СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ Пузач С.В. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Введение l В связи с переходом многих стран мира к гибкому объектно ориентированному противопожарному нормированию математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном при решении различных задач пожарной безопасности. l Вопрос точности и надежности метода расчета тепломассообмена является ключевым в обеспечении безопасности людей, при выборе параметров систем пожаробезопасности и при проведении противопожарных мероприятий. l В российских стандартах безопасности (ГОСТ и др.) заложены упрощенные методы расчета, неадекватные реальной термогазодинамической картине пожара и приводящие в ряде случаев к завышению необходимого времени эвакуации людей в 2-3 раза. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Введение l Целью расчетов по математическим моделям тепломассообмена при пожаре является прогнозирование динамики изменения параметров газовой среды помещения (в первую очередь, опасных факторов пожара), прогрева ограждающих конструкций и теплового или иного воздействия пожара на людей и материальные ценности. l В настоящее время накоплен большой объем экспериментальной и теоретической информации о закономерностях тепломассообмена при пожаре в помещениях с ограждающими конструкциями в виде параллелепипеда или цилиндра. Влияние сложной геометрии помещения на параметры термогазодинамики практически не изучено. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Основные задачи расчета динамики ОФП: 1. критическая продолжительность пожара (необходимое время эвакуации); 2. фактические пределы огнестойкости строительных конструкций; 3. расходы систем дымоудаления и приточной вентиляции; 4. время срабатывания тепловых, дымовых, концентрационных, радиационных и комбинированных детекторов систем пожарной безопасности; 5. термогазодинамическая картина пожара (обстановка на пожаре); 6. безопасные расстояния (для эвакуации людей, расстановки оборудования и т.д.). Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Полученные характеристики динамики ОФП применяются при решении следующих задач пожарной безопасности : 1. анализ объемно-планировочных и конструктивных решений проектируемых, реконструируемых и существующих зданий и сооружений; 2. выбор и оптимизация толщин огнезащитных покрытий строительных конструкций; 3. проектирование автоматических систем пожарной сигнализации, дымоудаления и автоматического пожаротушения; 4. проведение пожарно-технических экспертиз и расследований пожаров; 5. разработка планов эвакуации и пожаротушения. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Опасные факторы пожара: В соответствии с ФЗ 123 «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности»: §пламя и искры; §тепловой поток (нет в ГОСТ *). §повышенная температура окружающей среды; §повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения (СО, HCl, CO 2 по ГОСТ *); §пониженная концентрация кислорода; §снижение видимости в дыму Не учтены в нормативных документах: §наличие мелкодисперсных твердых частиц, вдыхание которых может привести к потере ориентации, сознания и последующему удушью; §токсичные продукты горения и термического разложения (акролеин, циановодород, оксиды азота и серы, бензол и формальдегид).

ФЗ 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» Статья 51. Цель создания систем противопожарной защиты 1. Целью создания систем противопожарной защиты является защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение его последствий. 2. Защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение его последствий обеспечиваются снижением динамики нарастания опасных факторов пожара, эвакуацией людей и имущества в безопасную зону и (или) тушением пожара. Статья 35. Классификация строительных конструкций по огнестойкости 2. Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются в условиях стандартных испытаний. Наступление пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций в условиях стандартных испытаний или в результате расчетов устанавливается по времени достижения одного или последовательно нескольких из следующих признаков предельных состояний…

ФЗ 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» Статья 79. Нормативное значение пожарного риска для зданий, сооружений и строений 2. Риск гибели людей в результате воздействия опасных факторов пожара должен определяться с учетом функционирования систем обеспечения пожарной безопасности зданий, сооружений и строений. Статья 80. Требования пожарной безопасности при проектировании, реконструкции и изменении функционального назначения зданий, сооружений и строений 1. Конструктивные, объемно-планировочные и инженерно-технические решения зданий, сооружений и строений должны обеспечивать в случае пожара: 1) эвакуацию людей в безопасную зону до нанесения вреда их жизни и здоровью вследствие воздействия опасных факторов пожара; Статья 94. Последовательность оценки пожарного риска на производственном объекте 1. Оценка пожарного риска на производственном объекте должна предусматривать: 3) построение полей опасных факторов пожара для различных сценариев его развития; 4) оценку последствий воздействия опасных факторов пожара на людей для различных сценариев его развития

