Безопасность здания при экстраординарных воздействиях на системы климатизации и теплоэнергоснабжения зданий

Ю. А. Табунщиков, профессор МАрхИ, член-корреспондент РААСН

М. М. Бродач,профессор МАрхИ

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Определение понятия «экстраординарное воздействие»

Задачей систем климатизации – отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и ограждающих конструкций – является предоставление людям безопасных и комфортных условий для жизни и работы или для обеспечения требуемого технологического процесса в здании. На практике системы климатизации не всегда успешно обеспечивают решение этой задачи. Причин тому несколько. Наряду с проблемами, возникающими в результате просчетов при проектировании, строительстве и монтаже систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и ограждающих конструкций, существуют некоторые виды воздействий, назовем их экстраординарными, на само здание или его системы климатизации и теплоэнергоснабжения, в результате которых происходит нарушение комфортного или технологического режима в помещениях здания, выходит из строя инженерное оборудование, причиняется вред здоровью людей или возникает опасность для их жизни, либо происходит остановка технологического процесса.

В общем случае предлагаем выделять два типа экстраординарных воздействий. К первому типу экстраординарных воздействий относятся:

• ветровые воздействия, приводящие к разрушению ограждающих конструкций, элементов инженерного оборудования зданий или самого здания;

• наружные влажностные и температурные воздействия в теплый и холодный периоды года, вызывающие разрушение ограждающих конструкций за счет возникновения высоких температур на поверхностях в жаркое время или образования наледи в переходные периоды года;

• значительное количество внутренних вредных выделений (газообразных и биологических) при неэффективной работе системы вентиляции или кондиционирования, приводящих к появлению «синдрома больного здания».

Ко второму типу экстраординарных воздействий относятся:

• загрязнения смогом, дымом, частицами копоти и т. п. приточного воздуха, подаваемого в здание посредством системы вентиляции или кондиционирования;

• загрязнение наружного воздуха, используемого затем в качестве приточного, в результате выброса ядовитого газа из-за аварии на близлежащем промышленном предприятии или подобного инцидента, повлекшего ухудшение экологической обстановки;

• загрязнение вентиляционного воздуха химическими, биологическими и радиологическими агентами в результате преднамеренных (террористических) актов;

• разрушение части инженерного оборудования, расположенного за пределами границ объекта (например, на кровле здания) в результате взрыва, пожара или подобного внешнего воздействия.

В данной статье рассматриваются, главным образом, экстраординарные воздействия второго типа.

Наибольшую опасность в качестве потенциальных объектов для экстраординарных воздействий второго типа могут представлять высотные здания, крупные зрелищные здания, стадионы, школы, больницы, представительства иностранных государств и т. п. Риск проведения террористических актов тем выше, чем больше людей могут стать их жертвами либо чем большее символическое значение имеет потенциальный объект нападения.

Загрязняющие агенты

Рассмотрим кратко биологические и химические агенты, которые потенциально могут быть использованы при преднамеренных (террористических) актах, направленных на загрязнение приточного или внутреннего воздуха помещений.

В качестве наиболее вероятных агентов, использующихся как биологическое загрязнение, могут быть возбудители сибирской язвы, ботулизма, чумы, оспы, туляремии и разнообразные виды вирусной геморрагической лихорадки. Бактериальные и вирусные агенты могут разбрызгиваться в воздухе в виде аэрозоля.

Еще одной формой биологического загрязнения являются токсины, представляющие собой любые токсичные вещества, вырабатываемые животными, растениями или микробами. Токсины, в отличие от бактериальных и вирусных агентов, не репродуцируются. С наибольшей вероятностью токсин попадает в организм человека в виде вдыхаемого аэрозоля с зараженной пищей или водой.

Химические агенты могут доставляться с помощью таких средств, как баллоны с газом, контейнеры с жидкими агентами, оставленные для испарения, генераторы аэрозолей, разбрызгивающие емкости, а также с помощью небольших зарядов взрывчатого вещества.

Экологическая безопасность здания

При неэффективной работе системы вентиляции в помещениях с источниками вредных выделений (газообразных или биологических) может накапливаться их концентрация, что приводит к появлению экологически опасной ситуации в помещениях, к созданию так называемого «синдрома больного здания».

Экологическая ситуация в помещениях здания складывается из понятий «тепловой режим помещения» и «концентрация вредных выделений». Тепловой режим помещения – состояние внутренней среды помещения, характеризуемое следующими показателями: температурой воздуха, радиационной температурой, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. Концентрация вредных выделений – выделения вредностей в помещении, опасных для состояния здоровья человека. К вредным для состояния здоровья человека выделениям будем относить газообразные выделения (формальдегиды, радон, табачный дым и т. п.) и биологические выделения (плесень, бактерии и т. п.). К вредным для состояния здоровья человека воздействиям будем относить радиационные, электромагнитные, звуковые воздействия и т. п.

