CC BY
9УДК 519.6
ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ СРЕДНЕОБЪЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ
Н.Н. Романов, кандидат технических наук, доцент. Л.В. Медведева, доктор педагогических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Представлен программный модуль среднеобъемной температуры продуктов горения в помещении, который является базовым модулем теплотехнического расчета ограждающих конструкций, оценки огнестойкости и проекта огнезащиты металлических несущих конструкций.
Ключевые слова: модульное программирование, среднеобъемная температура, теплотехнический расчет, опасные факторы пожара, металлические несущие конструкции
SOFTWARE MODULE OF AVERAGE VOLUME COMBUSTION PRODUCTS TEMPERATURE CALCULATION DURING A ROOM FIRE
N.N. Romanov; L.V. Medvedeva.
Saint Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The software module of average volume combustion products temperature calculation during a room fire is presented. It is basic module for thermal engineering calculation of enclosing structures, fire resistance assessment and a projecting fire protection of metal load-bearing structures.
Keywords: modular programming, average volume temperature, heat engineering calculation, hazardous factors of fire, metal load-bearing structures
Одним из главных условий прогнозирования опасных факторов пожара и решения инженерных задач обеспечения пожарной безопасности реальных объектов различного функционального назначения является знание изменения среднеобъемной температуры во времени при объемном свободно развивающемся пожаре в помещении [1, 2].
Факторами, которые определяют динамику изменения среднеобъемной температуры во времени, являются:
- физико-химические характеристики многообразных горючих материалов помещения;
- количество и плотность расположения пожарной нагрузки;
- геометрические особенности помещения (площадь пола, высота от пола до потолка и т.д.);
- возможность и интенсивность газообмена с внешней средой за счет расположения и размеров проемов.
В зависимости от видов и плотности пожарной нагрузки, количества воздуха, поступающего в результате воздухообмена в зону горения, возникают два вида объемного пожара [3, 4]:
- пожар, регулируемый нагрузкой, когда количество поступившего воздуха, превышает необходимое для полного сгорания пожарной нагрузки;
95
- пожар, регулируемый воздухообменом, когда количество поступившего воздуха недостаточно для полного сгорания пожарной нагрузки.
В настоящее время расчет температурного режима в помещении может проводиться с использованием общепринятых моделей внутренних пожаров [5]:
- через осредненные по всему объему помещения термодинамические параметры газовой среды (интегральная модель внутреннего пожара);
- через усредненные значения параметров состояния среды в двух-трех характерных пространственных зонах в объеме помещения (зонная модель внутреннего пожара);
- путем выделения множества малых объемов для наиболее точного прогноза состояния газовой среды (полевая (дифференциальная) модель внутреннего пожара).
Численную реализацию указанных математических моделей моделирования теплофизических процессов в условиях реального пожара осуществляют современные программные комплексы, практическое использование которых требует от пользователя не только умений качественного анализа планировки исследуемых реальных объектов, но и знаний в области теории тепломассообмена, гидрогазодинамики, что приводит к существенным затратам времени на ввод исходных данных. При этом следует отметить, что тщательная детализация состояния среды является необязательным условием решения прикладных пожарно-технических задач [5, 6].
С позиций вышеизложенного, для проведения оперативных пожарно-технических расчетов актуализируется разработка упрощенной автоматизированной методики расчета температурного режима внутреннего пожара на исследуемых объектах при различных видах пожарной нагрузки.
Результатом работы в указанном направлении явилось создание в среде Microsoft Office Excel с применением Vissual Basic for Applications программного модуля среднеобъемной температуры продуктов горения при пожаре в помещении, практическое использование которого не требует от пользователя специальной подготовки к работе с программным продуктом. При этом пользователь получает автоматический доступ к необходимым справочным данным, что обеспечивает возможность оперативного редактирования исходных данных в ходе выполнения инженерного расчета температурного режима в условиях внутреннего пожара для однотипных помещений, помещений различного функционального назначения и помещений с произвольно комбинированной пожарной нагрузкой [2].
Разработанный программный продукт основан на нормативном документе [3], а методика расчета среднеобъемной температуры продуктов горения при пожаре в помещении представлена в виде логической последовательности блоков: ввода исходных данных (рис. 1); расчета объемно-планировочных параметров помещения (рис. 2); расчета показателей пожарной нагрузки (рис. 3); расчета временной зависимости среднеобъемной температуры (рис. 4).
1. ВВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Геометрические параметры помещения [высота, длина и ширина] и проемов [высота и ширина], наименование зоны расположения пожарной нагрузки [низшая
теплота сгорания ( ) и удельная скорость выгорания (¥) материала пожарной
нагрузки].
Рис. 1. Блок исходных данных расчета среднеобъемной температуры продуктов горения
при пожаре в помещении
96
2. РАСЧЕТ ОБЪЕМНО ПЛАНИРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПОМЕЩЕНИЯ
а) reo метрические параметры помещения:
объем помещения ^(м3), площадь полаЭ (м2), площадь каждого проема помещения Aj (м2).
б) приведенная высота проемов помещения/; ^ (м):
УЛ. -hf
i J
h =-
rlf
А
где А, -высота^-го проема помещения (м); А -суммарная площадь проемов помещения (м2).
в) проемность П:
- при
v а, /г
V<103 м3 17 - —— .
V - --
V А : - при V>103 м3 П = —--
Рис. 2. Блок расчета объемно-планировочных параметров помещения
Рис. 3. Блок расчета показателей пожарной нагрузки
97
Рис. 4. Блок расчета временной зависимости среднеобъемной температуры в условиях реального пожара и при «стандартном режиме пожара»
Для максимального приближения результатов расчета среднеобъемной температуры продуктов горения в помещении к реальным условиям развития внутреннего пожара в программном модуле используется база данных показателей пожарной нагрузки, основанная на информации из справочного руководства разработанного ООО «СИТИС» [1, 7].
В данном справочнике приведены данные о пожарных нагрузках и свойствах материалов из отечественных и зарубежных нормативных, справочных и методических документов, которые используются при выполнении различных пожарно-технических расчетов и при моделировании динамики опасных факторов пожара. В программный модуль из данного справочника введены несколько таблиц [8]:
1. Таблица «Смеси горючих материалов» с представленными в ней параметрами:
- низшая теплота сгорания Q [МДж/кг];
- удельная скорость выгорания у [кг/м с];
- линейная скорость пламени у [м/с];
- потребление кислорода LO [кг/кг];
- дымообразующая способность Dm [Нп м /кг];
- выделение углекислого газа Ьсо2 [кг/кг];
- выделение окиси углерода (угарного газа) LCO [кг/кг];
- выделение хлороводорода LHCi [кг/кг].
2. Таблица «Плотность пожарной нагрузки» с параметрами:
- плотность пожарной нагрузки q [МДж/м2] (среднее значение);
2
- плотность пожарной нагрузки qp [МДж/м ] (расчетное значение).
Данные материалы приведены из отечественных и зарубежных нормативных, справочных и методических документов и технической литературы.
На рис. 5, 6 показаны примеры исходных справочных данных, которые в автоматическом режиме используются в блоке исходных данных программного модуля.
98
Смеси горючих материалов
Наименование групп помещений или зон расположения пожарной нагрузки Аналог или источник Низшая теплота сгорания Линейная скорость пламени Удельная скорость выгорания Дымооб разующа я способно сть Потреблены е О2 Выделение СО2 Выделение СО Выделение ИСЬ
Он V "Руд Бш Ьо2 Ьсо2 Ьсо Ьнс1
МДж/кг м/с кг/м2с Нп-м2/кг кг/кг кг/кг кг/кг кг/кг
Административные помещения (Ф1.1-2 больницы, дома престарелых и инвалидов) Административные помещения 14 0,005 0,014 47,7 -1,369 1,478 0,03 0,006
Выставочный зал автосалона (Ф3.1 - здания организаций торговли) Выставочный зал автосалона 31,7 0,007 0,023 487 -2,64 1,3 0,097 0,011
Гардероб (Ф1.1-1 дошкольные образовательные учреждения) Промтовары; текстильные изделия 16,7 0,007 0,024 61 -2,56 0,88 0,063 0
Гардероб (Ф2.2-1 Музеи, выставки) Гардероб 16,7 0,007 0,009 61 -2,56 0,88 0,063 0
Рис. 5. Смеси горючих материалов
Плотность пожарной нагрузки
Наименование групп помещений или зон расположения пожарной нагрузки Аналог или исходный материал Плотность пожарной нагрузки (среднее значение) Коэффициент колебания Плотность пожарной нагрузки (расчетное значение)
МДж/м2 МДж/м2
Автомагазин (Ф3.1. Здания организаций торговли) Автомагазин (чехлы для сидений) 700 2 1400
Антикварный магазин (Ф3.1. Здания организаций торговли) Антикварный магазин 700 2 1400
Библиотека (Ф2.1. Театры, кинотеатры) Библиотека 2000 2 4000