ФЗ 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» Статья 123. Требования к средствам индивидуальной защиты и спасения граждан при пожаре 1. Средства индивидуальной защиты и спасения граждан при пожаре должны обеспечивать безопасность эвакуации или самоспасания людей. При этом степень обеспечения выполнения этих функций должна характеризоваться показателями стойкости к механическим и неблагоприятным климатическим воздействиям, эргономическими и защитными показателями, которые устанавливаются исходя из условий, обеспечивающих защиту людей от токсичных продуктов горения, в том числе от оксида углерода, при эвакуации из задымленных помещений во время пожара и спасания людей с высотных уровней из зданий, сооружений и строений. 2. Конструкция средств индивидуальной защиты и спасения граждан при пожаре должна быть надежна и проста в эксплуатации и позволять их использование любым человеком без предварительной подготовки.

Основные научные проблемы при разработке метода расчета, находящихся на стыке различных научных дисциплин (тепломассообмен, химия, теория прочности): §химический состав продуктов горения; §турбулентный тепломассообмен при горении газообразных веществ и твердых частиц в условиях совместного воздействия ряда возмущающих течение факторов; §лучистый теплообмен в оптически неоднородной двухфазной газовой среде в условиях турбулентного горения и его взаимного влияния на конвективный теплообмен; §процесс прогрева и газификации пожарной нагрузки под тепловым воздействием пожара; §фазовые переходы (испарение, конденсация, плавление) в условиях пожара; §совместное определение теплового и напряженного состояния ограждающих конструкций помещения. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА Различие моделей заключается в разном уровне детализации термогазодинамической картины пожара. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва ИНТЕГРАЛЬНЫЕЗОННЫЕ ПОЛЕВЫЕ (ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ)

Интегральные методы расчета В интегральных методах расчета находятся среднеобъемные величины температуры, плотности, массовых концентраций кислорода, токсичных продуктов горения, огнетушащего вещества и оптической концентрации дыма, а также средние температуры ограждающих конструкций и усредненные характеристики теплогазообмена через проемы. Рис. 1. Схема тепломассообмена : 1 – стены; 2 – перекрытие; 3 - открытый проем; 4 - горючий материал; 5 - очаг горения; 6 - нейтральная плоскость; 7 - система пожаротушения; 8 - механическая приточно-вытяжная вентиляция Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ основные упрощения термогазодинамической картины пожара газовая смесь состоит из идеальных газов; состояние газовой среды помещения и параметры тепломассообмена в каждый момент времени однозначно определяются среднеобъемными значениями параметров состояния газовой среды; поверхности равных давлений внутри и снаружи помещения, а также скоростей, равных нулю, в области проема являются плоскостями и совпадают друг с другом; геометрическое положение пожарной нагрузки в помещении не влияет на параметры тепломассообмена через открытые проемы с окружающей средой и теплоотвода в ограждающие конструкции Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ структура Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Основные уравнения интегральной модели Дополнительные соотношения интегральной модели Модель прогрева ограждающих строительных конструкций Модель горения Модель газификации горючего материала Модель тепломассообмена через открытые проемы

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Основное преимущество: быстрой и низкотрудоемкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ: - область корректного применения интегральной модели (по объемам и геометрии помещений, расположению горючего материала и т.д.) является нерешенной проблемой; - необходимость использования дополнительной экспериментальной информации или моделей более высокого уровня (зонных или полевых) для получения распределения параметров тепломассообмена по объему помещения; - величины ОФП на уровне рабочей зоны не зависят от вида, свойств, места расположения горючего материала и геометрии помещения: ОФП рз =f(ОФП ср, Z); где h рз высота рабочей зоны; Н высота помещения. Реализована в нормативных документах ГОСТ , ГОСТ Р для определения необходимого времени эвакуации людей (при высоте Н 6 м) : - зальные помещения: аналитическое решение (проемы работают только на «выброс»); - коридоры: численное решение уравнений интегральной модели

ФОРМУЛЫ ГОСТ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Необходимое время эвакуации рассчитывается как произведение критической для человека продолжительности пожара на коэффициент безопасности. Предполагается, что каждый ОФП воздействует на человека независимо от других. Критическая продолжительность пожара: по повышенной по потере видимости: по понижен. содержанию температуре: кислорода: по каждому из газообразных токсичных продуктов горения: Упрощение термогазодинамической картины пожара: - проемы работают только на «выброс»; - коэффициент теплопотерь принимается постоянным; - удельный выход токсичных газов при сгорании 1 кг материала постоянен и не зависит от концентрации кислорода и т.д.

