Системы отведения тепла при пожаре

Редакция журнала «Кровли» продолжает публиковать статьи, подготовленные специалистами европейского Отраслевого объединения поставщиков систем дневного освещения и дымоудаления (см. № 3 (22) и 4 (23) 2009).

В качестве элементов для отведения тепла можно использовать светопрозрачные участки кровли, выполненные из термопластичных материалов: в результате их расплавления под воздействием высоких температур проемы освобождаются самостоятельно, и избыточное тепло выходит из объятого огнем помещения на улицу. Тем самым можно предотвратить дальнейший нагрев строительных конструкций, выполняющих несущие или разделительные функции.

Задачи систем отведения тепла состоят в следующем:
• продлить время сохранения несущей способности и устойчивости несущих и ограждающих строительных конструкций;
• снизить уровень требований к огнестойкости этих конструкций.

Отведение тепла способствует сохранению материальных ценностей

Для расплавления поверхностей проемов, предназначенных для отведения тепла, требуется высокая температура, которая достигается только через длительное время после начала пожара. Вследствие этого проемы для отведения тепла не используются на стадиях возникновения или развития пожара. Они играют свою роль, как правило, только в самый разгар стихии. Их задача — воспрепятствовать полному разрушению здания; однако при этом вынуждено допускается разрушение отдельных участков, охваченных пожаром. В связи с этим системы отведения тепла организуются не столько для защиты людей, сколько для сохранения материальных ценностей.

Классификация дымоотводов 

Системы дымоудаления (RWA) при пожаре одновременно с дымом отводят также и тепло. Естественное отведение дыма при помощи оборудования (оборудование дымоудаления — NRA) или устройств (система дымоудаления — NRWG) происходит через автоматически открывающиеся при фиксации образования дыма или избыточного тепла проемы. Механизм открытия активируется при помощи сигнального устройства, фиксирующего в качестве индикационного параметра количество дыма или тепла, за счет приведения его в движение автономным подводом энергии (электрической или пневматической). Принудительное отведение дыма — при помощи специального оборудования (MRA) или вентилятора (МА) — запускается с участием сигнализатора дыма противопожарной системы и производится путем удаления дыма из помещений за счет защищенного внешнего энергообеспечения.

Оба вида систем дымоудаления вступают в действие уже на ранних стадиях возникновения пожара, чтобы в нижней части помещения успел образоваться слой с малым количеством дыма. Этот слой с малым количеством дыма позволяет людям своевременно эвакуироваться из здания, а пожарной службе быстро проникнуть к источнику огня, а также обнаружить и спасти пострадавших.

Отвод тепла (WA), наоборот, становится эффективным к более позднему времени развития пожара по сравнению с дымоотводом, поскольку системы отвода тепла состоят из материалов, которые расплавляются только при значительно более высоких тепловых нагрузках. Хотя из открытого теплоотвода также выходит и дым — однако для защиты людей или тушения это уже слишком поздно.

Поэтому дымоотвод всегда может функционировать как теплоотвод, но теплоотвод, как правило, нельзя использовать в качестве дымоотвода.

Теплоотводы, пригодные для отведения тепла без дополнительных расчетов параметров раскрытия люков 

Устройства дымо- и теплоудаления, а также устройства вентиляции могут считаться теплоотводами без дополнительных расчетов. Все имеющиеся в кровле светопрозрачные конструкции подлежат учету в качестве поверхностей для отведения тепла.

Расплавляющиеся поверхности 

Поверхности проемов с обрамлением или иным оборудованием из полимерных материалов, имеющих температуру плавления максимум 300°С, также следует на этапе проектирования считать возможными теплоотводами, если:

• в кровле предусмотрены светопрозрачные конструкции на площади 85% от площади всех проемов зданий из расплавляющихся материалов;
• открывающиеся проемы расположены в верхней половине наружных стен:

— до стадии пожара (эквивалентной продолжительности пожара) ta < 15 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов 42,5% от площади всех проемов здания или при площади раскрывающихся в результате расплавления проемов 50%;
— с более поздней стадии пожара ta > 30 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов 85% от всей площади проемов здания;
• если эквивалентная продолжительность пожара (без учета открытых проемов, использующихся для отведения тепла) превышает устанавливаемое по DIN 18 232-7 время обрушения.

