Назад
На правах рукописи
СМАГИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ
И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ
ПРИ ПОЖАРАХ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ИХ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ
РЕШЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОЙ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ
Специальность 05.26.03. Пожарная и промышленная безопасность
(Технические науки, отрасль Строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
МОСКВА
2008
2
Диссертационная работа выполнена на кафедре инженерной теплофизики и
гидравлики Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Пузач С.В.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Баратов А.Н.
кандидат технических наук, доцент
Бубнов В.М.
Ведущая организацияМосковский Государственный строительный университет
Защита состоится «28» мая 2008 г. в 14
00
часов на заседании диссертаци-
онного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной служ-
бы МЧС России по адресу: 129 366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4, зал
заседаний Учёного Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС Рос-
сии.
Автореферат разослан «15» апреля 2008 г., исх. 6/21 от 15.04.2008 г.
Отзыв на автореферат
с заверенной подписью и печатью просим направ-
лять в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.
Телефон для справок (495) 617 - 26 - 39
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор В.М. Есин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В связи с переходом многих стран мира к
гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию в строи-
тельстве математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном
при решении различных задач пожарной безопасности. Федеральное законодатель-
ство, в частности, Федеральный закон «О техническом регулировании» и стандарт
пожарной безопасности ГОСТ 12.1.004-91* ССБТ
«Пожарная безопасность. Общие
требования», обеспечивают законодательную базу реализации на практике принци-
па гибкого нормирования.
Объёмно-планировочные решения зданий и сооружений должны обеспечи-
вать безопасную эвакуацию людей при пожаре. При анализе пожарной опасности в
соответствии с нормативными документами (СНиП 21-01-97* «Пожарная безопас-
ность зданий и сооружений» и др.) могут использоваться расчетные сценарии,
осно-
ванные на математическом моделировании динамики опасных факторов пожара
(ОФП), позволяющие определить риск для людей и выбрать наиболее эффективные
системы противопожарной защиты.
Методики прогнозирования ОФП, обусловлены упрощением реальной термо-
газодинамической картины пожара, что в значительной степени влияет на досто-
верность получаемых результатов. Методы расчёта критической продолжительно-
сти пожара по газообразным
продуктам горения учитывают вредное воздействие
только трёх токсичных газов (СО, СО
2
, НСl), выделяющихся при пожаре, хотя экс-
периментально установлено, что, например, при сгорании древесины может образо-
вываться до 220 химических элементов и соединений.
Для определения необходимого времени эвакуации людей необходимо уметь
определять динамику изменения концентраций продуктов горения на путях эвакуа-
ции в зданиях и сооружениях. Расчёт количества выделяющихся токсичных газов
требует знания
химического состава и концентраций компонентов, образующихся в
процессе газификации твёрдых и жидких горючих веществ. В настоящее время эта
проблема не решена как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения,
из-за сложности физико-химических условий протекания процесса.
Математическое моделирование выделения и распространения токсичных га-
зов позволяет оценить эффективность и необходимость
использования портативных
фильтрующих самоспасателей для спасения жизни и здоровья людей при эвакуации
на пожарах, что также является актуальной задачей с научной и практической точек
зрения.
4
Требования к портативным фильтрующим самоспасателям регламентированы
нормативным документом НПБ 302-2001 «Техника пожарная. Самоспасатели
фильтрующие для защиты органов дыхания и зрения людей при эвакуации из по-
мещений во время пожара» и являются достаточно «жесткими». Так, например,
должна быть обеспечена защита при парциальной плотности монооксида углерода в
воздухе равной 0,0062±0,0003 кг/м
3
, что существенно превышает предельно допус-
тимое значение (ПДЗ) для безопасной эвакуации людей, равное 0,0016 кг/м
3
.
Однако, в большинстве литературных источников экспериментальные и тео-
ретические результаты показывают, что массовые концентрации окиси углерода не
достигают ПДЗ за все время эвакуации или достигают после достижения температу-
рой её критической величины в помещении.
Поэтому использование портативных фильтрующих самоспасателей, не удов-
летворяющих по защите от окиси углерода НПБ 302-2001, может быть
эффектив-
ным для спасения жизни и здоровья людей на пожарах.
В данной работе на основе предложенных физико-математических методов
моделирования выделения и распространения токсичных газов, проведено теорети-
ческое исследование очерёдности достижения ОФП их ПДЗ и эффективности ис-
пользования портативных фильтрующих самоспасателей в помещениях различного
функционального назначения с учётом особенностей объёмно-планировочных
ре-
шений, и образования ранее не рассматривающихся токсичных газов (акролеин и
циановодород), которые во многих случаях представляют бо´льшую угрозу для лю-
дей по сравнению с другими ОФП, в том числе и с СО.
