Гидростатическое и гидродинамическое давление в установках водяного пожаротушения высотных зданий
Лилия Андреевна Белова
Главный специалист ВКиПТ с опытом проектирования более 10 лет. Выпускница курсов по проектированию водяного АУП 1 и 2 ступени.
Под редакцией Елены Гардановой и Антона Гусельникова, преподавателей курсов по водяному АУП и ВПВ УЦ “ТАКИР”
Появление повсеместного высотного строительства создает вызов для инженеров всех специализаций. Часто в профессиональных чатах звучат вопросы об определении высот зон при проектировании водяного пожаротушения для высотных зданий. Причина спора понятна. Каждая зона – это дополнительные трубопроводы в шахтах коридоров, насосное оборудование, а также повышенные затраты на монтажные работы. Все вышеперечисленное имеет стоимость не только само по себе, но и по необходимости выделения дополнительной площади под оборудование, что является наиболее значимым фактором в высотном строительстве.
В статье рассмотрим, как определить высоту и количество зон, чтобы выполнить требования норм и не переплатить за оборудование и площади.
Содержание
Сколько этажей должна обеспечивать 1-я (i-я) зона для водяного пожаротушения?
К сожалению, ответить на такой вопрос можно только выполнив расчет и проанализировав полученные показатели. Однако, выполнив расчеты по хотя бы одному высотному зданию, можно осознать порядок цифр и в дальнейшем, на ранних стадиях проектирования, определять количество зон и высоту каждой из них. При этом важно понимать, что в дальнейшем по ходу проектирования, значения высоты зон могут уточняться (+/- 2 этажа).
Как определять высоты зон для водяного пожаротушения?
В состав установок пожаротушения входят технические средства, для которых производителем устанавливается требование к обеспечению рабочего давления. Как известно, прочность цепи определяется прочностью самого слабого ее звена. Задача по определению максимальной высоты зоны сводится к определению давления в гидродинамическом и гидростатическом режиме в точке с наиболее уязвимым к давлению оборудованием:
Учим проектировать водяное и пенное АПТ, а также ВПВ.
Гидростатическое и гидродинамическое давление. Режимы “пожар” и “дежурный”
Ниже приведены теоретические сведения и понятия, которые будут применяться далее для описания режимов “пожар” и “дежурный” режим.
Гидродинамическое давление в системе – это режим работы системы трубопроводов и оборудования, при котором ОТВ подается от источника водоснабжения к очагу пожара. В гидравлическом смысле – это движущаяся жидкость по системе трубопроводов (описано Уравнением Бернулли).
Для нас, проектировщиков пожаротушения, гидродинамическим давлением в системе будет давление, полученное в так называемом режиме “пожар”. Тот самый режим, когда водяная установка пожаротушения сработала и тушит очаг возгорания.
Гидростатическое давление в системе – это давление покоящейся жидкости, при котором система трубопроводов заполнена водой и готова к работе в любой момент времени. В гидравлическом смысле – это герметичная система с жидкостью, находящейся под избыточным давлением в покое (описано Основным уравнением гидростатики). Избыточное давление в системе необходимо для создания свободного напора излива перед противопожарным оборудованием (ороситель, ПК), возможности отслеживания разгерметизации/запуска системы , преодоления геометрической высоты подъема.
Для нас это будет давление, полученное в “дежурном” режиме (режиме ожидания пожара). Именно в нем водяная установка пожаротушения находится большую часть своего жизненного цикла.
Пример расчета зонирования для пожаротушения в высотных зданиях
Давайте попробуем на примере 20-ти этажного жилого здания с подземным этажом определить хватит ли нам одной зоны пожаротушения.
Дисклеймер: все значения приведенные ниже на схемах даны только для примера и являются для каждого объекта индивидуальными.
