Обзор расчета противопожарного разрыва между горящим электромобилем Tesla Model S и соседним зданием.
1. Цель расчета
Цель данной работы – обоснование безопасных противопожарных расстояний между электромобилями и прилегающими объектами на открытых и закрытых парковках с использованием Fire Dynamics Simulator (FDS) [29, 50].
Верификация и валидация расчета проводится на основе принципов международного стандарта [51].
При расчете оценивается воздействие теплового потока от пожара электромобиля, находящегося на парковке, на соседнее здание. При расчете учитывается возможное экранирующее свойство прилегающей стены как наиболее неблагоприятного сценария развития пожара на открытой парковке.
2. Параметры модели
При моделировании рассматривается свободное развитие пожара в течение всего времени моделирования (720 с). Минимальная продолжительность моделирования складывается из времени прибытия пожарных подразделений (600 с) и времени развертывания сил и средств (120 с).
В качестве модели электромобиля использовался электромобиль Tesla Model S со следующими размерами 4976 х 1963 х 1435 (длина х ширина х высота) и общей массой 2100 кг.
Выбор данного электромобиля обусловлен наибольшей емкостью батареи, используемой в настоящее время среди легковых электромобилей (104 кВт/ч).
Анализ технических отчетов [54, 55] показал, что полностью воспроизвести конструкцию литий-ионных батарей с помощью FDS-моделирования крайне сложно, однако, зная основные компоненты реакции горения компонентов катодных материалов, можно точно воспроизвести температурный режим реакции горения, что и является основной задачей.
Максимальное количество тепла, выделяемое при пожаре электромобиля Tesla S составляет до 3 ГДж [53]. Таким образом, при создании модели следует ориентироваться на это наибольшее значение тепловыделения.
На рисунке 2 приведен фрагмент модели FDS, которая будет использоваться в расчетах. В сценариях пожара принимается, что электромобиль расположен рядом со стеной из красного кирпича со следующими физическими характеристиками:
- плотность 1950 кг/м3;
- удельная теплоемкость 1,04 кДж/(кг·К);
- коэффициент излучения 0,9;
- коэффициент поглощения 0,65 1/м.
Рисунок 2. Модель электромобиля Tesla S, созданная с помощью FDS.
3. Очаг пожара
В качестве очага пожара принимается литий-ионная батарея.
Начальная химическая реакция состоит из:
- C (углерод) — 1,9
- H (водород) — 40,0;
- O (кислород) — 2,6.
Скорость выделения CO составляет 0,015, а сажи 0,098. Снижение интенсивности горения не наблюдается (самозатухание). Максимальное значение тепловыделения составляет 5200 кВт/м2 (принята по данным [55]). Линейная скорость распространения пламени составляет 0,21 м/с (принята по данным [49, 50]).
Согласно принятому сценарию, пожар свободно развивается в течение всего времени моделирования (720 с).
Основной задачей при разработке модели является максимальное приближение параметров модели к реальным условиям протекания процесса пожара и взаимодействия объектов. В указанном процессе участвуют: расстояния между объектами, линейные размеры объектов, материалы объектов, параметры окружающей среды, пожарная нагрузка объектов и их реакция горения, сценарии возникновения и продолжительность процесса горения.
4. Параметры окружающей среды
При расчете используются следующие допущения и условия окружающей среды:
- температура пламени одинакова по всей поверхности;
- начальная температура веществ и материалов, воспринимающих тепло от пожара, принимается равной 20°С;
- температура воздуха 20°С;
- атмосферное давление 1 атм;
- скорость ветра 0 м/с;
- тепловое воздействие от пожара на соседний объект оценивается через тепловой поток, конвективная составляющая не учитывается;
- степень черноты поверхности стены соседнего здания принимается равной εm = 0,8 (как для древесины).
При моделировании не учитывалось влияние ветра, так как он снижает плотность и равномерность теплового потока и уменьшает высоту пламени.
Кроме того, ветер, направленный в сторону здания, создает подпор и зону повышенного давления. В это случае холодный воздух за счет завихрений попадает в зону нагрева стены здания и охлаждает ее поверхность.
5. Критерии оценки результатов моделирования
В качестве смежного объекта при моделировании пожара принята стена здания.
Причинами распространения пожара могут быть:
- распространение огня на вертикальные ограждающие конструкции;
- переход пожара внутрь здания (через оконные проемы).
При моделировании рассматривался сценарий, при котором электромобиль располагается у кирпичной стены здания без окон. В качестве критического значения было принята температура 120°С на поверхности стены здания.
Этот критерий также используется при обосновании безопасности использования материалов фасадных систем [60].
6. Анализ результатов расчета
Визуальная оценка падающего теплового потока от пожара электромобиля на поверхности стены здания размещена плоскость замера теплового потока.
