Особенности применения Методики оценки возможности использования спринклерных АУП (приложение В СП 485.1311500.2020)

Авторы:

• Л.Т. Танклевский – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий кафедрой «Пожарная безопасность» СПбПУ Петра Великого.
• А.А. Таранцев – доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИПТ РАН и СПбУ ГПС МЧС России.
• И.А. Бабиков – аспирант СПбПУ Петра Великого.

Статья опубликована в научно-техническом журнале ФГБУ ВНИИПО МЧС России «Пожарная безопасность», 2022, №1 (106).

Рассмотрены особенности практического применения Методики оценки возможности использования спринклерных АУП, входящей в состав СП 485.1311500.2020 (приложение В). Методика позволяет: выявлять вероятную причину неэффективной работы спринклерной автоматической установки пожаротушения (активировалась при пожаре, но не выполнила свои функции); проводить экспертизу ранее спроектированной и смонтированной автоматической установки пожаротушения для оценки возможности ее эффективной работы при пожаре в защищаемом помещении; давать рекомендации проектировщику спринклерной автоматической установки пожаротушения по выбору способа активации при пожаре – от теплового разрушения запирающей колбы или по сигналу от дифференциального теплового извещателя. Приведены примеры применения Методики.

Введение

Автоматические установки пожаротушения (АУП), в том числе спринклерные для тушения пожаров класса А, занимают важное место в системах противопожарной защиты многих объектов. Основные требования к АУП были изложены в СНиП 2.04.09-84 «Пожарная автоматика зданий и сооружений», разработанных в 80-х годах прошлого века. Затем на смену этому документу пришли НПБ 88-2001* «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования», которые в 2013 году были заменены сводом правил СП 5.13130.2013 «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования». Он, в свою очередь, в 2020 г. для удобства применения был разделен на три новых свода правил: СП 484.1311500.2020 «Системы пожарной сигнализации и автоматизация систем противопожарной защиты. Нормы и правила проектирования»; СП 485.1311500.2020 «Системы противопожарной защиты. Установки пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования»; СП 486.1311500.2020 «Системы противопожарной защиты. Перечень зданий, сооружений, помещений и оборудования, подлежащих защите автоматическими установками пожаротушения и системами пожарной сигнализации. Требования пожарной безопасности».

В процессе применения разработанных в соответствии с требованиями ранее действовавших документов (СНиП 2.04.09-842, НПБ 88-2001, СП 5.13130.2013) спринклерных АУП с активацией от термического разрушения колб выявился ряд недостатков. В частности, исправная спринклерная АУП, сработав при пожаре, не выполняет свою функцию: по мере активации ее оросителей пожар продолжает развиваться, причем никаких недостатков ни при проектировании такой АУП, ни при ее монтаже, ни при обслуживании не выявлено.

Анализ неэффективной работы АУП, результаты которого представлены в работах [1, 2], позволил установить следующую причину. Высота защищаемого помещения Н была настолько велика, что продукты горения, достигая запирающей колбы оросителя, охлаждаются настолько, что не обеспечивают ее своевременное термическое разрушение. В результате площадь пожара Sп превышает защищаемую оросителем площадь S_лик, что и приводит к активации соседних оросителей по «эффекту домино».

Выход из такой ситуации был найден в виде создания специальной методики. Такая методика (Методика оценки возможности использования спринклерной АУП) разработана с участием авторов статьи и приведена в СП 485.1311500.2020 в виде приложения В. Она позволяет решать следующие задачи:

а) выявлять вероятную причину того, что спринклерная АУП сработала при пожаре, но не выполнила свои функции;

б) проводить экспертизу ранее спроектированной (в соответствии с СП 5.13130) и смонтированной АУП для оценки возможности ее эффективной работы при пожаре в защищаемом помещении;

в) давать рекомендации проектировщику АУП по выбору способа включения спринклерной АУП при пожаре.

