимости в дыму (менее 20 м). Наступление других опасных факторов пожара наблюдается лишь в зоне очага горения, поэтому расчётные поля в помещении автостоянки на уровне рабочей зоны приводились только для указанных выше ОФП.
– 0,5 0,5 м; 
– 0,4 0,4 м; 
– 0,3 0,3 м.
Рис. 7. Изменение площади зоны задымления в помещении автостоянки при различных скоростях струй в зависимости от размеров выбросных патрубков струйных вентиляторов
На рис. 7 показано изменение площади задымления в процентном отношении к площади автостоянки при различных скоростях струй на выбросных патрубках струйных вентиляторов в зависимости от размеров этих патрубков.
Из рисунка видно, что минимальная зона задымления в помещении автостоянки при пожаре обеспечивается при скорости струй 10 м/с на выбросных патрубках при работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов с размерами патрубков 0,5 0,5 м; 15 м/с – системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов с размерами патрубков 0,4 0,4 м; 20 м/с – при работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов с размерами патрубков 0,3 0,3 м.
Так как площадь задымления автостоянки при указанных выше скоростях струй на выбросных патрубках вентиляторов будет минимальной, то и величины таких параметров в соответствии с размерами патрубков вентиляторов являются оптимальными. Площадь зоны задымления на уровне рабочей зоны в каждом из трёх вариантов не превышает 20% от площади помещения автостоянки закрытого типа.
На рис. 8 показано изменение площади зоны задымления и повышенной температуры в процентном отношении к площади автостоянки в зависимости от величины расхода удаляемых продуктов горения.
а б
– 300 с;
– 900 с.
Рис. 8. Изменение площади зон задымления (а) и повышенной температуры (б) в помещении автостоянки в зависимости от величины расхода удаляемых продуктов горения
Из этого рисунка видно, что при величине расхода удаляемых продуктов горения 50 000 м3/ч на момент времени 300 с отмечается задымление почти половины (47,8 %) помещения автостоянки на уровне рабочей зоны, а на момент времени 900 с почти всё помещение автостоянки (87,2 %) является задымлённым, что свидетельствует о недостаточности величины расхода. Подобная картина наблюдается и при рассмотрении зон повышенной температуры.
При величине расхода удаляемых продуктов горения, равной 150 000 м3/ч, отмечается несколько меньшие площади зон задымления и повышенной температуры по сравнению со значениями, получаемыми при величине расхода равной 100 000 м3/ч (13,4 % против 26,3 % – для зоны задымления и 4,9 % против 11,1 % – для зоны повышенной температуры) на момент времени 300 с, когда осуществляется процесс эвакуации из помещения автостоянки.
На момент же времени 900 с, когда подразделения пожарной охраны приступают к тушению пожара, оптимальные условия их деятельности обеспечиваются при расходе удаляемых продуктов горения 100 000 м3/ч.
Оптимальная величина расхода удаляемых продуктов горения меняется
в пределах от 100 000 м3/ч до 150 000 м3/ч.
Проведена количественная оценка распространения опасных факторов пожара при работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов при изменении таких величин, как высота установки струйных вентиляторов, высота помещения, а также при наличии и отсутствии автомобилей в автостоянке и определены их оптимальные параметры.
При проектировании, монтаже и профилактическом надзоре для оценки правильности и эффективности работы систем противодымной защиты
с использованием струйных вентиляторов автостоянок закрытого типа необходимо определить критерий, позволяющий обеспечивать безопасные условия эвакуации людей при пожаре. Минимальные значения площади зоны пониженной видимости в помещении автостоянки закрытого типа при работе системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов на уровне рабочей зоны составляют около 30% от площади помещения.
На основании этого предлагается определить критерий эффективности работы системы противодымной защиты автостоянок закрытого типа
с использованием струйных вентиляторов.
Работа системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов в помещении автостоянки закрытого типа считается эффективной, если площадь задымления (пониженной видимости) при пожаре не превышает 30% от площади помещения автостоянки на уровне рабочей зоны в течение времени, необходимого для эвакуации людей.
Учитывая этот критерий, получена зависимость скорости струй на выбросных патрубках струйных вентиляторов Vjet от площади проходного сечения патрубков Fjet, необходимой для эффективной работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов в помещении автостоянок закрытого типа. Для представления зависимости в математическом выражении использовалась полиномиальная аппроксимация по методу наименьших квадратов. Полученное выражение имеет следующий вид:
Vjet = 99,21·Fjet2 – 96,23·Fjet + 27,86. (10)
Математическое выражение (10) справедливо для диапазона площади проходного сечения патрубков струйных вентиляторов от 0,09 до 0,25 м2.
В результате аппроксимации данных численных экспериментов по задымленности помещения автостоянки полиномом второй степени с учетом значимости вычисленных коэффициентов, на уровне значимости = 0,05 принятом для технических экспериментов, получено следующее уравнение регрессии:
Z = 1558927 + 1001·Vjet 2 + 13481550·F 2 + 181072·h2 + 2·t2 + 248·l2 +
+ 27924·Vjet - 2504874·F - 1086437·h + 2·Fext - 2333·t + 239·l, (11)
где Z – площадь задымления в процентном соотношении к площади автостоянки, Vjet – то же, что в формуле (10), Fjet – то же, что в формуле (10), h – высота помещения автостоянки, t – то же, что в формуле (1), l – расстояние от перекрытия до оси рабочего колеса вентилятора, Fext – площадь дымоприёмных отверстий.
