水噴淋對(duì)建筑外立面火災(zāi)煙氣向室內(nèi)蔓延控制的研究

●王 瑗

(北京東城區(qū)消防支隊(duì)，北京 100061)

(本欄責(zé)任編輯、校對(duì) 馬 龍)

當(dāng)今高層建筑中，聚氨酯硬泡等有機(jī)材料作為外墻保溫材料被廣泛使用。此類(lèi)材料耐熱性能差、易燃燒，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒極其迅速且產(chǎn)生大量的熱量和有毒煙氣向室內(nèi)蔓延，對(duì)人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是人們?cè)谏a(chǎn)、生活和社會(huì)活動(dòng)的各個(gè)場(chǎng)所中最普遍采用的一種固定滅火設(shè)備，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，從噴頭噴出的大量液滴通過(guò)對(duì)流作用不斷冷卻火場(chǎng)煙氣，同時(shí)也降低煙氣浮力，達(dá)到防煙和降溫的效果［1］。Bullen［2］于 1974 年率先探討了水噴淋與煙氣層的相互作用問(wèn)題并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴淋覆蓋區(qū)內(nèi)液滴的總拖曳力與煙氣總浮力之間的比值是煙氣層是否失穩(wěn)的決定因素。Morgan［3］等人將這一概念進(jìn)行了推廣并提出一個(gè)新模型，分析了具有一定粒徑分布的液滴與熱煙氣之間的對(duì)流傳熱。此后，Alpert［4-6］、Gardiner［7］、Cooper［8］、W．K．Chow［9-11］及 N．K．Fong［10-11］等研究者都采用CFD模擬軟件對(duì)水噴淋與煙氣層的相互作用以及噴淋作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在國(guó)內(nèi)，中科大的霍然、周允基［12-14］等人自行設(shè)計(jì)搭建水噴淋與煙氣相互作用實(shí)驗(yàn)臺(tái)首次對(duì)大空間內(nèi)不同火源、不同噴頭和不同工作壓力時(shí)水噴淋與煙氣的相互作用動(dòng)力學(xué)過(guò)程開(kāi)展研究。在國(guó)內(nèi)外眾多開(kāi)展的研究中，針對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣與室內(nèi)水噴淋相互作用的研究較少，特別是鑒于近年來(lái)由建筑外保溫材料引起的火災(zāi)頻發(fā)，研究自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)煙氣向室內(nèi)蔓延的控制就更突顯出其必要性，筆者將就這一問(wèn)題開(kāi)展模擬研究。

1 高層建筑火災(zāi)模型的建立

筆者根據(jù)某高層建筑建立模型(見(jiàn)圖1)，應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該高層建筑總高80 m，共23層，單層面積約為300 m2。建筑外表面鋪設(shè)有保溫材料，材料為聚氨酯硬泡板，導(dǎo)熱系數(shù)為0．04 W·m-1·K-1，尺寸為 0．2 m ×0．2 m×0．1 m。建筑室內(nèi)設(shè)有水噴淋系統(tǒng)，采用K-11吊掛式灑水噴頭，房間頂部設(shè)有感溫探測(cè)器，一旦室溫高于68℃時(shí)將自動(dòng)啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)開(kāi)始向室內(nèi)噴水［15］。模擬起火位置在該高層建筑7層外表面的一處面積為0．04 m2的火源(見(jiàn)圖2)，其單位面積熱釋放速率為5 000 kW·m-2·s-1，假設(shè)火源從第1 s開(kāi)始即被引燃，隨之引燃周?chē)谋夭牧虾蠡饎?shì)逐漸擴(kuò)大，火災(zāi)功率隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。筆者在著火層緊鄰房間內(nèi)，以不同位置的噴頭設(shè)置了5種工況(見(jiàn)表1)，環(huán)境溫度為24℃，工作壓力為0．1 MPa，流量為 13 L·min-1，流速為 5 m·s-1，噴射角度為0～60°，粒徑為1 200 μm?？紤]到人員的疏散安全，筆者在室內(nèi)距地1．6 m高度處設(shè)置測(cè)面來(lái)提取各個(gè)模擬計(jì)算工況下的CO濃度、溫度等煙氣層相關(guān)特性參數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 高層建筑模型示意圖

圖2 室內(nèi)布置模型示意圖

圖3 火源功率變化曲線圖

表1 工況詳情表

2 室內(nèi)CO濃度分析

圖4為高層建筑外保溫材料著火后，不同工況下室內(nèi)1．6 m高度處的平均CO濃度隨時(shí)間變化的曲線圖。高層建筑外保溫材料引起火災(zāi)后，伴隨著聚氨酯燃燒產(chǎn)生的大量有毒煙氣迅速向著火層臨近的房間內(nèi)擴(kuò)散。由圖4可以看到，從火災(zāi)發(fā)生伊始到120 s這段時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)平均CO濃度有明顯大幅度提升，最大濃度值超過(guò)了900 ppm。在120 s時(shí)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)啟動(dòng)，設(shè)置在窗戶上方的噴頭會(huì)通過(guò)滅火作用減小熱釋速率從而減少煙氣生成量;設(shè)置在室內(nèi)的噴頭通過(guò)水霧的稀釋作用也會(huì)降低CO濃度。因此從圖中也能看出室內(nèi)平均CO濃度開(kāi)始有回落的趨勢(shì)。窗戶作為室外火災(zāi)煙氣進(jìn)入室內(nèi)的最主要渠道，位于窗上方向下噴射這一工況下的室內(nèi)平均CO濃度曲線較其他工況走勢(shì)最低，CO濃度最大值維持在300 ppm以下，說(shuō)明此工況對(duì)室外煙氣的阻隔效果最理想，對(duì)人員的逃生安全十分有利;反觀設(shè)置在門(mén)上方的噴頭，由于相對(duì)窗戶的距離最遠(yuǎn)，因此對(duì)室外火災(zāi)煙氣的阻隔效果不佳，此工況下的室內(nèi)平均CO濃度值接近700 ppm;工況三和工況四下的室內(nèi)平均CO濃度曲線走勢(shì)基本一致，說(shuō)明將噴頭設(shè)置在房間中部向下和側(cè)面向前噴射對(duì)火災(zāi)煙氣的阻隔效果相近。