Зонные методы расчета В зонных методах расчета определяются среднезонные величины температуры, плотности, массовых концентраций кислорода, токсичных продуктов горения и оптической концентрации дыма, а также средние температуры ограждающих конструкций и усредненные характеристики теплогазообмена через проемы. Рис. 1. Схема тепломассообмена : 1 – стены; 2 – перекрытие; 3 - открытый проем; 4 - горючий материал; 5 - очаг горения; 6 - нейтральная плоскость; 7 - система пожаротушения; 8 - механическая приточно-вытяжная вентиляция; I, II, III - номера зон Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

ЗОННАЯ МОДЕЛЬ основные упрощения термогазодинамической картины пожара газовая смесь состоит из идеальных газов; припотолочный слой является плоскопараллельным потолку, равномерно прогретым и задымленным; состояние газовой среды помещения и параметры тепломассообмена в каждый момент времени однозначно определяются среднезонными значениями параметров состояния газовой среды; геометрическое положение пожарной нагрузки в помещении не влияет на параметры тепломассообмена через открытые проемы с окружающей средой и теплоотвода в ограждающие конструкции Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

ЗОННАЯ МОДЕЛЬ структура Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Дополнительные соотношения интегральной модели Модель прогрева ограждающих строительных конструкций Модель горения Модель газификации горючего материала Модель тепломассообмена через открытые проемы Основные уравнения для зоны конвективной колонки Основные уравнения для зоны припотолочного слоя

ЗОННАЯ МОДЕЛЬ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Основные преимущества: - быстрой и низкотрудоемкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара; - используются закономерности теплового и гидродинамического взаимодействия струйного течения со строительными конструкциями с условным разбиением на характерные области (критическая точка, область ускоренного течения, переходная область и область автомодельного течения). ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ: - область корректного применения зонной модели (по объемам и геометрии помещений, расположению горючего материала и т.д.) является нерешенной проблемой; - необходимость использования дополнительной экспериментальной информации или модели более высокого уровня (полевой) для получения распределения параметров тепломассообмена по объемам зон помещения; - в случае сложной термогазодинамической картины пожара основные допущения зонной модели (равномерно прогретый припотолочный слой и т.д.) не соответствуют реальным условиям.

Полевые методы расчета Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Наиболее подробное описание процессов тепломассообмена при пожаре в помещении дают полевые (дифференциальные) модели. Основным их достоинством является то, что искомыми параметрами являются поля температур, скоростей, давлений, концентраций компонентов газовой среды и частиц дыма по всему объему помещения. Полевые модели наиболее сложны в математическом описании, так как они состоят из системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных.

ПОЛЕВАЯ (ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ) МОДЕЛЬ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Пожар в помещении протекает в сложных термогазодинамических условиях при одновременном воздействии ряда возмущающих течение факторов: неизотермичность (отличие температур твердых поверхностей и газовых потоков); сжимаемость (плотность газа не является постоянной величиной); продольный и поперечный градиенты давления; вдув на стенке (поступление в помещение продуктов внутренней деструктуризации материала твердых конструкций, тепломассообменная защита конструкций); излучение; протекание химических реакций; двухфазность (одновременное сосуществование нескольких фаз – газ +твердые частицы, газ+жидкость, газ+твердые частицы+жидкость); шероховатость поверхностей конструкций; кривизна поверхности; турбулентность; скачки уплотнения; переход ламинарного режима течения в турбулентный.

ПОЛЕВАЯ (ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ) МОДЕЛЬ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва Допущения и упрощения реальной термогазодинамической картины процесса: существует локальное термодинамическое и химическое равновесие во всем объеме помещения, что позволяет использовать равновесное уравнение состояния; газовая среда является смесью идеальных газов, что дает удовлетворительное приближение в диапазонах температур и давлений, характерных при пожаре; локальные скорости и температуры компонентов газовой смеси и твердых (или жидких) частиц одинаковы между собой в каждой точке пространства (односкоростная и однотемпературная модель); химическая реакция горения является одноступенчатой и необратимой; диссоциация и ионизация среды при высоких температурах не учитывается; турбулентные пульсации не влияют на теплофизические свойства среды; взаимным влиянием турбулентности и излучения пренебрегаем; пренебрегается обратным влиянием горения на скорость газификации горючего материала; термо- и бародиффузией пренебрегаем.

Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва п/п Ф ГS w x + т 3 w y + т 4 w z + т 5 X O2 (D O2 +D O2т ) -L O2 г /V - L O2Н2 H2 H2 /V 6X CO (D CO +D COт ) L CO г /V 7X CO2 (D CO2 +D CO2т ) L CO2 г /V 8X H2O (D H2O +D H2Oт ) L Н2О г /V +L H2OН2 H2 H2 /V 9X H2 (D H2 +D H2т ) - H2 H2 /V 10X ов (D ов +D овт ) G ов /V 11XгXг (D г +D гт ) г (1- )/V 12 D оп 0 D опг г /V 13 Dм Dм 0 D мг г /V 14 i w w 0 15 i c c 0 16 i + т + л г Q р н /V + H2 H2 Q H2 /V -q vр Обобщенное дифференциальное уравнение имеет вид (см. таблицу):

Обозначения в обобщенном дифференциальном уравнении полевой модели: Ф – зависимая переменная (энтальпии газовой смеси и материала стен и перекрытия (i, i w, i c ), проекции скорости на координатные оси (w x, w y, w z ), концентрации компонентов газовой смеси (X CO, X CO2, X O2, X H2, X H2O ), кинетическая энергия турбулентности (k) и скорость ее диссипации (e), массовая концентрация (D m ) и оптическая плотность дыма D оп ); Г – коэффициент диффузии для Ф; S – источниковый член для Ф.

Автотранспортный тоннель

Основной состав токсичных ПГ некоторых материалов, составляющих горючую нагрузку жилых помещений Токсикант Концентрация продуктов горения, кг/м 3 (кг/кг горючего материала) Древесина Древесина с лакокрасочным покрытием ДСПФанера ФФ Картон «Г» Диоксид углерода0,220,160,0180,120,129 Оксид углерода0,0260,00450,00530,330,02690,0054 Диоксид азота++++0,00027 Хлористый водород+++++ Цианистый водород++0,00006 Метанол0,0021+0,00170,13· Формальдегид0,015+0, ,00015 Акролеин 0,001 ( , ) +0,000060, ,0002 Ацетальдегид0, ,00150,00240,66· ,00096 Уксусная кислота0,000150,000240, Ацетон0,000440,000180,001+0,00022 Бензол+00150, Толуол+0,00080, Кумол+0, Стирол0,0004 Фенол+0,00170,0002+0,0031

Токсичность продуктов горения полимерных материалов Наименование материала (изделия из него) Выделение продуктов горения кг/м 3 Показатель токсичности, кг/м 3 СОСО 2 НСN Окислы азота Целлюлоза0,061,1520,045 Линолеум ПВХ0,06930,7770,061 Древесностружечная плита 0,1080,8570,049 Стеклопластик ПН-10,05791,2700,060,063 Пенополиуретан ПУ-3180,1210,9440,005190,01220,026 Пенополистирол0,0397 Пенопласт ФРП0,5390,6560,001560,000990,0066 Декоративный бумажнослоистый пластик 0,0112

Критические (предельно допустимые) значения ОФП для человека без средств индивидуальной защиты приняты следующими: l температура – Т кр =70 о С; l парциальная плотность кислорода – О2кр =0,226 кг/м 3 ; l парциальная плотность окиси углерода – СОкр =1, кг/м 3 ; l парциальная плотность двуокиси углерода – СО2кр =0, 11 кг/м 3 ; l парциальная плотность хлористого водорода – HClкр = кг/м 3 ; l парциальная плотность акролеина – АКРкр = кг/м 3 ; l парциальн. плотность циановодорода HCN – HCNкр = кг/м 3 ; l дальность видимости – l vкр =20 м. При этом предполагается, что каждый ОФП воздействует на человека независимо от других. Критическая величина плотности лучистого теплового потока для кожи человека без средств индивидуальной защиты составляет: l при кратковременном воздействии – q кр,л =1120 Вт/м 2 ; l при длительном воздействии – q кр,л =560 Вт/м 2. Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва

Очередность наступления ОФП в помещениях (нормативная база данных пожарной нагрузки – 67 ПН, расчет критической продолжительности пожара по ГОСТ *) ОФП V = 108 м 3 H = 3 м Z = 1,252 V = 500 м 3 H = 4 м Z = 0,77 V = 1000 м 3 H = 5 м Z = 0,54 Количес тво ПН % % % СО 68,9545,9722,98 HCl 1826,871725,371623,88 Температура 4364,184668,654973,13 Кислород

