Данная заметка является переводом статьи с оригинальным названием "Гидравлическая изоляция дымовых потоков как новый способ дымоудаления прилегающих дымовых потоков"
Аннотация
OSD-застройка над железнодорожными станциями обеспечивает интеграцию транспорта в городскую среду. OSD-застройка может выполняться сверху существующей станции или совместно со строительством новой станции, и в обоих случаях оказывает влияние на организацию дымоудаления в объеме станции, а также уменьшает количество пространства для инженерных систем станции.
Примечание ред.
OSD – Oversite Development – способ строительства, при котором застройка выполняется сверху уже существующих сооружений (как правило, станций метро, железнодорожных станций)
В данной статье рассматривается ситуация, при которой OSD-встройка занимает часть объема станции, что усложняет работу по организации системы дымоудаления. Для решения этой проблемы был рассмотрен новый полупассивный способ дымоудаления для прилегающих дымовых потоков. Представленные FDS модели доказывают потенциальную эффективность гидравлической изоляции прилегающих дымовых потоков для снижения общего количества дыма в объеме атриума.
Также рассмотрен пример использования данного способа на железнодорожной станции, при этом дымоудаление может быть организовано в том числе при помощи струйных вентиляторов для направления дымовых потоков в сторону дымового канала. Представлена формула для определения необходимой ширины дымового канала для обеспечения естественного дымоудаления.
Ключевые слова: дымоудаление, прилегающие растекающиеся потоки, вентиляция железнодорожной станции
1. Введение
В этой статье рассмотрено исследование возможностей нового пассивного способа противодымной защиты с использованием пристенного дымового канала (который также называют вытяжной щелью) для гидравлического отделения восходящего дымового потока от основного объема воздуха. Принцип действия похож на экраны для направления дымового потока.
Ранее уже применялись такие пассивные меры противодымной защиты как экраны для направления дымового потока для уменьшения вовлечения воздуха в растекающиеся тепловые дымовые потоки (Law, 1986), которые позволяют косвенно уменьшить массовый расход дымоудаления, необходимый для поддержания постоянного уровня дымового слоя. Эмпирические формулы для расчета параметров противодымных экранов неприменимы при определении геометрических параметров дымового канала. Поэтому эффективность предлагаемого способа дымоудаления оценивалась при помощи вычислительной гидродинамики (CFD).
Несмотря на использование CFD моделирования, использование эмпирических формул остается быстрой и надежной альтернативой использованию CFD (Morgan и др., 1999). В рассматриваемом исследовании была предложена формула для определения необходимой ширины дымового канала для обеспечения естественного проветривания, которое может использоваться совместно с системой дымоудаления с механическим побуждением.
2. Растекающиеся дымовые потоки
Основная цель систем дымоудаления, располагающихся на перекрытии, удаление достаточного количества дыма из дымовой зоны для поддержания необходимого уровня дымового слоя для обеспечения безопасной эвакуации. Результатом является создание безопасного пространства под дымовым слоем, в котором эвакуирующиеся люди имеют достаточную дальность видимости, чтобы видеть направление эвакуации, воздух в этом пространстве не содержит угарного газа и избыточно высокой температуры.
Достижение необходимого уровня дымового слоя на путях эвакуации может быть достигнуто двумя способами. Во-первых, можно уменьшить объем дыма, поступающего в дымовую зону на потолке, во-вторых, можно увеличить производительность вытяжной установки системы дымоудаления или увеличить отверстия для естественного проветривания. Уменьшить объем дымовых потоков, поступающих в дымовую зону на потолке часто невозможно, потому что массовый расход дыма, поступающего в дымовую зону на потолке, является функцией от параметров, которые сложно контролировать при пожара (а именно, конвективная составляющая тепловыделения и размеры помещения). Увеличение расхода системы дымоудаления относительно простой способ, который чаще всего применяется для поддержания уровня дымового слоя в дымовой зоне.
