Теоретический анализ решений по вентиляции и дымоудалению помещений крытых парковок

Одной из актуальных проблем мегаполисов в настоящее время является опережения темпов роста автомобилизации населения над обеспеченностью машин парковками. В настоящее время автопарковки закрытого типа становятся неотъемлемой частью инфраструктуры крупных городов. Это подталкивает инженеров к поискам новых технических решений, улучшающих инвестиционную привлекательностью и нацеленных на увеличение эффективности функционирования автопарковок. При проектировании вентиляции подземных автостоянок основными задачами являются обеспечение нормативных параметров внутреннего воздуха, а также обеспечение пожаробезопасности и взрывобезопасности.

В настоящее время при проектировании систем вентиляции закрытых автостоянок следует руководствоваться СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» [1], а также СП 300.1325800.2017 «Системы струйной вентиляции и дымоудаления подземных и крытых автостоянок» [2] (введен в действие в начале 2018). Свод правил «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» устанавливает нормы, руководствуясь которыми, приточный воздух следует подавать на постоянные рабочие места, если они находятся вблизи источников вредных выделений (п. 7.5.10), а удаление воздуха предусматривать из наиболее загрязненных зон (п. 7.5.11). С учетом выделения в помещениях автопарковок выхлопных газов, содержащих легкие и тяжелые фракции, удаление следует производить из верхней и нижней зон помещения.

Свод правил «Системы струйной вентиляции и дымоудаления подземных и крытых автостоянок» не требует удаления загрязненного воздуха отдельно из нижней и верхней зоны помещения автостоянки (п. 5.2.5).

Целью работы была оценка эффективности использования струйных вентиляторов в системах общеобменной и противодымной вентиляции за- крытых автопарковок, а также сравнение данных решений с «традиционной» канальной вентиляцией.

В качестве примера для объекта проектирования выбрана неотапливаемая автопарковка на 24 машино-места, расположенная в г. Челябинске. Автопарковка закрытого типа 1-этажная, размерами 42 метра на 18 метров, высота помещения 3,0 метра.

При конструировании системы вентиляции, согласно требованиям СП 60.13330.2016, для организации воздухообмена в помещении автопар- ковки предусматривается приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Приточ- ная установка размещается в помещении венткамеры, приточный воздух подается по воздуховодам вдоль проездов. Вытяжная вентиляция осуществляется удалением воздуха из верхней и нижней зоны в равных объемах с использованием воздухо- водов и вытяжных решеток.

Расход воздуха из условия разбавления вредных веществ СО и NO _x от автомобилей до предельно допустимой концентрации:

3,6 ⋅ 10⁶ ⋅ M

L =            ⁱ

С -С вп

где L – о бъе м н ый ра сх о д в озд ух а , м ³/ч; М i – количество i за г р язн яю ще г о в е щ ес тв а , г / с ; С _в, С_п – концентрация i за г р язняю ще го в е щес тв а в о в нутре н-

н е м и п ри т о ч но м в о зду хе с оо тв е т с тв ен н о, ра в н ы е ПДК, м²/м³.

В с о отв е т с тви и с [ 3 ] к олич ес т в о за грязняющег о в е ще с т ва вычи с ляе тся п о сле д ую щей фор м ул е :

M =10-3⋅qi⋅l⋅Aэi⋅Кс i          Tв ⋅3,6

,

где q i – в ыб ро с за г р язн я ющего в е ще с тв а , г/ к м , п р и ни м а ется п о табл . 4 пр и л. 5 [3 ]; l – условный п р об е г о дн о г о а в т о м о б ил я п о п ом е ще н ию с т о я н к и с у чё том в ре м е н и на запуск д в игател я, км, п р и н имается по табл. 5 прил. 5 [3]; А _{э i} – эксплуатационное количество автомобилей, шт ., п ринимае м о е по [2]; К _с – ко э ф фи ци е нт , учиты в а ю щий влияни е с ко ро с т н о г о р е жима а вт о м о биля, п рини м а е тся п о табл. 6 прил. 5 [3]; Т _В – в ре м я в ые зд а ил и в ъе з д а а в том о б и ля, ч, п ринимае тся р авны м 1.

П р и о с н аще ни и а втомоб ил е й н е йт р али заторами заводского изгот овл ен ия уде ль н ые выб р ос ы СО и СН м ог у т быть сни ж е н ы н а 8 0 %, NO x – на 50 %.

Согл а сн о в ы п ол н ен н о му ра с че т у м а к с и мал ьн ы й в оздух о о б м е н п о о кси ду у гл е р од а со с т а ви л L _CO= 1137 м³/ч.