Светопрозрачные поверхности световых фонарей чаще всего выполняются из термопластичных полимерных материалов, температура плавления которых ниже 300°C.

Саморазрушающиеся поверхности 

Поверхности проемов с простым оконным остеклением, которые в условиях пожара полностью или частично разрушаются, следует принимать во внимание в качестве теплоотводов:
• до стадии пожара ta < 15 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов 68%;
• с более поздней стадии пожара ta > 30 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов 85%.

Поверхности проемов, выполненных из стандартных стеклопакетов, которые разрушаются полностью или частично при достижении определенных температур по единой температурной кривой (ЕТК), могут также считаться поверхностями для отведения тепла:

• до стадии пожара ta < 15 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов 30%;
• со стадии пожара ta > 15 мин до стадии ta < 30 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов зданий 42,5%;
• c более поздней стадии пожара ta > 30 мин по DIN 18 230-1 при площади открытых проемов зданий 85%.

Когда открывается теплоотвод? 

Теплоотводы, которые не открыты постоянно или не открываются автоматически, «раскрываются» в случае пожара только при высоких температурах относительно поздно: во время продолжения развития пожара или уже на его полной стадии. Для проектирования противопожарной защиты важно знать, к какому моменту пожара произойдет раскрытие теплоотвода и какое уменьшение температурной нагрузки в объятом огнем помещении можно от него ожидать.

Предсказуемым время открытия теплоотвода является для:
• массивных монолитных плит из термопластичных полимеров;
• термопластичных полимерных плит с перемычками.

Время расплавления этих материалов можно рассчитать, например, с помощью уравнения нестационарного теплового потока, если знать следующие величины: показатели материала (например, теплопроводность, плотность, теплоемкость, температуру и теплоту плавления) и граничные условия (зависящие от времени температурные режимы и эпюры скоростей, определяемые на основе зонной или полевой моделей или испытаний).

Непредсказуемым является момент раскрытия теплоотвода для нетермопластичных материалов (например, силикатных стекол, многослойных безопасных и армированных стекол), поскольку нетермопластичные материалы не расплавляются. В результате воздействия на них подведенного тепла в материалах, в крайнем случае, могут образоваться трещины. При этом образование трещин наряду с рядом иных факторов в значительной степени зависит от вида крепления и рам. Поверхность этих материалов чаще всего остается цельной, в связи с чем их нельзя использовать в качестве теплоотводов.

Только при наличии процессов плавления, которые не зависят от типов рам и особенностей монтажа конструкции, можно прогнозировать время расплавления и начало работы теплоотводов. В случае невозможности рассчитать свойства теплоотвода на основе имеющихся в литературе данных о показателях материалов проводят испытания пожарной безопасности, дающие реалистичные результаты. В таких испытаниях, которые проводятся в соответствии с DIN 18 232-4 или при иных заданных условиях, могут быть задокументированы параметры раскрытия проемов и определены расчетные показатели материалов.

Подтверждение параметров раскрытия проемов по DIN 18 232-7

DIN 18 232-7 описывает способ, при помощи которого можно произвести оценку пригодности термопластических покрытий проемов к функционированию в качестве теплоотводов, а также возможности использования в этих целях систем естественного дымоудаления. Норматив содержит указания и определения, на которые необходимо обратить внимание при использовании рассматриваемого способа. По правилам оценки, изменение параметров раскрытия поверхности термически разрушаемого теплоотвода во времени можно определить через параметры его материалов (например, расплавление, растрескивание). Кроме того, при помощи приведенных в этом стандарте правил можно оценить также параметры срабатывания детекторов, функционирующих по теплу (стеклянные бочонки, плакированные металлы).

Результаты метода могут быть использованы, например, для определения показателей индикаторов (использующих резисторно-транзисторные — RTI или транзисторно-транзисторные схемы — TTI), могут включаться в общую систему оценки по DIN 18 230 или могут быть положены в основу использования инженерных методов противопожарной защиты.

