Аэродинамические характеристики противопожарных клапанов систем вентиляции

В. Н. Тимошенко, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, начальник отдела проектирования систем противопожарной защиты ЗАО «ВИНГС-М»

При выборе противопожарных клапанов учитываются в первую очередь следующие их характеристики:

– функциональное назначение клапана;

– предел его огнестойкости, являющийся основной пожарно-технической характеристикой клапана;

– размеры клапана;

– тип привода с точки зрения нормативных требований к способам управления клапанами при пожаре;

– вес изделия.

В последнее время все большую роль при выборе противопожарных клапанов начинает играть их цена, которая в известной формуле «цена – качество» часто становится преобладающей, отодвигая во многих случаях на второй план качество и надежность противопожарных клапанов, их функциональную эффективность. Очевидно, что такой подход полностью оправдан только при одинаковых технических характеристиках сравниваемых противопожарных клапанов, отличающихся только ценовым показателем. Основную сложность при сравнительном анализе противопожарных клапанов представляет определение минимального перечня их технических характеристик, которые следует учитывать в процессе проектирования.

Решение о выборе противопожарных клапанов, принятое только на основе сравнения их предела огнестойкости, значение которого представлено в сертификатах на изделия, нельзя считать в полной мере обоснованным, т. к. при этом не учитываются аэродинамические характеристики указанных клапанов, которые при сертификационных испытаниях на огнестойкость не определяются. Эти характеристики отражают аэродинамическое качество противопожарных клапанов, являющихся обязательными элементами систем общеобменной вентиляции и противодымной защиты.

Речь в данном случае идет о потерях давления на клапане с открытой заслонкой или коэффициенте местного сопротивления (КМС) клапана, с учетом которого рассчитываются указанные потери давления. О недостаточном внимании к аэродинамическим характеристикам противопожарных клапанов свидетельствует ряд примеров. В каталогах практически всех отечественных производителей этих изделий такие характеристики отсутствуют, несмотря на то что противопожарные клапаны имеют ряд конструктивных особенностей по сравнению с «общевентиляционными» клапанами. Эти особенности могут значительно влиять на величину потерь давления на клапане, что необходимо учитывать при проведении аэродинамического расчета систем вентиляции. В вентиляционных справочниках, которые проектировщик использует при расчете, значения КМС противопожарных клапанов не приводятся.

Данные каталогов зарубежных производителей противопожарных клапанов отличаются формой представления аэродинамических характеристик и не в полной мере учитывают отечественный подход к расчету параметров систем вентиляции. Это затрудняет сравнительный анализ аэродинамического качества противопожарных клапанов на этапе проектирования. Прямое заимствование зарубежных данных при проведении аэродинамического расчета систем вентиляции с противопожарными клапанами отечественного производства нельзя считать оправданным из-за конструктивных особенностей изделий, во многих случаях значительно влияющих на величину потерь давления на клапане. Кроме того, в зарубежных каталогах отсутствуют аэродинамические характеристики противопожарных клапанов «канального» типа с размерами внутреннего поперечного сечения менее 200 мм, потери давления на которых могут играть определяющую роль при расчете общих потерь давления проектируемой системы вентиляции.

В рекомендациях по расчету систем противодымной защиты приводятся оценочные данные по значениям КМС дымовых клапанов без учета конструктивных особенностей конкретных изделий, потери давления на декоративной решетке вообще не учитываются. Такой подход может привести к невозможности обеспечения проектных параметров смонтированных систем противодымной защиты, которые, по сравнению с системами общеобменной вентиляции, являются «высокоскоростными» и имеют большие потери давления на всех участках системы, особенно на входном участке вытяжной противодымной вентиляции.

Потери давления на противопожарных клапанах зависят от их конструктивных особенностей, во многом определяемых их функциональным назначением, и условий функционирования вентиляционных систем, в которых они устанавливаются. Основными нормативными документами, устанавливающими классификацию противопожарных клапанов по их функциональному назначению и область применения этих клапанов, в настоящее время являются СНиП 41-01 [1] и НПБ 241 [2], которые существенно отличаются по терминологии и определениям терминов. Этот вопрос достаточно подробно рассмотрен в статье [3]. Противопожарные нормально открытые («огнезадерживающие» по НПБ 241) клапаны являются обязательными элементами систем общеобменной вентиляции и кондиционирования. В разделе 7 СНиП [1] эти клапаны ошибочно названы «противопожарными», т. к., в соответствии с ГОСТ 12.1.004 [4], противопожарными являются не только устройства, обеспечивающие ограничение распространения пожара, но и устройства, предназначенные для противодымной защиты.

