Обнаружение возгорания с помощью дымовых и аспирационных извещателей в помещениях с высокими потолочными перекрытиями
Независимый эксперт в области пожарной безопасности с опытом работы более 31 лет. Преподаватель УЦ “ТАКИР” и АНО ДПО “ИЭСБ”. С 2000 по 2019 г научный редактор журнала «Алгоритм безопасности».
Хотите пообщаться с Александром Вадимовичем? Приходите на профпереподготовку для проектировщиков и ответственных за лицензию МЧС или пишите в личную ветку “Будка ФПБ” чата “Проектирование и монтаж СППЗ”
Запись открытого урока «Размещение ИП с учетом балок: как на самом деле работает дым и “слепые зоны” в СП 484.1311500». Смотреть запись →
Это третья статья из серии, посвященной проектированию систем пожарной сигнализации в части размещения пожарных извещателей с учетом наличия потолочных балок (часть 1 и часть 2). В этой статье рассмотрим сложный и пока нерешенный в нашей стране вопрос обнаружения возгораний в помещениях с высокими потолочными перекрытиями и атриумах с помощью линейных дымовых и аспирационных извещателей.
Содержание статьи:
Данный материал будет касаться расслоения дыма – его стратификации (деление на специальные слои). Этот процесс пока еще недостаточно изучен, хотя в США серьезные работы уже давно идут, появляются некоторые научные материалы и даже методики оценки этого явления.
Согласитесь, что странно пытаться обнаружить дым от возгорания на большой высоте, когда там очень долго ничего нет, а может и вовсе не будет. Как, например, с тем же холодным табачным дымом, который будет висеть коромыслом и никогда не поднимется выше 3-4 м. И какой бы самый чувствительный извещатель под высокий купол атриума не поставили, результат будет тот же.
Несколько лет назад одни мои коллеги решили провести некоторые натурные испытания. В одном из ангаров на высоте 9 м был размещен спринклерный ороситель, точечный дымовой извещатель и точечный адресно-аналоговый тепловой извещатель. Под ними разместили стандартный герметичный противень, изготовленный из листовой стали, в который заложили деревянную щепу, объемом более одного кубометра. Подожгли и засекли время, когда кто-то из них сработает. Через 35 минут этот очаг прогорев, просто погас, но ничто так и не сработало. Единственное, что было отмечено, что температура в месте размещения извещателей увеличилась всего на 7 градусов. Вопрос, сколько же надо было сжечь пожарной нагрузки, чтобы что-то сработало на этой высоте, так и остался не решенным.
Пройдите профпереподготовку для аттестации или лицензии МЧС, если проектируете или монтируете СПЗ
Что такое стратификация дыма
В своем недавнем материале «Размещение ИП при наличии потолочных балок» (часть 1 и часть 2), я рассматривал конвекционную модель распространения дыма. И здесь мы опять к ней возвращаемся. При наличии достаточно высоких потолков и недостаточном объеме пожарной нагрузки или низкой скорости распространения в ней реакции горения, у образовавшегося дыма возникает необходимость преодоления одной или нескольких зон стратификации.
О самой природе этого явления лучше, чем это приведено в приложении к американскому кодексу по проектированию систем пожарной сигнализации NFPA-72 в пункте B.4.6.2 раздела B.4.6. «Стратификация (расслоение)», не написать:
пункт B.4.6.2 раздела B.4.6. «Стратификация (расслоение)» NFPA-72
Движение дыма вверх в конусе зависит от того, обладает ли дым подъемной силой по отношению к окружающему воздуху. Расслоение происходит, когда дым или горячие газы, образующиеся при пожаре, не поднимаются к детекторам дыма, установленным на определенном уровне (обычно на потолке) над очагом пожара, из-за потери подъемной силы. Это явление происходит из-за постоянного втягивания более холодного воздуха в конус дыма по мере его подъема, что приводит к охлаждению частиц дыма и дымовых газов. Охлаждение конуса дыма приводит к потере подъемной силы. В конечном итоге, конус дыма охлаждается до такой степени, что его температура становится равной температуре окружающего воздуха, а его подъемная сила уменьшается до нуля. Как только эта точка равновесия будет достигнута, дым прекратит свой восходящий поток и сформирует слой, сохраняющий свою высоту над очагом, независимо от высоты потолка, до тех пор, пока от очага не поступит достаточно дополнительной тепловой энергии, чтобы поднять этот слой за счет его повышенной подъемной силы. Максимальная высота, на которую поднимется струя дыма, особенно на ранних стадиях развития пожара, зависит от конвективного тепла, скорости распространения огня и температуры окружающей среды в помещении.