Механика вовлечения воздуха в прилегающие дымовые потоки хорошо изучена и применяется при проектировании уже несколько десятилетий. Существует множество аналитических моделей для оценки массового расхода дыма, поступающего в дымовую зону потолка и они широко используются при проектировании систем дымоудаления. Струи тепловых потоков можно разделить на две категории: прилегающие струи и свободные струи (Harrison и Spearpoint 2009). Для прилегающих струй характерно движение вверх вдоль стены, к которой прилегает дым выходя в пространство атриума. Свободные струи в отличии создаются там, где нет вертикальных стен, ограничивающих движение дымовых потоков в вертикальном направлении.
Типовой случай образования дымовых потоков состоит из трех компонентов. Сначала создается дымовой резервуар, наполняющийся восходящими дымовыми потоками, который начинает заполнять помещение дымом. Этот резервуар распространяется по потолку, пока не достигнет проема в другое более просторное помещение (атриум). Когда дымовой поток выходит из помещения, он вращается на границе проема и движется в сторону потолка атриума, эту область принято называть точкой разворота (в некоторых источниках упоминается как край растекания). В этой области происходит незначительное вовлечение воздуха, и по мере того, как дым поднимается, происходит дальнейший захват воздуха дымовым потоком, пока поток не достигнет высоты атриума, в результате чего образуется вторичный потолочный резервуар.
3. Предлагаемые способы по снижению воздействия дымовых потоков
В рассматриваемом случае OSD-встройка заняла часть пространства станции, высота в свету составила 6 метров между платформой и OSD-встройкой. Пространство вокруг OSD-встройки было значительно выше – около 17 м. Система дымоудаления располагалась на втором и последующих уровнях кровли. Технически была возможность проектирования дымовых каналов вниз до уровня платформы, но это уменьшило бы часть полезного пространства OSD-встройки. Поэтому было предусмотрено, что дымовые потоки будут двигаться вдоль платформы под OSD-встройкой, затем подниматься к потолку атриума.
Когда дымовые потоки двигаются вдоль потолка и затем поднимаются к потолку атриума образуется большое количество дыма. По мере того, как дымовой поток перекатывается через край дымовой зоны платформы, он захватывает значительный объем окружающего воздуха. Увеличение объема дыма потребовало бы устройства очень большой системы дымоудаления. По этой причине были предложены методы снижения количества захватываемого воздуха в дымовые потоки.
Уменьшение объема дыма, поступающего в дымовую зону атриума было достигнуто за счет гидравлического отделения поднимающихся прилегающих дымовых потоков от окружающего воздуха при помощи устройства дымового канала. Дым, который проходит через вертикальный канал в атриуме изолирован дымовым каналом, поэтому системе дымоудаления нужно обработать только тот объем дыма, который поступил в дымовой канал (плюс некоторое небольшое количество воздуха, который захватывается в точке разворота дымового потока.
Массовый расход системы дымоудаления, который необходимо обеспечить для поддержания постоянного уровня дымового слоя в дымовой зоне атриума (при постоянной скорости тепловыделения пожара), при использовании дымового канала, является функцией от массового расхода дыма, выходящего из помещения очага пожара, ширины дымового канала и высоты дымового канала над проемом, соединяющим пространство станции (помещение очага пожара) с атриумом.
