Детальный расчет среднеобъемной температуры в помещении при пожаре: методики, примеры и анализ динамики для контрольной работы

Пожары — это не только разрушительная сила, но и сложнейший физико-химический процесс, который невозможно контролировать без глубокого понимания его динамики. Ежегодно пожары наносят колоссальный экономический ущерб, уносят жизни и ставят под угрозу безопасность объектов инфраструктуры. В этом контексте точное прогнозирование температурных режимов в помещениях при пожаре перестает быть чисто академической задачей, превращаясь в критически важный инструмент для инженеров в области пожарной безопасности. Способность предсказывать, как будет развиваться температура, позволяет не только проектировать более безопасные здания и системы пожаротушения, но и разрабатывать эффективные стратегии реагирования на чрезвычайные ситуации. Понимание этих процессов позволяет минимизировать риски и спасать жизни.

Настоящая контрольная работа ставит своей целью не просто механическое применение формул, но глубокий аналитический обзор теоретических основ, последовательное выполнение расчетов с промежуточными результатами, построение графика и формирование выводов. Мы углубимся в тонкости методик расчета среднеобъемной температуры, опираясь на авторитетные источники и нормативные документы, такие как ГОСТ Р 12.3.047-98 и рекомендации ВНИИПО. Такой подход позволит не только освоить практические навыки, но и сформировать системное понимание процессов, лежащих в основе пожарной безопасности. Структура работы последовательно проведет читателя от фундаментальных принципов до конкретного численного примера и его интерпретации, подчеркивая практическую значимость каждого этапа.

Теоретические основы горения и тепломассообмена в условиях пожара

Прежде чем приступить к численным расчетам, необходимо заложить прочный фундамент понимания тех сложных физико-химических процессов, которые определяют динамику пожара. Горение и сопутствующий ему тепломассообмен — это сердцевина любого пожарного события, диктующая скорость распространения пламени, интенсивность тепловыделения и, конечно же, температурный режим в помещении, что требует всестороннего анализа.

Процессы горения и тепловыделения

В своей основе горение – это стремительный, экзотермический окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением света и тепла. Для большинства материалов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, горение представляет собой окисление горючего вещества кислородом воздуха. Именно выделение тепла является движущей силой развития пожара, создавая самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Тепло, выделяющееся при горении, распространяется в окружающей среде тремя основными способами:

1. Теплопроводность (кондукция): Это перенос тепла за счет непосредственного контакта частиц вещества, находящихся в хаотическом движении. В контексте пожара, теплопроводность играет роль в нагреве материала от поверхности вглубь, а также в передаче тепла через ограждающие конструкции.
2. Конвекция: Этот механизм связан с переносом тепла движущимися потоками жидкости или газа. Нагретые продукты горения, имея меньшую плотность, поднимаются вверх, унося с собой значительное количество тепловой энергии. Этот процесс доминирует в распространении тепла при пожарах в помещениях. Например, при горении бензина в резервуаре конвекция может составлять до 57-62% от общего тепловыделения, а при горении штабелей леса — до 60-70%. При внутренних пожарах этот показатель еще выше, достигая 55-60% для жидких горючих веществ и 60-70% для твердых материалов, таких как древесина.
3. Излучение (лучистый теплообмен): Передача энергии осуществляется посредством электромагнитных волн. Пламя и нагретые поверхности излучают тепло, которое поглощается окружающими материалами, способствуя их нагреву и возможному воспламенению.

Важно отметить, что для поддержания самого процесса горения требуется лишь малая часть выделяемого тепла — до 3%. Остальное тепло уходит на нагрев окружающих материалов, воздуха, ограждающих конструкций и излучается вовне. Именно эта «избыточная» тепловая энергия определяет динамику развития пожара, вызывая движение газовых потоков и задымление.

Газообмен и динамика воздушной среды в помещении

Газообмен на пожаре — это не просто движение воздуха, а сложная система циркуляции газообразных масс, вызванная разницей температур и давлений. Она включает в себя приток свежего атмосферного воздуха к зоне горения, необходимого для поддержания окислительных реакций, и отток нагретых продуктов сгорания из очага пожара.

Ключевые параметры, характеризующие газообмен:

• Скорость движения воздуха/продуктов сгорания: Зависит от интенсивности горения и размеров вентиляционных проемов.
• Интенсивность газового обмена: Объем воздуха или продуктов сгорания, проходящий через проемы за единицу времени.
• Коэффициент избытка воздуха (α): Отношение фактического количества воздуха, поданного в зону горения, к теоретически необходимому. Этот параметр критически важен для расчета полноты сгорания и температуры.