Винный магазин (Ф3.1. Здания организаций торговли) Винный магазин 200 2 400
Врачебный кабинет (Ф3.4. Поликлиники и амбулатории) Врачебный кабинет 200 1,5 300
Газетный киоск (Ф3.1. Здания организаций торговли) Газетный киоск 1300 2 2600
Гараж (частный) (Ф5.2-2 Паркинги) Подземный гараж (частный) 250 2 500
Рис. 6. Плотность пожарной нагрузки
Регулятивными нормами разработки пользовательского интерфейса программного модуля среднеобъемной температуры являлись следующие принципы [6, 9-11]:
1) создание комфортных условий взаимодействия пользователя с компьютером: интерфейс должен включать в себя все, что помогает пользователю выполнять инженерный расчет, в том числе средства визуализации, необходимые справочные материалы и техническая доступность;
2) предоставление возможности прерываний в работе с системой и сохранения промежуточных результатов для анализа выполненных и планируемых действий;
3) создание условий для немедленных и обратимых действий;
4) обеспечение возможности пользователя ориентироваться в системе в любой момент времени;
5) обеспечение понятного и грамотного интерфейса путем корректного изложения материала в понятных и информативных для пользователя терминах;
6) система должна «запоминать» введенную информацию и обеспечивать пользователю беспрепятственный доступ к ней в любое время.
99
При запуске программного модуля среднеобъемной температуры продуктов горения в условиях внутреннего пожара на экране отображается окно для ввода исходной информации, и пользователь производит расчет динамики изменения среднеобъемной температуры продуктов горения в помещении в следующем порядке:
1. Ввод начальной температуры воздуха.
2. Задание геометрических параметров помещения и проемов, числа оконных и дверных проемов (рис. 7).
3. Выбор варианта задания параметров пожарной нагрузки (рис. 8).
3.1. В случае выбора задания параметров пожарной нагрузки из «Базы данных для функционально однотипных помещений» на экране появится окно «Параметры пожарной нагрузки из базы данных для функционально однотипных помещений» (рис. 9).
В этом окне пользователю предоставляется возможность выбрать из базы данных наименование «зоны расположения пожарной нагрузки» и задать численное значение «массы пожарной нагрузки».
После выбора пользователем зоны расположения пожарной нагрузки из базы данных автоматически загружаются значения низшей теплоты сгорания материала и удельной скорости его выгорания а также параметры пожарной нагрузки, необходимые для решения других задач (рис. 10).
Объемно-планировочные параметры помещения
Ввод параметров
Геометрические параметры помещения
А У//
Длина м Ширина м Высота /V/ м
У
Геометрические параметры проемов
Вид Ширина, м Высота, м Кол-во
Оконные №1 / / * /
№2 /
Дверные №1 /
№2
Рис. 7. Ввод объемно-планировочных параметров помещения
100
Рис. 8. Выбор варианта задания параметров пожарной нагрузки
Рис. 9. Выбор «зоны расположения пожарной нагрузки» и ввод значения
массы пожарной нагрузки
101
Параметры пожарной нагрузки из базы данных для функционально однотипных помещений
Наименование групп помещений или зон расположения пожарной нагрузки (класс функциональной пожарной опасности зданий и помещений )
Торговый зал магазина бытовой техники, электроники (Ф3.1 - здания _организаций торговли)_
Аналог или источник
Масса пожарной нагрузки, кг
4000
Выделение СО, кг/кг
0,109
Торговый зал магазина бытовой техники, электроники
Низшая теплота сгорания 0н Мдж/кг
25
Выделение СО 2 кг/кг
0,398
Потребление О 2, кг/кг
-2,19
Выделение Ий., кг/кг
0,025
Удельная скорость выгорания, кг/(м 2 -с)
0,024
Дымообразующ ая способность, ■ Нп -м2/кг
635
Рис. 10. Общий вид окна с загруженными автоматически из базы данных значениями низшей теплоты сгорания материала (Q¡P), удельной скорости его выгорания (щ) и параметрами
пожарной нагрузки
3.2. В случае выбора задания параметров пожарной нагрузки из базы данных «Плотность пожарной нагрузки» на экране появится окно, где предоставляется возможность выбрать «зону расположения пожарной нагрузки» (рис. 11).