В соответствии со СНиП 21-01 [5], противопожарные нормально открытые клапаны являются заполнением проемов в противопожарных преградах (противопожарных стенах, перегородках и перекрытиях с нормированным пределом огнестойкости) в местах прокладки воздуховодов. В качестве нормально открытых противопожарных клапанов обычно используются огнестойкие клапаны «канального» типа с двумя присоединительными фланцами и наружным расположением привода, устанавливаемые в воздуховодах.

Рисунок 1. Схема обтекания воздухом противопожарного клапана «канального» типа: 1 – воздуховод; 2 – клапан; 3 – заслонка клапана

В нормальных условиях функционирования вентиляционных систем такие клапаны открыты и представляют собой дополнительное местноесопротивление проходящему через них воздуху (рис. 1). Результаты численного моделирования течения воздуха в рассматриваемых условиях, представленные на рис. 2, свидетельствуют о значительной неравномерности распределения давлений в зоне установки противопожарного клапана.

Рисунок 2. Распределение давлений в воздушном потоке в «канальном» клапане

Скорость воздуха в воздуховодах при проектировании систем вентиляции принимается, как правило, равной 4–6 м/с.

Величина потерь давления на «канальных» противопожарных клапанах зависит от толщины теплоизолированной заслонки и конструктивных особенностей внутренних элементов изделия, влияющих как на проходное (живое) сечение клапана, так и на условия обтекания этих элементов воздухом.

При этом очевидно, что величина потерь давления на клапанах будет возрастать с уменьшением их размеров.

В каталогах зарубежных противопожарных нормально открытых (огнезадерживающих) клапанов приводятся значения КМС, отнесенные к скорости воздуха в проходном (живом) сечении клапана. Потери давления на клапане в данном случае рассчитываются по формуле:

DP_КЛ = ζ_КЛ• ρ • V_КЛ²/2, (1)

где ζ_КЛ – КМС клапана, отнесенный к скорости в проходном сечении клапана;

ρ – плотность воздуха, кг/м³;

V_КЛ – скорость воздуха в проходном сечении клапана, м/с.

В соответствии с принятым в нашей стране подходом, в качестве характерной скорости при расчете потерь давления на вентиляционных клапанах различного функционального назначения используется скорость воздуха в воздуховоде.

Потери давления при этом рассчитываются по формуле:

DP_КЛ = ζ_В• ρ • V_в²/2, (2)

где ζ_В – КМС клапана, отнесенный к скорости в воздуховоде;

V_В – скорость воздуха в воздуховоде, м/с.

Значения КМС, приведенные в формулах (1) и (2), связаны соотношением:

ζ_В = ζ_КЛ • (F_В/ F_КЛ)² , (3)

где F_КЛ – площадь проходного сечения клапана, м²;

F_В – площадь внутреннего сечения воздуховода, м².

Если в качестве примера взять противопожарный нормально открытый клапан одной из европейских фирм с площадью проходного сечения F_КЛ = 0,015 м² и КМС ζ_КЛ = 1,10 для установки в воздуховоде с размерами внутреннего поперечного сечения 200 х 200 мм, то расчетные значения ζ_В и DP_КЛ для этого клапана по формулам (3) и (2) составят при V_В = 6 м/с и ρ =1,2 кг/м³:

ζ_В = 1,10 • (0,04 / 0,015)² = 7,82;
DP_КЛ = 7,82 • 1,2 • 6² /2 = 168,9 Па.

Для такого же по размерам противопожарного нормально открытого клапана одной из отечественных фирм со значениями F_КЛ=0,028 м² и ζ_В = 2,10 расчетные значения ζ_КЛ и DP_КЛ при тех же параметрах воздусоответственно:

ζ_КЛ = 2,10 • (0,028 / 0,04)² = 1,03;
DP_КЛ = 2,10 • 1,2 • 6²/2 = 45,4 Па.

Сравнение характеристик рассмотренных выше клапанов показывает, что значения ζ_КЛ, отнесенные к скорости воздуха в проходном сечении, у этих клапанов практически не отличаются, а значения ζ_В, отнесенные к скорости воздуха в воздуховоде, и потери давления на клапанах отличаются в 3,72 раза.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что аэродинамическое качество противопожарных клапанов «канального» типа должно оцениваться по расчетным потерям давления на клапане или по значениям КМС, отнесеннымк скорости воздуха в воздуховоде, т. е. по величине ζ_В, а не по величине ζ_КЛ, которая не характеризует реальное соотношение потерь давления на клапанах из-за различных значений площади их проходного сечения.

В соответствии со СНиП [1], в системах вытяжной противодымной вентиляции следует предусматривать дымовые клапаны, а в системах приточной противодымной вентиляции – противопожарные нормально закрытые клапаны.