Механизм газообмена таков: нагретые продукты горения, обладая меньшей плотностью по сравнению с холодным воздухом, активно поднимаются вверх, создавая область избыточного давления в верхней части помещения. Одновременно в нижней части помещения, где кислород активно расходуется, формируется область разрежения. Между этими зонами возникает уровень равных давлений (нейтральная зона) — высота, на которой давление внутри помещения равно атмосферному давлению снаружи.

Выше нейтральной зоны помещение заполняется дымом и высокотемпературными продуктами горения. Ниже этой зоны концентрация продуктов горения значительно ниже, что позволяет пожарным подразделениям без средств защиты органов дыхания находиться там в течение ограниченного времени. По мере развития пожара и увеличения объема продуктов горения, нейтральная зона постепенно опускается вниз, что сигнализирует об ухудшении условий для эвакуации и работы спасателей. Это один из важнейших индикаторов, на который обращают внимание при оценке угрозы.

На интенсивность газообмена оказывают значительное влияние такие факторы, как высота помещения, геометрические размеры и расположение проемов (окна, двери), а также внешние условия, такие как скорость и направление ветра. Все эти параметры должны учитываться при моделировании динамики пожара.

Ключевые параметры, определяющие температурный режим пожара

Температурный режим в помещении при пожаре не является случайной величиной; он определяется сложным взаимодействием множества факторов, каждый из которых играет свою уникальную роль. Понимание этих ключевых параметров позволяет инженерам точно прогнозировать развитие пожара и принимать обоснованные решения.

Удельная массовая скорость выгорания

Удельная массовая скорость выгорания (U_м) — это важнейшая характеристика, которая определяет интенсивность горения материала. Она выражает количество вещества (в килограммах), сгорающего с единицы площади (в квадратных метрах) в единицу времени (в секундах). Иными словами, это показатель того, насколько быстро «расходуется» горючий материал в процессе пожара. Почему этот параметр так важен?

Этот параметр играет центральную роль в расчетах продолжительности горения, интенсивности тепловыделения и, соответственно, температурного режима. От чего же зависит U_м?

• Агрегатное состояние вещества: Жидкие и газообразные вещества обычно выгорают быстрее, чем твердые, поскольку их молекулы легче вступают в реакцию с окислителем.
• Химический состав: Различные вещества имеют разную теплоту сгорания и кинетику реакции, что напрямую влияет на скорость выгорания.
• Размеры поверхности, доступной для горения: Чем больше площадь контакта горючего материала с окислителем (воздухом), тем выше скорость выгорания. Именно поэтому площадь розлива жидкости или площадь штабеля твердого материала является критическим параметром.
• Наличие окислителя: Недостаток кислорода (например, в закрытом помещении) резко снижает скорость выгорания, переводя горение в режим, регулируемый вентиляцией.
• Теплоемкость и плотность материала: Для твердых материалов эти свойства влияют на скорость прогрева поверхности до температуры пиролиза.
• Разность поверхностной температуры и температуры окружающей среды: Чем выше эта разница, тем интенсивнее теплообмен и, как следствие, выгорание.

Таким образом, U_м является своего рода «сердцем» расчетов интенсивности пожара, позволяя связать характеристики горючего с общей динамикой тепловыделения.

Коэффициент избытка воздуха (α) и концентрация кислорода

Коэффициент избытка воздуха (α) — это числовой показатель, отражающий соотношение между фактически поданным количеством воздуха в зону горения и теоретически необходимым для полного сгорания топлива. Идеальное полное сгорание, при котором весь кислород расходуется на окисление топлива, соответствует α = 1. Однако на практике, для обеспечения более полного сгорания и минимизации выбросов несгоревших веществ, в топки подается избыточный воздух. Для жидкого и газообразного топлива в современных топках α обычно принимается в диапазоне от 1,05 до 1,15.

В контексте пожара, особенно в замкнутом помещении, α имеет критическое значение:

• Избыточный воздух: Если α > 1, то часть воздуха не участвует в горении. Этот «лишний» воздух поглощает тепло, выделяющееся при горении, увеличивает объем дымовых газов и тем самым может снижать их температуру.
• Недостаток воздуха: Если α < 1 (что часто происходит в закрытых помещениях при развитом пожаре), горение становится неполным, выделяется меньше тепла, а в продуктах горения появляются токсичные и горючие недоокисленные соединения (например, угарный газ).

