"Intellectualization" of split-systems to ensure the safety of apartments in high-rise buildings and individual houses

Belozerov Valerii Vladimirovich Doctor of Technical Science General Director at LLC “Scientific Technological Production Center OKTAEDR”; Professor at the department of Automation of Production Processes, Don State Technical University 344091, Russia, Rostov-on-Don, ul. Kashirskaya, 22-41 safeting@mail.ru Other publications by this author

Gerasimenko Dmitrii Vasil'evich head of the testing center NTP AVIATEST 344113, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, pr. Kosmonavtov, 9, kv. 101 gerasimenko28@gmail.com

1. Введение

Статистика возникновения и распространения пожаров, а также последствий от них в жилом секторе Юга России показал, что от бытовых приборов происходит 71,17% пожаров, в т.ч. более половины по электротехническим причинам ^[4,5]:

- от электроустановочных изделий – 16,32%;

- от электроприборов – 21,76% (осветительные и нагревательные – 4,1%, телевизоры - 2,33%, холодильники – 0,58% и т.д.).

При этом около половины мест возникновения пожаров находится внутри жилых объектов ^[5]:

24,98% пожаров возникает в основных помещениях;

7,2% - в туалетах и кухнях;

6,22% - на чердаках и крышах;

4,97% - на верандах и балконах;

2,96% - в подвалах;

1,8% - в коридорах.

Следовательно, если «превратить» бытовые электроприборы (телевизоры, холодильники, кондиционеры и т.д.) в автономные пожарные извещатели, то появляется возможность своевременно обнаружить 38,08% пожаров, а, следовательно, уменьшить на 24,98% ущерб от пожаров, где такие приборы установлены ^[5,6].

Системный анализ пожаров в жилом секторе показал, что для сокращения потерь от них необходимо, прежде всего, повышать безопасность самого прибора, исключая возможность загорания, а также совершенствовать систему раннего обнаружения пожаров и оповещения пожарной охраны.

Разработки технологий «интеллектуализации безопасности» бытовых электроприборов были начаты 20 лет назад (для холодильников, телевизоров, электросчетчиков и т.д.), путем установки в них автономных пожарных извещателей (АПИ) и модулей термоэлектронной защиты (МТЭЗ), которые обеспечивали пожарную безопасность самих электроприборов и оповещение по радиоканалу пожарной службы в случае пожара в помещении, где они были установлены ^[7-13].

Однако, наиболее подходящими для встраивания подобных систем, как показали исследования последних лет, являются сплит-системы, т.к. в них реализован режим «прокачивания через себя» воздуха из помещения, где они установлены, как это делают самые быстродействующие аспирационные пожарные извещатели ^[4,6].

Это позволяет не устанавливать в помещениях трубопроводы с вентилятором и камерой с датчиками, а «добавить» во внутренний блок, например, дымовой пожарный извещатель и использовать существующий «интеллект управления», дополнив его соответствующими модулями ^[6].

2. Состояние проблемы

Сегодня практически в каждой квартире или жилом доме (рис. 1) установлены сплит-системы, с помощью которых создаются комфортные среды в помещениях, где установлены внутренние блоки.

Рисунок 1 – Сплит-системы в многоэтажном жилом здании и в индивидуальном доме

Как следует из проведенных ранее исследований, на основе технологии «интеллектуализации безопасности электроприборов» в ДГТУ была создана модель сплит-системы-пожарного извещателя (ССПИ) для индивидуальных домов и квартир многоэтажных жилых зданий ^[14,15].

Для построения модели была исследована сплит-система фирмы Samsung RAC - AQV 09 12 VBCN, которая состояла ^[14]:

- из внешнего блока, устанавливаемого на специальных кронштейнах снаружи индивидуальных домов или квартир в многоэтажных зданиях;

- из внутреннего блока, устанавливаемого на стене в кондиционируемом помещении;

- из переносного пульта управления, оснащаемого автономной батарейкой, осуществляющего управление внутренним блоком с помощью инфракрасного канала (ИК-приемник во внутреннем блоке, ИК-передатчик в пульте управления).

