單層多室建筑回燃火災處置策略研究

王 俊

(北京平谷區(qū)消防支隊，北京 101204)

0 引言

回燃是建筑火災過程中的特殊火行為，由于新鮮空氣的突然涌入，熱解氣體迅速達到爆炸極限，從而形成巨大的沖擊波，嚴重威脅消防員的生命安全[1]。例如，1994年3月28日，曼哈頓62號“沃特”街區(qū)發(fā)生火災，首層被破拆后，由于爆轟，在二層實施內(nèi)攻的3名消防員殉職[2]；2015年5月1日，上海市徐匯區(qū)龍吳路一高層居民樓突發(fā)火災，受回燃熱氣浪的推力影響，兩名消防員從13樓墜落犧牲。為了最大限度地保護消防員的生命安全，應高度重視回燃條件下的滅火戰(zhàn)術(shù)研究。

《公安消防部隊執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令》第3章第69條規(guī)定，公安消防部隊在滅火戰(zhàn)斗中，要靈活運用堵截、突破、排煙、破拆、封堵等11種戰(zhàn)術(shù)方法。根據(jù)馬寶磊等[1]的研究成果，當建筑發(fā)生回燃時，排煙與破拆是使用頻率最高的處置方式。目前，大量學者對回燃現(xiàn)象進行了深入研究。白光[3]使用Phoenics軟件模擬了地鐵隧道回燃前的煙流分布情況，得出回燃發(fā)生的決定性參數(shù)是燃料揮發(fā)分的質(zhì)量百分比的結(jié)論；謝曉剛等采用小尺寸試驗研究回燃的臨界條件與機理[4-7]；黃鸝[8]以地下商業(yè)街為研究對象，發(fā)現(xiàn)在豎井內(nèi)安裝加濕裝置能有效抑制回燃的發(fā)生；張娜等[9]以多層建筑為研究對象，分析了回燃火災的煙氣運動過程；翁文國[10]利用能量平衡原理及突變原理構(gòu)建了回燃現(xiàn)象的非線性動力學模型；Guigay[11]分析了正壓送風措施對回燃的影響，但是缺乏定量分析。不難發(fā)現(xiàn)，鮮有學者討論回燃的處置策略問題，而這一問題又與消防員的生命安全息息相關(guān)?；厝及l(fā)生后，可能發(fā)生二次轟燃，甚至引起連續(xù)爆炸。為了研究回燃火災蔓延的全過程，本文以多室建筑為載體，研究3個房間的火災動力學特性，以期為消防員科學處置回燃火災提供參考。

1 模型與工況設(shè)計

以Guigay[11]建立的模型為原型，設(shè)計14種工況，利用FDS軟件模擬破拆及排煙對回燃的影響。

1.1 模型設(shè)計

圖1為選用的單層多室模型。該模型共有3個房間，房間尺寸如圖1(a)所示。其中，切片1與切片2用于查看空間溫度分布。設(shè)定房間1為起火房間，各探測器位置如圖1(b)所示。可燃物的熱物性參數(shù)參考文獻[6]設(shè)置，這里不再贅述。FDS技術(shù)手冊規(guī)定，理論上火焰區(qū)域應滿足火焰直徑與網(wǎng)格邊長的比值在4～16之間，推薦取值為10[12]?；鹪吹臒後尫潘俾嗜? MW，環(huán)境溫度取293 K，空氣密度取1.204 kg·m-3，重力加速度取9.8 m·s-2，網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

圖1 單層多室模型

1.2 破拆工況設(shè)計

由于現(xiàn)代建筑的密閉性比較好，發(fā)生火災時，時常出現(xiàn)缺氧狀態(tài)的陰燃[1]，導致大量可燃氣體的聚集。盲目地破拆可能致使可燃氣體燃燒爆炸，因此科學應用破拆戰(zhàn)術(shù)顯得尤為重要。根據(jù)破拆方位及破拆面積的不同，對破拆區(qū)設(shè)計9種工況，如圖2所示，破拆的部位用陰影表示，任一工況的模擬時間為360 s。研究表明初期陰燃時間占總時間的50%左右[6]，假設(shè)建筑內(nèi)被困人員較多，消防員必須在最短時間內(nèi)破拆救人，考慮這一不利情況，破拆時刻由理論值180 s提前至150 s。