Объектом исследования
в диссертации являются тепломассообменные
процессы при пожаре в зданиях и сооружениях, являющиеся основой для обоснова-
ния и разработки объемно-планировочных решений и выполнения расчётов по оп-
ределению критической продолжительности пожара по ОФП и необходимого вре-
мени эвакуации людей из помещений, а также эффективности использования порта-
тивных фильтрующих самоспасателей.
Цель и
задачи работы. Целью диссертационной работы является разработ-
ка метода расчета выделения и распространения токсичных продуктов горения при
пожаре в зданиях и сооружениях с учётом их объёмно-планировочных решений и
изменения параметров пожара и позволяющего более точно, чем существующие ме-
тоды, рассчитать критические продолжительности пожара по отдельным ОФП, и
необходимое время эвакуации людей,
и выдать рекомендации по эффективному ис-
пользованию портативных фильтрующих самоспасателей. Для достижения постав-
ленной цели необходимо решить следующие задачи:
5
провести анализ отечественных и зарубежных статистических данных по со-
ставу и уровням концентраций продуктов горения на путях эвакуации при пожарах
в зданиях и сооружениях различного назначения;
выполнить анализ данных из различных литературных источников по воздей-
ствию монооксида углерода и других токсичных газов на организм человека для
выбора и обоснования ПДЗ
ОФП;
разработать математическую модель и методику расчёта выделения и распро-
странения токсичных газов при горении веществ и материалов, (на примере моноок-
сида углерода) с учётом изменения объёмно-планировочных решений зданий, а
также температуры пожара, концентрации кислорода в зоне горения и коэффициен-
та теплопотерь,
выполнить тестирование предложенного метода расчёта на
эксперименталь-
ных данных;
произвести численный эксперимент и выполнить анализ динамики выделения
продуктов горения (в первую очередь монооксида углерода) на путях эвакуации при
пожарах в типовых зданиях и сооружениях различного назначения и объёмно-
планировочных решений по современным полевой и зонным моделям, а также с ис-
пользованием нормативных методов расчета (ГОСТ 12.1.004-91*) в
течение времени
эвакуации;
разработать научно-обоснованные рекомендации по использованию порта-
тивных фильтрующих самоспасателей (в том числе без дополнительной защиты от
монооксида углерода) для спасения жизни и здоровья людей при эвакуации на по-
жарах с учётом объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.
Научная новизна:
- впервые произведён расчёт критической продолжительности пожара по та-
ким токсичным газам, как акролеин и циановодород, что меняет существующие
представления об очерёдности достижения токсичными газами критических значе-
ний и динамике ОФП в зданиях и сооружениях;
- разработана математическая модель и методика расчёта выделения токсич-
ного газа, на примере монооксида углерода, при
горении веществ и материалов,
учитывающая изменения температуры пожара, концентрации кислорода в зоне го-
рения и коэффициента теплопотерь, позволяющая более точно рассчитывать крити-
ческие продолжительности пожара по отдельным ОФП и необходимое время эва-
куации людей в зависимости от термогазодинамической картины пожара и объёмно-
планировочных решений зданий и сооружений;
6
- разработана математическая модель и методика оценки эффективности пор-
тативных фильтрующих самоспасателей при пожаре в помещении, позволяющие
определять необходимость использования самоспасателя, его вид и характеристики,
в зависимости от термогазодинамической картины пожара и объёмно-
планировочных решений зданий;
- получены новые данные по динамике полей СО в помещениях со сложной
геометрией (коридоры, атриумы и
т.д.) с использованием зонных и полевых методов
расчёта динамики ОФП;
- разработаны научно-обоснованные рекомендации по эффективному исполь-
зованию фильтрующих самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях раз-
личного функционального назначения.
Достоверность
Полученные данные по динамике ОФП рассчитаны с использованием апроби-
рованных физико-математических методов анализа, а также численного решения
дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математиче-
ские модели имеют достаточно точное для инженерных методов расчётов совпаде-
ние с экспериментальными и теоретическими данными, полученными в том числе
при изучении реальных пожаров специалистами
различных стран мира.
Практическое значение
работы заключается в совершенствовании научной
основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре в зданиях и соору-
жениях. Предложенные методики расчёта выделения и распространения моноксида
углерода, акролеина, циановодорода, хлороводорода и др. токсичных продуктов го-
рения, а также необходимого времени эвакуации, позволяют более надёжно, чем
существующие, разрабатывать и обосновывать объемно-планировочные решения
зданий
и сооружений различного функционального назначения, с точки зрения
безопасной эвакуации людей, а также оценивать эффективность использования пор-
тативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации людей на пожарах.
