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    基于數(shù)值模擬的迷你倉消防設(shè)計(jì)研究

    2017-04-16 00:55:28
    關(guān)鍵詞:火源能見度測(cè)點(diǎn)

    陳 全

    (廣東省公安消防總隊(duì) 防火監(jiān)督部,廣東 廣州 510640)

    0 引言

    迷你倉是指用于儲(chǔ)存的小型倉庫。倉庫內(nèi)可根據(jù)客戶的不同需要,提供從小型衣物放置到大型物品儲(chǔ)藏的各種型號(hào)的儲(chǔ)藏室[1]。迷你倉在國外發(fā)展相對(duì)成熟,美國8.96%的家庭是迷你倉的用戶,全球最大的迷你倉公司Public Storage在2014年?duì)I業(yè)收入達(dá)到22億美元[2],從2012年開始,“迷你倉”在中國大陸經(jīng)過前期的摸索和市場(chǎng)嘗試,已經(jīng)在北京、上海、深圳、廣州等大城市逐步發(fā)展并成熟起來,隨著國內(nèi)房價(jià)的飛速上漲,居住面積和使用面積的矛盾逐漸凸顯,迷你倉在國內(nèi)的需求也越來越高,由此看來,迷你倉產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè),在國內(nèi)有高速發(fā)展的趨勢(shì)。迷你倉在方便生活起居的同時(shí),其帶來的火災(zāi)隱患也不容忽視,香港是國內(nèi)最早引入“迷你倉”這個(gè)概念的城市,但2016年6月21日香港工業(yè)大廈的迷你倉火災(zāi)事故為其消防安全敲響了警鐘,“6.21”大火持續(xù)燃燒長達(dá)108 h,造成重大社會(huì)影響。

    目前對(duì)倉儲(chǔ)類火災(zāi)研究成果主要集中在大型倉庫類建筑,余華等基于倉庫火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),總結(jié)了倉庫火災(zāi)特點(diǎn)并提出防范對(duì)策措施[3];蔣永清等通過數(shù)值模擬的方法,對(duì)高架倉庫進(jìn)行火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)和控制方案研究[4];王國棟等通過全尺寸實(shí)驗(yàn),分析了消防設(shè)施對(duì)倉室火災(zāi)控制效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:依規(guī)范設(shè)計(jì)的消防措施能夠有效控制火災(zāi)[5];劉濤等通過對(duì)比倉庫火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)在倉庫火災(zāi)模擬中的有效性[6]。由此可見,目前對(duì)大型倉儲(chǔ)火災(zāi)研究已經(jīng)相對(duì)完善,但尚未對(duì)小型、種類復(fù)雜的迷你倉的火災(zāi)危險(xiǎn)性以及防火措施等消防設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。本文對(duì)多地的迷你倉及其消防安全性進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)迷你倉的排煙系統(tǒng)、儲(chǔ)柜間距等進(jìn)行分析,旨在為迷你倉的消防設(shè)計(jì)及運(yùn)行提出合理化建議,降低迷你倉火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn),保障公眾人身財(cái)產(chǎn)安全。

    1 迷你倉火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

    通過對(duì)廣東、北京、香港等地部分迷你倉現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有迷你倉中,大部分設(shè)置在民用住宅建筑或公共建筑的地下空間,且倉內(nèi)可燃物數(shù)量多、種類多,其火災(zāi)荷載、火災(zāi)復(fù)雜性以及撲救難度均大于普通民用建筑以及同類的地上建筑,主要火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)如下:

    1)由于迷你倉的業(yè)主為不同人群及個(gè)體,單個(gè)迷你倉可達(dá)上百個(gè)存儲(chǔ)柜,因此倉庫內(nèi)所存放的物質(zhì)種類較多,并且無法對(duì)全部存儲(chǔ)物品的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行全面的判斷。

    2)迷你倉面對(duì)客戶對(duì)象主要為城市居民以及企業(yè)組織等,目前迷你倉的服務(wù)對(duì)象中,家庭約占60%左右,企業(yè)和組織約占40%左右[7]。家庭用戶主要存放家具、衣物及其外包裝等物品。

    3)企業(yè)用戶主要存放紙張、辦公用品等物品,因此其儲(chǔ)存物質(zhì)多屬丙類固體,在空氣中受到火焰和高溫作用時(shí)能發(fā)生燃燒,即使移走火源,仍能繼續(xù)燃燒,具有一定的火災(zāi)危險(xiǎn)性[8]。

    4)由于其多設(shè)置在經(jīng)改造后的民用住宅建筑或公共建筑的地下空間,建筑內(nèi)部僅配置滅火器,未設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等消防設(shè)施。