圖2 破拆方式

1.3 排煙工況設(shè)計

火災中造成人員死亡的主要原因是吸入了煙塵或有毒氣體而中毒窒息傷亡[13]，因此及時有效地排煙有助于減少人員傷亡。在實施負壓式排煙過程中，排煙風機應放置于通道口適當位置，從而增強內(nèi)部氣流由內(nèi)到外的流動。目前，鮮有人定量研究排煙風機與排煙口間距對排煙效果的影響，為解決這一問題，設(shè)計5種工況，見表1。

表1 排煙工況設(shè)置

根據(jù)Guigay[11]的研究成果，排煙流量在1 000～1 440 m3·h-1范圍內(nèi)，排煙效果最好。工況12分為A、B兩種情況，分別研究兩個極限值的排煙效果。煙氣產(chǎn)量、煙氣層溫度、能見度是衡量排煙效果的重要指標，計算方程組為：

(1)

式中，A為房間面積，m2；ρs為煙氣密度，kg·m-3；H為房間高度，m；z為煙氣層高度，m；mp為煙氣生成速率，kg·s-1；mg為機械排煙速率，kg·s-1；Qτ為對流熱釋放速率，kW；z0為火源的虛點源，m；Ts為煙氣溫度，K；T0為環(huán)境溫度，K；cp為煙氣比熱，kJ·kg-1·K-1。

求解方程組(1)，即可得到熱煙氣的相關(guān)參數(shù)。

2 模擬結(jié)果分析

分別對不同工況下，破拆戰(zhàn)術(shù)與排煙戰(zhàn)術(shù)的模擬結(jié)果進行分析。

2.1 破拆戰(zhàn)術(shù)模擬結(jié)果及分析

2.1.1 破拆后回燃現(xiàn)象分析

進行破拆后，開口處通常噴出巨大的火球，這是回燃發(fā)生的重要判據(jù)。以工況8為例，回燃前后的燃燒現(xiàn)象如圖3所示。房間1起火后，由于通風不暢，陰燃產(chǎn)生的高溫濃煙逐漸填滿整個房間，見圖3(a)；150 s時，通風口突然開啟，大團火焰從開口處向外溢出，回燃發(fā)生，見圖3(b)；157 s，房間1發(fā)生轟燃，隨著高溫煙氣的流動，房間2和房間3溫度升高，火勢增大，見圖3(c)。

圖3 回燃前后燃燒現(xiàn)象

2.1.2 氣體成分分析

房間起火會產(chǎn)生大量有毒氣體，室內(nèi)人員面臨缺氧窒息與CO中毒的雙重危險。不同工況下，O2濃度的變化分為4個階段，如圖4所示。前50 s內(nèi)，可燃物猛烈燃燒，O2濃度直線下降；50～150 s內(nèi)，由于房間與外界沒有氣體交換，進入陰燃階段，O2濃度維持5%不變；第150 s進行破拆，大量空氣的涌入使得熱解氣體重新燃燒，O2濃度降到最低2.5%；最后，可燃物逐漸消耗完全，同時熱煙氣的流出與冷空氣的進入，使得O2濃度再次回升。工況6條件下，平均O2濃度最高，燃燒也最為猛烈，而工況1則最低。得出破拆位置越高，回燃越容易發(fā)生的結(jié)論。這是因為，在浮力羽流的作用下，高溫煙氣先在房間上方積聚，若在上部開口，則立即與大量空氣混合達到爆炸極限，從而引發(fā)回燃。

圖4 O2濃度變化

CO濃度的變化如圖5所示，工況9產(chǎn)生的CO含量最高，工況1則最低。表明破拆面積越大，回燃越猛烈。同時，工況5與工況6相比，CO的體積分數(shù)更高，表明在水平方向上，破拆部位越居中，回燃現(xiàn)象越明顯。原因在于工況5的開口部位幾乎正對可燃物，縮短了空氣與可燃物接觸的時間，提高了混合程度，從而燃燒更充分。破拆后50 s，CO濃度開始逐漸低于致死濃度0.64%，這一時刻可作為消防員內(nèi)攻的臨界點。

圖5 CO濃度變化

2.1.3 房間溫度分析

9種工況下房間1的溫度變化如圖6所示。0～50 s，可燃物燃燒放熱；50～150 s，由于缺氧，燃燒進入衰減階段，室溫降低；150 s時，空氣突然進入房間，未燃氣體達到爆炸極限，立即燃燒，釋放大量的熱量使房間溫度瞬間達到峰值?；厝冀Y(jié)束的瞬間，大量冷空氣進入室內(nèi)，房間溫度迅速降低。工況9條件下，溫度峰值最高，回燃的危險性也最大。