Для получения конкретных значений теплового потока датчики замера располагаются в каждую сторону с шагом 50 см. Датчики маркируются по следующему принципу:
- F – расположены перед электромобилем;
- L – слева;
- R – справа;
- Behind – позади.
Цифровое обозначение рядом с маркировкой – расстояние датчика от электромобиля в метрах.
На рисунке 4 показан внешний вид модели и расположение устройств замера.
Рисунок 3. Фрагмент модели открытой парковки с угловой стеной.
Рисунок 4. Фрагмент модели открытой автостоянки с угловой стенкой и датчиками.
Основываясь на результатах экспериментов, среднее значение тепловыделения HRR при горении литий-ионной батареи составляет около 3 МВт в течение 12 минут от начала горения.
На рисунке 5 показаны данные тепловыделения HRR полученные в ходе моделирования. Таким образом, созданная модель позволила воспроизвести процесс тепловыделения сходный с результатами экспериментов.
Рисунок 5. Режим скорости тепловыделения при исследовании процессов сгорания электромобиля с тяговой литий-ионной батареей.
Моделирование производилось в несколько этапов. На каждом следующем этапе расстояние между стеной и электромобилем увеличивалось с шагом 0,5 м. Расчеты выполнялись до тех пор, пока не было определено безопасное противопожарное расстояние, при котором температура на поверхности стены не будет превышать 120°С.
Стоит отметить, что «минимальное» противопожарное расстояние, полученное в данном расчета, относится к определенным начальным условиям (рисунок 6).
Рисунок 6. Фрагмент моделирования в момент достижения максимального значения температуры поверхности стены (более 120°C).
Динамика опасных факторов пожара показана на рисунках 7-11.
Рисунок 7. Развития пожара на 60 с.
Рисунок 8. Развития пожара на 180 с.
Рисунок 9. Развития пожара на 400 с.
Рисунок 10. Развития пожара на 600 с.
Рисунок 11. Развитие пожара на 720 с.
Полученные данные справедливы для рассмотренного электромобиля. При пожарах других типов электромобилей, например электрогрузовиков, тепловой поток может иметь гораздо большие значения.
С другой стороны, при расчете в качестве критического значения температуры поверхности стены принято значение, равное 120°С. Если конструкции стены способны выдерживать температуру выше 120°С, требуемая величина минимального противопожарного расстояния будет значительно меньше.
7. Выводы
Результаты расчета показали, что безопасное противопожарное расстояние между горящим электромобилем и стеной здания составляет 3 м. При этом в качестве критерия безопасности было принято критическое значение температуры стены, равное 120°С. Продолжительность свободного горения составила 600 с.
В ходе дальнейших исследований планируется оценить влияние действий пожарных подразделений по тушению пожара. Сложность реализации будущего исследования связана с тем, что при моделировании необходимо учесть расход и тип огнетушащих веществ, которые могут отличаться у разных пожарных подразделений.
Источники
29. Xiao, M. and Choe, S.Y., “Theoretical and Experimental Analysis of Heat Generations of a Pouch Type LiMn2O4/ Carbon High Power Li-Polymer Battery,” Journal of Power Sources 241 (2013): 46-55.
49. McGrattan, K. et al., “Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model,” NIST Special Publication 1018-5, 2009.
50. McGrattan, K. et al., “Fire Dynamics Simulator (Version 5) User’s Guide,” NIST Special Publication 1019-5, 2009.
51. ISO, “Fire Safety Engineering—Procedures and Requirements for Verification and Validation of Calculation Methods—Part 1: General,” ISO 16730-1:2015, 2015, accessed 23 March 2023, https://www.iso.org/standard/62111.html.
53. Tatsii, R.M., Stasyuk, M.F., and Pazen, O.Y., “Direct Method of Calculating Nonstationary Temperature Fields in Bodies of Basic Geometric Shapes,” Journal of Engineering Physics and Thermophysics 94, no. 2 (2021): 298-310, doi:10.1007/ s10891-021-02302-z.
54. Electrek, “Tesla Says Model S Fire in France Was due to ‘Electrical Connection Improperly Tightened’ by a Human Instead of Robots,” September 9, 2016, accessed 25 March 2023, https://electrek.co/2016/09/09/tesla-fire-france- electrical-connectionimproperly-tightened-human-robot/.
55. RISE, “Toxic Gases from Fire in Electric Vehicles,” RISE Rapport 2020:90, 2020, accessed 29 March 2023, http://ri. diva-portal.org/smash/get/diva2:1522149/FULLTEXT01.pdf.
60. Chu, F., Yamaoka, T., Ide, H., and Kimura, Y., “Microvoid Formation Process during the Plastic Deformation of β-Form Polypropylene,” Polymer 35, no. 16 (1994): 3442-3448.