1- компрессор;

2 - четырехходовой клапан;

3 - теплообменник-конденсатор;

4 - звукоизоляция;

5 - вентилятор;

6 - кожух;

7 - выходная решетка;

8 - двухходовой клапан;

9 - трехходовой клапан;

10 - поддон;

11 - сливной патрубок;

12 - теплообменник-испаритель;

13 - вентилятор тангенциального типа;

14 - решетка;

15 - входной фильтр;

16 - направляющие жалюзи;

17 - створки;

18 - лицевая панель;

19 - светодиоды;

20 - датчики температуры;

21 - плата управления;

22 - монтажная плата;

23 - пульт дистанционного управления

Рисунок 2 - Схема и составные части сплит-системы

Для выполнения задач обнаружения и подавления опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) при утечке бытового газа, сплит-система была доработана следующим образом ^[15,16]:

во-первых, для контроля среднеобъемной температуры, и отключения электропитания блока в случае пожароопасного отказа в нем с помощью симистора, рядом с компрессором (1) внешнего блока был встроен модуль термоэлектронной защиты (МТЭЗ – МТ1);

во-вторых, для контроля среднеобъемной температуры и отключения электропитания блока в случае пожароопасного отказа в нем с помощью симистора, между вентилятором тангенциального типа (13) и монтажной платой (22) внутреннего блока был встроен МТЭЗ (МТ-2);

в-третьих, на монтажную плату (22) были встроены дымовой пожарный извещатель ИП 212-63А-GSM и датчик на бытовой газ;

в-четвертых, для подавления загорания или взрыва из-за утечки бытового газа с помощью инертных газов сепарируемых из воздуха, во внутреннем блоке сплит-системы вместо вентилятора (13) тангенциального типа необходимо применить термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ), который имеет микро-компрессор.

В этом случае было доказано (таб.1,2), что при небольшом снижении технического ресурса сплит-системы, пожаробезопасный ресурс увеличивается на порядок, что делало его соизмеримым с его техническим ресурсом ^[6,17].

Так для внутреннего блока было получено снижение технического ресурса до 10 лет, а увеличение пожаробезопасного - до 40 лет (таб.1).

Для внешнего блока технический ресурс уменьшился до 7 лет, а пожаробезопасный ресурс увеличился до 3 лет.

Таблица 1

Технический и пожаробезопасный ресурс внутреннего блока с защитой

Таблица 2

Технический и пожаробезопасный ресурс внешнего блока с защитой

С точки зрения обнаружения утечки бытового газа и взрывобезопасности, в соответствии с Техническими регламентами ^[18,19] и датчики газа, и запорная арматура должны быть аттестованы в установленном порядке. Поэтому был выбран газовый счетчик «Гранд-SPI» (рис.3) с электромагнитным клапаном перекрытия газопровода, который предназначен для коммерческого учёта количества потребляемого природного газа индивидуальными потребителями ^[20].

Однако, как следует из статистики взрывов и пожаров в жилом секторе, их причинами не редко являются утечки бытового газа из внешних газопроводов, путем натекания его в квартиры первых этажей, и последующего взрыва/загорания, от искрообразования в электроустановочных изделиях ^[4-7].

Поэтому, помимо применения на газопроводе в квартире/индивидуальном доме счетчика «Грант-SPI», во внутренний блок сплит-системы добавлен датчик утечки бытового газа, подключаемый к контроллеру, который также может включать и выключать электромагнитный клапан «Грант-SPI» (рис.4) через технологический разъем ^[20].

Рисунок 3 - Газовый счётчик Гранд-SPI

Рисунок 4 – Схема подключения внешнего датчика утечки бытового газа

Известно, что газообразный азот наносит наименьший ущерб электроприборам, книгам, мебели и другим предметам быта при тушении пожаров, поэтому, используя «аспирационные свойства» сплит-системы, во внутренний блок вместо вентилятора встраивался ТМСВ ^[4-7].

ТМСВ представляет собой трубу, свернутую в спираль (рис.5), на внешней стороне которой установлены постоянные магниты, а на внутренней - вихревые охладители Азарова ^[16].