Параметры пожарной нагрузки из базы данных " Пожарная нагрузка для общественных и производственных помещений на
1 м площади помещения" для функционально однотипных
помещений
Наименование групп помещений или зон расположения пожарной нагрузки
Выбор из базы данных
Аналог или источник
Плотность пожарной нагрузки
МДж/м 2
Примечание:
Необходимо ввести "1 параметр:
- наименование групп помещений или зон расположения пожарной нагрузки;
Рис. 11. Выбор наименования «зоны расположения пожарной нагрузки»
При выбранном наименовании зоны расположения пожарной нагрузки в вычислительный модуль автоматически из базы данных загружается значение плотности пожарной нагрузки (рис. 12).
102
Рис. 12. Общий вид окна с загруженным автоматически из базы данных значением плотности пожарной нагрузки
3.3. В случае размещения на одной площади нескольких пожарных нагрузок так, что невозможно выделить отдельные участки нагрузок, комбинацию нагрузок рассматривают как смесь горючих материалов с эквивалентными параметрами и свойствами, а параметры пожарной нагрузки выбирают и задают из базы данных «Параметры для комбинированной пожарной нагрузки».
В соответствующем окне интерфейса пользователю предоставляется возможность выбрать из базы данных различные виды горючих материалов и их массы (рис. 13).
Параметры пожарной нагрузки
Вид горючего материала
Масса , кг
Низшая теплота сгорания 0рн Мдж/кг
Удельная скорость выгорания,
кг/(м -с)
| Расчет |
Ввод вида горючего материала
Ввод значения
Рис. 13. Общий вид окна для ввода видов горючего материала и их массы
В соответствии с выбранным горючим материалом в вычислительный модуль автоматически из базы данных загружаются значения низшей теплоты сгорания материала и удельной скорости его выгорания у (рис. 14).
103
Параметры пожарной нагрузки
№1 Вид горючего материала Толуол - Масса кг 350 щ ■ Низшая теплота сгорания С}н Мдж/кг 40,9 ИДИ ииИИВДнВДи
№2 Электрокабель АПВГ; ПВХ-оболочка и полиэтилен 50 36,4 0,024
№3
№4
Рис. 14. Общий вид окна с загруженными автоматически из базы данных видами горючих материалов, массой, низшей теплотой сгорания () и удельной скоростью выгорания (ф)
После того, как заданы геометрические параметры помещения и характеристики пожарной нагрузки, осуществляется расчет изменения среднеобъемной температуры продуктов горения в помещении во времени по алгоритму, представленному на рис. 4. Пример визуализации результатов расчета представлен на рис. 15.
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А
Зоны расположения пожарной нагрузки №1 Толуол
№2 Электрокабель АПВГ; ПВХ-оболочка и полиэтилен
№3 Электротехнические материалы; текстолит, карболит
Объем помещения 240,0 м3 Общая пожарная нагрузка | 4000 |кг
Площадь помещения 80,0 м К-во пожарной нагрузки отнесенное к площади пола 50,0 кг/м2
Проемность помещения 0,10 м 0,5 м Пожарная нагрузка приведённая к древесине, отнесенная к площади тепловоспринимающих поверхностей 52,1 кг/м кг/м2
Режим пожара: пожар, рег лируемый вентиляцией характерная продолжительность (ПРВ) объемного пожара 2,1 час
Текущее время, Среднеобъемная
мин. температура, 0 С
32 69
64 427
95 876
127 1047
159 928
191 680
222 440
254 263
286 150
318 86
350 52
381 35
Рис. 15. Визуализация результатов расчета среднеобъемной температуры в помещении в условиях реального пожара и «стандартного режима» пожара
В заключение следует отметить, что характеристиками разработанного программного модуля среднеобъемной температуры продуктов горения при внутреннем пожаре, который
104
реализует стандартный принцип IPO и включает в себя логически взаимосвязанную совокупность функциональных элементов (блоков расчета), являются функциональная завершенность и логическая независимость. При этом разработанный программный модуль является не только автономным самостоятельным программным продуктом, но и необходимым фрагментом программ [б, 12, 13]:
- теплотехнического расчета ограждающих конструкций;
- оценки огнестойкости металлических конструкций по потере несущей способности;
- проектов огнезащиты металлических несущих конструкций;
- расчета необходимого и фактического времени эвакуации людей из помещения.
Таким образом, программный модуль среднеобъемной температуры продуктов
горения при внутреннем пожаре, по существу, может рассматриваться как средство борьбы со сложностью и дублированием при разработке программ реальных теплофизических процессов для решения инженерных пожарно-технических задач.
Литература
1. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В.М. Aстапенко [и др.]. М.: Стройиздат, 1988. 448 с.