圖4 室內(nèi)1．6 m高度處平均CO濃度

3 室內(nèi)溫度變化分析

圖5為不同工況下室內(nèi)1．6 m高度處的室內(nèi)平均溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。由圖5可知，火災(zāi)發(fā)生后120 s時(shí)，著火層臨近房間室內(nèi)平均溫度升至68℃以上，設(shè)置于房間頂部的噴頭的玻璃球破碎自動(dòng)噴水，各工況下的室內(nèi)平均溫度曲線開(kāi)始呈不同幅度的下降趨勢(shì)。但將噴頭置于門(mén)上方這一工況下的室溫曲線在120 s之后依然呈上升的趨勢(shì)，其最高室溫一度超過(guò)100℃，降溫效果不夠理想;其他幾種工況基本都能將室溫控制在80℃以下，其中置于房間側(cè)面向前噴射這一工況下的室溫波動(dòng)幅度較大，穩(wěn)定性不夠理想;將噴頭置于窗上方和房間中間頂部噴射的水噴淋均能較好地將室內(nèi)平均溫度降至60℃以下，人員在該環(huán)境中能夠?qū)μ由龀銮逍训呐袛?，進(jìn)一步確保其疏散的安全性。

圖5 室內(nèi)1．6 m高度處平均溫度

4 結(jié)論

筆者運(yùn)用FDS軟件對(duì)高層建筑外墻保溫材料引起的火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究室內(nèi)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)對(duì)室外火災(zāi)煙氣蔓延的控制。著重討論了5種工況下，噴頭不同位置和噴射角度對(duì)室外火災(zāi)煙氣向室內(nèi)蔓延的控制效果，通過(guò)提取模擬所得各工況下的室內(nèi)CO濃度值和溫度值，對(duì)模擬結(jié)果比較分析后可以得出以下結(jié)論:對(duì)于由高層建筑外保溫材料引起的火災(zāi)，室內(nèi)水噴淋系統(tǒng)的噴頭位置和噴射方向決定了其對(duì)火災(zāi)煙氣向室內(nèi)蔓延控制的效果。其中將噴頭設(shè)置在窗上方向下噴射阻隔室外煙氣蔓延的效果最佳;在降低室內(nèi)溫度方面，將噴頭置于窗上方和房間中部噴射的降溫效果均較為理想，十分有利于人員在火災(zāi)發(fā)生后的安全逃生和疏散。

［1］霍然，周允基，張村峰．典型噴淋條件下火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性研究［D］．合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006．

［2］BULLEN M L．The Effect of a Sprinkler on the Stability of a Smoke Layer Beneath a Ceiling［R］．Fire Research Note1016，F(xiàn)ire Research Station，Bore ham wood，United Kingdom，1974．

［3］MORGAN H P，BAINES K．Heat Transfer from a Buoyant Smoke Layer Beneath a Ceiling to a Sprinkler Spray 2-An Experiment［J］．Fire and Materials，1979，3(1):34-38．

［4］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation of Large-scale Flow Fields Induced by Droplet Sprays［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，F(xiàn)actory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1979．

［5］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation Interaction of Sprays with Large-scale Cross Flows and Buoyant Opposed Flows［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，F(xiàn)actory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1984．

［6］ALPERT R L．Numerical Modeling of the Interaction Between Automatic Sprinkler Sprays［J］．Fire Safety Journal，1985，9:157-163．

［7］GARDINER A J．The Mathematical Modeling of the Interaction between Sprinkler Sprays and the Thermally Buoyant Layers of the Gases from Fires［D］．PhD thesis，South Bank Polytechnic，London，1989．

［8］COOPER L Y．The Interaction of an Isolated Sprinkler Spray and a Two-layer Compartment Fire Environment-Phenomena and Model Simulations［J］．Fire Safety Journal，1995，25:89-107．

［9］CHOW W K，CHEUNG Y L．Simulation of Sprinkler-hot Layer Interaction Using a Field Model［J］．Fire and Materials，1994，18:359-379．

［10］CHOW W K，F(xiàn)ONG N K．Application of Field Modeling Technique to Simulate Interaction of Sprinkler and Fire-induced Smoke Layer［J］．Combustion Science and Technology，1993，89:101-151．

［11］CHOW W K，F(xiàn)ONG N K．Numerical Simulation on Cooling of the Fire-induced Air Flow by Sprinkler Water Sprays［J］．Fire Safety Journal，1991，17:263-290．

［12］霍然，李開(kāi)源．水噴淋作用下火災(zāi)煙氣層的穩(wěn)定特性研究［D］．合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008．

［13］霍然，周允基，游宇航．機(jī)械排煙與水噴淋作用下大空間倉(cāng)室火災(zāi)及煙氣特性研究［D］．合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007．

［14］自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

［15］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2005年版)［S］．

［16］劉方，廖曙江．建筑防火性能化設(shè)計(jì)［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2007．