Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

СИНЕРГЕТИКА БЕЗОПАСНОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Белозеров В.В. 1 Долаков Т.Б. 2 Олейников С.Н. 2 Периков А.В. 2
1 Донской государственный технический университет
2 Академия государственной противопожарной службы МЧС России
В работе поставлена и решается задача разработки модели локальной автоматизированной микросистемы диагностики и защиты жилого сектора (квартир в многоэтажных и высотных зданиях, индивидуальных домов) от аварий инженерных систем, взрывов от утечек газа и пожаров, причинами которых становятся отказы и недостатки существующих инженерных систем зданий. Предложен принципиально новый способ «интеллектуализации» инженерных систем, в частности приборов учета качества и количества потребляемой электроэнергии, холодной и горячей воды, газа и отопления, а также интеграции указанных приборов со средствами управления жизнеобеспечением. Результаты исследования позволяют сделать вывод о возможности самоорганизации процессов обеспечения безопасности жилья, в том числе путем объединения приборов учета энергоресурсов, потребляемых каждой квартирой, в локальную автоматизированную микросистему диагностики и защиты на основе электросчетчика-извещателя, основными функциями которой являются: учет количества и качества потребляемых энергоресурсов, раннее обнаружение и подавление пожарно-энергетического вреда (пожароопасных отказов электроприборов, утечки бытового газа и других дефектов в инженерных системах) и опасных факторов пожара и взрыва от утечки бытового газа в жилом секторе.
аспирация
сепарация воздуха
самоорганизация жизнеобеспечения
подавление опасных факторов пожара и взрыва
инженерная система
локальная автоматизированная микросистема
1. Многофункциональные комплексы в регионах России / обзор компании GVA. URL: http://zdanie.info/2393/2467/news/2410 (дата обращения: 08.12.2017).
2. Системы автоматизации и диспетчеризации высотных жилых комплексов / Н.В. Шилкин [и др.] // АВОК. – 2005. – № 5. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.phpnid=2778&version=print (дата обращения 08.12.2017).
3. Бродач М.М. Инженерное оборудование высотных зданий (2-е изд., испр. и доп.; ISBN: 978–5–98267–068–7). – М.: Авок-Пресс, 2011. – 428 с.
4. Мешалкин Е.А. Пожарная безопасность жилых зданий // Системы безопасности. – 2013. – № 1. – С. 106–109.
5. Бахмацкая Л.С., Олейников С.Н., Периков А.В. Синтез аспирационного и термомагнитного методов выделения и подавления пожарно-энергетического вреда в автоматизированную систему обеспечения безопасности жилого сектора // Электроника и электротехника. – 2016. – № 2. – С. 88–95; DOI: 10.7256/2453-8884.2016.2.20898.
6. Кулягин И.А. Модель интеллектуализации сплит-систем для обеспечения пожарной безопасности // Международный студенческий научный вестник – 2017. – № 5–1. – С. 120–122.
7. Прус Ю.В. Аспекты организации процедур неразрушающего контроля в системах технической диагностики высотных зданий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. – 2009. – № 4. – С. 5–8.
8. Казакова В.А., Терещенко А.С., Недвига Е.С. Пожарная безопасность высотных многофункциональных зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2014. – № 3. – С. 38–56.
9. Белозеров В.В., Топольский Н.Г., Смелков Г.И. Вероятностно-физический метод определения пожарной опасности радиоэлектронной аппаратуры // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы ХII Всероссийской науч.-практ. конф. – М.: ВНИИПО, 1993. – С. 23–27.
10. Олейников С.Н. Электросчетчик-извещатель пожарно-электрического вреда. Патент РФ на полезную модель № 135437 от 16.04.2013.
11. Юдин В.А., Бабуров В.П., Быстров Ю.В., Литвинов Л.В., Белокопытов О.К. Автоматическая установка азотного пожаротушения. Патент РФ № 2041724 от 20.08.1995.
12. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота. Патент РФ на изобретение № 2450857 от 20.05.2012.
13. Белозеров В.В., Голованев В.А., Периков А.В. Модель автоматизированной системы противопожарной защиты высотных зданий // Материалы VIII Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум». URL: http://www.scienceforum.ru/2016/1963/25023 (дата обращения: 12.01.2018).
14. Butsynskaya T.A., Drovnikova I.G., Chlenov A.N. Technical means, systems of the security and fire alarm system // Fire & Explosion Safety. – 2008. – № 55. – Р. 31–35.
15. Азаров А.И. Конструктивно-технологическое совершенствование вихревых воздухоохладителей // Технология машиностроения. – 2004. – № 3. – С. 56–60.