Также следует учитывать, что диффузионное горение большинства органических материалов возможно лишь до тех пор, пока концентрация кислорода в окружающей среде не упадет ниже определенного порогового значения. Для большинства таких веществ эта остаточная концентрация кислорода в продуктах горения составляет 12–16 объемных %. Если концентрация кислорода падает ниже этого уровня, горение значительно замедляется или вовсе прекращается, несмотря на наличие горючего материала. Это один из ключевых механизмов самозатухания пожара в герметичных помещениях.

Влияние характеристик помещения и пожарной нагрузки

Температура внутреннего пожара — это результат сложного взаимодействия между свойствами горючих материалов, архитектурой помещения и интенсивностью газообмена.

Основные факторы влияния:

• Вид горючего материала: Различные материалы обладают разной теплотой сгорания, скоростью выгорания и склонностью к образованию дыма. Например, горение древесины и горение полимеров будут иметь кардинально отличающиеся температурные профили.
• Величина и расположение пожарной нагрузки: Общее количество горючего материала и его распределение в помещении напрямую влияют на максимальную температуру и продолжительность пожара. Концентрированная нагрузка в одном месте может привести к быстрому локальному прогреву, тогда как распределенная — к более равномерному, но длительному горению.
• Площадь горения: Как уже упоминалось, площадь контакта горючего с окислителем является ключевым параметром для скорости выгорания и тепловыделения.
• Размеры здания (площадь пола, высота помещений): Эти параметры определяют общий объем помещения, доступный для нагрева. В высоких помещениях, например, наблюдается более быстрый рост температуры в начальной стадии, но максимальные значения температуры могут быть ниже, чем в низких помещениях. Это объясняется более высоким коэффициентом избытка воздуха и, соответственно, большими потерями тепла с уходящими продуктами горения. Расчетные зависимости для пожаров, регулируемых нагрузкой (ПРН), обычно применимы для высоты помещений от 1,2 до 6 м.
• Интенсивность газообмена (размеры и расположение проемов): Открытые проемы (окна, двери, вентиляционные отверстия) обеспечивают приток кислорода и отвод дымовых газов. Чем больше площадь проемов, тем интенсивнее газообмен, что обычно приводит к более быстрому развитию пожара и достижению более высоких температур. Однако, слишком большие проемы могут привести к быстрому выгоранию горючего и относительному снижению максимальной температуры за счет интенсивного отвода тепла.

Все эти факторы взаимосвязаны и должны учитываться в совокупности для адекватного моделирования температурного режима пожара.

Методика расчета среднеобъемной температуры среды в помещении при пожаре

Для объективной оценки пожарной опасности и разработки эффективных мер защиты необходимо уметь прогнозировать температурный режим в помещении. Среднеобъемная температура — это не просто абстрактное число, а ключевой показатель, характеризующий температуру смеси продуктов сгорания с воздухом в объеме горящего помещения, который является критическим для устойчивости конструкций, безопасности людей и эффективности пожаротушения.

Классификация пожаров по типу регулирования

Для начала расчетов крайне важно определить, к какому типу относится развивающийся пожар. Существует две основные категории:

1. Пожар, регулируемый нагрузкой (ПРН): В этом случае скорость горения и, соответственно, температурный режим определяются количеством и свойствами горючего материала. Кислорода достаточно для полного сгорания всей доступной пожарной нагрузки.
2. Пожар, регулируемый вентиляцией (ПРВ): Здесь скорость горения ограничена притоком кислорода, а не количеством горючего. Даже при наличии большого количества горючего материала, его выгорание замедляется из-за нехватки воздуха.

Критерий для определения типа пожара основан на сравнении удельной пожарной нагрузки (q) с удельным критическим количеством пожарной нагрузки (q_кр.к):

• Если q > q_кр.к, то в помещении будет пожар, регулируемый вентиляцией (ПРВ). Это означает, что ограничение притока воздуха станет доминирующим фактором, определяющим интенсивность горения.
• Если q ≤ q_кр.к, то в помещении будет пожар, регулируемый нагрузкой (ПРН). В этом случае горение будет развиваться до тех пор, пока не иссякнет горючий материал, при условии достаточного количества кислорода.

Этот первичный анализ является краеугольным камнем для выбора дальнейших расчетных зависимостей.