Ра с смотр и м в ар и а н т о б щео бменной в е нтиляции с и сп ользов ан и е м ст руйн ы х в е нтил я тор о в рис. 1.

Да н ны е в ен т ил ятор ы де м о нстр и р у ю т в ы с ок ие п о ка затели п р оизв од итель но сти пр и н и з к их устан о в оч н ы х и экс пл уат а ци о нн ых ра с х о д а х за сч е т эжек ци онн о г о эфф ек т а в о здуш н о й с тру и , ис ходя-

щей из вентилятора со скоростью 15–30 м/с. Такая система вентиляции не требует устройства воздуховодов, поток воздуха подхватывается последующим вентилятором с предыдущего перемещаясь от места забора воздуха к месту его удаления. За счет разрежения со стороны всасывания в поток вовлекаются тяжелые фракции выхлопных газов, в связи с чем отсутствует необходимость в устройстве вытяжной вентиляции из двух зон. Схема расположения струйного вентилятора представлена на рис. 2.

Требуемый воздухообмен согласно методике, изложенной СП 300.1325800.2017 п.п.6, для снижения концентрации СО в автостоянке вычисляют по формуле:

Va =

1000 ⋅ G CO ⋅ K G

(CO об

-

co , V об. пр. возд )

где G _CO – эмиссия СО в помещении автостоянки, г/ч; K_G – коэффициент, учитывающий неравномерность вентиляции помещения автостоянки, принимается равным 1,25; CO _об – максимально допустимая концентрация СО, мг/м³, принимается равная 70 [2]; СО _{об.пр.возд} – значение объемной концентрации СО в приточном воздухе за пределами автостоянки, мг/м³, принимается равным 4 [2].

G CO = SP ⋅ f ⋅ E CO , (4) где SP – проектное количество парковочных мест, шт.; f – максимальная частота трафика, 1/ч, принимается равной 0,6 по [2]; E _CO – среднее значение эмиссии СО, принимаемое равным 7,6 по [2].

Рис. 1. Струйный вентилятор однонаправленный:

1 – корпус вентилятора; 2 – крыльчатка; 3 – лопасть крыльчатки;

4 – носовой обтекатель; 5 – хвостовой обтекатель; 6 – монтажная рама;

7 – электродвигатель; 8 – опора двигателя; 9 – наконечник; 10 – шумоглушитель

кб

H

P

J

L

Рис. 2. Схема расположения струйного вентилятора под потолочным перекрытием: 1 – струйный вентилятор; 2 – потолочное перекрытие с балками

Ра с че тное з на че ние в оз д у хообм е на по в ыш еизложенной методике составляет V а = 2084 м³/ч. П ри с ра в не н ии зна че н ий, полученн ых по д в ум методикам [2, 3], видно, ч т о п ри испол ьз ов ани и стр уй н ой ве н ти л яц и и в оз д ух ооб ме н у в ел ич и в аетс я пра кти чес к и в 2 ра з а . Э то объ яс няетс я ос обе н ностью работы струйной вентил я ци и, ос нов ан ной на у дал ен и и в ред нос те й и з н и ж ней зон ы з а с че т эжекции воздушными потоками.

При в ы боре т и пораз м е ра стр у й н ого в ен тиля тора с ле д у ет с о б л ю дать н и же п ри ве ден но е у сл о ви е :

m <  Z <  H - ( H a + D B + 2 00) , (5) где m – в ы с ота ба л к и пе рекрыти я, м м , ра в на я 0; Z – р а с с тояние м е ж д у ос ью с тр уй ного в е н ти л я тора и потолочным перекрытием, мм; Н – высота потолочного перекрытия, мм; Н а – вы с ота а в том оби л я, мм , при ним а е ма я по п рил . Г [ 2 ]; D в – диаметр струйного вентилятора, мм.

Дл я ра с с м а трив а е м ого при м е ра в ыбра н в е нтилятор – Systemair AJ8 315- 2. Тяга 23 Н, м а ксимальный расход воздуха 4400 м³/ч. Выбранные в ен ти л яторы ос на щены рег улир уе м ым и а люм и ниев ыми раб очим и кол ес а ми и эл ектродвига тел я ми , от в еча ющ им и с танд ар та м IE C и пре дна зн а ч е н ными для удал ени я С О (п ри те м пе рат у ре от 40 до 60 ° С ) и л и дым а (при те м п ера т уре 300 ° С в т ечение 2 часов).

По приложению В [2] выбрана схема расположения вентиляторов в помещении автостоянки, приведенная на рис. 3.

Данную схему целесообразно использовать при высоте помещений от 2,5 до 3,0 м.