Значения скоростей газа в каналах систем противодымной вентиляции принимаются до 15–18 м/с из-за больших значений расхода удаляемого дыма.

В системах противодымной вентиляции используются противопожарные клапаны как «канального» типа, так и «стенового» типа с одним присоединительным фланцем. В системах вытяжной противодымной вентиляции чаще используются дымовые клапаны «стенового» типа с внутренним расположением привода, которые удобно устанавливать в стенках шахт или воздуховодов и закрывать декоративными жалюзийными решетками (рис. 3).

Рисунок 3. Схема установки дымового клапана «стенового» типа с декоративной решеткой в шахте дымоудаления: 1 – декоративная решетка; 2 – заслонка клапана

Результаты численного моделирования бокового входа газа в вытяжной канал через «стеновой» дымовой клапан (рис. 4) показывают существенную деформацию поля скоростей на начальном участке системы противодымной вентиляции. Установка декоративных решеток, изменяющих направление потока газа на входе в клапан, приводит к увеличению потерь давления на рассматриваемом участке.

Из-за большой скорости газа потери давления на входе в канал дымоудаления через открытый дымовой клапан с декоративной решеткой могут достигать величин, превышающих суммарные потери давления на всех других участках проектируемой системы.

Рисунок 4. Проекция поля скоростей потока газа при боковом входе в вытяжной канал через дымовой клапан

Потери давления в рассматриваемом случае можно существенно понизить путем применения клапанов и декоративных решеток с оптимальными значениями коэффициентов местного сопротивления, определенными на специальном аэродинамическом стенде, на котором моделируются условия входа газа в канал системы дымоудаления через решетку и клапан конкретной конструкции.

Решетки с пониженным аэродинамическим сопротивлением отличаются не только большим значением площади живого сечения, но и формой профиля и угла наклона жалюзи.

Замена клапанов и решеток на другие изделия, не испытанные на аэродинамическом стенде, может привести к непредсказуемым результатам при проведении приемосдаточных испытаний систем противодымной защиты зданий. Непрогнозируемое завышение потерь давления на начальном участке системы дымоудаления приведет к значительному снижению фактического расхода удаляемого газа, по сравнению с проектной величиной, и, как следствие этого, к не выполнению системой противодымной вентиляции возложенной на нее задачи при пожаре.

Потери давления на «канальных» дымовых и нормально закрытых клапанах систем противодымной вентиляции могут быть рассчитаны с учетом значений ζ_В, представленных в каталогах для противопожарных клапанов соответствующих размеров.

В отличие от противопожарных нормально открытых (огнезадерживающих) клапанов, аэродинамические характеристики дымовых и противопожарных нормально закрытых клапанов, открывающихся при пожаре, являются по сути дела пожарно-техническими характеристиками, от которых зависит эффективность функционирования систем противодымной вентиляции в условиях реальных пожаров.

Не вызывает сомнения важность учета аэродинамических характеристик противопожарных клапанов с точки зрения оптимизации выбора вентиляционного оборудования, а также возрастание роли аэродинамического качества этих клапанов в процессе проектирования систем вентиляции и противодымной защиты.

Выводы

1. При проектировании систем вентиляции и противодымной защиты необходимо учитывать аэродинамические характеристики применяемых противопожарных клапанов, являющихся обязательными элементами этих систем. От аэродинамических характеристик противопожарных клапанов систем противодымной вентиляции во многом зависит эффективность функционирования этих систем при возможном пожаре в здании.

2. При сравнении аэродинамических характеристик «канальных» противопожарных клапанов различных фирм-изготовителей и проведении аэродинамических расчетов следует использовать коэффициенты местного сопротивления, отнесенные к скорости газа в воздуховоде, которые более объективно характеризуют аэродинамическое качество этих клапанов.

3. Для обеспечения проектных параметров смонтированных систем противодымной вентиляции с противопожарными клапанами «стенового» типа при проведении приемо-сдаточных испытаний и реальном пожаре рекомендуется использовать для аэродинамического расчета аэродинамические характеристики дымовых клапанов и декоративных решеток, полученные на аэродинамическом стенде в условиях, приближенных к реальным условиям функционирования этих систем. Такой подход позволит адекватно определять возможные потери давления на начальном участке систем дымоудаления с учетом конструктивных особенностей изделий фирмы-изготовителя.

Литература

1. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

2. НПБ 241-97. Клапаны противопожарные вентиляционных систем. Метод испытания на огнестойкость.

3. Противопожарные клапаны ЗАО «ВИНГС-М» // АВОК. 2004. № 8. С. 28–29.

4. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.

5. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.