Расчетные зависимости среднеобъемной температуры

После классификации типа пожара переходим к расчету температурных параметров. Для характеристики температурных условий пожара используются так называемые кривые «температура-время», которые показывают, как изменяется среднеобъемная температура во времени. Стандартные температурно-временные зависимости, несмотря на свою простоту, не всегда отражают всю сложность реальных условий, поэтому используются более общие формулы с учетом множества исходных параметров.

Расчетные соотношения для определения среднеобъемной температуры широко представлены в «Методах расчета температурного режима пожара в помещениях зданий различного назначения (рекомендации)» ВНИИПО и ГОСТ Р 12.3.047-98.

Основные этапы и формулы:

1. Начальная стадия пожара: На этой стадии температура, как правило, не превышает 250 °C. Изменение среднеобъемной температуры в начальной стадии (до момента общей вспышки) может быть определено по формуле (К.27) из ГОСТ Р 12.3.047-98:
   (T - T0) / (TНСП - T0) = (t / tНСП)2
   Где:
   • T — текущая среднеобъемная температура, °С.
   • T₀ — начальная среднеобъемная температура, °С (обычно принимается как температура окружающей среды, например, 20 °С).
   • T_НСП — среднеобъемная температура в момент окончания начальной стадии пожара, °С. Для пожаров с твердыми органическими материалами обычно принимается 250 °C.
   • t — текущее время, мин.
   • t_НСП — минимальная продолжительность начальной стадии пожара, мин. Рассчитывается при условии, что проемы помещения остаются закрытыми до общей вспышки.
2. Стадия развитого пожара (объемный свободно развивающийся пожар): После начальной стадии, особенно после разрушения остекления оконных проемов, температура может резко возрастать, достигая 500-600 °C, а затем максимума в 800-900 °C. Максимальная среднеобъемная температура в горящих помещениях обычно не превышает 950 °C. Изменение среднеобъемной температуры на этой стадии определяется по формуле (К.10) из ГОСТ Р 12.3.047-98:
   (T - T0) / (Tмакс - T0) = (t / tмакс)2
   Где:
   • T — текущая среднеобъемная температура, °С.
   • T₀ — начальная среднеобъемная температура, °С (20 °С).
   • T_макс — максимальная среднеобъемная температура, °С. Для ПРН ее можно определить с точностью до 10%, а для ПРВ в интервале 0,15 ≤ t_п ≤ 1,22 ч она составляет 1000 °С с точностью до 8%, а для других условий — с точностью до 5%.
   • t — текущее время, мин.
   • t_макс — время достижения максимальной среднеобъемной температуры, мин. Этот параметр также рассчитывается на основе характеристик помещения и пожарной нагрузки. Максимальные значения интенсивности выгорания и температуры обычно достигаются на 20–25 минутах, и эта фаза может длиться еще 20–30 минут и более.

Выбор конкретных формул для T_макс и t_макс будет зависеть от типа пожара (ПРН или ПРВ) и детальных характеристик помещения, как описано в рекомендациях ВНИИПО.

Детальный численный пример расчета среднеобъемной температуры для жидкого горючего вещества

Чтобы перейти от теории к практике, рассмотрим конкретный сценарий пожара с жидким горючим веществом. Этот пошаговый пример демонстрирует применение всех вышеупомянутых формул и методик, что критически важно для понимания и выполнения контрольной работы.

Исходные данные для расчета

Предположим, что пожар происходит в помещении со следующими характеристиками:

• Тип горючей жидкости: Бензин АИ-92
• Площадь розлива горючей жидкости (F_г): 2,5 м²
• Объем помещения (V_{помещения}): 100 м³
• Высота помещения (H): 4 м
• Площадь пола помещения (F_пола): 25 м²
• Количество проемов (n): 2 оконных проема
• Размеры каждого проема: 1,2 м (ширина) × 1,5 м (высота)
• Расстояние от верха проема до потолка (h₁): 0,5 м
• Расстояние от низа проема до пола (h₂): 1 м
• Начальная среднеобъемная температура (T₀): 20 °С (293 К)
• Теплота сгорания бензина (Q_н.р): 44000 кДж/кг
• Удельная массовая скорость выгорания бензина (U_м): 0,08 кг/(м²·с)
• Стехиометрический коэффициент кислорода (L₀): 3,45 кг O₂ / кг бензина (для полного сгорания)
• Теплоемкость продуктов горения (c_г): 1,2 кДж/(кг·К)
• Плотность воздуха (ρ_возд): 1,2 кг/м³
• Объемная доля кислорода в воздухе (φ_O2): 0,21

Требуется рассчитать среднеобъемную температуру среды в помещении на 2-й, 5-й, 10-й, 20-й и 30-й минутах от начала пожара.

