正壓送風(fēng)和室外風(fēng)綜合作用對(duì)住宅建筑著火房間火災(zāi)發(fā)展的影響

胡緒鑫，李思成，劉 超，劉翔朋

(武警學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市的快速發(fā)展，住宅建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，建筑房間內(nèi)火災(zāi)荷載大、裝修材料多。一旦發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)有室外風(fēng)作用時(shí)，大量高溫、有毒煙氣迅速蔓延，極易造成人員傷亡。同時(shí)，正壓送風(fēng)是住宅發(fā)生火災(zāi)時(shí)常用的排煙方式。因此，研究正壓送風(fēng)和室外風(fēng)綜合作用對(duì)住宅建筑著火房間火災(zāi)發(fā)展的影響具有極其重要的意義。

室外風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展有一定的影響作用，田康達(dá)[1]利用FDS軟件建立臥室火災(zāi)模型，通過設(shè)定不同的環(huán)境風(fēng)速，研究其對(duì)火災(zāi)特性的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)對(duì)火場(chǎng)起到助燃和冷卻作用，且風(fēng)速越高流向下風(fēng)向的熱流量越大；高為剛[2]基于FDS模型對(duì)不同功率的池火災(zāi)在不同風(fēng)速的迎風(fēng)面和背風(fēng)面作用下自然排煙效果進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)迎面風(fēng)對(duì)側(cè)墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用；黃村[3]利用FLUENT軟件模擬分析不同風(fēng)速對(duì)單室房間火災(zāi)發(fā)展和窗口溢出羽流的影響。正壓送風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的相關(guān)研究也有很多，Stephen[4]對(duì)裝滿家具的房間進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正壓送風(fēng)可以略微降低室內(nèi)溫度；中佛羅里達(dá)大學(xué)[5-6]的研究者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正壓送風(fēng)排煙是一種有效的火災(zāi)撲救戰(zhàn)術(shù)，它可以有效減小室內(nèi)熱量和有毒煙氣濃度。對(duì)于單室火災(zāi)發(fā)展的研究大多針對(duì)室外風(fēng)或正壓送風(fēng)某單一情形下的火災(zāi)發(fā)展的模擬和試驗(yàn)研究，而火場(chǎng)中，很可能需要對(duì)室外風(fēng)影響下的著火房間進(jìn)行正壓送風(fēng)排煙，排煙口可能是處在迎風(fēng)面破碎的窗戶，而對(duì)于正壓送風(fēng)和室外風(fēng)綜合作用時(shí)，住宅建筑著火房間火災(zāi)發(fā)展的模擬研究較少。

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，我國年平均風(fēng)速在1.8～4.5 m·s-1之間，取室外風(fēng)速2 m·s-1的情況下，依據(jù)一般住宅建筑單個(gè)房間的火災(zāi)荷載，建立著火房間的物理模型。模擬排煙口處于迎風(fēng)風(fēng)速2 m·s-1時(shí)，采用不同的正壓送風(fēng)風(fēng)速對(duì)著火房間送風(fēng)，通過對(duì)火災(zāi)熱釋放速率、門口和窗口處的溫度、熱流量等分析，得出不同送風(fēng)速度對(duì)著火房間火災(zāi)發(fā)展的影響，為消防救援過程中，借助風(fēng)機(jī)進(jìn)行正壓送風(fēng)排煙行動(dòng)提供一定的借鑒和參考。

1 模型建立

1.1 火災(zāi)荷載的設(shè)定

建筑火災(zāi)的發(fā)生與其中存在的可燃物有密切關(guān)系，可燃物的種類、數(shù)量及分布情況對(duì)火災(zāi)的發(fā)展蔓延有決定性作用，而火災(zāi)荷載是指室內(nèi)可燃物完全燃燒釋放出的總熱量值[7]。因此，研究著火房間火災(zāi)發(fā)展，必須對(duì)其中的可燃物有一定把握。依據(jù)CIBW14中的數(shù)據(jù)[8]，以及中國建筑科學(xué)研究院和鄭州大學(xué)對(duì)住宅建筑火災(zāi)荷載的調(diào)查研究，得出居民建筑火災(zāi)荷載密度平均值為780 MJ·m-2，95%分位數(shù)為970 MJ·m-2。

1.2 物理模型

該房間尺寸為8.8 m×6.5 m×3 m，房門寬為1 m，高1.8 m，窗戶寬為3 m，高1.2 m，建筑內(nèi)有雙人床、沙發(fā)、衣柜、梳妝臺(tái)等物品。圖1為著火房間模型圖。