Принятие в 2002 г. ФЗ № 184 «О техническом регулировании», а затем и соответствующих технических регламентов во исполнение указанного закона, кардинально изменило подход к применению государственных стандартов, строительных норм и правил при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений. Однако увеличение степеней свободы в выборе проектировщиков, подрядчиков, и компаний, управляющих эксплуатацией зданий и инженерными системами в них (водоснабжения и канализации, электрических и газовых сетей, теплоснабжения и др.), а также быстрый рост малых и средних предприятий в этой области породили ряд научных, технических, экономических и организационно-правовых проблем, которые требуют своего разрешения, и в первую очередь в высотных зданиях, строительство которых особенно интенсивно осуществляется в XXI веке, в том числе в городах-миллионниках России [1].

Особенности инженерных систем высотных зданий

В 2016 г. Минстрой РФ утвердил СП 253.1325800.2016 «Инженерные системы высотных зданий», которые включают в себя следующие системы – вентиляции, отопления, горячего и холодного водоснабжения, канализации и дренажа, воздухоподготовки, очистки и увлажнения, холодоснабжения, кондиционирования и климат-контроля, контроля загазованности, гарантированного и бесперебойного электроснабжения, электрораспределения, освещения (комнатные, коридорные, фасадные и аварийные), охранно-пожарной сигнализации, противопожарной защиты и пожаротушения, учета и контроля расходования ресурсов, управления паркингом, транспортирования, часофикации, охранного видеонаблюдения, контроля и управления доступом, телекоммуникаций.

Очевидно потому, что высотные здания, в соответствии с п. 7 ч. 1 и п. 1–3, ч. 7 ст. 4 Федерального закона № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», в результате идентификации относятся к повышенному уровню ответственности, многие компании начали заниматься автоматизацией инженерных систем именно таких зданий. Так, например, в Екатеринбурге для многофункционального комплекса МФК «Высоцкий» (рис. 1) в 2011 г. компанией ООО «АВАТРИ» была разработана «Интегрированная система управления зданием» (АСУД ИО) на базе Siemens Cerberus Pro и Siemens MM8000, которые реализуют алгоритмы взаимодействия между системами инженерного обеспечения здания (управление отоплением, вентиляцией, кондиционированием воздуха, водоснабжением, внутренним и наружным освещением, пожарной сигнализацией и пожарной автоматикой) [2].

bel1a.tif bel1b.wmf

а) б)

Рис. 1. Внешний вид МФК «Высоцкий» (а) и планировка 34–35 эт. МФК «Высоцкий» (б)

Аналогичные проблемы решаются с 2005 г. в проекте многофункционального жилого комплекса (МФЖК) в одном из районов Москвы (рис. 2). Максимальная верхняя отметка МФЖК превышает 182 м. МФЖК включает подземную автостоянку на 967 автомашин, стилобат, три 52-этажные башни (южную, западную и восточную) с 2 нижними этажами в составе стилобата. Общая площадь жилой части башен составляет более 165 тыс. кв. м. В жилых башнях запроектировано 1372 квартиры [1–3].

bel2.tif

Рис. 2. Многофункциональный жилой комплекс в районе г. Москвы

В современном жилищном строительстве даже типовые проекты 25-этажных жилых зданий практически попадают под действие СП 253.1325800.2016. Однако проектировщики высотных жилых комплексов предлагают увеличить высоту пожарного отсека до 80 м или вместо разработки специальных технических условий ввести в нормативы возможность этого увеличения при соответствующем обосновании в проекте, который в обязательном порядке проходит государственную экспертизу [3–4].

Однако, как показали исследования, есть и другие пути решения проблем жизнеобеспечения в высотных зданиях [5–8].

Проблема обеспечения пожарной безопасности в зданиях повышенной этажности

Статистические исследования показали [4, 5], что на жилой сектор России приходится ежегодно около 70 % пожаров:

– около 125 000 пожаров и 10000 погибших в одноэтажных и двухэтажных домах;

– порядка 20000 пожаров и 2000 погибших в жилых зданиях от трех до пяти этажей;

– более 16000 пожаров и 1000 погибших в 6–9-этажных жилых зданиях;

– около 10000 пожаров и 500 погибших в 10–25-этажных жилых зданиях;

– порядка 30 пожаров и 10 погибших в жилых зданиях более 25 этажей.

Если взять отношение числа погибших в пожарах к их «поэтажному числу» в жилых зданиях, то в жилых одно-двухэтажных домах это отношение в 4,16 раза ниже чем в высотных, несмотря на капитальные противопожарные затраты при строительстве «высоток» (незадымляемые лестничные клетки, автоматические системы пожаротушения, системы дымоудаления и т.д.).

Следовательно, существующие системы обеспечения пожарной безопасности жилых высотных зданий не обеспечивают требуемого уровня безопасности населения, проживающего в них.