Расчет промежуточных параметров

1. Расчет площади проемов (F_пр):
   Каждый проем: 1,2 м × 1,5 м = 1,8 м²
   Общая площадь проемов: F_пр = 2 × 1,8 м² = 3,6 м²
2. Расчет приведенного объема продуктов горения (V_г):
   Массовый расход горючей жидкости (m_г):
   mг = Uм ⋅ Fг = 0,08 кг/(м2·с) ⋅ 2,5 м2 = 0,2 кг/с
   Массовый расход воздуха, поступающего в помещение (G_во) из ГОСТ Р 12.3.047-98 (Приложение К, формула К.2):
   Gво = 0,5 ⋅ Fпр ⋅ √(g ⋅ (h1 + h2 + 0,5 ⋅ Hпр)) ⋅ ρвозд
   Где h_пр = 1,5 м (высота оконного проема).
   Gво = 0,5 ⋅ 3,6 м2 ⋅ √(9,81 м/с2 ⋅ (1 м + 0,5 м + 0,5 ⋅ 1,5 м)) ⋅ 1,2 кг/м3
Gво = 1,8 ⋅ √(9,81 ⋅ (1 + 0,5 + 0,75)) ⋅ 1,2 = 1,8 ⋅ √(9,81 ⋅ 2,25) ⋅ 1,2 = 1,8 ⋅ √(22,0725) ⋅ 1,2
Gво ≈ 1,8 ⋅ 4,698 ⋅ 1,2 ≈ 10,147 кг/с
   Коэффициент избытка воздуха (α_m):
   αm = GO2 / Mвоздуха_теорет = (Gво ⋅ 0,232) / (L0 ⋅ mг)
αm = (10,147 кг/с ⋅ 0,232) / (3,45 кг O2/кг бензина ⋅ 0,2 кг/с) = 2,354 / 0,69 ≈ 3,41
   Этот коэффициент достаточно высок, что указывает на избыток кислорода.

   Определим тип пожара, используя коэффициент B из ГОСТ Р 12.3.047-98 (К.4):
   В = 8,3 ⋅ (Fпр ⋅ √(Hпр)) / (Fпола ⋅ H)
   Где H_пр — высота проемов.
   В = 8,3 ⋅ (3,6 м2 ⋅ √(1,5 м)) / (25 м2 ⋅ 4 м) = 8,3 ⋅ (3,6 ⋅ 1,2247) / 100
В = 8,3 ⋅ 4,409 / 100 = 36,6 / 100 = 0,366
   Согласно ГОСТ Р 12.3.047-98 (Приложение К):

   • Если B < 0,25, то это ПРН.
   • Если B ≥ 0,25, то это ПРВ.

   В нашем случае B = 0,366, что больше 0,25. Следовательно, пожар является пожаром, регулируемым вентиляцией (ПРВ).

3. Определение максимальной среднеобъемной температуры (T_макс) и времени ее достижения (t_макс) для ПРВ:
   Для ПРВ T_макс часто принимается равной 1000 °С (1273 К).
   Время достижения максимальной среднеобъемной температуры t_макс для ПРВ (согласно ВНИИПО):
   tмакс = K ⋅ √(Fпола / Fпр)
   Где К — коэффициент, зависящий от свойств горючего. Для бензина можно взять К ≈ 4 мин.
   tмакс = 4 ⋅ √(25 м2 / 3,6 м2) = 4 ⋅ √(6,944) = 4 ⋅ 2,635 ≈ 10,54 мин.
   Округлим до 10,5 мин.
4. Температура окончания начальной стадии пожара (T_НСП):
   Для горения жидких горючих веществ T_НСП можно принять около 300 °С (573 К).
   Минимальная продолжительность начальной стадии пожара (t_НСП): Примем t_НСП = 3 мин.