Исходные данные:
1. Жилой дом 20 этажей + подземный этаж;
2. Раздельные системы ВПВ и АУП с одной насосной установкой (далее – НУ);
3. Трубопроводы – стальные;
4. Оборудование – Спецавтоматика, г. Бийск;
5. Разрез здания с указанием отметок этажей указаны на рис. 1.
Давайте рассмотрим рис. 1.
В первой итерации принимаем одну зону пожаротушения и проверяем элементы для каждого из режимов работы на предмет максимального давления наиболее “нежных” элементов системы.
Диктующим участком (наибольшим по свободному давлению) является ороситель в межквартирном коридоре на 20-м этаже.
Нг = 5,4 + 77,000 + 3,8 = 86,20 м – геометрическая высота подъема жидкости;
где: 5,4 м – высота от НУ до уровня 0,000
+ 77,000 – отметка чистого пола 20 этажа;
+ 3,800 – высота размещения оросителя от уровня отметки чистого пола 20 этажа;
Нор = 15,0 м.вод.ст. – требуемое давление у оросителя по паспорту;
НПК = 13,0 м.вод.ст – требуемое давление у ПК по СП 10.13330.2020 табл.7.1;
∑h л+м = 19,0 м.вод.ст. – потери давления по длине и на местные сопротивления, включая потери в СПЖ, узле управления;
Расчетный требуемый напор для пожаротушения составляет – Нтр= 86,2+15+19 = 120,2 м.вод.ст.
Условно опустим рассмотрение гарантированного давления на вводе и примем его равным нулю для упрощения, чтобы не приходилось вычитать это значение из всех показателей статического напора.
На рис. 1 стояки ВПВ и АУП показаны намеренно широкими, чтобы было видно как распределяется давление в системе в режиме пожаротушения (красные области – максимальное давление, синие области – меньшее избыточное давление). При этом давление в каждой точке можно вычислить вычитанием из максимального значения давления в напорном коллекторе установки пожаротушения разницы отметок по высоте (или пьезометрического давления) и потерь давления по длине трубопровода и на местные сопротивления до конкретной точки.
В нашем примере гидродинамическое давление у ПК на 1-м этаже составляет:
P2= Pну – ∑h л+м НУ-Р2 – ∆Z = 120,2 – 1,5 – 6,65 = 112,05 м.вод.ст.
Pну = 120,2 м.вод.ст. – требуемое давление на пожаротушение;
∑h л+м НУ-Р2 = 1,5 м.вод.ст. – потери давления по длине и на местные сопротивления на участке НУ – Р2
∆Z = 6,65 м – разница отметок НУ и Р2
Промежуточный вывод: уже сейчас видно, что давление на ПК и оросителях гораздо больше чем, максимальное рабочее давление, которое может выдержать оборудование.
Значения давления для 1 зоны в «Дежурном» режиме.
Когда мы говорим о «дежурном» режиме, мы понимаем под этим готовность установки в любой момент времени начать тушить пожар. При этом вода в системе трубопроводов находится в состоянии покоя под избыточным давлением. Точка приложения этого давления – насосная установка, а точнее ее напорный коллектор. При этом для обеспечения поддержания давления в дежурном режиме и для автоматизации работы жокей-насоса в напорном коллекторе создается избыточное давление, превышающее требуемое давление для пожаротушения (как правило на 0,05-0,1 МПа). Таким образом, вся применяемая арматура и оборудование должны выдерживать давление, которое может быть достигнуто в ходе работы жокей-насоса. А на уровне размещения насосной установки вся применяемая арматура и оборудование должны выдерживать давление работы основных насосов на закрытую задвижку.
В нашем случае, при требуемом давлении на пожаротушение 120,20 м.вод.ст. давление в дежурном режиме с учетом работы жокей-насоса будет равно 120,20 + 10,0 = 130,20 м.вод.ст. и при достижении этого максимального значения давления, жокей-насос будет отключаться.