Особый интерес представляют случаи, когда температура воздуха перед возгоранием в верхней части помещения выше, чем в нижней части. Это может произойти в результате воздействия солнца, особенно если потолки выполнены из стеклопакетов.
Там же в NFPA-72 содержится несколько методик оценки возможной высоты подъема дыма над очагом. Одна из них с использованием ступенчатой функции температурного градиента в помещениях (B.4.6.3.1.). Другая, для пространств с линейным температурным градиентом (B.4.6.3.2). Есть даже некоторые графики, чтобы можно было примерно оценить этот процесс.
Как менялся подход в отечественных нормативных документах к расстановке линейных дымовых извещателей
Для начала на графическом изображении конвекционной модели распространения дыма изображу оптические оси от ИПДЛ.
На рисунке 2 красными кружочками обозначены оптические оси ИПДЛ. Из этого рисунка хорошо видно, что если под потолочным перекрытием оптические оси проходят через весь объем припотолочных потоков дыма, то ниже этих припотолочных потоков лучи от ИПДЛ могут обнаруживать только сам конус дыма. Отсюда становится понятным, что расстояние между ними должно определяться диаметром этого конуса дыма, что и нашло своё отражение в п.6.6.18. СП 484.1311500.2020.
Пока это рассматривается без учета стратификации, т.е. для относительно низких потолков.
А теперь давайте вспомним такой документ, как «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования» НПБ 88-01. Именно в нём впервые появились требования к размещению ИПДЛ.
В п. 12.31 НПБ 88-01 находим, что максимальное расстояние между оптическими осями должно быть при высоте установки: до 3, 5 м- 9 м; от 3,5 до 6 м – 8,5; от 6 до 10 – 8 м; от 10 до 12 м – 7,5 м. Т.е.чем выше потолочное перекрытие, тем меньше расстояние между оптическими осями ИПДЛ. Наверное, это связано было с тем, что тогда предполагалось, что не весь дым хоть когда-то дойдет до потолочного перекрытия.
Зато уже в п.12.32 НПБ 88-01 появляется достаточно интересная мысль:
п.12.32 НПБ 88-01
В помещениях высотой свыше 12 м и до 18 м линейные извещатели, как правило, следует устанавливать в два яруса в соответствии с таблицей 7, при этом:
- первый ярус извещателей следует располагать на расстоянии 1,5 – 2 м от верхнего уровня пожарной нагрузки, но не менее 4 м от плоскости пола;
- второй ярус извещателей следует располагать на расстоянии не более 0,4 м от уровня перекрытия.
Поскольку расстояния между оптическими осями ИПДЛ определены в таблице 7 и равны 7,5 м, это наводит на мысль, что здесь для высот от 12 до 18 м, а это была тогда предельная высота размещения, как-то уже хотели учесть вопрос стратификации. Но почему именно 7,5 м, когда конус дыма еще не достиг потолочного перекрытия, чтобы появились припотолочные потоки дыма, которые стали бы равномерно по кругу занимать свой там объем? Как и с предельным расстоянием от перекрытия немного погорячились.
Тогда можно перейти к следующему по порядку документу свод правил «Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования» СП 5.13130.2009. И вот что там имелось:
СП 5.13130.2009
13.5.4. В помещениях высотой свыше 12 м и до 21 м линейные извещатели, как правило, следует устанавливать в два яруса в соответствии с таблицей 13.4, при этом:
- первый ярус извещателей следует располагать на расстоянии 1,5 – 2 м от верхнего уровня пожарной нагрузки, но не менее 4 м от плоскости пола;
- второй ярус извещателей следует располагать на расстоянии не более 0,8 м от уровня перекрытия.
Максимальное расстояние между оптическими осями ЛДПИ (именно так тогда назывался ИПДЛ) – 9м.
По сути в таблице 13.4 СП 5.13130.2009 слово в слово повторено то, что итак написано в пункте 13.5.4 СП 5.13130.2009.