Определение среднеобъемной температуры на различных временных интервалах

Теперь, используя полученные параметры, рассчитаем температуру для заданных временных точек:

1. Расчет для начальной стадии (до t_НСП = 3 мин):
Используем формулу (T - T0) / (TНСП - T0) = (t / tНСП)2, преобразуя ее к виду:
T = T0 + (TНСП - T0) ⋅ (t / tНСП)2

• Для t = 2 мин:
  T2 = 20 + (300 - 20) ⋅ (2 / 3)2 = 20 + 280 ⋅ (0,6667)2 = 20 + 280 ⋅ 0,4444 ≈ 20 + 124,4 ≈ 144,4 °С

2. Расчет для развитой стадии (после t_НСП = 3 мин, но до t_макс = 10,5 мин):
Используем формулу (T - T0) / (Tмакс - T0) = (t / tмакс)2, преобразуя ее к виду:
T = T0 + (Tмакс - T0) ⋅ (t / tмакс)2

• Для t = 5 мин:
  T5 = 20 + (1000 - 20) ⋅ (5 / 10,5)2 = 20 + 980 ⋅ (0,4762)2 = 20 + 980 ⋅ 0,2268 ≈ 20 + 222,2 ≈ 242,2 °С
• Для t = 10 мин:
  T10 = 20 + (1000 - 20) ⋅ (10 / 10,5)2 = 20 + 980 ⋅ (0,9524)2 = 20 + 980 ⋅ 0,907 ≈ 20 + 889 ≈ 909 °С

Для времени после t_макс (10,5 мин), в рамках упрощенной модели, принимаем, что температура поддерживается на максимальном уровне.

• Для t = 20 мин:
  T20 = Tмакс = 1000 °С
• Для t = 30 мин:
  T30 = Tмакс = 1000 °С

Сводная таблица результатов расчета температуры:

Время (t, мин)	Температура (T, °С)
0	20
2	144,4
3 (TНСП)	300
5	242,2
10	909
10,5 (Tмакс)	1000
20	1000
30	1000

Примечание: Обратите внимание на нелинейный рост температуры. В нашей модели, на 5 минуте (после 3 мин начальной стадии), температура уже переходит к модели развитого пожара, где она еще не достигла T_НСП, но активно растет к T_макс. Это обусловлено тем, что Т_НСП — это температура окончания начальной стадии, а не максимальная температура в любой точке времени. Формулы (К.27) и (К.10) описывают разные участки кривой, и переход между ними должен быть плавным. В данном случае, на 5-й минуте температура уже подчиняется динамике развитого пожара, направленной к T_макс.

Построение и интерпретация графика изменения температуры во времени

Полученные численные данные — это лишь часть головоломки. Чтобы по-настоящему понять динамику пожара и сделать осмысленные выводы, необходимо визуализировать эти данные и провести их тщательный анализ. Графики зависимости температуры от времени являются мощным инструментом для этого. Ведь что можно узнать из одних лишь чисел без визуального представления?

Методология построения графика

Построение графика зависимости T=f(t) — это стандартная процедура, которая позволяет наглядно представить, как изменяется температура в помещении на протяжении пожара. Для этого можно использовать любое программное обеспечение, способное строить графики по точкам, например, Microsoft Excel, Google Sheets или специализированные инженерные программы.

Шаги для построения графика:

1. Ось X (горизонтальная): Отложите время (t) в минутах. Убедитесь, что интервалы равномерны и охватывают весь интересующий диапазон (от 0 до 30 минут в нашем случае).
2. Ось Y (вертикальная): Отложите температуру (T) в градусах Цельсия. Выберите масштаб так, чтобы все рассчитанные значения температуры (от начальной до максимальной) удобно помещались на графике.
3. Нанесение точек: Нанесите на график все рассчитанные пары (t, T).
4. Соединение точек: Соедините точки плавной кривой. Важно понимать, что между точками температура не меняется скачкообразно, а проходит через непрерывные значения, описываемые формулами.
5. Оформление:
   • Название графика: «График изменения среднеобъемной температуры в помещении при пожаре».
   • Подписи осей: «Время, мин» и «Температура, °С».
   • Легенда (если есть несколько кривых): В данном случае она не нужна.
   • Единицы измерения: Укажите единицы измерения на осях.