Давление включения и выключения жокей-насосов определяется проектировщиком исходя из условий автоматизации, задания на проектирование и других особенностей объекта. Для примера принята разница с требуемым давлением для пожаротушения равная 10 м.вод.ст. – как наиболее часто применяемое значение.
При этом гидростатическое давление в любой точке системы под избыточным давлением можно определить путем вычитания высоты геометрического подъема жидкости из максимального значения давления в напорном коллекторе установки пожаротушения в дежурном режиме.
Например: давление у ПК на 1-м этаже с учетом давления жокей-насоса будет составлять:
P2= Pну – ∆Z = 130,20 – (1,25+5,40) = 130,20- 6,65 = 123,55 м.вод.ст.
Значение давления в режиме гидростатики значительно больше, чем в режиме гидродинамики. Из этого делаем вывод, что необходимо проверять зонирование пожаротушения именно на режим гидростатики. Если потребуется выполнить зонирование для более значительного здания по высоте, может возникнуть необходимость разместить узел управления выше помещения Насосной станции. Для нашего здания, даже при однозонном исполнении, размещать узлы управления выше текущего уровня не требуется.
Промежуточный вывод: с конкретными исходными данными данное здание выполнить в одну зону установку пожаротушения достаточно проблематично без дополнительных технических мер.
Значения давления для 2-х зон в «Дежурном» режиме.
Попробуем выполнить зонирование и проделаем все расчеты снова, но уже для двух зон. Результаты отображены на рис. 3.
Если подходить буквально, данная установка является совмещенной АУП с ВПВ. Поэтому в соответствии с п. 6.10.21 СП10.13330.2020 расчетное гидростатическое давление в ВПВ, совмещенном с АУП, на отметке наиболее низко расположенного ПК может соответствовать рабочему давлению АУП. При этом не следует забывать про требование предусматривать диафрагмы для снижения избыточного давления, превышающего 0,45 МПа у ПК, в соответствии с п. 7.5 СП 10.13130.2020, а также про недопустимость превышения максимального рабочего давления на ручном пожарном стволе в соответствии с п. 6.2.16.
Выводы по определению зон установок пожаротушения
1) Когда мы получаем исходное задание только в виде разреза с отметками этажей, довольно сложно пройтись по полной последовательности определения высоты каждой зоны, т.к. есть неизвестная составляющая – потери давления по длине и на местные сопротивления. Нужно один или два раза просчитать систему, оценить порядок чисел, чтобы в дальнейшем можно было оперировать данными значениями для предварительной оценки на начальных стадиях проектирования. Главная задача на ранних этапах проекта – определить общее количество зон для корректного резерва площадей под ниши ПК и стояки АУП и/или ВПВ.
2) Для повышения эффективности технико-экономических показателей установки пожаротушения должен рассматриваться комплексный подход включающий применение оросителей с более низким начальным давлением, а также детальный анализ различных диаметров трубопроводов. Реализация такого подхода позволит:
3) В случае проектирования самостоятельного ВПВ следует принять во внимание не только номинальное давление оборудования, но и требование п. 6.2.20 СП 10.13330.2020 – гидростатическое давление на отметке наиболее низко расположенного ПК должно быть не более 0,60 МПа (~60 м.вод. ст.). Диафрагмы “срезают” давление только в гидродинамическом режиме работы ВПВ, а в режиме гидростатики не оказывают никакого влияния на давление у ПК. Для выполнения задачи по местному снижению давления в режиме гидростатики могут использоваться регуляторы давления, но это решение приводит к существенному удорожанию системы. Также может вызывать сомнение тот факт, что регуляторы давления на данный момент не сертифицируются на соответствие требованиям пожарной безопасности, хотя оказывают существенное влияние на работу пожаротушения, как в дежурном режиме, так и в режиме “пожар”, поэтому рекомендуемыми являются решения, рассмотренные в п. 2)
Дополнительные материалы
Учим проектировать водяное и пенное АПТ, а также ВПВ
Онлайн-курсы для начинающих и практикующих инженеров с: