У першій частині статті розглядалася розміщення точкових пожежних сповіщувачів в найпростішому випадку, на плоскому горизонтальному стелі при відсутності будь-яких перешкод для розповсюдження продуктів горіння від вогнища, У другій частині — розміщення точкових пожежних сповіщувачів з урахуванням впливу навколишніх предметів на перекритті. У третій частині розглядав ись більш значительн ті п репятствия для розп ространен і я диму в приміщенні: балки, стелажі, штабелі, перегородки і т. д. У четвертій частині розглядаються питання розміщення пожежних сповіщувачів з урахуванням ефекту стратифікації.
ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ
Ефективний захист сучасної будівлі протипожежними автоматичними системами з урахуванням роботи різних інженерних систем неможлива без розгляду фізичних процесів при виникненні вогнища пожежі. У зарубіжних нормативних документах крім вимог наводиться великий обсяг пояснень для унеможливлення неправильного тлумачення і застосування нормативних вимог. Наприклад, в європейському стандарті з систем виявлення пожежі та сповіщення для будівель BS 5839 Частина 1 «Норми і правила проектування, установки і обслуговування систем» в кожному розділі викладаються фізичні процеси, а практично в кожному пункті та пункті викладаються вимоги і даються пояснення курсивом. Ось що приблизно могло б передувати вимоги 13-го розділу СП 5.13130.2009 в якості рекомендацій при розміщенні пожежних сповіщувачів за аналогією зі стандартом BS 5839-1:
«Робота теплових і димових датчиків залежить від конвекції, яка переносить гарячий газ і дим від вогнища до детектора. Розташування і крок установки цих детекторів повинні ґрунтуватися на необхідності обмеження часу, витраченого на це рух, і за умови достатньої концентрації продуктів згоряння в місці установки детектора. Гарячий газ і дим в загальному випадку будуть концентруватися в найвищих частинах приміщення, тому саме там повинні бути розташовані теплові і димові детектори. Так як дим і гарячі гази від вогнища піднімаються вгору, вони розбавляються чистим і холодним повітрям, яке надходить в конвективну струмінь. Отже, із збільшенням висоти приміщення швидко зростає розмір вогнища, необхідний для активізації теплових або димових детекторів. В деякій мірі цей ефект можна компенсувати при використанні більш чутливих детекторів. Лінійні димові детектори з оптичним променем менш чутливі до ефекту високої стелі порівняно з детекторами точкового типу, оскільки із збільшенням задимленого простору пропорційно збільшується довжина променя, на яку впливає дим. До того ж при захопленні конвекційної струменем навколишнього повітря відбувається охолодження газів. Якщо стеля досить високий і навколишня температура у верхній частині приміщення висока, температура газодимовой суміші може знизитися до температури навколишнього середовища на рівні нижче стелі. Це можливо, якщо температура повітря в приміщенні збільшується з висотою, наприклад, в результаті нагріву сонцем температура повітря на вищих рівнях може бути більш високій, ніж температура диму. Тоді шар диму сформується на цьому рівні, не досягнувши стелі, як якщо б у приміщенні був «невидимий стеля» на певній висоті. Цей ефект відомий як стратифікація — розшарування. У цьому випадку і дим, і гарячі гази не будуть впливати на детектори, встановлені на стелі, незалежно від їх чутливості. Зазвичай важко передбачити з досить високим ступенем достовірності рівень, на якому буде відбуватися стратифікація. Це буде залежати від конвективної теплової потужності вогнища та від температурного профілю в межах захищуваного простору під час пожежі, жоден з яких не відомий кількісно. Якщо детектори встановлені на передбачуваному рівні стратифікації, а стратифікації не відбувається, або вона відбувається на більш високому рівні, виявлення може бути небезпечно запізнілим, оскільки відносно вузька конвекційна струмінь може «обійти» датчики. Врешті-решт, так як осередок збільшується і виділяється більше тепла, конвекційна струмінь подолає тепловий бар’єр і встановлені на стелі датчики стануть працездатні, хоча і в більш пізній стадії пожежі, ніж якщо б ніяка стратифікація не виникала. Проте зазвичай чим більше висота приміщення, тим більшого розміру вогнище виявляється. Таким чином, у високому приміщенні, в якому стратифікація є ймовірною, хоча і можуть бути використані додаткові детектори, на більш низьких рівнях в надії виявити стратифицированный шар, завжди повинні використовуватися детектори, встановлені на стелі. Так як струмінь гарячого газу є відносно вузькою, радіус зони контролю додаткових детекторів повинен бути зменшений.
Хоча для звичайної захисту якої-небудь зони застосовуються наведені вище міркування, локальні ділянки можуть бути захищені додатковими пожежними детекторами. Наприклад, системи з тепловими лінійними детекторами можуть бути особливо підходящими для того, щоб захистити елементи енергоустановок або кабельну мережу. При використанні в цих цілях детектор повинен бути встановлений наскільки можливо близько до місця, де міг би виникнути вогонь або перегрів, він повинен бути розташований над захищається установкою або в тепловому контакті з нею.