Апробация работы:
Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсу-
ждались на ХV и ХVI международной школесеминаре молодых учёных, аспиран-
тов и студентов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установ-
ках» под руководством академика А.И. Леонтьева (Калуга, 2005; Санкт-Петербург,
2007), на международной школеконференции молодых учёных, аспирантов и сту-
дентов «Авиационная и
ракетно-космическая техника с использованием новых тех-
нических решений» (Рыбинск, 2006), на ХIII и XIV научно-технических конферен-
циях «Системы безопасности» - СБ-2004, 2005 (М., 2004, 2005), на объединенном
7
заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности в
строительстве, процессов горения, пожарно-строевой и газодымозащитной подго-
товки, физики, пожарной тактики и службы, пожарной техники Академии ГПС
МЧС России (М., 2008).
Внедрение:
- новые данные по образованию и распространению токсичных ОФП исполь-
зовались при разработке «Противопожарных мероприятий жилого комплекса с под-
земными автостоянками по адресу: г. Москва, ул. Генерала Глаголева, вл. 26».
- разработанная математическая модель и методика определения времени эф-
фективного использования фильтрующего самоспасателя на пожаре были исполь-
зованы в отчёте «Проведение исследований
по разработке средства защиты органов
дыхания, предназначенного к массовому использованию для защиты населения при
угрозах и проявлениях террористических актов на объектах метрополитена», а так-
же используются при выполнении научно-исследовательских и конструкторских ра-
бот в научно-внедренческом центре ООО «Эпицентр-маркет»-производителя
фильтрующих самоспасателей «Феникс»;
- предложенная математическая модель используются при
проведении лекци-
онных и практических занятий со слушателями и курсантами Академии ГПС МЧС
России по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,
выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет
269 страниц, в том числе 41 рисунок, 51 таблица, список литературы из 130 наиме-
нований
и трёх приложений из 102 страниц.
На защиту выносятся:
данные о концентрациях токсичных газов выделяющихся при горении ве-
ществ и материалов в зданиях и сооружениях, а также воздействие токсичных газов
на организм человека с целью выбора и обоснования ПДЗ;
математическая модель и методика расчёта выделения токсичных газов (на
примере монооксида углерода) в помещениях, учитывающая объёмно-
планировочные решения и
изменение температуры пожара, концентрации кислоро-
да, и коэффициента теплопотерь;
методики оценки эффективности использования портативных фильтрующих
самоспасателей на пожаре для безопасной эвакуации людей с учётом объёмно-
планировочных решений зданий и сооружений;
результаты расчётов по определению критических продолжительностей пожа-
ра по отдельным ОФП (включая впервые рассматриваемые токсичные газы акроле-
8
ин и циановодород) при горении всех 67 комбинированных пожарных нагрузок и
горючих веществ, включённых в нормативную базу пожарных нагрузок, для типо-
вых объёмно-планировочных решений зданий и сооружений на основе интеграль-
ной математической модели расчёта динамики ОФП;
результаты численных экспериментов по динамике полей СО при расчётах
термогазодинамики пожара при типовых объёмно-
планировочных решениях зданий
и сооружений, полученных с использованием полевой и зонной математических мо-
делей пожара в помещении.
Основное содержание работы.
Во введении обоснована актуальность проблемы исследования динамики
опасных факторов пожара в зданиях с различными объёмно-планировочными реше-
ниями и различного функционального назначения с целью обеспечения безопасной
эвакуации людей, сформулированы цель и основные задачи диссертационной рабо-
ты, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов,
приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ литературных источников, содержащих ин-
формацию о выделении токсичных газов при сгорании веществ и материалов, из
научных работ Ю.А. Кошмарова, Л.К. Исаевой, А.В. Матюшина, П.П. Щеглова, В.
Веселы, В.С. Иличкина, И.С. Молчадского и др. специалистов России и США. Рас-
смотрено влияние
выделяющихся токсичных газов при пожаре на организм челове-
ка, приведены уровни концентраций, при которых у людей проявляются различные
симптомы отравления.
В начальной стадии пожара наибольшую опасность для человека представля-
ют отделочные материалы и предметы внутреннего оснащения помещений, в основ-
ном изготовленные из древесины и полимерных материалов, которые обладают дос-
таточно
низкой температурой термического разложения, низкой температурой вос-
пламенения и плавления, высокой скоростью распространения пламени, токсично-
стью и дымообразующей способностью.
В табл. 1 представлена часть результатов анализа состава продуктов горения
пожарной нагрузки (ПН) помещений с пересчетом в массовые концентрации.
9
Таблица 1.