2. Романов H.H., Кузьмин A.A., Пермяков A.A. Aвтоматизация расчета теплового режима при горении горючей жидкости в помещении: Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020662746, 19.10.2020. Заявка № 2020661732 от 06.10.2020.
3. Walton D.W., Thomas P.H. Estimating Temperatures in Compartment Fires // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Section 3, Chater 06, 3nd Edition, 2002.
4. ГОСТ Р 12.3.047-2012. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. М.: Стандартинформ, 2014. 61 с.
5. Рыжов AM. О математическом моделировании пожаров в помещения // Огнестойкость строительных конструкций. М. : ВНИИПО, 1978. Вып. 6. С. 16-26.
6. Кознов Д.В. Введение в программную инженерию. М.: Национальный открытый университет «Интуит», 2016. 307 с.
7. Бадд Тимоти. Объектно-ориентированное программирование в действии: пер. с англ. A. Берднокова / гл. ред. В. Усманов. СПб.: Питер, 1997. 460 с.
8. СИТИС СПН-1. Пожарная нагрузка. Справочник. Редакция 1 от 14 мая 2014 г.
9. Басс Лен. Aрхитектура программного обеспечения на практике: пер. с англ. Л. Басс. 2-е изд. СПб.: Питер, 2006. 574 с.
10. Бутаков С.В. Высокоуровневые методы информатики и программирования: учеб. пособие. Барнаул: Изд-во AAЭП, 2005. 72 с.
11. Лаврищева Е.М. Программная инженерия и технологии программирования сложных систем: учеб. для вузов. 2-е изд. испр. и доп. М.: Изд-во Юрайт, 2019. 432 с.
12. Бартелими Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций: пер. с франц. М.В. Предтеченского / под ред. В.В. Жукова. М.: Стройиздат, 1985. 216 с.
13. Хореев П.Б. Технологии объектно-ориентированного программирования: учеб. пособие. М.: Academia, 2004. 447 с.
References
1. Termogazodinamika pozharov v pomeshcheniyah / V.M. Astapenko [i dr.]. M.: Strojizdat, 1988. 448 s.
2. Romanov N.N., Kuz'min A.A., Permyakov A.A. Avtomatizaciya rascheta teplovogo rezhima pri gorenii goryuchej zhidkosti v pomeshchenii: Svidetel'stvo o registracii programmy dlya EVM RU 2020662746, 19.10.2020. Zayavka № 2020661732 ot 06.10.2020.
3. Walton D.W., Thomas P.H. Estimating Temperatures in Compartment Fires // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Section 3, Chater 06, 3nd Edition, 2002.
4. GOST R 12.3.047-2012. Pozharnaya bezopasnost' tekhnologicheskih processov. Obshchie trebovaniya. Metody kontrolya. M.: Standartinform, 2014. 61 s.
105
5. Ryzhov A.M. O matematicheskom modelirovanii pozharov v pomeshcheniya // Ognestojkost' stroitel'nyh konstrukcij. M.: VNIIPO, 1978. Vyp. 6. S. 16-26.
6. Koznov D.V. Vvedenie v programmnuyu inzheneriyu. M.: Nacional'nyj otkrytyj universitet «Intuit», 2016. 307 s.
7. Badd Timoti. Ob"ektno-orientirovannoe programmirovanie v dejstvii: per. s angl. A. Berdnokova / gl. red. V. Usmanov. SPb.: Piter, 1997. 460 s.
8. SITIS SPN-1. Pozharnaya nagruzka. Spravochnik. Redakciya 1 ot 14 maya 2014 g.
9. Bass Len. Arhitektura programmnogo obespecheniya na praktike: per. s angl. L. Bass. 2-e izd. SPb.: Piter, 2006. 574 s.
10. Butakov S.V. Vysokourovnevye metody informatiki i programmirovaniya: ucheb. posobie. Barnaul: Izd-vo AAEP, 2005. 72 s.
11. Lavrishcheva E.M. Programmnaya inzheneriya i tekhnologii programmirovaniya slozhnyh sistem: ucheb. dlya vuzov. 2-e izd. ispr. i dop. M.: Izd-vo Yurajt, 2019. 432 s.
12. Bartelimi B., Kryuppa Zh. Ognestojkost' stroitel'nyh konstrukcij: per. s franc. M.V. Predtechenskogo / pod red. V.V. Zhukova. M.: Strojizdat, 1985. 216 s.
13. Horeev P.B. Tekhnologii ob"ektno-orientirovannogo programmirovaniya: ucheb. posobie. M.: Academia, 2004. 447 s.
106