Методика апробирована* и позволяет расчетным путем оценить допустимую высоту Н защищаемого помещения в зависимости:
— от коэффициента K тепловой инерционности колбы (RTI);
— максимального расстояния L между смежными оросителями;
— коэффициента λ, учитывающего расположение оросителей (если очаг пожара находится между оросителями, расположенными в линию, λ = 0,50; если очаг пожара находится в центре квадрата, образованного четырьмя оросителями, λ ≈ 0,707; если очаг пожара находится в центре равностороннего треугольника, образованного тремя оросителями, λ ≈ 0,577);
— проекционного расстояния r между осью оросителя и осью конвективной колонки,
— тепловой мощности q пожарной нагрузки в помещении;
— скорости V распространения пламени по горизонтальной поверхности пожарной нагрузки;
— защищаемой спринклерным оросителем круговой площади S_лик, в пределах которой обеспечивается нормативная интенсивность орошения и гарантируется ликвидация пожара;
— начальной температуры Т₀ в защищаемом помещении;
— паспортного значения номинальной температуры Т_пасп срабатывания спринклерного оросителя с колбой по ГОСТ Р 51043–2002 «Установки водяного и пенного пожаротушения автоматические».

К сожалению, объем СП 485.1311500 не позволил привести примеры использования Методики для решения задач «а–в», что может создавать некоторые трудности для пользователей. В связи с этим представляется целесообразным привести в этой статье такие примеры.

Выявление причины неэффективной работы спринклерной АУП

Для расчетного подтверждения причины неэффективной работы исправной спринклерной АУП при пожаре необходимы следующие данные: высота помещения Н; начальная температура Т₀ в помещении; удельная тепловая мощность q пожарной нагрузки и скорость V распространения пламени по ней; параметры спринклера: коэффициент тепловой инерционности (RTI) K, защищаемая площадь S_лик и паспортное значение номинальной температуры срабатывания Т_пасп (температуры разрушения колбы); максимальное расстояние L между смежными оросителями.

Далее необходимо выполнить следующие действия в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1:

— сначала проверить выполнение условия [СП 485.1311500, прил. В, формула (В.6)], для чего найти величину Н _кр и сравнить ее с Н;

— если Н ≥ Н _кр, то причина ясна: АУП и не могла работать эффективно – высота размещения ближайшего к очагу пожара оросителя (даже если очаг непосредственно под оросителем и r = 0) такова, что продукты горения, поднимаясь вверх и охлаждаясь, не успевают нагреть колбу до температуры ее разрушения Т_пасп, в результате чего площадь пожара S_п будет превышать защищаемую оросителем площадь S_лик;

— если Н < Н _кр, то необходимо провести дополнительные исследования и, прежде всего, найти проекционное расстояние r между оросителем и центром очага пожара (СП 485.1311500, прил. В, рис. В.1), а затем выполнить следующие действия:

— по величинам K, q, V, H и r определить значения коэффициентов k_T, k_f и k_S (п. В.1.5 прил. В к СП 485.1311500);

— по выражению (В.7) из прил. В к СП 485.1311500 найти температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик;

— при Т_кол< Т_пасп можно заключить, что вышеуказанная причина имела место (т. е. на момент достижения площади пожара Sп величины защищаемой оросителем площади Sлик колба не успела прогреться до величины Т_пасп). В противном случае следует уточнить параметры q, V и r и повторить предыдущие действия либо искать другую причину.

Пример 1.
Пожар произошел в выставочном зале [согласно данным табл. В.1 (прил. В к СП 485.1311500) и таблицы, приведенной ниже: q = 213 кВт/м² , V = 0,016 м/с] высотой Н = 10 м, защищенном спринклерной АУП (K = 40 м^0,5 · с^0,5, S_лик = 9 м² , Т_пасп = 57 °С). Оросители расположены в прямоугольном порядке с шагом L = 4 м. АУП на момент пожара была исправна, сработала, но не выполнила свою функцию – оросители вскрывались, но пожар продолжался, пока его не потушили прибывшие пожарные подразделения. Требуется определить, могла ли эта АУП эффективно работать, т. е. подавить пожар до прибытия пожарных, если на момент пожара T₀= 20 °C?

По выражению (В.6), приведенному в прил. В к СП 485.1311500, найдем критическую высоту Н_кр (см. также рис. 1):

Поскольку Н = 10 м < 12,84 м, условие (В.6) выполняется, т. е. теоретически АУП могла эффективно сработать, но этому, возможно, помешало большое проекционное расстояние r между оросителем и центром очага пожара (см. рис. В.1).