Решение аналогичных проблем в области водо- и тепло/холодоснабжения жилых высотных зданий привели к созданию отдельно стоящих или встроенных в стилобат центральных пунктов тепло/холодоснабжения, в которых располагается все необходимое оборудование, имеющее 100 % резерв, а для холодоснабжения квартир используются автономные сплит-системы [1–3, 6].

Казалось, что с применением канализационных труб из полихлорвинила проблемы с водоотведением решены окончательно. Однако в настоящее время во многих странах в высотных зданиях указанные трубы уже не используются, так как при пожаре огонь распространяется по ним на другие этажи [3, 8].

Противопожарная защита высотных зданий в настоящее время решается спринклерными системами, в том числе и в квартирах. Однако в этом случае возникает проблема – как расположить трубы со спринклерными головками в интерьере квартиры, чтобы они не уродовали интерьер? Есть решения в виде «пристенных» спринклеров, а также вариант замены стальных труб пластиковыми, которые не поддерживают горение, а только деформируются и теряют герметичность. Они легко соединяются клеем, значительно эстетичнее металлических труб и легче вписываются в интерьер [4, 8].

Еще одна «водяная проблема» – водоотведение при пожаре. Если в квартирах установлена спринклерная система, то появляется требование о полной гидроизоляции квартир (а не только зоны санузла). Необходимо делать уклоны к приемным отверстиям (трап в данном случае не годится, поскольку у него маленькая пропускная способность) и выводить патрубки из водосточных труб (из канализационных труб нельзя из-за запаха) на уровне пола межквартирного холла [3].

Автономизация контроля и управления предотвращением аварийных отказов инженерных систем высотных зданий

В последние годы в России участились случаи взрывов бытового газа в жилых домах и многие высотные и многоквартирные жилые здания уже построены без газоснабжения, с вводом в квартиры трехфазного энергоснабжения для электроплит и электродуховок, а недавно Ростехнадзор выступил с инициативой о запрещении использования газа в многоквартирных домах, направив соответствующую инициативу депутатам Госдумы.

Однако такое решение не является решением проблемы повышения безопасности проживания в таких зданиях, так как давно известно [9], что «некачественность» электроэнергии уменьшает технический ресурс бытовыми электроприборов, ускоряя пожароопасные отказы в них, т.е. увеличивает вероятность аварий и пожаров по электротехническим причинам. Следовательно, необходим мониторинг качества электроэнергии, например, путем введения «интеллекта» в электросчетчик, который вычисляет такую «некачественность» и изменение по этой причине вероятности пожара от электроприборов, с модулем отключения электроэнергии в квартире, для предотвращения пожароугрожаемого режима электроприборов, а при установке в электросчетчике датчиков пожарной сигнализации – обеспечивает раннее обнаружение загорания в квартире, где такой электросчетчик установлен, если оно произошло по другим причинам [10].

Таким образом, очевидным решением обнаружения и своевременного предотвращения отказов и аварий инженерных систем жилых зданий является оснащение квартир датчиками обнаружения утечки газа, воды, тепла и контроля качества потребляемой электроэнергии, а также их интеграция со средствами управления жизнеобеспечением [5].

Локальная автоматизированная микросистема диагностики и защиты

Известно [11–13], что газообразный азот, введенный на ранней стадии пожара в зону загорания с одновременным отключением электрооборудования, может подавить источник загорания и предотвратить распространение огня. И наименьший ущерб при тушении пожаров наносит именно газообразный азот, который давно применяется для объемного тушения пожаров в библиотеках и на других объектах и от которого не повреждаются ни электроприборы, ни книги, ни мебель, ни декоративные и отделочные материалы и вещи, а также соседние с пожаром помещения и предметы быта в них, и самое главное – азот не вреден для человека, в отличие от других огнетушащих составов.

Следовательно, если разрабатываемая система сможет обеспечить раннее обнаружение опасных отказов электроприборов и утечки бытового газа в квартире, после чего отключит электроэнергию и введет газообразный азот, понизив концентрацию кислорода до уровня, при котором взрыв и горение невозможны (около 10 %), то получим искомое решение.

Самыми «быстрыми и надежными» системами пожарной сигнализации являются аспирационные системы. При этом для достоверного обнаружения загорания могут использоваться три разных датчика (тепловой, дымовой и газовый). В этом случае трубопровод аспирационной системы, охватывая все помещения квартиры или индивидуального жилого дома, обеспечивает раннее обнаружение опасных факторов пожара (ОФП) путем прокачивания через камеру с указанными датчиками воздуха из всех помещений через отверстия в трубопроводе [14].