На рисунке 1 показано типичный вариант растекания прилегающих дымовых потоков. Можно выделить 4 стадии растекания дымовых потоков; стадия А – осесиметричный дымовой поток, возникающий в очаге пожара, стадия B – припотолочный слой дыма в помещении очага пожара, стация C – прилегающий дымовой поток и стадия D – горизонтальный дымовой поток припотолочный слой в атриуме. Предлагаемый способ противодымной защиты направлен на устранении стадии C. Когда обеспечивается возможность перетекания дыма в атриум сразу на верхний уровень, минуя стадию C, вытяжной системе дымоудаления атриума потребуется удалить примерно такое же количество дыма, которое было в помещении очага пожара (плюс небольшое количество воздуха поступающие в точке разворота (край растекания)). Возможность уменьшения расходов системы дымоудаления была представлена в публикации Harrison и Spearpoint (2010):
m_{p,3D}=0,3Q_c^{1/3}W_s^{1/6}d_s^{1/2}z_s+1,34\dot{m}_s \quad\quad\quad\quad(1)
Рисунок 1. Типичный случай растекания дымовых потоков
На рисунке 2 показан предлагаемый способ уменьшения захвата воздуха в прилегающие дымовые потоки. Прилегающий дымовой поток гидравлически отделяется от окружающего воздуха при помощи дымового канала, выходящего на кровлю атриума. Несмотря на то, что дымовой канал также занимает пространство, расчеты выполнялись таким образом, чтобы канал занимал меньше места, чем потребовалось бы для устройства вытяжных шахт через OSD-встройку. Дымовой канал может быть изготовлен из прозрачного закаленного стекла, что позволяет обеспечивать естественное освещение и визуально не загромождает OSD-встройку. По сути, дымовой канал становится навесным фасадом, который используется в некоторых зданиях для утепления примыкающих помещений.
В идеале, дымовой канал необходимо оборудовать принудительной системой вентиляции для удаления (захвата) дыма непосредственно из точки разворота (края растекания) дымовых потоков. В случае выхода дыма за кромку дымового канала, механическая противодымная вентиляция на крыше (устанавливается для удаления свободных дымовых потоков внутри атриума) может запускаться для удаления дыма из дымовой зоны атриума. Балансировка дымоудаления не требуется из-за большой разницы скоростей потока в дымовом канале и атриуме.
Рисунок 2. Предлагаемый способ уменьшения растекания прилегающих дымовых потоков
В отчете BRE 368 (Morgan и др., 1999, стр. 23) (BRE – Building Research Establishment – научно-исследовательский институт строительства – центр строительной науки Великобритании, государственное учреждение) содержатся некоторые указания по использованию щелевых дымовых каналов, которые могут быть использованы для предотвращения перехода дыма из прилегающих помещений в атриум, однако не приводится метод расчета для определения ширины канала.
4. Метод моделирования FDS
FDS использовался для моделирования проблемы растекания прилегающих дымовых потоков. Был создан упрощенный пример удаление растекающихся дымовых потоков из смежного помещения в атриум при помощи настенного дымового канала для захвата перетекающих дымовых потоков за край помещения очага пожара. Этот сценарий сопоставим с экспериментальной установкой Poreh и др. (2008) и FDS модели Tilley и Merci (2009). К нижней части стенок атриума применялось условие «открытых» границ для компенсации притока воздуха при работе вентилятора системы дымоудаления, аналогично предыдущим конфигурациям экспериментов.
Расчетная область FDS модели принималась следующих размеров: ширина 30 м, высота 20 м, глубина 25 м. Размеры помещения очага пожара: длина и ширина по 10 м, высота потолка 5 м (рисунок 3).
Рисунок 3. FDS модель атриума. Дымовой канал глубиной 1,5 м
Глубина дымового канала последовательно увеличивалась на ширину одной ячейки при каждом сценарии до достижения соотношения W_s / W_c = 5 м, где W_s – ширина открытого проема (ширина проема, соединяющего помещение с атриумом) помещения и W_c – глубина дымового канала. Данное соотношение необходимо для определения ширины дымохода, при котором обеспечивается захват перетекающих дымовых потоков в дымовой канал. Моделирование выполнялось до тех пор, пока высота границы дымового слоя не стала постоянной. Первоначально расчет удаляемых дымовых потоков производился с использованием формулы 2, при помощи которой определялась начальный расход дымоудаления на кровле. Высота дымового слоя в модели FDS сравнивалась с данными, полученными при помощи формулы, чтобы проверить правильность подбора расхода выходного отверстия на кровле.
На развитой стадии пожар имел мощность 1 МВт, с уровнем выделения сажи 0,1 кг/кг и коэффициентом массового выгорания 8700 м2/кг.
Последующие сценарии моделирования выполнялись с настенным дымовым каналом. Массовый расход из отверстия дымоудаления на кровле подбирался таким образом, чтобы уровень дымового слоя совпадал с исходным уровнем дымового слоя. Это позволило установить прямую связь между удалением прилегающих дымовых потоков и шириной дымового канала.