На ефективність автоматичної системи виявлення пожежі будуть впливати перешкоди між тепловими або димовими детекторами і продуктами горіння. Важливо, щоб теплові і димові детектори не були встановлені дуже близько до перепон для потоку гарячих газів і диму. Поблизу стику стіни і стелі розташовується «мертвий простір», в якому виявлення тепла або диму не буде ефективно. Так як гарячий газ і дим розтікаються горизонтально паралельно стелі, аналогічно є застійний шар поблизу стелі; це виключає установку з розташуванням чутливого елемента теплового або димового детектора врівень з стелею. Це обмеження може бути менш важливо в разі аспіраційної системи, оскільки ця система активно втягує проби повітря з рухомого шару диму і гарячих газів.
При установці теплових і димових детекторів повинна бути розглянута можлива структура повітряних потоків в приміщенні. Кондиціонер повітря та вентиляційні системи з високим рівнем повітрообміну можуть несприятливо впливати на здатності детекторів, створюючи приплив до них свіжого повітря і відтік нагрітого повітря, диму і газів від горіння або розріджуючи дим і гарячі гази від вогнища.
Детектори диму можуть бути встановлені для виявлення диму в вентиляційних каналах. В основному такі детектори повинні сприяти запобіганню поширення диму через вентиляційну систему, будь рециркуляція повітря повинна бути припинена у випадку пожежі. Ці детектори можуть бути підключені до системи пожежної тривоги, але якщо детектори диму мають нормальну чутливість, то вони не можуть бути задовільним засобом виявлення пожежі в зоні, з якої витягується повітря, так як дим розбавляється витягнутим чистим повітрям. У вентиляційних каналах дим може збиратися в один або декілька шарів, так що по можливості більшої частини каналу повинні братися проби. Труби для відбору проб з адекватними отворами розташовуються таким чином, щоб перекрити найбільш широкі розміри каналу.
Деякі системи виявлення диму з високою чутливістю (часто аспіраційного типу) можуть мати чутливість, достатню для виявлення диму, який був значною мірою розбавлений чистим повітрям. Випробування показують, що такі системи, коли вони використовуються для контролю повітря в системах охолодження за допомогою відбору проб повітря безпосередньо з потоку повітря, що здатні виявляти дуже малі зароджуються вогнища, пов’язані, наприклад, з тлінням електронних компонентів в обладнанні, розміщеному в шафах у зоні, що захищається. Це обладнання, як правило, розглядається в якості додаткового до інших способів виявлення пожежі в зоні, що захищається, в силу обмежених можливостей виявлення, як тільки рух повітря припиняється при виключенні вентиляційної системи».
Досить зрозумілі вихідні положення, які лежать в основі вимог щодо розміщення пожежних сповіщувачів. Можна тільки відзначити, що на відміну від європейських рекомендацій NFPA 72 детально опрацьовані питання захисту повітроводів. І в даний час всі провідні виробники пожежних сповіщувачів випускають монтажні комплекти і повітрозабірні трубки для встановлення на димарі.
Рис. 1. Приклади температурних градієнтів в приміщеннях
РОЗРАХУНОК ВПЛИВУ СТРАТИФІКАЦІЇ
У загальному випадку в приміщенні тепле повітря розташовується у верхній частині приміщення, холодне повітря — у нижній частині, тобто є якийсь температурний градієнт в нормальних умовах, до виникнення вогнища. Значне підвищення температури у верхній частині приміщення можливо в результаті нагрівання від сонячних променів у разі даху з прозорих матеріалів. У додатку до стандарту NFPA 72 розглядаються два приклади впливу стратифікації в приміщеннях заввишки 20 м, але з різним зміною температури по висоті:
1. Температура повітря в нижній частині приміщення має одну величину, а у верхній частині значно вище. Під стелею є значний шар теплого повітря, температура якого на 30 °С перевищує температуру в нижній частині приміщення. Таке явище часто спостерігається, наприклад, у великих торгових центрах, коли система припливно-витяжної вентиляції знаходиться на середньому рівні по висоті приміщення, а сонячні промені забезпечують нагрів за рахунок парникового ефекту (рис. 1а).
2. Температура всередині приміщення підвищується пропорційно висоті, тобто є постійний температурний градієнт від підлоги до стелі. Зміна температури передбачається рівним 1,5 °С/м. Отже, перепад температур від початкової на рівні підлоги до стелі, так само як і в першому випадку, складе 30 °С (рис. 16). Цей приклад відповідає високим приміщень без кондиціонування.