Наиболее опасными для здоровья людей среди газообразных загрязнителей считаются формальдегиды и газ радон. Формальдегид – это бесцветный газ с резким запахом. Формальдегид внесен в список достоверно канцерогенных веществ, обладает хронической токсичностью, негативно воздействует на наследственную генетическую и хромосомную мутацию, репродуктивные органы, раздражает слизистые оболочки глаз, горла, верхних дыхательных путей, вызывает головную боль и тошноту. Радон – это радиоактивный газ, который встречается в природе. Известным эффектом воздействия радона на человека является рак легкого.

Изучение совместного воздействия на организм человека перечисленных выше загрязняющих факторов и показателей микроклимата сформировало новое научное направление, которое получило название «синдром больного здания» (Sick Building Syndrome). «Синдром больного здания» имеет место в тех случаях, когда показатели «экологии жилища» превышают допустимые гигиенистами значения.

Для защиты от данного типа экстраординарного воздействия в здании должен быть обеспечен необходимый расход вентиляционного воздуха, который должен рассчитываться с учетом всех известных загрязнителей.

Уязвимые элементы системы климатизации и теплоэнергоснабжения

Анализ структуры системы климатизации и энергоснабжения [1] позволяет сделать вывод, что в здании можно выявить следующие основные уязвимые элементы системы климатизации и теплоэнергоснабжения, а также других точек, которые могут стать потенциальными целями для создания экстраординарных воздействий (рис. 1):

• воздухозаборные устройства систем вентиляции или кондиционирования воздуха – если эти устройства легко доступны для умышленного загрязнения приточного воздуха;

• рециркуляция – загрязняющие агенты могут быть внесены в систему вентиляции или кондиционирования и затем распространиться по всем помещениям здания через устройства забора рециркуляционного воздуха в одном из помещений;

• воздушные фильтры – эти устройства доступны для периодического обслуживания, поэтому в данной уязвимой точке также могут быть внесены загрязняющие агенты;

• вентиляционные агрегаты – как и в случае фильтров, в месте расположения вентиляционных агрегатов загрязняющие агенты относительно легко могут быть внесены в систему вентиляции;

• кабельные слаботочные линии системы автоматизации и управления инженерным оборудованием системы климатизации – повреждение этих линий может вызвать остановку всей вентиляции здания, в том числе аварийной;

• подвод хозяйственно-питьевой воды и электрической энергии – в хозяйственно-питьевой водопровод могут быть внесены загрязняющие агенты; нарушение водоснабжения и электроснабжения может привести к перебоям в работе системы климатизации;

• емкости с запасами жидкого топлива или опасными веществами, например аммиака (может использоваться в системах холодоснабжения крупных торговых центров, ледовыхдворцов и т. п.);

• крышные установки кондиционирования – вывод их из строя может, например, привести к нарушению технологического процесса, в результате чего возникает потенциальная возможность техногенной экологической катастрофы;

• аварийные электрогенераторы – вывод их из строя парализует работу инженерного оборудования в аварийном режиме;

• доступ в лифтовые шахты – на крыше кабины лифта может быть установлен аэрозольный генератор, лифт работает аналогично поршню в шахте, приводя в движение огромную массу воздуха, вследствие чего отравляющее вещество быстро распространяется по всему зданию.

В общем случае системы климатизации и теплоэнергоснабжения должны оснащаться датчиками, сигнализирующими о возникновении опасности, и системами, предотвращающими возникновение экстраординарной ситуации.

Рисунок 1 (подробнее)   Уязвимые элементы системы климатизации и теплоэнергоснабжения здания

Обеспечение безопасности помещений здания при экстраординарных воздействиях на системы климатизации ­и теплоэнергоснабжения зданий

1. Мероприятия по защите от загрязнения приточного воздуха в результате ухудшения экологической обстановки

Проведенные нами исследования показывают, что в случае загрязнения смогом, дымом, частицами копоти и т. п. приточного воздуха, подаваемого в здание посредством системы вентиляции или кондиционирования, или загрязнения наружного воздуха, используемого затем в качестве приточного, в результате инцидента, повлекшего ухудшение экологической обстановки, первоочередными мероприятиями по защите являются установка воздушных фильтров и датчиков обнаружения загрязнений.