圖1 著火房間模型圖

1.3 模擬設(shè)定

該著火房間在模擬時(shí)，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，模擬時(shí)間1 200 s。室內(nèi)外初始溫度為20 ℃，墻壁材料為鋼筋混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W·m-1·K-1。起火點(diǎn)位于枕頭上，點(diǎn)火功率為60 kW，100 s時(shí)撤掉。房間中家具的熱值、材料的燃點(diǎn)和單位面積火災(zāi)熱釋放速率均按照王金平[9]的文獻(xiàn)資料設(shè)定。設(shè)定60 s時(shí)窗戶破碎，窗口處于迎風(fēng)面，風(fēng)速為2 m·s-1。消防員到場(chǎng)后開啟房門，放置風(fēng)機(jī)，因此設(shè)置200 s時(shí)房門開啟，李思成等[10-11]研究風(fēng)機(jī)最佳設(shè)置位置距房門2.5～3 m，因此，風(fēng)機(jī)放置在距房門2.5 m處，尺寸為0.8 m×0.8 m，距地面0.2 m，風(fēng)速分別為0，5，10，15，20，25，30，35 m·s-1。具體工況如表1所示。

表1 模擬工況設(shè)置表

2 模擬結(jié)果分析

2.1 不同風(fēng)速對(duì)火災(zāi)熱釋放速率的影響

圖2為不同風(fēng)速下火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間變化圖。通過圖2上圖可以發(fā)現(xiàn)，在前200 s，火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r基本相同，200 s后房門打開，風(fēng)機(jī)開始加壓送風(fēng)，大量空氣涌入房間，火災(zāi)熱釋放速率迅速上升，不同風(fēng)速下的熱釋放速率發(fā)展趨勢(shì)有所差別。

火災(zāi)熱釋放速率在260 s后基本穩(wěn)定，為了便于觀察，特選取180～260 s的數(shù)據(jù)放大繪圖，如圖2下圖所示。

圖2 不同風(fēng)速下火災(zāi)熱釋放速率變化圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率會(huì)小幅度上升至13 MW左右并趨于穩(wěn)定。上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08—88—2006)中規(guī)定的無噴淋的客房熱釋放量6 MW，田康達(dá)等人對(duì)環(huán)境風(fēng)2 m·s-1的臥室火災(zāi)模擬時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率在10 MW左右，火災(zāi)熱釋放速率不同的原因是：本文中著火房間面積、送風(fēng)口和排煙口面積均較大，而且房間的火災(zāi)荷載大，因此，著火房間的火災(zāi)熱釋放速率大。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率會(huì)小幅度上升至15 MW左右，然后趨于穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)房間內(nèi)火災(zāi)影響不大，火災(zāi)熱釋放速率增大了15.3%；當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為10 m·s-1以上時(shí)，發(fā)生轟燃，火災(zāi)熱釋放速率會(huì)迅速上升達(dá)到峰值，然后在260 s時(shí)均趨于穩(wěn)定值30 MW左右，正壓送風(fēng)對(duì)火災(zāi)影響很大，火災(zāi)熱釋放速率增大了130.7%。由此可見，室外風(fēng)和正壓送風(fēng)均會(huì)助長火勢(shì)，但風(fēng)機(jī)風(fēng)速達(dá)到10 m·s-1以上時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率最終均趨于定值30 MW左右。

2.2 不同風(fēng)速對(duì)門口處溫度及截面熱流量的影響

2.2.1 不同風(fēng)速對(duì)門口處溫度的影響

圖3為不同風(fēng)速下門口處溫度隨時(shí)間的變化圖。通過圖3可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)送風(fēng)可以明顯降低門口處的溫度，風(fēng)速越大，門口處的溫度越低；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0，5，10 m·s-1時(shí)，門口處的溫度在450 ℃左右；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為15，20，25 m·s-1時(shí)，門口處的溫度在250 ℃左右，降低了44.4%；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為30，35 m·s-1時(shí)，門口處的溫度在150 ℃左右，比初始降低了66.7%?？梢?，風(fēng)機(jī)送風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)熱煙氣向排煙口蔓延，送風(fēng)口處溫度明顯降低。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)，因?yàn)槭彝怙L(fēng)的作用，門口變?yōu)榕艧熆?，此時(shí)門口處溫度較高，有蔓延至走廊的危險(xiǎn)，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加，門口處溫度降低，火災(zāi)蔓延至走廊的危險(xiǎn)性降低。

圖3 不同風(fēng)速下門口處溫度隨時(shí)間變化圖

2.2.2 不同風(fēng)速對(duì)門口截面熱流量的影響

圖4為不同風(fēng)速下門口截面的熱流量隨時(shí)間變化圖。圖中熱流量為負(fù)值，負(fù)號(hào)僅代表方向，說明房間中的熱流量穿過門口截面到走廊。