Очередность наступления ОФП в помещениях (база данных пожарной нагрузки (обзор литературных источников) – 67 ПН, расчет критической продолжительности пожара по ГОСТ *) ОФП V = 108 м 3 H = 3 м Z = 1,252 V = 500 м 3 H = 4 м Z = 0,77 V = 1000 м 3 H = 5 м Z = 0,54 Количес тво ПН % % % СО HCl 11,491 1 Акролеин 3044,783044,783044,78 HCN 11,491 1 Температура 3552,233552,233552,23 Кислород

Сведения о токсичных газах, выделяющихся при сгорании пожарной нагрузки в помещениях различного объёма и достигших концентрации АПВ в подмасочном пространстве самоспасателя «Феникс» 2 (база данных пожарной нагрузки (обзор литературных источников) – 67 ПН, расчет по ГОСТ *) Токсичный газ V = 108 м 3 H = 3 м Z = 1,252 V = 500 м 3 H = 4 м Z = 0,77 V = 1000 м 3 H = 5 м Z = 0,54 Количес тво ПН % % % СО 2537,312537,312537,31 HCl 11,491 1 Акролеин 2638,82638,82638,8 HCN 22,982 2

ВЛИЯНИЕ РАСХОДОВ СИСТЕМ ДЫМОУДАЛЕНИЯ И ПРИТОЧНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ВЫСОТУ НЕЗАДЫМЛЯЕМОЙ ЗОНЫ ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ

Зависимости скорости тепловыделения в очаге горения от массового расхода системы дымоудаления: помещение с размерами м: 1 F г = 4 м 2 ; 2 F г = 25 м 2 ; помещение с размерами м: 3 F г = 15 м 2 ; 4 F г = 100 м 2 Q пож 10 -6, Вт G sm, кг/с

Зависимости высоты нейтральной плоскости от массового расхода системы дымоудаления в помещении с размерами м при F г = 15 м 2 : W a = 0: 1 интегральная модель; 2 зонная модель; W a = 0,95W m : 3 интегральная модель; 4 зонная модель z *, м G sm, кг/с zвzв

Расходы системы дымоудаления, необходимые для создания незадымляемой зоны высотой 2 м от пола помещения Размер ы помеще ния, м Площа дь горени я F г, м 2 Массовый расход системы дымоудаления G д, кг/с Интегральная модель Зонная модель Эмпирические методы расчета Без притока С притоко м Без приток а С приток ом [10] [5] (G д,кр ) [10] (1.06) (2.47) (70.1) (76.91) 13.67

ЛИТЕРАТУРА

РАСЧЕТНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ЭВМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва 1. Основные отличия современных методов расчета от нормативных состоят в учете реальных параметров возникновения, распространения и развития пожара, теплофизических и химических свойств конкретной горючей нагрузки и теплофизических свойств материала строительных конструкций. 2. Разработанные методы расчета широко используются при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. Результаты расчетов с использованием предложенных методов легли в основу технических условий пожарной безопасности ряда объектов промышленного и культурно-бытового назначения. Это позволило разработать оптимальные варианты противопожарной защиты с учетом обеспечения эффективности и приоритетности мероприятий по обеспечению безопасности людей при пожаре, технико-экономической целесообразности мероприятий, возможности доступа пожарных подразделений к очагу пожара и подачи средств пожаротушения. 3. Особая ценность этих методов состоит в возможности их применения для объектов, на которые отсутствуют нормативные методы расчета уровня пожарной безопасности (атриумы, многофункциональные здания и комплексы, закрытые горнолыжные трассы, высотные здания и т.д.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Москва 4. Дальнейшее развитие математического моделирования тепломассообмена при пожаре неразрывно связано и в решающей степени определяется прогрессом в области физического (экспериментального) моделирования пожара. Повышение уровня достоверности расчетных методов будет определяться решающим образом качеством и количеством накопленной экспериментальной информации о характеристиках тепломассообмена. 5. Наиболее перспективным направлением развития математического моделирования тепломассообмена при пожаре является дальнейшее совершенствование полевого (дифференциального) подхода. Интегральные и зонные модели термогазодинамики пожара будут в основном использоваться для оценочных расчетов или в случаях определения параметров пожаров в достаточно хорошо изученных экспериментально условиях. 6. Основными направлениями совершенствования полевых моделей являются следующие: развитие методов расчета параметров физико-химических процессов, происходящих в пламенной зоне и внутри горючего материала; математических моделей турбулентного тепломассообмена и лучистого теплопереноса, а также взаимного влияния излучения и турбулентности; сопряжение тепловой и прочностной задач для ограждающих конструкций; использование элементов вероятностного подхода.