Для очистки приточного воздуха от химических или биологических загрязняющих агентов используются воздушные фильтры специальной конструкции, рассчитанные на определенные виды загрязнений, воздухоочистители на основе абсорбции, каталитического окисления и т. д. Фильтры могут быть установлены последовательно с основным агрегатом обработки воздуха или в байпасной конфигурации для специального подключения системы очистки от химических или биологических веществ.

На притоке системы вентиляции или кондиционирования устанавливается датчик или группа датчиков, позволяющих контролировать качество подаваемого (приточного) воздуха. Воздух, качество которого требуется контролировать, пропускается через ряд сенсоров, позволяющих­ провести анализ химического состава этого воздуха по основным газам. Кроме того, могут быть использованы дымовые датчики, анализирующие задымленность приточного воздуха.

Также для защиты от загрязнения приточного воздуха в результате экстраординарного воздействия могут выполняться следующие перечисленные ниже рекомендации [2]:

• Отключение вентиляции (принимая инфильтрацию эквивалентной 0,3 ч^-1, но не учитывая адсорбцию и десорбцию во внутреннее пространство, можно рассчитать, что для того, чтобы уровень загрязнения достиг уровня загрязнения наружного воздуха, понадобится 13 часов, а при инфильтрации 0,1 ч^-1 для этого понадобится не менее 39 часов).

• Задание расписания работы системы вентиляции в соответствии с периодами максимального и минимального загрязнения воздуха, например, посредством ограничения времени включения, чередующегося режима работы и т. д.

Эти рекомендации следует включить в техническое задание на проектирование и эксплуатацию.

Конструктивные решения систем вентиляции и кондиционирования воздуха могут выполнять определенные функции защиты от поступления или циркуляции химических и биологических веществ в системах обработки воздуха. Можно рекомендовать следующий перечень таких средств и мер защиты:

• Устройства забора наружного воздуха (воздухозаборные устройства) должны располагаться в недоступной части здания, а если это невозможно, то необходимо их оснащение охранными устройствами и сооружениями по периметру здания.

• Приточные и вытяжные устройства в каждом помещении, в котором находятся люди, должны оборудоваться быстро закрывающимися изолирующими заслонками.

• Системы вентиляции лестниц аварийного выхода могут оборудоваться HEPA-фильтрами (High-Efficiency Particulate Filter – высокоэффективный сухой воздушный фильтр).

К рекомендуемым решениям защиты помещений от проникновения химических, биологических и радиологических агентов можно отнести снижение инфильтрации наружного воздуха, но эффективность этой меры в значительной степени зависит от герметичности наружных стен, а также от разности давления воздуха снаружи и внутри здания. Иногда имеет место случай, когда приточный воздух загрязняется воздухом из вытяжной вентиляции в случае, если приточные и вытяжные устройства расположены в непосредственной близости друг от друга, либо при рециркуляции; возникает так называемое «короткое замыкание». Устройства для забора и выброса воздуха должны быть всегда оснащены воздушными заслонками с электроприводом. Эти заслонки должны иметь эффективные уплотнения, чтобы они были действительно воздухонепроницаемыми в закрытом положении; при угрозе надвигающейся экологической катастрофы или террористической атаки с применением биологических агентов они должны быть закрыты.

2. Мероприятия по защите от загрязнения приточного воздуха в результате преднамеренного воздействия

Для защиты от загрязнения приточного воздуха в результате преднамеренного (хулиганского, террористического) воздействия на системы теплоснабжения и климатизации предлагаются следующие мероприятия:

• защита воздухозаборных ус-тройств и других уязвимых точек здания – ограничение доступа посторонних лиц к уязвимым точкам;

• оборудование элементов системы климатизации датчиками обнаружения загрязняющих агентов, применение фильтров для очистки приточного (или рециркуляционного) воздуха;

• использование видеонаблюдения (охранного телевидения) для контроля доступа посторонних лиц к уязвимым элементам здания.

3. Безопасность систем инженерного оборудования здания как часть комплексной системы обеспечения безопасности здания

В наиболее общем случае меры по предупреждению террористического воздействия можно разделить на две группы. Первую группу составляют меры активного характера (оперативно-розыскные мероприятия, действия по поддержанию общественного порядка), осуществляемые силами государства. Вторая группа – системно-технологические мероприятия, проводимые в целях предотвращения террористических нападений либо минимизации последствий таких нападений, составляющие комплексную систему обеспечения безопасности здания.