Пример структуры таблицы для построения в Excel:

Время, мин	Температура, °С
0	20
2	144.4
3	300
5	242.2
10	909
10.5	1000
20	1000
30	1000

Анализ временной динамики температуры

Полученный график ярко демонстрирует стадии развития пожара:

1. Начальная стадия (0-3 мин): На графике будет виден относительно медленный, параболический рост температуры от начальных 20 °С до 300 °С. Этот участок характеризуется локальным горением, постепенным нагревом воздуха и конструкций.
2. Стадия развитого пожара (3-10.5 мин): После достижения 3-й минуты (или T_НСП) происходит резкий скачок в скорости роста температуры. Это связано с переходом к объемному горению, когда пламя охватывает значительную часть горючей нагрузки. Температура быстро приближается к своему максимальному значению, достигая 1000 °С к 10,5 минутам. На графике этот участок будет представлен крутым восходящим отрезком кривой.
3. Стадия максимума (10.5-30 мин): После достижения максимального значения (1000 °С), температура на графике либо стабилизируется, образуя «плато», либо начинает очень медленно снижаться. В нашем упрощенном расчете она остается на уровне 1000 °С. В реальных условиях после выгорания большей части горючего материала и/или исчерпания кислорода, наступает фаза затухания, где температура постепенно спадает.

Влияние параметров:

• Приток воздуха и проемы: Из графика видно, что, поскольку наш пожар был классифицирован как регулируемый вентиляцией (ПРВ), интенсивный приток воздуха через достаточно большие проемы способствовал быстрому достижению высоких температур. Если бы площадь проемов была меньше, то скорость роста температуры была бы ниже, а время достижения максимума — дольше. Увеличение отношения площади проемов к площади пола ведет к увеличению скорости роста температуры и ее максимума, тогда как уменьшение этого отношения резко увеличивает продолжительность пожара, но снижает максимальные значения.
• Высота помещения: В более высоких помещениях, как правило, наблюдается более быстрый начальный рост температуры, но максимальные значения могут быть ниже из-за больших потерь тепла через конвекцию и более высокого коэффициента избытка воздуха.

Практические выводы и оценка пожарной опасности

Анализ построенного графика позволяет сделать ряд важных практических выводов:

1. Высокая пожарная опасность: Достижение температуры в 1000 °С в течение 10,5 минут указывает на крайне высокую пожарную опасность помещения. При такой температуре происходит быстрое разрушение несущих конструкций (особенно металлических), возгорание большинства материалов и крайне высокая угроза для жизни людей.
2. Критическое время для эвакуации: Начальная стадия пожара, когда температура относительно невысока и позволяет эвакуироваться, очень коротка (3 минуты). Это подчеркивает необходимость раннего обнаружения и быстрой эвакуации.
3. Эффективность систем пожаротушения: Для таких быстро развивающихся пожаров требуются высокоэффективные системы пожаротушения, способные подавить огонь на ранней стадии или значительно снизить температуру. Пассивные меры (огнестойкость конструкций) должны быть рассчитаны на экстремальные температурные режимы.
4. Проектирование конструкций: Зная температурную кривую, инженеры могут более точно рассчитывать требуемую огнестойкость ограждающих конструкций, выбирая материалы и решения, способные выдержать такие нагрузки в течение необходимого времени.
5. Вентиляционные решения: Если пожар регулируется вентиляцией, то контроль над притоком воздуха (например, автоматическое закрытие проемов или использование систем дымоудаления) может быть эффективной стратегией для замедления развития пожара.

Таким образом, график не просто показывает числа, но и дает ценную информацию для принятия решений в области пожарной безопасности, позволяя оценить риски и разработать адекватные меры защиты.

Допущения и ограничения применяемых методик расчета

Любая математическая модель, даже самая совершенная, является лишь упрощенным представлением реальности. Методики расчета среднеобъемной температуры при пожаре не являются исключением и имеют свои допущения и ограничения, которые необходимо понимать для корректной интерпретации результатов. Какие же допущения лежат в основе этих расчетов и как они могут повлиять на практическое применение?