Таким чином, якщо прийняти температуру на рівні підлоги рівною 20 °С, то в першому випадку температура буде стабільна до певного рівня, наприклад до 15 м, а вище 15 м дорівнюватиме 50 °С, а в другому випадку температура в приміщенні буде лінійно збільшується з 20 °С на рівні підлоги до 50 °С на рівні стелі.
На рис. 2 пунктиром показані температурні градієнти для цих двох прикладів, а суцільними лініями — зміна температури в центрі висхідного потоку від вогнищ зі значною тепловою потужністю 1000 кВт і 2000 кВт. Необхідно відзначити, що в NFPA 72 визначення кроку розставляння теплових пожежних сповіщувачів або спринклерів, виходячи з пожежної навантаження в конкретному випадку, проводиться за критерієм забезпечення початку пожежогасіння, коли потужність вогнища не перевищує 1000 кВт.
Рис. 2. Залежно від температури навколишнього середовища і газоповітряної суміші від висоти
Наведений графік показує, що висхідна газоповітряна суміш з ростом висоти досить швидко втрачає температуру і для обох вогнищ на висоті 20 м вона знижується до температури 30-35 °С, отже, дим може досягти стелі тільки в випадку перепаду температур не більше 10 — 15°С. А в розглянутому 1-му прикладі дим дійде до висоти близько 15-16 м, у 2-му прикладі дим від вогнища потужністю 1000 кВт дійде до висоти приблизно 13,5 м, а від вогнища потужністю 2000 кВт — до висоти близько 16 м. На таких висотах температура газоповітряної суміші стає рівною температурі навколишнього середовища, то у струменя більше немає виштовхувальної сили, вона втрачає спрямоване вгору рух і стратіфіціруют на такій висоті.
Температура середньої лінії струменя може бути обчислена за допомогою наступного рівняння, наведеного в NFPA 72:
Tc=25Qc2/3z-5/3+20, де
Тз — температура в центрі газоповітряної суміші, °С;
Qc — конвекційна частина теплової потужності вогнища, кВт;
z — висота над пожежним навантаженням, м.
Також в NFPA 72 наведена формула для обчислення висоти, на яку підніметься газоповітряна суміш, щоб визначити, чи досягне вона димових або теплових сповіщувачів у разі осесимиетричного поширення диму і лінійного збільшення температури навколишнього середовища:
Zm = 5,54Qc1/4(ΔT0/dZ)-3/8, де
Zm — максимальна висота підйому диму над поверхнею вогнища, м;
ΔT0 — різниця між температурою навколишнього середовища на висоті розміщення детекторів і температурою навколишнього середовища на рівні вогнища °С;
Qc — конвекційна частина теплової потужності вогнища, кВт.
Вважається, що конвективну частину Qc потужності тепловиділення вогнища можна оцінити як 70% від загального тепловиділення.
Для спрощення практичних розрахунків в NFPA 72 наведені графічні залежності зміни температури від висоти підйому диму для декількох значень потужності вогнища (рис. 3), причому тут вказана загальна потужність вогнища, а не її конвекційна частина. За цими графіками визначається величина максимального підйому диму Zm. Якщо отримана величина більше відстані від пожежної навантаження до перекриття, то результат можна вважати задовільним, а якщо ці значення приблизно рівні, то ймовірність виявлення вогнища заданого розміру неприпустимо низька.
Рис. 3. Зміна температури газоповітряної суміші від висоти
Ще один вираз для визначення мінімальної потужності вогнища Qс, при якій дим досягне перекриття (Zm = Н), в припущенні лінійної зміни температури навколишнього середовища з висотою:
Qc = 0,0018Н5/2ΔT03/2.
Теоретичні основи для розрахунку стратифікації представлені в роботі Morton, Ст. R., Taylor, Sir Geoffrey, and Turner, J. S. Turbulent Gravitational Convection from Maintained and Instantaneous Sources, Proc. Royal Society A, 234, 1-23, 1956 і в роботі Heskestad, G. and Delichatsios, M. A. The Initial Convective Flow in Fire: Seventeenth Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA (1979). Для отримання додаткової інформації по виразу, що визначає величину Zm, рекомендується звернутися до роботи Klote, J. and Milke, J. Design of Smoke Management Systems, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA 1992, а також використовувати керівництво NFPA 92В «Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas», тобто «Керівництво no систем димовідведення в торгових центрах, атріумах і великих просторах».
У приміщеннях, де може проявлятися ефект стратифікації, NFPA 72 рекомендується контролювати дим не тільки під перекриттям, але і на більш низьких рівнях. Причому виходячи з фізики процесу це положення поширюється на будь-який тип димових сповіщувачів і на точкові, і на лінійні і на аспіраційні. На рис. 4 показано розміщення сповіщувачів на 2 рівнях, причому нижній рівень повинен відстояти від перекриття мінімум на 900 мм. Також можуть бути використані додаткові сповіщувачі, встановлені на стіни та інші конструкції.