Комплексная система обеспечения безопасности здания подразделяется на подсистемы, реализующие отдельные функции. Обычно в системе безопасности здания выделяются следующие четыре подсистемы:

• охранная сигнализация;

• пожарная сигнализация;

• контроль доступа;

• охранное телевидение.

Эти системы могут быть как интегрированными (то есть реализуется единая интегрированная система автоматического управления всем инженерным оборудованием здания), так и обособленными.

Помимо четырех указанных систем, с точки зрения безопасности могут быть выделены и другие подсистемы. Например, можно говорить об электробезопасности объекта (рис. 2).

Рисунок 2 (подробнее)   Пример обеспечения комплексной безопасности объекта

С точки зрения работы системы климатизации и теплоэнергоснабжения здания в условиях экстраординарного воздействия имеет смысл в общем аспекте безопасности рассматривать безопасность систем инженерного оборудования зданий, которую можно отнести к технологической безопасности. Таким образом, помимо четырех указанных выше подсистем, при предъявлении специфических требований дополнительно реализуется и пятая подсистема – подсистема технологической безопасности.

В инженерных системах объекта можно выделить ряд подсистем (рис. 3). Это: вентиляция и кондиционирование воздуха; отопление; электроснабжение; теплоснабжение, водоснабжение и водоотведение; система сигнализации и связи. Часть этих подсистем находятся в пределах границ объекта, и подразумевается, что при сохранении целостности объекта данные подсистемы могут функционировать в автономном режиме. Часть подсистем находятся за пределами объекта, что делает вероятным их повреждение в случае экстраординарного воздействия на объект. Для таких объектов необходимо предусматривать резервирование.

Рисунок 3 (подробнее)   Инженерные системы объекта с точки зрения реализации системы жизнеобеспечения

В последнее время на крупных объектах, состоящих из комплекса различных зданий, имеющих разветвленную сеть вентиляционных камер, тепловых пунктов, начинают интегрироваться видеоканалы передачи информации. В помещениях, в которых реализуются крупные технологические процессы и сосредоточено большое количество различного оборудования (в ИТП, ЦТП, венткамерах), располагаются видеокамеры. Это позволяет оценить, с чем связана данная аварийная ситуация.

В случае совместного использования оборудования различными подсистемами все возможности интегрированных систем управления проявляются наиболее полно. Так, в числе прочего, такая интеграция различных подсистем позволяет, в конечном итоге, снизить общую стоимость системы автоматизации и диспетчеризации. Интегрированные системы позволяют реализовать различные функции на программном уровне, то есть имеется единая база данных, а необходимые функции реализуются путем добавления соответствующих подпрограмм в единый программный пакет.

Выводы

1. Рекомендуется считать воздействия на системы климатизации и теплоэнергоснабжения здания экстраординарными, если в результате этих воздействий происходит нарушение комфортного или технологического режима в помещениях здания, выходит из строя инженерное оборудование, причиняется вред здоровью людей или возникает опасность для их жизни, либо происходит остановка технологического процесса.

2. В общем случае предлагаем выделять два типа экстраординарных воздействий. К первому типу экстраординарных воздействий относятся ветровые воздействия, приводящие к разрушению ограждающих конструкций, элементов инженерного оборудования зданий или самого здания; наружные влажностные и температурные воздействия в теплый и холодный периоды года, вызывающие разрушение ограждающих конструкций за счет возникновения высоких температур на поверхностях в жаркое время или образования наледи в переходные периоды года; значительное количество внутренних вредных выделений (газообразных и биологических) при неэффективной работе системы вентиляции или кондиционирования, приводящих к появлению «синдрома больного здания». Ко второму типу экстраординарных воздействий относятся загрязнения смогом, дымом, частицами копоти и т. п. приточного воздуха, подаваемого в здание посредством системы вентиляции или кондиционирования; загрязнение наружного воздуха, используемого затем в качестве приточного, в результате выброса ядовитого газа из-за аварии на близлежащем промышленном предприятии или подобного инцидента, повлекшего ухудшение экологической обстановки; загрязнение вентиляционного воздуха химическими, биологическими и радиологическими агентами в результате преднамеренных (террористических) актов; разрушение части инженерного оборудования, расположенного за пределами границ объекта (например, на кровле здания) в результате взрыва, пожара или подобного внешнего воздействия.