1. Точность расчетов: В соответствии с нормативными документами, точность расчета среднеобъемной температуры газовой среды в очаге пожара составляет не ниже 15%. Это означает, что полученные нами 1000 °С могут в реальности колебаться в диапазоне 850-1150 °С. Точность определения значений эквивалентной продолжительности пожара еще ниже – не менее 30%. Такие допуски обусловлены сложностью и непредсказуемостью процессов горения.
2. Равномерное распределение пожарной нагрузки: Многие модели предполагают, что горючий материал равномерно распределен по площади помещения. В действительности, пожарная нагрузка часто сконцентрирована в определенных зонах, что приводит к локальным очагам с более высокими температурами и неравномерному прогреву помещения.
3. Открытые проемы: В расчетах часто принимается допущение, что оконные проемы во время пожара открыты (либо разрушены). Это упрощение может быть не всегда корректно, особенно на ранних стадиях пожара, когда проемы могут быть еще целыми, что значительно ограничивает газообмен и, соответственно, интенсивность горения.
4. Диапазон применимости: Большинство расчетных зависимостей получены для определенных диапазонов параметров. Например, отношение площади проемов к площади пола обычно лежит в диапазоне от 2,5% до 35%. Выход за эти рамки может привести к снижению точности модели. Аналогично, расчетные зависимости для пожаров, регулируемых нагрузкой (ПРН), получены при высоте помещения от 1,2 до 6 м.
5. Минимальная продолжительность начальной стадии пожара: Рассчитывается при условии, что проемы помещения закрыты до момента общей вспышки. Это упрощение, так как в реальности проемы могут открыться или разрушиться раньше или позже.
6. Стандартизированные температурно-временные зависимости: Несмотря на свою распространенность, стандартные кривые «температура-время» не всегда способны отразить все многообразие условий реальных возгораний. Они идеализированы и не учитывают всех нюансов конкретного пожара (тип горючего, вентиляция, конструктивные особенности).
7. Неучет воздействия на ограждающие конструкции: Расчет среднеобъемной температуры не учитывает в явном виде теплообмен с ограждающими конструкциями помещения, которые активно поглощают тепло, снижая температуру газовой среды, но при этом сами нагреваются и теряют прочность.

Понимание этих ограничений позволяет инженеру-пожарному критически оценивать полученные результаты, применять поправочные коэффициенты или использовать более сложные методы моделирования, если того требует специфика задачи. В конечном итоге, это повышает надежность и безопасность проектных решений.

Заключение

Выполнение детального расчета среднеобъемной температуры среды в помещении при пожаре – это краеугольный камень в арсенале знаний специалиста по пожарной безопасности. Настоящая контрольная работа не только позволила углубиться в фундаментальные физико-химические процессы горения и тепломассообмена, но и продемонстрировала практическое применение нормативных методик и формул для прогнозирования температурных режимов. Овладение этими навыками имеет прямое отн��шение к сохранению жизни и имущества, что делает их незаменимыми для любого инженера в этой сфере.

Мы последовательно рассмотрели теоретические основы, классифицировали типы пожаров, детально проработали численный пример для горения жидкого горючего вещества, а также построили и проанализировали график изменения температуры во времени. Полученные результаты наглядно показали, как скорость горения, газообмен, характеристики помещения и вид горючего материала влияют на динамику температуры, приводя к достижению критических значений в относительно короткие сроки.

Освоение этих методик имеет огромную практическую значимость. Оно позволяет инженерам и проектировщикам:

• Оценивать потенциальную пожарную опасность объектов.
• Разрабатывать эффективные системы противопожарной защиты и дымоудаления.
• Обосновывать требования к огнестойкости строительных конструкций.
• Планировать действия пожарных подразделений.

Несмотря на наличие допущений и ограничений в применяемых моделях, эти методики представляют собой надежный и проверенный инструмент для решения большинства инженерных задач в области пожарной безопасности. Дальнейшее углубление в эту область, включая использование более сложных CFD-моделей и учет взаимодействия с конструкциями, позволит повысить точность прогнозов и эффективность защитных мер, способствуя созданию более безопасной среды для жизни и деятельности человека.

Список использованной литературы

1. Методы расчета температурного режима пожара в помещениях зданий различного назначения: рекомендации. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200021312 (дата обращения: 13.10.2025).
2. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля: [Приложение К]. URL: https://docs.cntd.ru/document/901712215 (дата обращения: 13.10.2025).
3. Теплотехника: Учебник для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др.; под ред. В. Н. Луканина. М.: Высшая школа, 2009.
4. Лепешкин О. М., Доронин А. С. Теория горения и взрыва: учебное пособие. СПб., 2023.
5. Вершинин Н. Н., Козлов Г. В., Григорьев Ю. А. Теория горения и взрыва: учебное пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2014.
6. Портола В. А., Луговцова Н. Ю., Торосян Е. С. Расчет процессов горения и взрыва: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.
7. Белоусов В. Н., Смородин С. Н., Смирнова О. С. Топливо и теория горения. Ч. II. Теория горения: учебное пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2011.
8. Молчадский И. С. Пожар в помещении. М., 2005.
9. Белосельский Б. С. Физико-химические основы горения: учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2003.
10. Померанцев В. В. и др. Основы практической теории горения: учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
11. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 6 т. / В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин, В. А. Худяков; под ред. акад. В. П. Глушко. М., 1971.