В итоге в 2009 году появилась возможность размещать ИПДЛ уже на высоте 21 м, но при этом оставалось два яруса извещателей для высот более 12 м. Правда, вместо предельных 40 см от потолочного перекрытия появились все 80. А сейчас в СП 484.1311500.2020 стало 60 см. И предельное расстояние между оптическими осями для всех случаев стало 9 м. Видимо за эти годы была проделана очень большая научная работа.
Тогда возвращаемся в наши дни к своду правил «Системы пожарной сигнализации и автоматизация систем противопожарной защиты. Нормы и правила проектирования» СП 484.1311500.2020:
СП 484.1311500.2020
6.6.18 Линейные дымовые ИП следует применять для защиты помещений высотой до 21 м. Расстояние между оптической осью извещателя и стеной должно составлять не более 4,5 м, между оптическими осями – не более 9,0 м.
При расположении оптических осей под углами максимальное расстояние между ними, а также между ними и стенами определяется по проекции на горизонтальную плоскость.
Расстояние от перекрытия до оптической оси ИП должно быть от 25 до 600 мм.
Допускается оптические оси размещать ниже 600 мм при условии, что расстояние между оптическими осями ИП должно составлять не более 25% от высоты установки извещателей, а расстояние между оптическими осями и стеной – не более 12,5% высоты установки ИП. При этом расстояние (по вертикали) до пожарной нагрузки должно быть не менее 2 м.
Предельная высота так и осталась, какой она было в СП 5.13130.2009, равной 21 м, но исчез нижний ярус, который, как можно было бы предположить, был предназначен для хоть какого-то обнаружения дыма, не достигшего потолочного перекрытия. Зато появилась возможность размещения ИПДЛ ниже отметки в 600 мм от потолка, как это изображено на рисунке 2. Но это используется исключительно только в тех случаях, когда ИПДЛ из-за каких-то балок или строительных конструкций не разместить непосредственно под потолочным перекрытием.
В самом начале данного материала я привел результаты одного эксперимента с попыткой обнаружить дым на высоте 9 м, когда в его процессе сожгли больше кубометра деревянной щепы. И сколько же нужно запалить дров, диванов, стульев и столов вместе со шкафами, чтобы на высоте 21 м создалась необходимая концентрация частиц дыма для срабатывания дымовых извещателей.
Тогда заглянем в британский стандарт по системам пожарной сигнализации BS 5839-1:2025, откуда долгие году черпали информацию для наших сводов правил:
BS 5839-1:2025
21.4.5 Если оптические детекторы дыма установлены на расстоянии более 600мм ниже уровня потолка (или на 600 мм ниже вершины односкатной крыши), должны соблюдаться следующие рекомендации.
а) Если оптические детекторы дыма предназначены для дополнительного обнаружения поднимающегося столба дыма в высоком помещении (например, в атриуме), ширину защищаемой зоны с каждой стороны оптического луча следует рассматривать как 12,5% высоты луча над самым вероятным очагом возгорания (прим. автора – это как рисунке 2).
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Если над таким слоем детекторов нет заметной пожарной нагрузки, может оказаться оправданным отказаться от обеспечения обнаружения на потолке или вблизи него.
b) Если детекторы дыма с оптическим лучом установлены под углом к горизонтали, направленными вниз от потолка, чтобы обеспечить дополнительное обнаружение расслоения дыма и того, что дым не достигает потолка, следует следовать инструкциям производителя.
Т.е. британцы также что-то пытаются изобрести при размещении ИПДЛ для случаев со стратификацией.
Еще один пример. Это уже чисто европейский стандарт по проектированию систем пожарной сигнализации – EN 54 часть 14.
EN 54 часть 14
6.5 Выбор места и расстояние между извещателями и ручными извещателями
6.5.1 Общая
k) Детекторы не под потолком.
При отсутствии потолка или стратификации, продукты горения будут ограничены восходящим дымом над огнем. Если тепловые или дымовые детекторы используется для обнаружения продуктов горения в восходящей струе (например, где линейные оптические детекторы используется на низких уровнях, или там, где датчики используются без потолков), то пределы рабочей высоты должны быть такой, как приведенные в таблице 1 и эффективный радиус действия (как для тепла или дыма детекторов) следует рассматривать как 12,5% от высоты детектора по отношению к самой высокой точки вероятного очага пожара.