Граница дымового слоя была представлена изоповерхностью, показывающей повышение температуры на 1 градус относительно окружающей среды. Данный подход был использован Kumar, Thomas и Cox (2008). Это также было проверено визуально при помощи визуализации дыма.
Отверстие дымового канала было установлено на открытой границе сетки FDS, край дымового канала поднимался выше дымовой зоны атриума для измерения скорости дымового потока при различной ширине дымового канала. На практике, при устройстве настенного дымового канала необходимо установить клапан, который размещается на отверстии, и подключается к системе механической вентиляции для удаления дыма из точки разворота (края растекания) дымовых потоков.
5. 3D результаты моделирования растекания дымовых потоков
Прежде всего моделирование выполнялось для проверки методологии моделирования. Был рассчитан массовый расход воздуха, при котором поддерживалась постоянная высота дымового слоя в проеме, соединяющем с атриумом, на уровне 5 м, а изоповерхность, показывающая повышение температуры на 1 градус, указывала на границу слоя дыма.
На рисунке 4 показана границы дымового слоя, определенная изоповерхностью, показывающей повышение температуры на 1 градус, усредненная на последних 50 секундах моделирования. Граница дымового слоя сохраняется на высоте 5 м над проемом, примыкающим к атриуму, что подтверждает соответствие модели FDS формуле 2.
Рисунок 4. Усредненный результат границы дымового слоя в виде изоповерхности, показывающей повышение температуры на 1 град. Усреднение производилось за последние 50 секунд моделирования
В каждом следующем сценарии моделирования ширина дымового канала увеличивалась на 0,2 м, подбор массовой скорости потока в атриуме проводился до тех пор, пока высота над вертикальным проемом не достигнет уровня 5 м. Увеличение ширины дымового канала снижает массовую скорость потока, необходимую для поддержания постоянной уровня дымового слоя в дымовой зоне атриума.
На рисунке 5 показана зависимость массовой скорости потока m_c / m_{p,3d} от ширины дымового канала при ширине проема помещения W_s равной 10 м. Предлагаемая функция была приведена к формуле:
a=e^{0,28W_c W_s} \quad\quad\quad\quad(2)
где,
a – соотношение скорости дымоудаления с дымовым каналом (mc) и без дымового канала (mp3D) для конкретной ширины проема.
W_c – ширина дымового канала
W_s – ширина проема (пространства, объема) помещения
Рисунок 5. Зависимость скорости дымоудаления от ширины дымового канала
Как видно на рисунке 5 устройство дымового канала способствует значительному снижению требуемого массового расхода системы дымоудаления. Оптимальная ширина дымового канала до 1 м.
Формула 2 была проверена только для конкретных размеров помещения, указанных на рисунке 3, и мощности пожара в 1 МВт. Поэтому требуется дополнительная проверка возможности применения данной формулы для других сценариев пожара и других размеров помещений.
6. Актуальность применения на железнодорожных станциях
Рассмотренный метод изоляции дымовых потоков применен на железнодорожной станции, где есть вероятность пожара поезда под OSD-встройкой, которая занимает часть объема станции. Дымовые каналы могут размещаться с обеих сторон, либо как в рассматриваемом случае, из-за конструктивных ограничений, дымовой канал был размещен только с одной стороны. При помощи специальных козырьков, образующих нишу на потолке, и струйных вентиляторов, дымовые потоки направлялись к дымовому каналу. Также была добавлена принудительная вентиляция для удаления дыма из дымового канала. На рис. 6 показана типичная конфигурация системы струйных вентиляторов и дымового канала в действии.
Рисунок 6. Дымовой канал и струйные вентиляторы, направляющие потоки дыма в нужную сторону
Приведенная выше конфигурация была протестирована в FDS чтобы проверить возможность применения для сценариев пожара под OSD-встройкой на железнодорожной станции. На рисунке 7 показана эффективность данного предложения: весь дым при помощи струйных вентиляторов дымового канала.