Рис. 4. Приклад розміщення димових сповіщувачів на двох рівнях
ЛІНІЙНІ ПОЖЕЖНІ СПОВІЩУВАЧІ
За вимогами СП 5.13130.2009 в приміщеннях висотою до 12 м лінійні димові пожежні сповіщувачі повинні встановлюватися таким чином, щоб оптичний промінь розташовувався на відстані не менше 0,1 м і не більше 0,6 м від рівня перекриття. Допускається розміщення лінійних димових пожежних сповіщувачів нижче, ніж 0,6 м від рівня перекриття, якщо в розрахунковий час виявлення достатньо для виконання завдань протипожежного захисту.
У приміщеннях висотою більше 12 м лінійні сповіщувачі встановлюються в два яруси: нижній ярус сповіщувачів повинен бути розташований на відстані 1,5-2 м від верхнього рівня пожежної навантаження, але не менше 4 м від площини підлоги, а верхній ярус — на відстані не більше 0,8 м від рівня перекриття. При цьому в будь-якому випадку відстань між оптичними осями сповіщувачів повинна бути не більше 9,0 м, а оптичною віссю і стіною — не більше 4,5 м. Нижній ярус лінійних димових сповіщувачів очевидно призначений для більш раннього виявлення вогнища у разі стратифікації, однак імовірність виявлення диму на якійсь проміжній висоті досить мала. Виявлення висхідного потоку диму також вельми проблематично із-за значних відстаней між сповіщувачами (рис. 5). Причому виходячи з рівних відстаней між лінійними сповіщувачами 1-го і 2-го ярусів, вони, як правило, розташовуються один над одним, що додатково знижує ефективність роботи сповіщувачів нижнього ярусу. При цьому наші норми не допускають захист високого приміщення на «нижньому» рівні в один ярус в розрахунку на виявлення висхідного потоку диму.
Рис. 5. Проблема виявлення висхідного потоку лінійним сповіщувачем
За європейським вимогам точкові димові сповіщувачі розміщуються по квадратній сітці з кроком 10,5 м, що відповідає радіусу захищається зони кожного сповіщувача, рівного 7,5 м. А лінійні димові сповіщувачі розміщуються не через 10,5 м, як ряди точкових сповіщувачів, а через 15 м. тобто вважається, що лінійний сповіщувач захищає площа, ширина якої дорівнює діаметру зони, що захищається точкових сповіщувачів.
У загальному випадку лінійні сповіщувачі розміщуються під перекриттям в один ярус і їх оптичні осі повинні розташовуватися на відстані не більше 600 мм від перекриття. Крім того, за стандартом BS 5839-1 також можлива установка лінійних димових детекторів на довільній відстані від стелі. Однак при такому розміщенні детекторів захищається площа значно скорочується і становить до 12,5% від висоти установки в кожну сторону від оптичної осі (мал. 6), тобто ширина площі, що захищається одним лінійним сповіщувачем, дорівнює V* висоти його встановлення. Дим із збільшенням висоти розходиться на велику площу, отже, економічніше встановлювати лінійні оптичні детектори на максимально можливій висоті. Так, наприклад, при установці на висоті 4 м для надійного виявлення вогнища відстань між оптичними осями повинно бути не більше 1 м, при установці на висоті 20 м, відповідно, не більш 5 м.
Рис. 6. Розміщення лінійних сповіщувачів за європейськими нормами
Дана розстановка лінійних сповіщувачів добре поєднується з моделлю поширення диму, наведеною у посібнику визначенням розміщення димових сповіщувачів американського стандарту пожежної сигналізації NFPA 72. Передбачається, що дим, що піднімається від вогнища, утворює перевернутий конус з кутом, рівним 22° відповідно, на висоті Н діаметр площі, заповненій димом, дорівнює 0,4 М. Маючи лінійні сповіщувачі з кроком 0,25 М, при будь-якому розташуванні вогнища забезпечується проходження диму через один або два оптичних променя лінійних сповіщувачів.
Рис. 7. Поширення диму від вогнища у вигляді конуса
На закінчення необхідно відзначити, що в європейських нормах розміщення пожежних сповіщувачів залежить від призначення пожежної сигналізації, забезпечення захисту людей (категорія L) або захисту майна (категорія Р). Наприклад, для захисту людей точкові димові детектори допускається встановлювати в приміщеннях висотою до 10,5 м, а для захисту майна — заввишки до 15 м, у той час як наші димові сповіщувачі незалежно від захисту людей або майна допускається встановлювати в приміщеннях висотою до 12 м. Для порівняння в таблиці 1 наведена максимальна висота захищуваного приміщення за стандартом BS 5839-1 для різних типів пожежних детекторів, відповідних вимогам серії європейських стандартів BS EN54.