По приложению И [2] выбраны расстояния между струйными вентиляторами: в струе 26 м; межосевое расстояние между параллельными вентиляторами 8 м.

Проверим количество вентиляторов в соответствии с п. 8.2.8 [4]:

n вр = ^k рез • у ^ СТ" ,                                ⁽⁶⁾

L П • b где kрез – коэффициент резервирования, принимается равным 1,1; AСТ – площадь автостоянки, м2; LП – продольное расстояние между вентиляторами, м; b – параллельное расстояние между вентиляторами, м.

По расчету n _вр = 2,9, к установке принято 4 вентилятора для равномерного движения воздуха.

Для проверки работоспособности системы струйной общеобменной вентиляции выполнено компьютерное моделирование воздушных потоков с помощью программы SOLIDWORKS. SOLIDWORKS – программный комплекс САПР имеет дополнительное семейство SolidWorks Flow

Рис. 3. Расположение струйных вентиляторов над дорожным полотном, рядом с колоннами

Simulation HVAC Module Add-In для расчёта сис- тем вентиляции, отопления и кондиционирования.

Для обработки полученных данных была построена 3D-модель парковки. Для оценки результатов использованы методы, изложенные в [4–6]. Результаты расчета предоставлены на рис. 4–5.

Из моделирования автостоянки и аэродина- мического расчета по средствам программы SOLIDWORKS сделаны следующие выводы:

– в помещении нет застойных зон, вся автопарковка является проветриваемой;

– с нижней зоны подхватываются и удаляются газовоздушные примеси.

Рассмотрим устройство системы дымоудаления канального типа. Для организации удаления дыма при пожаре предусмотрена система дымоудаления и компенсационного подпора. Дым уда- ляется из помещения автопарковки через одно дымоприемное устройство, находящееся под потолком, выброс дыма осуществляется вертикально вверх выше уровня кровли не менее чем на 2 м. Приток воздуха подается через решетки, расположенные на отметки +0,200 от уровня пола.

Расчет объема продуктов горения ведется согласно методике, изложенной в [7], из условия обеспечения незадымления нижней зоны помещения.

Объемный часовой расход удаляемых продуктов горения определяют по формуле:

3600 • G.

L =------ y ,

^P ПГ

где Gy – массовый расход удаляемых продуктов горения, кг/с, равный Gк; рПГ - плотность продуктов горения, кг/м3.

G k = 0,032 ^ QJ^S • Z ,

где Q _к – конвективная составляющая мощности очага пожара, кВт; Z – высота незадымленной зоны, м.

Q k = (1 -ф ) • Q_n

где φ – доля теплоты, отдаваемой очагом пожара ограждающим конструкциям, принимаемая равной 0,4; QП – тепловая мощность очага пожара, кВт, принимаемая равной 4500 кВт.

^р пг = _т , Т _ПГ

где Т _ПГ – температура продуктов горения, К.

Т =--------- =----Q k -------------= + Т (11)

ср ■ Gy +а[A• B + 2(A + B)(H-Z)]   в 1

где с_р – удельная изобарная теплоемкость воздуха и продуктов горения, кДж/(кг·К), принимаемая равной 1,09; α – коэффициент теплоотдачи от продуктов горения к ограждающим конструкциям, кВт/(м²·К), принимаемый равным 0,012; А – длина помещения, м; В – ширина помещения, м; Н – высота помещения от пола до места выброса продуктов горения, м; Т в – температура внутреннего воздуха, К.

В результате расчёта расход продуктов горения составил 32985 м3/ч.

При применении струйных вентиляторов система дымоудаления состоит из струйных вентиляторов, расположенных в помещении автопарковки, приточной и вытяжной решетки в наружных стенах, шахты и вентилятора дымоудаления для выброса воздуха в атмосферу. Струйные вентиляторы применяются той же модели и марки, что и при

Рис. 4. План автопарковки. Движение воздушных потоков

общеобменной вентиляции.

При возникновении пожара системы струйной и противодымной вентиляции обеспечивают продольное перемещение воздушного потока и дымовых газов от эвакуационных выходов к противопожарным нормально закрытым клапанам в наружных ограждениях. Механизм формирования потока дымовых газов предполагает возникновение двух однонаправленных разноплотностных потоков:

– подпотолочный поток горячих пожарных газов, обусловленный работой струйных вентиляторов;

– поток холодного воздуха от вентиляторов системы приточной противодымной вентиляции со средней скоростью 1 м/с в нижней части автостоянки, ограниченный линией раздела потоков на высоте стояния дыма.