圖4 不同風(fēng)速下通過門口截面的熱流量隨時(shí)間變化圖

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)，通過門口截面的熱流量為800 kW左右；而風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，通過門口截面的熱流量為200 kW左右，減小了75%，說明此時(shí)風(fēng)速可以有效阻止熱煙氣蔓延出房門；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，熱流量為800 kW左右，和風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)通過門口截面的熱流量相同；此后，隨著風(fēng)速增加，通過門口截面的熱流量不斷增加，風(fēng)機(jī)風(fēng)速35 m·s-1時(shí)，通過門口截面的熱流量達(dá)到了1 400 kW。風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加，使得大量熱煙氣隨著風(fēng)驅(qū)動(dòng)向排煙口蔓延，但是排煙口處在迎風(fēng)面，2 m·s-1的室外風(fēng)吹向室內(nèi)，使得風(fēng)機(jī)送風(fēng)驅(qū)動(dòng)的一部分熱煙氣回流，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)送風(fēng)產(chǎn)生的錐形面并未完全覆蓋房門，因此，回流的熱煙氣通過房門上部蔓延至走廊。風(fēng)速越大，通過房門上部蔓延至走廊的熱煙氣越多，風(fēng)機(jī)風(fēng)速15 m·s-1以下時(shí)，既可以驅(qū)動(dòng)房間內(nèi)部熱煙氣至排煙口，又能有效防止熱煙氣的回流。

2.3 不同風(fēng)速對(duì)窗口處溫度及截面熱流量的影響

2.3.1 不同風(fēng)速對(duì)窗口處溫度的影響

圖5為不同風(fēng)速下窗口處溫度隨時(shí)間變化圖。通過圖5可以發(fā)現(xiàn)：200 s以后，風(fēng)機(jī)風(fēng)速在0和5 m·s-1時(shí)，風(fēng)機(jī)作用不明顯，由于窗口處于迎風(fēng)面，室外風(fēng)通過窗戶向室內(nèi)送入大量氧氣，使得窗口處燃燒產(chǎn)生更多熱量，導(dǎo)致溫度升高，風(fēng)速5 m·s-1時(shí)溫度可達(dá)700 ℃；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，窗口中心溫度驟升至900 ℃，此后持續(xù)上升至1 300 ℃左右；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為15 m·s-1以上時(shí)，溫度驟升至1 100 ℃，此后持續(xù)上升至1 500 ℃左右。

圖5 不同風(fēng)速下窗戶中心溫度隨時(shí)間變化圖

可見，室外風(fēng)的進(jìn)入和風(fēng)機(jī)送風(fēng)使得窗口中心溫度上升，風(fēng)機(jī)風(fēng)速10 m·s-1以上時(shí)，溫度劇增，說明風(fēng)機(jī)送風(fēng)產(chǎn)生風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)熱煙氣向窗口蔓延并形成高溫，且風(fēng)速越大，驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)，使得房間的火災(zāi)發(fā)展蔓延速度加快，甚至有可能將高溫火焰推至窗外，造成更加嚴(yán)重的后果。

2.3.2 不同風(fēng)速對(duì)窗口截面熱流量的影響

圖6為不同風(fēng)速下窗口截面的熱流量隨時(shí)間變化圖。通過圖6可以發(fā)現(xiàn)：隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增加，通過窗口的熱流量不斷增加。風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，由于室外風(fēng)是2 m·s-1，所以通過窗口的熱流量很小，幾乎可以忽略不計(jì)；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為10 m·s-1，通過窗口的熱流量為5 000 kW左右；風(fēng)機(jī)風(fēng)速為35 m·s-1時(shí)，通過窗口的熱流量為15 000 kW左右，是風(fēng)機(jī)風(fēng)速10 m·s-1時(shí)熱流量的3倍。

圖6 不同風(fēng)速下通過窗口截面的熱流量隨時(shí)間變化圖

可見，風(fēng)機(jī)送風(fēng)使得熱煙氣向排煙口蔓延，而熱煙氣蔓延的方向一般認(rèn)為是火災(zāi)發(fā)展蔓延的方向。因此，風(fēng)機(jī)風(fēng)速越大，通過窗口熱流量越多，火災(zāi)發(fā)展蔓延越迅速，而且大量高溫?zé)煔饴又链翱?，?huì)加熱窗口周圍的可燃物，促使火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展?；饒?chǎng)排煙時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇合適的正壓送風(fēng)風(fēng)速，應(yīng)以10 m·s-1為宜。

2.4 不同風(fēng)速對(duì)頂棚溫度的影響

圖7為不同風(fēng)速下頂棚(高2.8 m)800～1 000 s的等溫線圖。通過圖7可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)風(fēng)速越大，房間內(nèi)溫度越高，窗戶外溫度也越來越高，而門口外溫度越來越低。