圖6 不同工況溫度變化

以工況8為例，不同房間的溫度變化如圖7所示?？梢钥闯觯捎诨厝?，溫度變化出現(xiàn)兩個峰值。房間2與房間3的溫度變化存在延遲現(xiàn)象，這是因為煙氣流動的方向是從房間1依次至房間2與房間3所致。此外，由于高溫煙氣與壁面之間的對流換熱，溫度的峰值也依次降低。因此，消防員在內(nèi)攻救人時，可優(yōu)先選擇進入房間3，最后選擇房間1。

圖7 不同房間溫度變化

2.2 排煙戰(zhàn)術(shù)模擬結(jié)果分析

2.2.1 壓強分析

在破拆后50 s，實施排煙戰(zhàn)術(shù)。破拆口的壓強如圖8所示，曲線的變化分為4個階段。前70 s內(nèi)，可燃物陰燃，生成大量高溫煙氣，因此壓強緩慢上升；70～150 s內(nèi)，O2與熱煙氣處于動態(tài)平衡，因此壓強浮動很?。?50～200 s內(nèi)，由于破拆的影響，大量空氣涌入，壓強急劇增大；200 s時，啟動負壓式排煙機，開口處壓力不斷減小，煙氣的溢出速度增大。因為煙氣溢出的速度與開口壓強呈反比，所以工況11的排煙效果最好，而工況10則最差。可以看出排煙風機距離破拆口0.4 m時，排煙效果最好。此外，工況12B的排煙效果優(yōu)于12A，說明一定范圍內(nèi)，排煙流量越大，排煙效果越顯著。

圖8 壓強變化

2.2.2 能見度分析

房間1的能見度變化如圖9所示。高度小于2 m的空間，當能見度大于10 m時，能保證人員安全逃生[14]。30 s時，能見度由30 m降到10 m。50 s時，室內(nèi)充滿煙氣，能見度幾乎為零。200 s時，能見度以指數(shù)的形式上升；再經(jīng)過80 s，能見度高于10 m。工況12B，能見度上升的速率最快，表明排煙流量是影響能見度的關(guān)鍵因素。其余曲線中，在同一時刻，工況11與13的能見度最高，說明排煙機與排煙口間距在0.2～0.4 m時，排煙效果最好。

圖9 能見度變化

2.2.3 煙氣層溫度分析

圖10為冷煙氣層溫度變化，150 s發(fā)生回燃時，溫度達到峰值400 ℃；當煙氣溫度高于131 ℃時，人員有死亡危險[14]。第200 s開始排煙，溫度以對數(shù)的形式下降，高于131 ℃的時間共計80 s。圖11為熱煙氣層溫度變化，最高溫度為900 ℃，高于131 ℃的時間共計120 s。因為冷熱煙氣層并沒有明顯的界限，所以兩者的溫度變化趨勢一致。不同工況下，熱煙氣層溫度的峰值差異較大，說明排煙起到了良好的降溫效果。其中，工況11熱煙氣層最高溫度400 ℃，冷煙氣層最高溫度170 ℃，排煙效果最好。相比之下，工況10的排煙效果最差。

圖10 冷煙氣層溫度變化

圖11 熱煙氣層溫度變化

3 結(jié)論

本文利用FDS軟件模擬了14種工況下破拆及排煙對回燃的影響，通過研究，得出以下結(jié)論：(1)多室建筑發(fā)生火災時，要綜合運用破拆及排煙戰(zhàn)術(shù)。若建筑內(nèi)留有人員，首選破拆戰(zhàn)術(shù)，反之則首選排煙戰(zhàn)術(shù)。同時要注重兩種戰(zhàn)術(shù)的協(xié)同配合，一般情況下，先破拆形成通風口，然后進行排煙。內(nèi)攻救人時，根據(jù)離回燃房間的遠近，確定疏散的先后順序。(2)合理確定破拆位置及面積能有效降低回燃的危害。豎直方向，破拆位置越低，回燃越難發(fā)生；水平方向，破拆位置越居中，回燃越易發(fā)生；面積上，破拆口越小，回燃越難發(fā)生。建議分多次從外墻兩側(cè)的較低位置進行小面積破拆，并至少在50 s后組織內(nèi)攻。(3)排煙機的位置及流量對排煙效果有很大影響。排煙機與排煙口之間的距離處于0.2～0.4 m的范圍內(nèi)時，排煙效果最好；排煙流量越大，排煙效果越好。建議在排煙60 s后，進入房間搜救，避免盲目冒進。