Показатель RTI является определяющим, если необходимо произвести расчет о возможности использования в качестве теплоотвода оборудования для систем естественного дымоудаления (NRA). По DIN 18 232-4, в случае использования систем естественного дымоудаления (NRWG), в качестве теплоотводов необходимо исходить из следующих параметров полного открытия теплоотводящих поверхностей:

Математические методы противопожарной защиты 

В случае специальных зданий определение размеров поверхностей для отведения тепла может производиться с применением расчетных методов противопожарной защиты. Наиболее часто используемыми методами являются:
• Расчеты с применением зонной модели. В зонных моделях для помещений, состоящих из одной или большего количества комнат, учитываются потоки массы и энергии, однако не принимаются во внимание причины этих потоков. Температурный режим в помещении хорошо рассчитывается с помощью этой модели.
• Расчеты с применением полевых моделей. Требуeт большего количества времени на создание математической модели и проведение расчетов. Хорошо поддаются расчетам по этим моделям такие показатели, как распределение температуры и газов в пространстве.

Результат моделирования сильно зависит от входных данных, программного обеспечения самой модели, производительности компьютера, а также от квалификации выполняющих работу специалистов. В связи с этим при использовании результатов моделирования на практике обычно требуется проектировать с большим запасом прочности.

Проектирование и монтаж — вопросы размещения теплоотводов 

Так как тепло во время пожара поднимается вверх, теплоотводы должны располагаться в пространстве на максимальной высоте. Согласно DIN 18 230-1, теплоотводы, располагающиеся в кровле, по своей эффективности оцениваются намного выше, поскольку основное тепло накапливается сначала именно там. Эффективность отведения тепла w характеризует количество отводимого из рассматриваемого пространства тепла. Этот показатель в значительной зависит от соотношения площади теплоотводящих поверхностей (вертикальные проемы Av + горизонтальные проемы Ah) и площади пола помещения А. Есть правило: чем меньше эффективность отведения тепла w, тем дольше эквивалентная продолжительность пожара tа, и в связи с этим требуется большая огнестойкость несущих и разделительных конструктивных элементов.

На диаграмме представлены расчеты пределов огнестойкости несущих конструкций для одноэтажных промышленных зданий с площадью основания 4000 м2 без особых мероприятий по обнаружению пожара. Рассматриваемое здание имеет вертикальные проемы площадью менее 2,5% от площади основания, а пределы огнестойкости приведены для различных поверхностей, отводящих тепло, при расчетных пожарных нагрузках 100 и 250 кВт•ч/м2.

При расчетной пожарной нагрузке 250 кВт•ч/м2 допустимы следующие пределы огнестойкости: при площади теплоотводов свыше 19% — F30, свыше 6% — F60, свыше 2% — F90. При расчетной пожарной нагрузке 100 кВт•ч/м2 при площади теплоотводов свыше 14% допустимо строительство без требований к классу огнестойкости, а при площади теплоотводов свыше 3,5% — с классом огнестойкости F30. В случае принятия дополнительных мер по обнаружению и тушению пожара возможны более значительные пожарные нагрузки или могут оказаться достаточными меньшие площади для отведения тепла.

Если распределение пожарной нагрузки в пространстве неизвестно или в случае, когда исходят из равномерного распределения пожарной нагрузки, то места отведения тепла также должны равномерно распределяться по кровле и/или по верхней части наружных стен. Если, наоборот, приходится считаться со значительной концентрацией пожарной нагрузки на определенном месте, то теплоотвод, по возможности, необходимо устраивать в кровле прямо над этим местом.

Для того чтобы при устройстве теплоотводов надлежащим образом были выполнены примыкания и иные детали кровли и не была повреждена система отвода воды, необходимо соблюдение минимальных расстояний между системами отведения тепла, составляющие 50 см, а желательно — 100 см.

При монтаже систем отведения тепла на кровельных поверхностях, открытых для доступа (например, кровельные террасы, эксплуатируемые кровли с озеленением), необходимо предпринимать особые защитные меры, поскольку места для отведения тепла не являются ни эксплуатируемыми, ни защищенными от падения в них людей ограждениями, решетками или подобными системами, которые закрепляются в поверхности кровли.

Размеры отдельно расположенных теплоотводов 

Универсальных предписанных минимальных и максимальных размеров отдельно расположенных теплоотводов не существует. Однако, как правило, проемы в здании предусматриваются площадью минимум 1 м2, поскольку меньшие отдельно расположенные проемы теплоотводов раскрываются в результате расплавления или разрушения гораздо медленнее.