    5)迷你倉的大小從幾平米到幾百平米不等,建筑面積小而體積較大,而消防部門出于便民利民考慮,對(duì)于300 m2以下的場(chǎng)所是不用進(jìn)行消防設(shè)計(jì)審核和驗(yàn)收的,因此此類場(chǎng)所缺失源頭審批、監(jiān)管[8],留下了先天隱患。

    6)目前沒有專門適用于迷你倉的設(shè)計(jì)防火規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),只能參照丙類倉庫的防火要求來設(shè)防,但是迷你倉建筑規(guī)模很多達(dá)不到規(guī)范要求的設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),大多未設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng),這是香港“6.21”火災(zāi)難以撲救的原因之一。

    7)設(shè)置分散,各種寫字樓、工業(yè)園區(qū)、廠房、倉庫內(nèi)都可以設(shè)置,甚至違規(guī)設(shè)在違章既有建筑、住宅建筑內(nèi),既分散又隱蔽,難以監(jiān)管,消防投入不足,多火災(zāi)隱患。

    鑒于上述情況,除應(yīng)在源頭上確定審批制度、加強(qiáng)監(jiān)管外,還應(yīng)研究分析迷你倉火災(zāi)特點(diǎn)及消防技術(shù)要求,為建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供支持。因此,本文選擇影響火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的重要因素—排煙系統(tǒng)、儲(chǔ)柜間距進(jìn)行研究,探索迷你倉的消防解決方案。

    2 研究方法與參數(shù)設(shè)置

    2.1 研究方法與研究對(duì)象

    受條件限制,實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施,本文主要采用消防行業(yè)認(rèn)可并經(jīng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的FDS軟件進(jìn)行火災(zāi)煙氣蔓延特點(diǎn)、輻射通量計(jì)算等分析。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程,基本控制方程為質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及狀態(tài)方程[9]。

    研究對(duì)象為廣東某地下迷你倉建筑:建筑內(nèi)部尺寸為20.0 m×12.0 m×3.5 m;無外窗,在東西兩側(cè)設(shè)有2個(gè)外門;內(nèi)部設(shè)置四橫兩縱的通道;儲(chǔ)柜沿墻和建筑中部布置(中間區(qū)域設(shè)置6排儲(chǔ)柜),上下2層,單個(gè)儲(chǔ)柜的規(guī)格為1.0 m×1.0 m×1.6 m;內(nèi)部無火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、無自動(dòng)滅火系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng),只放置滅火器。該迷你倉的現(xiàn)場(chǎng)照片和數(shù)值計(jì)算模型如圖1、圖2所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示,A,B測(cè)點(diǎn)位于火源兩側(cè)橫走道內(nèi)部中間位置,主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為煙氣層高度;C,D測(cè)點(diǎn)位于火源所在橫走道與兩側(cè)縱向走道交叉位置,主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為能見度;E點(diǎn)位于火源對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜外表面幾何中心位置,主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為溫度;F點(diǎn)位于火源上方儲(chǔ)柜與著火儲(chǔ)柜相接觸表面的幾何中心位置,主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為溫度。

    圖1 迷你倉現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Photo of mini-storage

    圖2 迷你倉FDS模型Fig.2 FDS model of mini-storage

    2.2 前提假設(shè)

    結(jié)合迷你倉的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)做以下幾點(diǎn)假設(shè)[10-11]:

    1)儲(chǔ)柜在鎖閉狀態(tài)下時(shí),空氣流通條件較差,故假設(shè)火源位置儲(chǔ)物柜處于打開狀態(tài);火災(zāi)發(fā)展簡化為快速t2火,并且忽略陰燃階段。

    2)迷你倉內(nèi)部存儲(chǔ)物質(zhì)多為衣物等日常用品或檔案等辦公用品,假定此類物品的燃點(diǎn)與棉麻及紙張類物質(zhì)類似,為130℃[12]。

    3)儲(chǔ)物柜材質(zhì)一般為金屬,設(shè)其比熱為0.46 kJ/(kg·K),導(dǎo)熱率為45.8 W/(m·K)。

    4)內(nèi)部儲(chǔ)柜的布置與研究對(duì)象一致,單個(gè)儲(chǔ)柜規(guī)格為1 m×1 m×1.6 m。

    5)迷你倉附設(shè)在建筑物地下,除2個(gè)門外,無其他開敞條件。

    2.3 參數(shù)設(shè)置

    該迷你倉內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)多為丙類固體,建模時(shí)按照實(shí)際情況設(shè)置可燃物荷載,并采用固體燃燒模型對(duì)迷你倉內(nèi)的火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算,如式(1)[13]。

    Q=ρνpAΔHc

    (1)