Пример 2.
Для исходных данных предыдущего примера дополнительно проведенное исследование места пожара позволило установить, что очагу пожара соответствовало проекционное расстояние r = 2,6 м. Учитывая, что Н/r = 10/2,6 = 3,846 < 5,577, в соответствии с выражениями, приведенными в п. В.1.5 прил. В к СП 485.1311500 (см. также рис. 1), находим коэффициенты k_T, k_f и k_S :

Находим по выражению (В.7) температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик = 12 м²:

Но поскольку Т_кол = 51,96 °С < 57 °С = Т_пасп, то на момент достижения площадью пожара S_п величины защищаемой оросителем площади S_лик колба не успела прогреться до величины Т_пасп, т. е. пожар будет продолжаться до вскрытия следующего оросителя, а затем до вскрытия еще одного и т. д., и т. п.

Таким образом, можно сделать вывод, что при проектировании АУП не учтен наиболее сложный сценарий пожара, когда очаг находится между оросителями.

В случае комбинированной пожарной нагрузки, параметры которой представлены в вышеприведенной таблице и в табл. В.1 прил. В к СП 485.1311500, целесообразно использовать парциальный подход. Так, если в помещении находится N видов пожарной нагрузки, то удельная теплота сгорания q и линейная скорость V распространения пламени, необходимые для вышеприведенных оценок, могут быть найдены из выражений:

Величина w_i может быть оценена, например, по выражению:

Экспертиза АУП по оценке эффективности работы при пожаре

Если ранее установленная в помещении спринклерная АУП исправна, но появилось сомнение в том, что при пожаре она, сработав, выполнит свою функцию, целесообразно провести соответствующую экспертизу. Исходные данные те же.

Для проведения экспертизы выполняются следующие действия (рис. 2)

— по величинам q, S_лик, Т_пасп, Т₀ и выражению (В.6) находится критическая высота Н_кр;

— если не выполняется условие (В.6), т. е. Н ≥ Н _кр, то АУП, сработав при пожаре, заведомо не выполнит свою функцию и необходимо принять меры (например, использовать для АУП устройство принудительного пуска от дифференциального теплового пожарного извещателя (ДТПИ), реагирующего на скорость роста температуры в зоне оросителя);

— если условие (В.6) выполняется, то проводится уточненная проверка возможности эффективной работы АУП, для чего проверяется худший сценарий пожара, когда его очаг находится на равном удалении от нескольких оросителей (т. е. r = λL) и нужно выполнить следующие действия (см. рис. 2):

— по величинам K, q, V, H и r определить значения коэффициентов k_T и k_f (п. В.1.5) с учетом r = λL;

— по выражению (В.7) найти температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик;

— проверить выполнение условия Т_кол > Т_пасп.

Если Т_кол > Т_пасп, то можно заключить, что АУП способна эффективно работать при пожаре, в противном случае (т. е. Т_кол < Т_пасп) АУП при срабатывании своей функции не выполнит.

Пример 3.
Выставочный зал, аналогичный рассмотренному в предыдущем примере (q = 213 кВт/м² , V = 0,016 м/с, Н = 10 м, Т₀ = 20 °С), защищен спринклерной АУП (K = 50 м^0,5 с^0,5, S_лик = 12 м² , Т_пасп = 57 °С, оросители расположены квадратной сеткой с шагом L = 4 м). У администрации выставочного зала возникли сомнения относительно эффективности такой АУП при возможном пожаре, в связи с чем потребовалось провести экспертизу в соответствии с прил. В к СП 485.1311500.

Для этого находим, как и ранее, критическую высоту Н_кр по выражению (В.6):

Поскольку Н = 10 м < 14,40 м, условие (В.6) выполняется, т. е. теоретически АУП может эффективно работать, но нужно учесть «худший сценарий», когда r = λL = 0,707· 4 = 2,828 м.

Учитывая, что Н/r = 10/2,828 = 3,534 < 5,577, в соответствии с выражениями в п. В.1.5 находим коэффициенты k_T, k_f и k_S :

По выражению (В.7) находим температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик = 12 м²:

Но поскольку Т_кол = 55,09 °С < 57 °С = Т_пасп, то на момент достижения площадью пожара S_п величины защищаемой оросителем площади S_лик колба не успеет прогреться до величины Т_пасп, т. е. АУП не сможет работать эффективно и не защитит выставочный зал.