Состав продуктов горения пожарной нагрузки помещений
Удельное выделение, кг/кг
Наименование
горючего
материала
Двуокись
углерода,
L
CO2
Оксид уг-
лерода,
L
CO
Дым,
L
Д
Синильная
кислота,
L
HCN
Соляная
кислота,
L
HCl
Оксиды
азота,
L
NOx
Акролеин,
L
АКР
1 Древесина 1-1,75 10
-4
-0,25
9· 10
-3
-
3,4·10
-2
--- ---
10
-3
-
3·10
-3
4·10
-3
-
4,86·10
-3
2
Древесина с
огнезащитн.
добавками
--- 1,32·10
-4
1,12·10
-4
3·10
-5
---
--- ---
3
Древесина,
обработанная
аммонийны-
ми солями
--- --- ---
3·10
-3
-
2,7·10
-2
---
3,5·10
-
4
-
1,2·10
-3
---
4
Пшеница,
ячмень, овес,
кукуруза
0,5-0,7 0,2-0,26
0,13-
0,16
--- ---
---
2,8·10
-3
-
6,4·10
-3
5
Линолеум,
изоляция
проводов
--- --- ---
3,2·10
-4
-
3,96·10
-4
--- --- ---
--- - нет данных по выделению токсичного газа.
Доминирующими, в количественном отношении, токсичными газами являют-
ся монооксид углерода (СО), хлороводород (HCl), циановодород (HCN), акролеин
(СН
2
=СН-СНО), фтороводород (HF), аммиак (NH
3
), оксид углерода (СО
2
) и др.
Спектр токсичных газов, выделившихся при сгорании, например древесины может
исчисляться сотнями наименований.
Анализ исследований по выделению токсичных газов на реальных пожарах
(г. Бостоне (CША), Департамент научных исследований окружающей среды и здо-
ровья), показал, что, в отличие от общепринятых представлений оксид углерода
(СО
2
) не наносит существенного вреда эвакуирующимся людям, но присутствует во
всех замерах; (СН
2
=СН-СНО) – концентрации этого высокотоксичного газа (акро-
леина) в 50 % случаев находились в интервале между действующей опасной кон-
центрацией для жизни и здоровья людей и краткосрочной предельно-допустимой
концентрацией (по стандартам США); концентрации монооксида углерода (СО) в 17
% случаев находились в интервале между действующей опасной концентрации для
жизни и здоровья людей и
кратковременной смертельной концентрацией.
Необходимо учитывать, что токсичные газы оказывают комплексное воздей-
ствие на организм человека одновременно при повышающейся температуре в по-
мещении и снижающейся концентрации кислорода, что, современные методики
прогнозирования ОФП не учитывают.
10
Учитывая сложную токсикологическую обстановку на пожарах в современ-
ных зданиях и сооружениях при спасении людей нашли широкое применение сред-
ства индивидуальной защиты (самоспасатели) фильтрующего типа, т. к. они наибо-
лее удобны, малобюджетны и просты в применении.
Самоспасатель фильтрующийсредство индивидуальной защиты органов
дыхания, глаз и головы человека от дыма и
токсичных газов, образующихся при
пожаре.
Проведён анализ технических характеристик самоспасателей различных про-
изводителей и установлено, что практически все самоспасатели, продающиеся на
российском рынке, соответствуют требованиям норм (за исключением параметров
защиты от СО у некоторых самоспасателей).
Однако отсутствует информация об изменении времени защитного действия
самоспасателя при изменении температуры, концентрации токсичных газов и
со-
держания кислорода в помещении, а также о поведении фильтрующего элемента
самоспасателя при комбинированном воздействии токсичных газов.
В выводах по первой главе отмечено, что:
- при горении веществ и материалов концентраций, опасных для жизни и здо-
ровья человека, спустя незначительные промежутки времени от начала пожара, мо-
гут достигать токсичные газы: монооксид
углерода, хлороводород, циановодород,
акролеин, аммиак, фтороводород, альдегиды, а в нормах пожарной безопасности
учтены только СО, СО
2
и НСl;
- отсутствуют методики расчёта удельного коэффициента (L
i
) выделения ток-
сичных газов в зависимости от термогазодинамических условий пожара: в норма-
тивных документах принимается L
i
= const для каждой пожарной нагрузки;
- для определения критической продолжительности пожара по отдельным
ОФП, необходимого времени эвакуации людей и эффективности использования
портативных фильтрующих самоспасателей при пожаре необходимо производить
прогнозирование ОФП с учётом выделения токсичных газов (в том числе и не уч-
тённых в нормах пожарной безопасности) для конкретных объёмно-планировочных
решений объекта
;
- комплексная методика исследования эффективности фильтрующих самоспа-
сателей, учитывающая термогазодинамические особенности пожара, а также конст-
руктивные и функциональные особенности самоспасателей, в настоящее время от-
сутствует.
Во второй главе
рассмотрены особенности математического моделирования
тепломассообмена при пожаре в помещении и динамики ОФП. Проведён анализ