Чтобы обеспечить ограничение растекания дыма в подпотолочном пространстве в пределах 10 м от очага пожара в направлении, противоположном возникшему воздушному потоку, необходимо обеспечить следующее условие:

M = D •

D =

A =

V, > V „

1 кр ,

где v 1 - средняя скорость от вентиляторов системы приточной противодымной вентиляции, м/с; v _Kp - минимальное допустимое значение скорости

воздуха, м/с.

v кр

L =

M ² L ³

2 ²      +    +

4   27

- 2 М2 + L 3 - D ,(13) 4   27  3

D ²

3,

Г 2 • D Р-

( 27

-

A

Q k

( 1 о + 273) •р в • C p • В • Y ’

9,8 • Y

Fr ,

где t ₀ – температура приточного воздуха, °С;

р _в - плотность воздуха при температуре 1 ₀ , кг/м³;

C_p – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К), принимаемая равной 1,005; В – ширина зоны локализации задымления автостоянки, м, принимается равной габаритному размеру автостоянки, перпендикулярному потоку дымовых газов; Y – уровень нижней границы дымовых газов при затекании в сторону притока, м, принимается не менее 2; Q_k – конвективная тепловая мощность пожара, кВт; Fr – число Фруда, принимаемое равное 4,5.

Qk = (1 -ф> Q п , (18)

где φ – доля теплоты, отдаваемая очагом горения за

счет излучения и теплопроводности; при отсутствии данных принимается равной 0,4; Q _п – тепловая мощность очага горения, МВт, принимается по табл. 5.1 [2].

Температуру газовоздушной смеси t_m вычис-

ляют по формуле

(

1 m = ( 1 о + 273) •

1+D1

V у   ^р у

- 273,

Производительность вентилятора дымоудаления V _вх вычисляют по формуле

V_BX = 3600 •v™ • В • Y • t ^{m + 273} .               (20)

^{вх         кр} L + 273

Рис. 5. Воздушные потоки в разрезе автопарковки

По результатам расчетов необходимая производительность струйных вентиляторов в режиме дымоудаления составила 161 316 м3/ч, что с учетом максимальной производительности выбранной модели вентилятора требует установку 37 вентиляторов. Расчетное количество вентиляторов невозможно расположить в данном помещении.

Из проделанных расчетов видно, что использование струйных вентиляторов для дымоудаления небольших по размерам автопарковок не целесообразно. Это связано с тем, что расход воздуха на систему дымоудаления зависит напрямую от мощности очага горения. При расчетах не учитывается общее количество парковочных мест, и расход воздуха принимается для одной загоревшейся машины. Следовательно, при увеличении площади парковки расход воздуха не будет значительно отличаться от расхода на парковку, меньшую по площади.

Возросший интерес к струйным системам вентиляции подземных и крытых парковок обусловлен преимуществами данных систем в условиях высоких нагрузок на вентиляцию как в режиме общеобменной вентиляции, так и в аварийной ситуации при пожаре в помещениях с высотой потолочных перекрытий 2,5...3,0 м и значительными площадями. Режим дымоудаления для струйных вентиляционных систем подземных сооружений является наиболее ответственным, определяющим проектные решения по выбору вентиляционного оборудования и размещение вентиляторов.

Проведем сравнение стоимости капитальных затрат, монтажа систем и эксплуатационных затрат в системе общеобменной вентиляции в двух вариантах исполнения. Система дымоудаления не учитывается в расчете, так как она остается неизменной при двух вариантах.

Затраты на оборудование и монтаж систем общеобменной канальной вентиляция составили 785 тыс. руб., устройство струйной вентиляции обойдется в 602 тыс. руб.

Установленная электрическая мощность вентиляционного оборудования в канальной системе вентиляции составляет 5,05 кВт, что при стоимости электроэнергии 3,14 рублей кВт/ч в год приведет к затратам в размере 138,9 тыс. руб. Суммарная электрическая мощность установленных струйных вентиляторов составляет 3 кВт, что составит за год 82,5 тыс. руб.

Помимо очевидной экономической выгоды при эксплуатации систем и более низкой величины капитальных затрат, можно отметить и неочевидные преимущества. Например, отсутствие необходимости устройства помещений под вентиляционное оборудование, а это минимум одно дополнительное машино-место, среднерыночной стоимостью 450–500 тыс. руб, уменьшение высоты потолков и повышение эффективности использования подземного пространства.

Итогом проделанной работы является подтверждение эффективности использования системы струйной вентиляции по сравнению с использованием канальной вентиляции. Годовой экономический эффект от применения рассмотренной схемы вентиляции составит около 40 %. Полученные результаты исследований могут использоваться непосредственно в проектных организациях.