Если совместить аспирационную систему с электросчетчиком-извещателем пожарно-электрического вреда (ЭСИ ПЭВ) [5, 10], добавив в камеру датчик на бытовой газ и подключить генератор азота, для его подачи через трубы в каждую комнату, чтобы подавить возникающее загорание или взрыв от утечки бытового газа (рис. 3), то получим локальную автоматизированную микросистему диагностики и защиты (ЛАМС ДЗ).

bel3.tif

Рис. 3. Блок-схема ЭСИ–ПЭВ с аспирационной системой и генератором азота

В качестве генератора азота можно использовать любые источники [11-13]:

– 40-литровые баллоны со сжатым азотом;

– мембранные азотные установки (МАУ);

– термомагнитные сепараторы воздуха (ТМСВ).

Однако с точки зрения безопасности, надежности и эффективности МАУ и ТМСВ находятся вне конкуренции, так как, сепарируя азот из окружающего воздуха и направляя его в трубы аспирационной системы, удаляют все остальные атмосферные газы (О2, СО2 и т.д.), например, в вытяжную систему, значительно ускоряя снижение концентрации кислорода в помещениях, а также не требуют никаких перезарядок, работая до полного подавления загорания.

Однако для «выхода на рабочий режим» МАУ необходимы десятки минут и давление, при котором половолоконные мембраны работают эффективно, составляет 35 атмосфер, в связи с чем требуется дросселирование, чтобы не разорвать трубы (полимерные) аспирационной системы, к тому же воздушный компрессор МАУ потребляет много энергии.

ТМСВ, являющийся так же, как и МАУ, «бесконечным источником инертного газа» и кислорода, базируется на уравнении движения газа (уравнение Эйлера) в магнитном поле, через ν – поле вектора скоростей газа, p – давление газа, α – магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н – напряженность магнитного поля [13]:

bel01.wmf (1)

Подставляя в формулу (1) уравнение состояния идеального газа pV = NkT, и выражая плотность газа через его давление p = nkT = ρkT/m, получаем «уравнение термомагнитной сепарации» в виде распределения Больцмана:

bel02.wmf (2)

где U = – αH2/2 – потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Магнитная поляризуемость отдельной молекулы кислорода α – положительна (+3396?10–6), а у остальных атмосферных газов, в том числе азота (N2 = –12?10–6), она отрицательна, в связи с чем в области сильного магнитного поля плотность азотной компоненты уменьшается, а плотность кислорода увеличивается, в соответствии с уравнением (2). Разность температур между стенкой с постоянными магнитами и противоположной создается с помощью вихревых воздухоохладителей Азарова, запитываемых от прокачиваемого воздуха [15].

Стыковка ТМСВ с ЭСИ–ПЭВ не представляет конструктивных проблем и заключается в том, что «диамагнитный подканал» присоединяется к камере с датчиками, а электровентилятор аспирационной системы (рис. 4), который в этом случае должен быть более мощным, «переносится» на вход ТМСВ. В этом случае воздух из защищаемых помещений, проходя через камеру с датчиками и через «диамагнитный подканал» ТМСВ, засасывается вентилятором, работающим в режиме пониженной мощности, без газоразделения и охлаждения (из-за отсутствия вихреобразования в модулях Азарова), создавая такой поток воздуха, который обеспечит рекомендуемый для достоверного обнаружения ОФПВ «объем прокачки» в единицу времени [5, 10, 13].

bel4.tif

Рис. 4. Блок-схема ЭСИ–ПЭВ: Wк – Кол-во качественной энергии; Wнк – кол-во некачественной энергии

При включении режима подавления опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) происходит реверс с включением на полную мощность электровентилятора, который должен обеспечить требуемое давление на входе в ТМСВ и необходимую скорость потока воздуха, для работы воздухоохладителей Азарова и термомагнитной сепарации инертных газов из воздуха, для их подачи через трубопроводы аспирационной системы в защищаемые помещения.

Выводы

Существующие системы инженерно-технического обеспечения жилых зданий не адекватны их опасности. Разработка ЛАМС ДЗ – локальной автоматизированной микросистемы диагностики и защиты жилого сектора – нацелена на раннее обнаружение опасных отказов электроприборов и утечки бытового газа в квартире, после чего автоматически отключает электроэнергию и вводит газообразный азот в защищаемые помещения, понижая концентрацию кислорода до уровня, при котором взрыв и горение невозможны. Создание единой концепции такой самоорганизации безопасной жизнедеятельности в индивидуальных, многоквартирных и высотных жилых домах обеспечит их надежность, безопасность, а также упростит их обслуживание управляющими компаниями через существующие сотовые сети связи.


Библиографическая ссылка

Белозеров В.В., Долаков Т.Б., Олейников С.Н., Периков А.В. СИНЕРГЕТИКА БЕЗОПАСНОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 2. – С. 15-20;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36899 (дата обращения: 03.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074