Рисунок 7. Сравнение концентрации дыма в объеме станции со свободно расходящимися дымовыми потоками (сверху) и организацией дымоудаления при помощи струйных вентиляторов и дымового канала (снизу)
Изображения дальности видимости на рисунке 8, демонстрируют прогнозируемую эффективность применения комбинации струйных вентиляторов и дымового канала. На верхнем рисунке показана дальность видимости после 1200 секунд пожара при сценарии, когда дым свободно выходит за границы станции и поднимается к потолку атриума. Прогнозируется наличие задымленных участков с дальностью видимости менее 7,5 м в переходе станции. Прогнозируется, что пространство справа на рисунке, также будет блокироваться дымом. Для сравнения, на нижнем рисунке показан эффект от добавления дымового канала и струйных вентиляторов. Прогнозируется, что дальность видимости будет сохраняться на уровне выше 30 м в объеме всей станции, при этом весь дым будет удаляться при помощи дымового канала.
Рисунок 8. Сравнение дальности видимости в сценариях пожара под OSD-встройкой с использованием люков дымоудаления на крыше после свободного растекания дымовых потоков (сверху) и организацией дымоудаления через дымовой канал (снизу)
7. Вывод
FDS-моделирование подтвердило эффективность гидравлической изоляции поднимающихся дымовых потоков и уменьшение общего объема дыма, выходящего из дымовой зоны станции в основной объем атриума.
Рассмотрена возможность применения на железнодорожной станции струйных вентиляторов для направления дымовых потоков в сторону дымового канала.
Представлена формула для определения подходящей ширины дымового канала для естественного проветривания при пожаре.
8. Библиография
Характеристика растекания дымовых потоков на балконах с помощью физического моделирования в масштабе. Harrison, R., & Spearpoint, M. (2009).
Физическое моделирование в масштабе растекания прилегающих дымовых потоков. Harrison, R., & Spearpoint, M. (2010). Fire Safety Journal, 45(3), 149-158.
Обзор простых методов расчета удаления растекающихся дымовых потоков. Harrison, R., & Spearpoint, M. J. (2009). International Journal on Engineering Performanced-Based Fire Codes. Accepted for publication.
Новый аналитический подход для определения характеристик участия воздуха при растекании дымовых потоков на балконах. Kumar, S., Thomas, P. H., & Cox, G. (2008). Fire Safety Science, 9, 739-750.
Заметка о растекании дымовых потоков в многоуровневых торговых центрах. Law, M. (1986). Fire Safety Journal, 10(3), 197-202.
Принципы проектирования противодымной вентиляции в закрытых торговых центрах. Morgan, H. P., & Gardner, J. P. (1990). Garston, UK: Building Research Establishment.
Методология проектирования дымоудаления. Morgan, H. P., Ghosh, B. K., Garrad, G., Pamlitschka, R., De Smedt, J. C., & Schoonbaert, L. R. (1999). BRE 368, Construction Research Communication Ltd, Londres, R.
Растекание прилегающих двумерных дымовых потоков. Poreh, M., Marshall, N. R., & Regev, A. (2008). Fire Safety Journal, 43(5), 344-350.
Применение FDS к примыкающим дымовым потокам в атриуме. Tilley, N., & Merci, B. (2009). Fire technology, 45(2), 179-188.
9. Перечень сокращений
a – соотношение скорости дымоудаления с дымовым каналом и без дымового канала
d_s – уровень дымового слоя в дымовой зоне (м)
m_c – массовый расход воздуха, необходимый для поддержания дымового слоя атриума Z_s с применением дымового канала (м3/с)
m_{p,3D} – массовый расход воздуха, необходимый для поддержания дымового слоя атриума Z_s при удалении свободных дымовых потоков (м3/с)
Q_c – конвективная составляющая скорости тепловыделения (кВт)
W_c – ширина дымового канала (м)
W_s – ширина вертикального проема помещения очага пожара (м)
Z_s – установившаяся высота дымового слоя (м)