Если экспертиза дает отрицательный результат, следует провести модернизацию АУП. При этом можно пойти двумя путями: а) сохранив принцип активации от теплового разрушения колбы, понизить величину RTI (параметр K) и/или уменьшить расстояние L между оросителями и/или применить оросители с большей величиной S_лик; б) принудительно (до нагрева колбы до температуры Т_пасп) активировать АУП с помощью, например, ДТПИ. Это поясняется схемой на рис. 3.

Пример 4.
Сохранив условия предыдущего примера и принцип активации АУП, для обеспечения эффективной работы АУП были предложены три варианта ее модернизации (как и ранее, исходим из худшего сценария пожара, когда очаг находится на равном проекционном расстоянии r от соседних оросителей):

1. Установить спринклеры с повышенной защищаемой площадью S_лик.
2. Уменьшить наибольшее расстояние r между очагом пожара и оросителями.
3. Применить оросители с меньшей величиной RTI (параметром K).

Пусть первый вариант предполагает применение оросителей с защищаемой площадью до 16 м². Тогда, как и в предыдущем примере: k_T= 14,35, k_f= 0,0075, k_S = 0,651. По выражению (В.7) находим температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик = 16 м²:

Таким образом, увеличение S_лик с 12 до 16 м² позволяет обеспечить эффективную работу АУП при худшем сценарии пожара.

Пусть второй вариант предполагает снижение шага оросителей до L = 3,5 м, как и ранее располагаемых в виде квадратной сетки. Тогда r = 0,707 L = 0,707 · 3,5 = 2,475 м.
В соответствии с выражениями в п. В.1.5 находим коэффициенты k_T, k_f и k_S:

По выражению (В.7) находим температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик = 12 м²:

Таким образом, снижение шага L с 4 до 3,5 м тоже позволяет обеспечить эффективную работу АУП при худшем сценарии пожара.

Пусть третий вариант предполагает снижение RTI до K = 40 м^0,5 · с^0,5.
В соответствии с выражениями в п. В.1.5 находим коэффициенты k_T, k_f и k_S:

По выражению (В.7) находим температуру колбы Т_кол на момент развития площади пожара до величины S_лик = 12 м²:

Таким образом, и снижение RTI до K = 40 м^0,5 · с^0,5 также позволяет обеспечить эффективную работу АУП при худшем сценарии пожара.
Окончательное решение о модернизации АУП может быть принято после проведения экономических оценок.

Проектирование спринклерной АУП

На этапе проектирования спринклерной АУП с использованием прил. В к СП 485.1311500 можно решать следующие задачи:

— выбрать вид активации АУПТ – от термического разрушения колбы или от ДТПИ;

— в случае оросителей с колбами подобрать параметры оросителя (K, S_лик) и/или параметры сети – ее вид (квадратная или сотовая сетка), шаг L установки оросителей;

— в случае принудительной активации от ДТПИ подобрать параметры k₀ и Δt = t _упр + t _{упр.орос} при заданном виде сети, шаге L установки оросителей и защищаемой оросителем площади S_лик.

Если выбирается АУП с активацией от термического разрушения колбы, то выполняются следующие действия (см. рис. 3):

— сначала проверяется выполнение условия (В.6), для чего находится величина Н _кр и сравнивается с Н;

— если Н ≥ Н _кр, то АУП с такой активацией не будет работать эффективно, нужно увеличить величину S_лик и повторить проверку или перейти к активации от ДТПИ (см. рис. 3);

— если Н < Н _кр, то необходимо оценить возможность ее своевременной активации для худшего случая, когда r = λL;

— если при r = λL будет выполняться условие (В.1), то такая АУП сможет защитить объект, а если условие (В.1) выполняться не будет, нужно изменить параметры АУП – применить оросители с большей величиной S_лик и/или устанавливать оросители с приемлемым шагом L, и/или понизить RTI (параметр K), после чего снова проверить выполнение условия (В.1) или перейти к активации АУП от ДТПИ.

