Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

SYNERGETRICS OF SAFETY OF ENGINEERING SYSTEMS OF RESIDENTIAL BUILDINGS

Belozerov V.V. 1 Dolakov T.B. 2 Oleynikov S.N. 2 Perikov A.V. 2
1 Don State Technical University
2 Academy of the State Fire Service EMERCOM of Russia
1679 KB
In work it is set and the task of development of model of the local automated microsystem of diagnostics and protection of the inhabited sector (apartments in multistoried and high-rise buildings, individual houses) from accidents, explosions and the fires which reasons are refusals and shortcomings of the existing engineering systems is solved. Essentially new way «intellectualizations» of engineering systems, in particular metering devices of quality and electricity consumption, cold and hot water, gas and heat supply and also their integration with control facilities life support is offered. Results of a research allow to draw a conclusion on a possibility of combination of metering devices of the energy resources consumed by each apartment in the local automated microsystem of diagnostics and protection which main function is detection and suppression of fire-dangerous failures of electric devices, leak of household gas and other defects in the engineering systems of the inhabited sector earlier.
aspiration
air separation
life support
suppression of dangerous factors of fire and explosion
engineering system
local automated microsystem

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.