    式中:ρ為可燃材料的密度,kg/m3;νp為燃燒線速度,m/s;A為可燃物與空氣接觸的表面積,m2;ΔHc為燃燒熱,MJ/kg。

    依據(jù)實(shí)地火災(zāi)荷載數(shù)量和相應(yīng)物品燃燒速度估算,該迷你倉的火災(zāi)規(guī)模約1.0 MW;模擬時(shí),采用計(jì)算火源特征直徑的方法[14],將網(wǎng)格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格;火災(zāi)增長方式選擇快速t2,主要參數(shù)如表1所示。

    表1 基本參數(shù)設(shè)置Table 1 Basical parameter settings for simulated fire conditions

    2.4 模擬工況

    為分析排煙系統(tǒng)、儲(chǔ)柜間距對(duì)迷你倉火災(zāi)發(fā)展的影響,主要設(shè)置不同的儲(chǔ)物柜間距、不同的排煙量,以得到合理的儲(chǔ)柜布置方式和排煙量大小??紤]到現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)柜可能的布置方式,模擬時(shí)設(shè)置1.0,1.5和2.0 m 3種布置間距。排煙系統(tǒng)主要考慮有排煙和無排煙2類工況。設(shè)置排煙系統(tǒng)時(shí),依據(jù)規(guī)范要求[15],排煙量設(shè)定為60 m3/(h·m2),考慮到迷你倉內(nèi)火災(zāi)荷載較高,且小空間的蓄煙能力有限,本文同時(shí)模擬了120 m3/(h·m2)的煙控效果,即為規(guī)范中同時(shí)負(fù)擔(dān)2個(gè)防煙分區(qū)時(shí)排煙系統(tǒng)的排煙量。排煙口對(duì)稱布置在走道上空。共設(shè)置5種工況,如表2所示。

    表2 各工況的參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter settings for simulated fire conditions

    3 數(shù)值模擬分析

    3.1 機(jī)械排煙對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響分析

    3.1.1機(jī)械排煙對(duì)煙氣層高度的影響

    圖3為不同機(jī)械排煙量下A,B測(cè)點(diǎn)位置的煙氣層高度變化圖。通過對(duì)比分析煙氣層高度曲線可知:煙氣層高度在前150 s內(nèi)急劇下降,當(dāng)未設(shè)置排煙設(shè)施時(shí),A,B兩測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度均在150 s內(nèi)下降至2 m;A測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度明顯高于B測(cè)點(diǎn),在未設(shè)置排煙設(shè)施時(shí),A測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度在1.8 m左右波動(dòng),B測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度在1.3 m左右波動(dòng);煙氣層的高度隨著排煙量的增大而升高,60 m3/(h·m2)的排煙方案能夠?qū),B兩點(diǎn)的煙氣層高度分別控制在2.2 m和1.6m左右,120 m3/(h·m2)的排煙方案能夠?qū),B兩點(diǎn)的煙氣層高度分別控制在2.5 m和2.0 m左右。原因在于火災(zāi)發(fā)生后,煙氣向上蔓延并充滿上部自由空間,隨后在走道內(nèi)快速沉降;由于A測(cè)點(diǎn)與門口距離較近,存在一定自然排煙條件,因此A測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度明顯高于B測(cè)點(diǎn);機(jī)械排煙系統(tǒng)啟動(dòng)后,部分高溫?zé)煔庥墒覂?nèi)排出,使得煙氣層高度上升,隨著機(jī)械排煙量的增大,煙氣層高度升高越明顯。

    圖3 排煙量不同時(shí)煙氣層高度變化Fig.3 Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

    3.1.2機(jī)械排煙量對(duì)火災(zāi)蔓延的影響

    圖4為排煙量不同時(shí),火源上方儲(chǔ)柜(F點(diǎn))以及火源對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜(E點(diǎn))的溫度變化曲線。由圖4可知,3種工況下,火源上方儲(chǔ)柜在120 s左右均被引燃;工況4對(duì)火源上方儲(chǔ)柜溫度影響較小,而工況5對(duì)火源上方儲(chǔ)柜溫度有明顯影響,使其溫度下降20%左右。原因在于火源上方儲(chǔ)柜受到下部火源的加熱,導(dǎo)致上部儲(chǔ)柜快速升溫,因此內(nèi)部可燃物很容易被引燃。由圖4可知,隨著排煙量的增加,儲(chǔ)柜溫度明顯降低,工況4的排煙方案可以有效地將儲(chǔ)柜溫度降低到自燃點(diǎn)130℃以下,工況5的排煙方案可以有效地將儲(chǔ)柜溫度降低到100℃以下。原因是與火源上方儲(chǔ)柜相比,對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜與火源間的距離較遠(yuǎn),所受輻射能較少,同時(shí),機(jī)械排煙將高溫?zé)煔饪焖倥懦?,煙氣層難以沉降,使得儲(chǔ)柜與煙氣層距離較大,降低了熱煙氣對(duì)火場(chǎng)內(nèi)的熱輻射作用,從而減少了高溫?zé)煔鈱?duì)儲(chǔ)柜的熱輻射作用。