Отдельные размеры теплоотвода можно рассчитать достаточно легко, если места отведения тепла равномерно распределены по поверхности кровли.

• Пример 1: Предусмотрен 1% теплоотводов с распределением 1 теплоотвод на 100 м2. Из этого получаем площадь каждого, равную 1 м2.
• Пример 2: При проектном количестве теплоотводов 5% и их распределении 1 теплоотвод на 150 м2 каждый из них имеет площадь 7,5 м2.

Выводы 

Для отведения тепла используют те места в ограждающих конструкциях здания, которые в случае пожара уже открыты, открываются или могут открывать проем в результате термического разрушения.

Особенно хорошо подходят для отведения тепла системы, которые в случае пожара открываются автоматически за короткий промежуток времени (оборудование для дымо- и теплоудаления).

Имеющиеся в конструкции крыши фонари верхнего света, выполненные из полимерных материалов с температурой плавления < 300°С, обычно также используются как дополнительные поверхности для отведения тепла.

Не подходят элементы, выполненные из материалов с температурой плавления выше 600°С (например, стальные листы) или из материалов, которые при этих температурах не разрушаются (например, из армированного стекла, из триплекса или противопожарное остекление).

Обсуждение статьи «Системы отведения тепла»

Евгений Вагин, SKYLIGHTEC s.r.o. (Чехия) 

Применение зенитных фонарей целесообразно не только с точки зрения естественного освещения, но и как вариант конструкций отвода тепла. Материалы, применяемые в производстве данных конструкций — полиметилметакрилат (ПММА) и поликарбонат (ПК), — из-за низкой температуры плавления позволяют использовать их в этом качестве.

Единственным недостатком подобного решения является трудно предсказуемое развитие пожара (все-таки пожар — это стихийное бедствие). Поэтому для выполнения закона о пожарной безопасности необходимо основываться на механически возбудимых системах отвода тепла и дыма. Но надо учитывать, что системы дымоотвода на сегодняшний день производятся в большинстве случаев из тех же ПММА и ПК. Их главная задача — держать под контролем развитие пожара. В дополнение к ним можно устанавливать и глухие системы отвода тепла на случай, если ситуация вышла из-под контроля и время продолжительности пожара превысило 30 мин.

Очень важный вопрос — проблема расчета необходимого количества дымоотводящих конструкций (RWA). На сегодняшний день в России используется устаревшая методика расчета, основанная на применении старых конструкций отвода тепла и дыма. За шесть лет работы на рынке России мне так и не удалось увидеть грамотного проекта пожарной безопасности за исключением европейских.

Между тем все больше объектов возводится с применением холодногнутых профилей. Тем самым снижается металлоемкость и себестоимость проекта. Несущие способности металлоконструкций удается сохранить с помощью ребер жесткости и различных форм самих профилей, а вот устойчивость в случае пожара в этом случае снижается в несколько раз. И как бы строители ни пытались решить проблему, используя материалы для огнезащиты, она остается нерешенной.

Павел Петрович Девлишев, заместитель начальника ЦТР ФГУ ВНИИПО МЧС России 

Концепция обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений, принятая в России, не предполагает зависимости требований к огнестойкости несущих и ограждающих конструкций от наличия или отсутствия систем теплоотвода. Эти требования в соответствии с положениями Федерального закона № 123-ФЗ от 22.07.08 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» устанавливаются, исходя из степени огнестойкости здания (строения, сооружения, пожарного отсека), определяемой их этажностью, классом функциональной пожарной опасности, площадью пожарного отсека и пожарной опасностью происходящих в них технологических процессов, что изначально декларируемой в статье цели отнюдь не соответствует.

Эксперимент, фотография которого представлена в статье, выглядит весьма неубедительно. И без того понятно, что конструкции, оказавшиеся в пламени очага пожара, будут нагреваться до 1000°С и более. К тому же высота модельного помещения — от силы 3 м. В реальных условиях высота перекрытия составляет 7-9 м (а иной раз и существенно больше), а площадь помещения может составлять несколько тысяч квадратных метров. Динамика развития пожара, конвективной колонки над очагом пожара, припотолочного слоя дыма, естественно, совсем иная, и уровень температуры газа под потолком будет существенно ниже. В помещениях же с геометрическими размерами 5x5x3 м, скорее всего, никто не будет делать ни теплоудаление, ни вытяжную противодымную вентиляцию…

Далее, рассмотрим такой пример, допустим — крупный торговый или складской комплекс. На таком объекте в обязательном порядке должна действовать система приточно-вытяжной противодымной вентиляции (с естественным или механическим побуждением тяги), которая (с чем, в принципе, согласен автор) решает все вопросы с теплоотводом.