Т.е. что в британском варианте, что в европейском, вопрос стратификации решается путем размещения дополнительных ИПДЛ чуть выше пожарной нагрузки и с расстоянием между оптическими осями не более 25% от высоты размещения над предполагаемым местом возгорания.
Как соотносится стратификация с аспирационными пожарными извещателями
Отечественная история требований для аспирационных извещателей началась с СП 5.13130.2009. Чтобы не занимать лишнего места, упомяну только то, что в отличии от СП 484.1311500.2020 для классов C, B и A максимальные высоты были немного меньше и составляли 8,15 и 21 м соответственно. Тогда сразу отправляемся п. 6.6.23 СП 484.1311500.2020:
п. 6.6.23 СП 484.1311500.2020
Аспирационные ИП применяются для контроля помещений высотой до 30 м. Радиус зоны контроля воздухозаборного отверстия аспирационного ИП составляет 6,4 м. Класс аспирационного ИП в зависимости от высоты контролируемого помещения определяется в соответствии с таблицей 6.1.
Таблица 6.1
| Класс чувствительности аспирационного извещателя | Максимальная высота контролируемого помещения, м |
| Класс А | 30 |
| Класс В | 18 |
| Класс С | 12 |
Допускается применение аспирационных дымовых ИП для контроля высокостеллажных складов в помещениях высотой до 40 м; при этом воздухозаборные отверстия следует располагать в два уровня:
- воздухозаборные отверстия аспирационного дымового ИП не ниже класса B на высоте не более 30 м (под ярусами стеллажей);
- воздухозаборные отверстия аспирационного дымового ИП класса A на высоте не более 40 м (под перекрытием).
Высота помещения принимается по наиболее высокой его части.
Но я уже здесь написал, что, если на эти высоты частицы дыма долго не смогут подняться из-за стратификации, если вообще смогут, то там и обнаруживать нечего. Не могут ИПА через себя пропускать весь воздух из помещения, с этим подчас с трудом справляется приточно-вытяжная вентиляция. Более того, даже, если и маленькая порция дыма и попадет случайно в одно из воздухозаборное отверстие, то по пути к блоку обработки она так перемешается в воздухозаборной трубе с чистым воздухом, что ее и под микроскопом будет не найти, и тут даже высочайшая чувствительность ИПА не поможет.
И вот, что по этому поводу предусмотрено всё в том же британском стандарте BS 5839-1:2025:
BS 5839-1:2025
21.6.3 Если для защиты помещений с высокими потолками (> 25 м) используется аспирационная система обнаружения дыма и существует риск того, что дым может расслаиваться, не достигнув потолка, отверстия для отбора проб или другие способы обнаружения должны быть предусмотрены на нескольких уровнях (например, с использованием спускных труб на стене или, где это практично, в основном помещении).
Если у нас в стране пытаются использовать чьи-то зарубежные требования, то почему отсекаются к ним всякие имеющиеся ограничения.
А теперь представьте себе, что у нас появятся требования к этим «спускным трубам», которые надо располагать вертикально. В горизонтальной плоскости между воздухозаборными отверстиями и воздухозаборными трубами придется руководствоваться радиусами, как для ИПДОТ, т.е. 6,4 м. Это еще как-то можно использовать для стеллажей на складах, крепя воздухозаборные трубы к несущим конструкциям этих стеллажей. Представьте себе, сколько тогда понадобится комплектов ИПА для этого, и сколько это будет стоить. А как эти «спускные» воздухозаборные трубы разместить в атриумах торговых центров, это как-то вообще трудно представить.
Вывод
Возвращаясь к началу данного материала, я хочу напомнить, что процесс стратификации дыма пока не получил в мире жестких параметров для нормирования. Методики оценки высоты подъема дыма, приведенные в NFPA-72, никак не рассчитаны на обычных проектировщиков. Рано или поздно на их базе придется разрабатывать что-то своё, удобоприменимое на практике. С другой стороны, объекты с высокими потолочными перекрытиями и атриумами, подразумевают наличие в них достаточно большого количества людей или материальных ценностей, и так просто с упрощенными техническими решениями, которые имеют место в нашем своде правил СП 484.1311500.2020 подходить к ним нельзя. В любом случае это надо как-то решать.