Пример 5.
Для защиты выставочного зала (q = 213 кВт/м², V = 0,016 м/с, Н = 10 м, Т₀ = 20 °С) от пожара требуется спроектировать спринклерную АУП с активацией от теплового разрушения колб. Задано: Т_пасп = 57 °С, спринклеры располагать квадратной сеткой с шагом L.

Как показано в предыдущем примере, такая АУП может эффективно работать, даже когда очаг пожара находится на равном удалении r от соседних оросителей, при следующих условиях:

— при K = 50 м^0,5 · с^0,5 защищаемая оросителем площадь S_лик должна быть не менее 16 м² , если L = 4 м;

— при K = 50 м^0,5 · с^0,5 и защищаемой оросителем площади S_лик = 12 м² необходимо задать шаг не более L = 3,5 м;

— при защищаемой оросителем площади S_лик = 12 м² и L = 4 м необходимо, чтобы RTI был не более K = 40 м^0,5 · с^0,5

При проектировании спринклерной АУП с принудительной активацией от ДТПИ потребуется выполнить следующие действия (рис. 4):

— найти значение коэффициента k₀ и определить время активации t _{акт.изв} спринклерного оросителя от ДТПИ по выражению (В.14);

— найти по выражению (В.15) площадь пожара S_п на момент принудительной активации оросителя АУП с учетом времени t _упр + t _{упр.орос};

— проверить выполнение условия (В.1).

Если условие (В.1) выполняется, то данная АУП с принудительной активацией от ДТПИ способна работать эффективно при пожаре. В противном случае следует провести ее дополнительную модернизацию – применить оросители с большей защищаемой площадью S_лик и/или уменьшить шаг L, и/или снизить инерционность Δt, после чего повторно провести оценку эффективности работы АУП.

Пример 6.
Пусть защищаемая выставочный зал (данные, как и в предыдущих примерах) АУП активируется с использованием ДТПИ, имеющими следующие параметры: 0_пасп = 5 град/мин = 0,083(3) град/с и Δt = t _упр + t_{упр.орос} = 90 с.

В соответствии с п. В.3.4 находим:

По выражению (В.14) находим время активации спринклерного оросителя от ДТПИ:

По выражению (В.15) находим площадь пожара на момент активации оросителя:

Таким образом, активация АУП от ДТПИ также позволит обеспечить эффективную работу АУП и защитить выставочный зал от пожара. Окончательное решение о варианте проекта АУП может быть принято после проведения экономических оценок.

Для облечения и ускорения решения задач целесообразно определять не только критическую высоту Н_кр, но и предельную высоту помещения Н_г , обеспечивающую гарантированную эффективную работу спринклерной АУП с активацией от теплового разрушения колб, даже при худшем сценарии пожара, когда очаг находится на равном проекционном расстоянии от оросителей. Порядок определения Н_г носит итерационный характер и представлен схемой на рис. 5.

Расчеты, проведенные по схеме, представленной на рис. 5, позволили определить высоту Н_г для различных видов пожарных нагрузок. Значения Н_кр и Н_г приведены во втором и первом справа столбцах в таблице.

Выводы

Таким образом, Методика оценки возможности использования спринклерных АУП, представленная в прил. В к СП 485.1311500, с учетом приведенных в настоящей статье пояснений и примеров может эффективно использоваться на практике. Она позволяет решать задачи по установлению причины неэффективной работы спринклерной АУП, проведению экспертизы АУП на объекте и выдаче рекомендаций по проектированию АУП.

При необходимости материал данной статьи может быть представлен в виде рекомендаций по применению приложения В к СП 485.1311500.2020 «Системы противопожарной защиты. Установки пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования».

Отдельного исследования может потребовать проблема оценки надежности срабатывания спринклерной АУП с учетом надежности оросителей и их активации.

Онлайн-курс для начинающих

Проектирование водяного пожаротушения

Основы со всеми этапами проектирования, включая гидравлический расчет + практика на учебном проекте под руководством эксперта.

Программа
обучения →

Курс для практикующих

Проектирование всех типов пожаротушения

Особенности водяных, пенных, порошковых, газовых, аэрозольных систем: от нюансов нормативов до нестандартных технических решений.

Программа
обучения →