Значимость коэффициентов уравнения регрессии определялась по критерию Стьюдента. Адекватность уравнений регрессии проверялась сопоставлением расчетного и табличного (при заданных промежуточных величинах при вычислении критерия Стьюдента q и числе степеней свободы) значений критерия Фишера F, представляющего собой отношение дисперсии адекватности к ошибке опыта. Выполнение во всех случаях условий Fр<Fm свидетельствует об адекватности полученной модели. Дисперсия аппроксимации данных полиномом второй степени составляет R2 = 0,903, что позволяет сделать вывод об адекватности полученной зависимости.
По результатам проведенных численных экспериментов сформулированы рекомендации по применению системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов для подземных и надземных автостоянок закрытого типа.
ВЫВОДЫ
- Адаптированы и апробированы на основании сравнения
с экспериментальными данными математические модели для описания работы противодымной вентиляции в помещениях автостоянок закрытого типа. Данные математические модели могут использоваться для проведения дальнейших исследований и при выборе рационального варианта противодымной защиты конкретных объектов. - По результатам исследования установлены факторы, оказывающие доминирующее влияние на эффективность работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов в помещении автостоянки закрытого типа: расстояние между последовательно и параллельно расположенными вентиляторами; высота установки вентиляторов; скорость струй, выходящих из выбросных патрубков струйных вентиляторов в зависимости
от площади патрубков; расход удаляемых продуктов горения; суммарная площадь дымоприёмных устройств; поперечно-расположенные балки перекрытия, перемещаемому потоку дымовых газов. - Из анализа полей дальности видимости и температуры, полученных при моделировании горения одного автомобиля в помещении автостоянки, следует, что для эффективной работы системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов требуется обеспечивать величину расхода удаляемых продуктов горения не менее 100 000 м3/ч, при этом суммарная площадь дымоприёмных отверстий вытяжных шахт должна составлять 10–12 м2. Для того чтобы уменьшить суммарную площадь дымоприёмных отверстий до 2–3 м2 необходимо увеличить расход, удаляемых продуктов горения, до 150 000 м3/ч.
- Сравнительный анализ результатов моделирования работы традиционной системы противодымной защиты и системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов показал, что на начальном интервале времени (300 с) в случае применения традиционной системы противодымной вентиляции задымление и наступление повышенной температуры в помещении закрытой автостоянки происходит в меньшей степени по отношению к варианту применения системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов. Однако, на более поздних этапах времени (900 с)
при использовании традиционной противодымной вентиляции задымление отмечается на большей части помещения автостоянки, а при использовании системы противодымной защиты с использованием струйных вентиляторов зона задымления и повышенной температуры не увеличивается и сохраняется как
на начальном интервале времени. - На основе проведенных исследований сделан вывод о возможности применения струйных систем противодымной вентиляции для противодымной защиты автостоянок закрытого типа.
- Сформулированы рекомендации по применению струйных вентиляторов для противодымной защиты автостоянок закрытого типа.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
Статьи, опубликованные в журналах,
рекомендованных ВАК Минобразования и науки России
- Калмыков С. П. Влияние площади и количества дымоприёмных отверстий в зависимости от расхода удаляемых продуктов горения на эффективность работы импульсной противодымной вентиляции закрытых автостоянок // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 1. С. 34–40.
- Есин В. М., Калмыков С. П. Эффективность применения струйных вентиляторов для целей противодымной вентиляции автостоянок закрытого типа // Пром. и граждан. стр-во. 2008. № 5. С. 54–55.
Другие публикации
- Есин В. М., Калмыков С. П. Обоснование основных параметров, обеспечивающих эффективную работу системы дымоудаления и вентиляции автостоянки закрытого типа при помощи струйных вентиляторов // Пожаровзрывобезопасность. 2007. Т. 16, № 3. С. 54–62.
- Калмыков С. П. Численное моделирование работы системы струйной вентиля-ции закрытой автостоянки // Пожаровзрывобезопасность. 2007. Т. 16, № 1. С. 58–63.
- Есин В. М., Калмыков С. П. Импульсная противодымная вентиляция подземных автостоянок // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2010. № 1. С. 44–47.
- Есин В. М., Калмыков С. П. Целесообразность применения импульсной венти-ляции для противодымной защиты подземных автостоянок // Наука и образование : архитектура, градостроительство и строительство : материалы Международ. конф. посвященной 80-летию строит. образования и 40-летию арх. образования Волгоград. обл., 6–10 сент. 2010 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. С. 157–163.
- Есин В. М., Калмыков С. П. Дымоудаление и вентиляция автостоянок закрытого типа при помощи струйных вентиляторов. Обоснование основных параметров, обеспечивающих эффективную работу струйных вентиляторов // Актуальные проблемы пожарной безопасности : материалы Междунар. науч.-практ. конф. М.: ВНИИПО, 2008. Ч. 1. С. 176–178.
- Есин В. М., Калмыков С. П. Использование струйных вентиляторов в системах дымоудаления автостоянок // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2006. № 2. С. 60–62.
КАЛМЫКОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОДЫМНОЙ
ЗАЩИТЫ АВТОСТОЯНОК ЗАКРЫТОГО ТИПА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУЙНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Автореферат
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать 28.04.2011г. Формат 
.
Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 146.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Центр оперативной полиграфии ЦИТ,
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д. 1