При этом, в соответствии с требованиями Федерального закона № 123-ФЗ от 22.07.08 и СП 2.13130.2009, в зданиях такого типа (а они, как правило, относятся к классу конструктивной пожарной безопасности С0) в конструкциях кровли должны применяться строительные конструкции, имеющие класс пожарной безопасности К0, из чего следует, что они должны быть выполнены из негорючих материалов (группа горючести НГ по ГОСТ 30244-94), к которым не относятся ни сотовый поликарбонат, ни метилакрилат, ни остальные плавящиеся при означенных в статье температурах материалы.

Исходя из всего изложенного, предположение о возможности использования расплавляемых элементов кровельных конструкций для отведения тепла, рассматриваемое в статье, хотя теоретически (с точки зрения тепломассообмена) верно, с практиской точки зрения является абсолютно нецелесообразным, а его реализация в сколь-нибудь значимых объемах — неосуществима.

Теперь несколько слов в ответ на комментарий г-на Е. Вагина. Замечание об «устаревших методиках расчета, основанных на применении старых конструкций отвода тепла и дыма» представляется весьма поверхностным и необоснованным. Поскольку в России для естественного дымоудаления применяются клапаны (люки, фонари) таких известных производителей, как CAODURO, COLT, ESSMANN, MERCOR, REWA, SKYDOME, AXTER, SOUCHIER, HEXADOME и др., речи о «старых конструкциях» и быть не может. Многочисленные дискуссии с ведущими специалистами, работающими в этой области (как, впрочем, и должно быть, поскольку физика процессов, рассматриваемых при расчете динамики пожара и проектировании систем вытяжной противодымной вентиляции с естественным побуждением тяги, одинакова в Москве, в Праге и даже в Пхеньяне, хотя он далеко), показали, что методы расчета, разработанные во ВНИИПО и различными европейскими исследователями, принципиально мало чем отличаются.

Что же касается тезиса об отсутствии в России грамотных проектов по пожарной безопасности, выполненных отечественными специалистами, то замечу: работы (в том числе — для уникальных и особо сложных объектов), выполненные специалистами ФГУ ВНИИПО МЧС России, АГПС МЧС России, «СанТехНииПроекта», группы компаний «Роспруф», «АЛАТЕКС» и др., вряд ли у кого могут вызвать сомнения в их качестве. Интересно, где и какие конкретно проекты видел господин Вагин, если за шесть (!) лет работы на российском рынке не удосужился с оными ознакомиться?

Когда верстался номер

Ответ Е. Вагина на комментарий П. Девлишева.

Разумеется, рассматривать зенитные фонари как проемы для отвода тепла нельзя (только при условии их принудительного открывания). А вот в поддержку глухого зенитного фонаря могу точно сказать: вторым по назначению кроме естественного освещения является решение взрывоопасности объекта как вариант легкосбрасываемой кровли.

Поясню свое замечание по поводу устаревших методов расчета: проблема не в методиках расчета, я прекрасно знаю, что различий в них между Европой и Россией практически нет. Обидно, что методику расчета, порой, или не применяют, или проектные компании на периферии просто не умеют ею пользоваться.

Олег Чернышов, генеральный директор компании «Ламилюкс»
Если рассматривать зенитные фонари как устройство дымоудаления, то это довольно универсальный продукт, который с каждым годом становится все более востребован в строительной отрасли. Фонари дымоудаления, как уже было сказано, эффективно удаляют тепло и дым естественным образом под воздействием тяги. Управление открытием фонарей сегодня отличается большим многообразием. Оно возможно от сигнала пожарной сигнализации, от датчика дыма, от датчика температуры, ну и, конечно, в ручном режиме. Все эти способы позволяют избежать последствий пожара ещe на ранней стадии возгорания. В повседневной жизни фонари дымоудаления фонари отлично проводят дневной свет в здание, рассеивая его на значительную поверхность и экономя электроэнергию.