(a) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速0 m·s-1

(b) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速5 m·s-1

(c) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速10 m·s-1

(d) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速15 m·s-1

(e) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速20 m·s-1

(f) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速25 m·s-1

(g) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速30 m·s-1

(h) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速35 m·s-1

可見，室外風(fēng)作用下，使得房間火災(zāi)不斷發(fā)展，溫度不斷升高，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)，房門成為排煙口，使得大量煙氣蔓延至走廊，頂棚溫度達(dá)到了950 ℃，非常不利于人員疏散逃生。隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增大，造成室內(nèi)火災(zāi)快速發(fā)展蔓延，溫度升高，而處在迎風(fēng)面的窗口成為排煙口，窗外煙氣溫度增至1 200 ℃左右，而房門外因?yàn)轱L(fēng)機(jī)送風(fēng)作用，煙氣量減少，溫度為100 ℃左右，可有效保證走廊的安全，利于人員疏散和滅火救援行動(dòng)。因此，火場(chǎng)中使用正壓送風(fēng)控制煙氣流動(dòng)非常關(guān)鍵。

3 結(jié)論

3.1 室外風(fēng)和正壓送風(fēng)均可以助長火勢(shì)發(fā)展。室外風(fēng)2 m·s-1影響下，風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0 m·s-1時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為13 MW左右，風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為15 MW左右，增大了15.3%；當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速達(dá)到10 m·s-1以上時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率會(huì)驟增而后下降并最終趨于定值30 MW左右，增大了130.7%。

3.2 對(duì)迎風(fēng)面著火房間正壓送風(fēng)，風(fēng)速越大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)熱煙氣向排煙口蔓延，使得送風(fēng)口處溫度越低；由于2 m·s-1的室外風(fēng)的存在，加之風(fēng)機(jī)送風(fēng)產(chǎn)生的錐形面不能完全覆蓋送風(fēng)口，因此造成部分熱煙氣通過房門上部流出，風(fēng)機(jī)風(fēng)速越大，通過門口的熱流量越多。

3.3 對(duì)迎風(fēng)面著火房間正壓送風(fēng)，風(fēng)速越大，排煙口處溫度越高，通過排煙口的熱流量越多，風(fēng)機(jī)風(fēng)速為35 m·s-1時(shí)，通過窗口截面的熱流量為15 000 kW，是風(fēng)機(jī)風(fēng)速10 m·s-1時(shí)熱流量的3倍，熱煙氣蔓延出著火房間的可能性越大，有可能引燃窗外可燃物。

因此，當(dāng)排煙口處于迎風(fēng)面且室外風(fēng)速為2 m·s-1時(shí)，對(duì)著火房間正壓送風(fēng)，宜選擇10 m·s-1左右的風(fēng)機(jī)風(fēng)速。這樣，既可以有效進(jìn)行火場(chǎng)排煙，又能防止火災(zāi)蔓延出著火房間，有利于人員的疏散逃生和消防員的滅火救援。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田康達(dá),黃曉家,張雅君,等.環(huán)境風(fēng)速對(duì)臥室火災(zāi)特性影響模擬分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015,34(12):1563-1567.

[2] 高為剛,楊云.環(huán)境風(fēng)對(duì)自然排煙效果的影響研究[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2015,31(12):17-22.

[3] 黃村.穿透風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和窗口溢出火羽流的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,31(9):926-928.

[4] STEPHEN K,WILLIAM D W.Effect of positive pressure ventilation on a room fire[R].National Institute of Standards and Technology,NISTIR 7213,2005.

[5] Ingason Hauku,Werling Per.Experimental study of inlet openings in multi-story underground construction[J].Journal of Fire Protection Engineering,2002,12(2):79-92.

[6] ZIESLER P S,GUNNERSON F S,WILLIAMS S K.Advances in positive pressure ventilation: live fire tests and laboratory simulation[J].Fire Technology,1994,30(2):269-277.

[7] 王金平,朱江.常用建筑材料及家具的熱值及其火災(zāi)荷載密度的確定[J].建筑科學(xué),2009,25(5):70-72.

[8] 樊友景,張猛,李天,等.河南省普通小型住宅臥室活動(dòng)火災(zāi)荷載調(diào)查與統(tǒng)計(jì)[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(6):72-75.

[9] 王金平,朱江,劉紅濤,等.北京地區(qū)住宅中活動(dòng)式火災(zāi)荷載的調(diào)查分析及標(biāo)準(zhǔn)值的確定[J].建筑科學(xué),2010,26(1):24-27.

[10] 李思成,荀迪濤,王萬通.正壓送風(fēng)排煙在火場(chǎng)中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013,32(9):1023-1026.

[11] 楊國宏,侯耀華,李思成.排煙口與送風(fēng)口關(guān)系對(duì)送風(fēng)排煙的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015,34(12):1597-1600.