а) б)

Рисунок 5 – ТМСВ: а) – единичный виток; б) – сепаратор в сборе

Вдоль канала ТМСВ вставлена наноперегородка из пористого алюминия (рис.6), разделяющая его на «парамагнитный» - кислородный подканал и «диамагнитный» подканал (с инертными газами - азот, углекислый газ и др.), и препятствующая их обратной диффузии ^[16].

Рисунок 6 – Схема расположения магнитов, воздухоохладителей и наноперегородки

ТМСВ, являющийся генератором инертного газа, базируется на уравнении движения газа (уравнение Эйлера) в магнитном поле, через ν – поле вектора скоростей газа, p– давление газа, – магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н – напряженность магнитного поля ^[15,16]:

(1)

Подставляя в формулу (1) уравнение состояния идеального газа pV=NkT, и выражая плотность газа через его давление p = nkT = ρkT/m, получим выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

, (2)

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

Кислород является парамагнетиком, поэтому магнитная поляризуемость отдельной молекулы – положительна (+3396∙10–6), а остальные атмосферные газы, в т.ч. азот (N2 = –12∙10–6) – диамагнетики, у которых магнитная поляризуемость, молекул - отрицательна. Поэтому плотность кислорода увеличивается в области сильного магнитного поля в соответствии с уравнением (2), а плотность азотной компоненты – уменьшается, в зависимости от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора. Для улучшения отделения кислорода, между «парамагнитным» и «диамагнитным» подканалами поддерживается разность температур с помощью вихревых воздухоохладителей Азарова ^[16].

Укрупненный алгоритм работы модернизированной таким образом сплит-системы можно представить следующим образом ^[15,16]:

- при обнаружении дыма или утечки бытового газа контроллер внутреннего блока, куда включены датчики начинает выдавать звуковой сигнал с уровнем 45 децибелл, в зависимости от вида опасности;

- если сигнал тревоги не прерывается с пульта управления в течение 1 минуты (например, при ложном срабатывании или быстро устраненной опасности), то по каналу связи GSM передается сообщение в соответствующую службу (пожарную и/или газоаварийную) и SMS-сообщение владельцу квартиры/индивидуального жилого дома;

- по истечении ещё 1 минуты, подтверждающей, что в квартире/индивидуальном жилом доме отсутствуют жильцы, включается ТМСВ, который понижает концентрацию кислорода в защищаемых помещениях, подавляя загорание или предотвращая взрыв бытового газа, работая до прибытия соответствующей аварийной службы (пожарной или газоаварийной), которые его отключают и устраняют опасность.

3. Методология и результаты исследования

Однако анализ функционирования модернизированной таким образом сплит-системы показал, что она не выполняет в полном объеме пожаро-взрыво-защиту квартиры в многоквартирном жилом здании или индивидуальном жилом доме, из-за следующих недостатков:

во-первых, одним внутренним блоком, который устанавливается, как правило, в жилой комнате или спальне, невозможно осуществить раннее обнаружение ОФПВ при утечке бытового газа в помещении, где установлены газовые приборы (печка, колонка и др.);

во-вторых, расположенный в жилой комнате внутренний блок, в котором установлен ТМСВ, не может понизить концентрацию кислорода во всех остальных помещениях квартиры/индивидуального дома, в том числе в помещении, где установлены газовые приборы, до уровня, при котором взрыв или распространение огня становятся невозможными.

в-третьих, без отключения электроснабжения квартиры или индивидуального дома в момент обнаружения ОФПВ, невозможно гарантировать, что от искры в электроустановочных изделиях (например, искры в розетке при автоматическом включении/выключении компрессора холодильника и т.д.) взрыв при утечке бытового газа не произойдет;

в-четвертых, без автономного питания внутреннего блока невозможно гарантированно обнаружить и подавить ОФПВ в случае пропадания электроснабжения, из-за неработоспособности внутреннего блока.

Очевидное устранение первого и второго недостатка – установка в квартире/индивидуальном жилом доме мульти сплит-системы, имеющей при одном внешнем блоке - два, три, и более внутренних блоков (рис.7), один из которых и будет устанавливаться в помещении (рис.8) с газовыми приборами (кухня и т.д.).