3. Экологическая ситуация в помещениях здания складывается из понятий «тепловой режим помещения» и «концентрация вредных выделений». Тепловой режим помещения – состояние внутренней среды помещения, характеризуемое следующими показателями: температурой воздуха, радиационной температурой, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. Концентрация вредных выделений – выделения  опасных для состояния здоровья человека вредностей в помещении. К вредным для состояния здоровья человека выделениям будем относить газообразные выделения (формальдегиды, радон, табачный дым и т. п.) и биологические выделения (плесень, бактерии и т. п.). К вредным для состояния здоровья человека воздействиям будем относить радиационные, электромагнитные, звуковые воздействия и т. п. Изучение совместного воздействия на организм человека перечисленных выше загрязняющих факторов и показателей микроклимата сформировало новое научное направление, которое получило название «синдром больного здания» (Sick Building Syndrome). «Синдром больного здания» имеет место в тех случаях, когда показатели «экологии жилища» превышают допустимые гигиенистами значения.

4. Установлены наиболее уязвимые для экстраординарных воздействий (в том числе террористических актов) элементы системы климатизации и теплоэнергоснабжения, а также других точек, которые могут стать потенциальными целями для создания экстраординарных воздействий. Этими уязвимыми элементами являются воздухозаборные устройства, кабельные слаботочные линии системы управления, подвод воды и электрической энергии, емкости с топливом или опасными веществами, крышные установки кондиционирования, аварийные электрогенераторы, доступ в лифтовые шахты.

5. Выявленные возможности возникновения экстраординарных ситуаций требуют учета их при проектировании системы климатизации и теплоэнерго-снабжения. В здании могут быть рекомендованы мероприятия, сигнализирующие о наличии внешнего воздействия на системы климатизации, предотвращающие такие ситуации и позволяющие минимизировать ущерб от таких воздействий. Первоочередными мероприятием по защите является установка воздушных фильтров и датчиков обнаружения загрязнений. Конструктивные решения систем вентиляции и кондиционирования воздуха могут выполнять определенные функции защиты от поступления или циркуляции химических и биологических веществ в системах обработки воздуха.

5. Для защиты от загрязнения приточного воздуха в результате преднамеренного (хулиганского, террористического) воздействия на системы теплоснабжения и климатизации предлагаются следующие мероприятия: защита воздухозаборных устройств и других уязвимых точек здания – ограничение доступа к уязвимым точкам посторонних лиц; оборудование элементов системы климатизации датчиками обнаружения загрязняющих агентов, применение фильтров для очистки приточного (или рециркуляционного) воздуха; использование видеонаблюдения (охранного телевидения) для контроля доступа посторонних лиц к уязвимым элементам здания.

6. Комплексная система обеспечения безопасности здания подразделяется на подсистемы, реализующие отдельные функции. В системе безопасности здания выделяются следующие четыре подсистемы: охранная сигнализация; пожарная сигнализация; контроль доступа; охранное телевидение. Помимо четырех указанных систем, с точки зрения безопасности могут быть выделены и другие подсистемы. С точки зрения работы инженерного оборудования и автоматизации инженерных систем в аспекте безопасности рассматривается безопасность инженерного оборудования зданий. Таким образом, при предъявлении специфических требований дополнительно реализуется система технологической безопасности.

7. Для выявления возможных нештатных ситуаций возможно использование интегрирования видеоканалов передачи информации. В помещениях, в которых реализуются крупные технологические процессы и сосредоточено большое количество различного оборудования (в ИТП, ЦТП, венткамерах), располагаются видеокамеры. Это позволяет оценить причины возникновения данной нештатной ситуации.

Литература

1. Инженерное оборудование высотных зданий / Под общ. ред. М. М. Бродач. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2007.

2. Бронсема Б. Экологические катастрофы и биологическое оружие – могут ли здания защитить нас от загрязнений, переносимых по воздуху? // АВОК. – 2005. – № 4.

3. Мессинео А. И др. Предупреждение появления бактерий легионеллы в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха // АВОК. – 2006. – № 5.

4. Панкратов В. В., Шилкин Н. В. Системы автоматизации и безопасность здания. Аспекты использования системы автоматизации для обеспечения технологической безопасности зданий // АВОК. – 2006. – № 8.

5. Трофимов П. В., Шилкин Н. В. Противопожарная защита высотных жилых комплексов // АВОК. – 2006. – № 3.

6. ASHRAE 2003. Risk Management Guidance for Health, Safety, and Environmental Security under Extra Ordinary Incidents. Report of Presidential Ad Hoc Committee for Building Health and Safety under Extraordinary Incidents.

7. ASHRAE Guideline 12-2000,2000, Minimizing the Risk of Legionellosis Associated with Building Water Systems, ASHRAE, Atlanta, USA.

8. Bronsema, B. 1997. An Air Handling Unit for the Next Century. Proceedings Healthy Buildings Conference 1997, Washington DC.