    圖4 排煙量不同時(shí)火災(zāi)蔓延情況Fig.4 Changes of fire spread under different mechanical exhaust rate

    3.1.3機(jī)械排煙對(duì)能見度的影響

    圖5為C,D兩點(diǎn)在1.6 m高度處能見度變化的均值曲線,由該曲線可以看出,能見度在100~170 s迅速降至10 m以內(nèi),其中工況1的能見度在180 s左右下降至2 m以內(nèi),最終穩(wěn)定在0.5 m左右,工況4的能見度在220 s左右下降至2 m以內(nèi),最終穩(wěn)定在1.3 m左右,工況5的能見度未出現(xiàn)低于5 m的情況。能見度急劇下降的原因是火災(zāi)初起時(shí),煙氣在上部空間彌漫,待上部空間充滿后逐漸向下沉降,由于室內(nèi)下部自由空間減小以及火災(zāi)在142 s時(shí)開始達(dá)到全盛階段,煙氣在走道內(nèi)快速沉降,從而降低能見度。由于以上特點(diǎn)以及排煙規(guī)律,當(dāng)排煙量為60 m3/(h·m2)時(shí),僅能排出頂部空間以及少量的走道區(qū)域的煙氣,當(dāng)排煙量為120 m3/(h·m2)時(shí),排煙量足以排出頂部空間煙氣,并能排出大部分走道區(qū)域煙氣,因此排煙量的加大對(duì)能見度影響較大。

    圖5 排煙量不同時(shí)能見度變化Fig.5 Changes of visibility under different mechanical exhaust rate

    3.1.4小結(jié)

    從本節(jié)分析可以看出,由于迷你倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使得煙氣在室內(nèi)頂部蓄積后迅速下降,降低室內(nèi)能見度的同時(shí)引燃走道對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜,因此危險(xiǎn)性較大,需加設(shè)機(jī)械排煙設(shè)施,從而達(dá)到安全要求。結(jié)合不同排煙方案對(duì)煙氣層高度的影響,120 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于2 m以上,能見度維持在5 m以上,而60 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于1.5 m左右,能見度維持在1.3 m以上,由此可以看出,機(jī)械排煙量的增加使得高溫?zé)煔獾靡钥焖倥懦?,煙氣層高度、能見度以及火?zāi)蔓延情況得到明顯改善。因此,地下迷你倉儲(chǔ)建筑采用120 m3/(h·m2)的排煙方案可有效降低火災(zāi)規(guī)模擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn),保障人員安全疏散。

    3.2 儲(chǔ)柜間距對(duì)火災(zāi)蔓延的影響分析

    如圖6所示,走道對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜的表面溫度在120 s后增長迅速,當(dāng)走道兩側(cè)儲(chǔ)柜間距為1 m時(shí),火災(zāi)發(fā)生260 s后,火源對(duì)側(cè)E位置的儲(chǔ)柜達(dá)到自燃點(diǎn)130℃;當(dāng)儲(chǔ)柜間間距加大至1.5 m后,E處儲(chǔ)柜表面最高溫度不超過100℃。原因在于火災(zāi)發(fā)生后,對(duì)側(cè)儲(chǔ)柜的熱量交換主要受火焰以及火場(chǎng)內(nèi)高溫?zé)煔鉄彷椛渥饔玫挠绊?,火?zāi)初期階段,由于火勢(shì)較小,儲(chǔ)柜所接收的輻射能較少,在120 s時(shí)火源的熱釋放速率已經(jīng)達(dá)到火災(zāi)規(guī)模的67%,隨著儲(chǔ)柜熱量的積聚以及火災(zāi)規(guī)模的增大,儲(chǔ)柜表面溫度迅速增長??梢?,走道兩側(cè)儲(chǔ)柜間距的增大可顯著降低輻射熱強(qiáng)度,從而降低火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。

    圖6 儲(chǔ)柜間距不同時(shí)火災(zāi)蔓延影響Fig.6 Changes of fire spread under different distance between two lines of lockers

    4 結(jié)論

    1) 設(shè)置排煙系統(tǒng)可大大降低迷你倉火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)時(shí),120 m3/(h·m2)的排煙量對(duì)火災(zāi)蔓延及發(fā)展有明顯抑制作用。

    2) 為降低迷你倉內(nèi)火勢(shì)的蔓延風(fēng)險(xiǎn),走道兩側(cè)儲(chǔ)柜之間的距離不宜小于1.5 m。

    3)受條件所限,目前僅采用消防行業(yè)認(rèn)可的數(shù)值模擬軟件及相關(guān)方法對(duì)迷你倉進(jìn)行研究,下一步可通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

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