Рисунок 7 – Мульти сплит-система

Рисунок 8 – Схема размещения мульти сплит-системы в квартире

Устранение третьего недостатка целесообразно выполнить по аналогии с МТЭЗ – с помощью, управляемого от контроллера внутреннего блока, модуля отключения электроснабжения (с мощным симистором или магнитным пускателем), который необходимо расположить в электрощите индивидуального жилого дома/квартиры.

Устранение четвертого недостатка осуществляется встраиванием в каждый внутренний блок аккумулятора с соответствующим преобразователем питания, в т.ч. зарядки от электросети.

При наладке такой мульти сплит-системы внутренний блок, устанавливаемый в помещении с газовыми приборами назначается «ведущим блоком» и соединяется с газовым счетчиком со встроенным датчиком утечки газа и электромагнитным клапаном, который устанавливается на трубе газового ввода. Клапан перекрывает газоснабжение, как по сигналу датчика самого счетчика, так и по сигналу с контроллера «ведущего внутреннего блока», при обнаружении опасных факторов пожара и/или взрыва (в т. ч. по сигналам других внутренних блоков). После чего контроллер «ведущего блока» отключает электроснабжение квартиры/индивидуального дома через модуль отключения; и, переходя на питание от аккумулятора, включает ТМСВ, удаляя кислород из защищаемого помещения через дренажный канал наружу, тем самым, предотвращая взрыв от утечки бытового газа и/или распространение огня, а остальные внутренние блоки мульти сплит-системы, размещаемые в других помещениях квартиры/индивидуального дома, и соединяемые сигнальным проводом с «ведущим блоком», аналогично обнаруживают и подавляют ОФПВ в помещениях, где они установлены, передавая сигнал на отключение газоснабжения и/или энергоснабжения «ведущему блоку», при этом пульты управления внутренними блоками мульти-сплит-системы дополняются функцией (кнопкой) «сброс оповещения», т.к. контроллеры внутренних блоков с GSM-радиомодемами реализуют следующие типы тревожных сигналов и алгоритмы их функционирования ^[21]:

- звуковые, и/или речевые, и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ в месте расположения внутреннего блока (утечка бытового газа, отключение электроэнергии, загорание, эвакуация), которые можно отключить кнопкой «сброс оповещения» на пульте управления, если кто-то из лиц, находящихся в защищаемых помещениях смог принять меры по ликвидации ОФПВ, при этом SMS-сообщение владельцу и управляющей компании будет отправлено в обязательном порядке через GSM-радиомодем;

- звуковые и/или речевые, и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ в месте расположения внутреннего блока с передачей SMS-сообщения через GSM-радиомодем и сохранением квитанции его доставки в памяти, при отсутствии «сброса оповещения» (отсутствия лиц в защищаемых помещениях или недостаточностью принятых мер после первого «сброса»), при утечке бытового газа - в газоаварийную службу, а при пожаре – в пожарную охрану, а также в управляющую компанию и владельцу.

4. Выводы

В отличие от известных аспирационных систем автоматической пожарной сигнализации и автоматических установок газового пожаротушения с ограниченным запасом огнетушащих составов (азота, углекислого газа и т.д.), требующих прокладки в защищаемых помещениях соответствующих трубопроводов с отверстиями, в статье предложен метод пожаровзрывозащиты индивидуальных жилых домов и квартир с помощью мульти сплит-систем, который дает возможность осуществить обнаружение ОФПВ соответствующими датчиками, установленными во внутренних блоках, через которые прокачивается воздух для выполнения функций вентиляции и кондиционирования. Обнаружение производится на первых этапах возгорания, и вместо ограниченного запаса огнетушащего состава во внутренних блоках мульти-сплит-систем устанавливаются ТМСВ, которые, включаясь при обнаружении ОФПВ, отделяют с помощью магнитного поля кислород (парамагнетик) и выводят его через дренажную трубу наружу, возвращая в защищаемые помещения оставшиеся газы (диамагнетики), которые являются инертным огнетушащим составом (азот, углекислый газ и т.д.), резко снижая концентрацию кислорода, предотвращая, тем самым, взрыв от утечки бытового газа и/или подавляя загорание, отключая газоснабжение и электроснабжение квартиры/индивидуального жилого дома, до прибытия аварийных служб (газоаварийной, пожарной), которые вызываются с помощью GSM-модема ^[21].