單元式住宅樓火災(zāi)撲救中射流效率的探討

曹 永 生

(大同市消防救援支隊(duì)作戰(zhàn)指揮中心，山西 大同 037000)

單元式住宅是指在多層、高層樓房中的一種住宅建筑形式。通常每層樓面只有一個(gè)樓梯，住戶由樓梯平臺(tái)直接進(jìn)入分戶門(mén)，一般多層住宅每個(gè)樓梯可以安排2戶～4戶(大進(jìn)深住宅每層一梯可服務(wù)于5戶～8戶)。所以每個(gè)樓梯的控制面積又稱為一個(gè)居住單元。

1 FDS模型基本參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)(模型1)建筑為二梯6戶單元式住宅樓，東西長(zhǎng)28 m南北寬20 m，每層高3 m。南北各3個(gè)單元完全對(duì)稱，因此以南面為起火點(diǎn)設(shè)置3個(gè)起火點(diǎn)A1，B3，火源3。分別為臥室、客廳和廚房。其計(jì)算區(qū)域?yàn)?6 m×25 m×6 m,模擬時(shí)間20 min，起火物質(zhì)分別A1為被褥、衣物和木質(zhì)衣柜，B3為電器和木質(zhì)家具，火源3為油鍋起火和煤氣泄漏起火。其中A1和B3熱釋放速率取4 Mw,火源3取3 Mw(見(jiàn)圖1)。

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可得A,B,C房間及周邊建筑在火災(zāi)發(fā)生后200 s～400 s時(shí)溫度上升的數(shù)值，總體來(lái)說(shuō)客廳和臥室由于火災(zāi)載荷大溫度上升至700 ℃以上，廚房溫度可上升至300 ℃，其周邊建筑由近及遠(yuǎn)溫度可達(dá)200 ℃～40 ℃。

2)(模型2)選擇控制體尺寸為6 m×6 m×6 m，網(wǎng)格數(shù)量216 000個(gè)，應(yīng)用預(yù)混燃燒模型，并采用液體燃料蒸發(fā)燃燒模式定義可燃物，碳?xì)浔热≥p質(zhì)柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)11∶24。油池尺寸采用當(dāng)量矩形區(qū)域面積2 m×2 m,火焰燃燒20 s后開(kāi)始滅火動(dòng)作，消防水槍流量300 L/min,滅火點(diǎn)距離火焰1 400 mm/2 800 mm,水滴尺寸按1 200正態(tài)分布，通過(guò)熱釋放速率的變化模擬滅火過(guò)程。

對(duì)距離油池1 400 mm和2 800 mm兩種條件下，立姿1 700 mm和半蹲姿態(tài)900 mm的常見(jiàn)滅火姿態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真，其水槍射流為噴霧，角度為俯角10°、平射和仰角10°,25°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可以看出，近距離平射和小角度俯射能夠迅速壓制火勢(shì)，但滅火效率不高，火焰熄滅時(shí)間較長(zhǎng)；而近距離小角度仰射能夠較好地控制火勢(shì)，用時(shí)較短。遠(yuǎn)距離噴水滅火受噴射角度影響不大，但平射和小角度仰射滅火效率明顯優(yōu)于俯射。

2 實(shí)際案例分析

2.1 著火建筑及事故處置情況

基本情況：鋼筋混凝土澆筑商住混合樓共18層，兩梯四戶東西橫向布置的單元式住宅樓，北面毗鄰城市道路，南面為小區(qū)6號(hào)樓，西面為小區(qū)北大門(mén)，東面為2號(hào)樓。室內(nèi)消火栓系統(tǒng)因冬季防凍無(wú)水，氣象條件：-15 ℃，北風(fēng)4級(jí)，濕度41%。

事故經(jīng)過(guò)：由于天然氣使用不當(dāng)，3單元16層?xùn)|側(cè)住戶引發(fā)爆燃，致使16層及其樓上兩層住宅受到爆炸波及且有不同程度的損壞，17層,18層住戶北側(cè)和南側(cè)房間被引燃，事故造成著火房間住戶一人受傷(見(jiàn)圖2)。

處置過(guò)程：接警時(shí)間當(dāng)日下午17時(shí)許，調(diào)集力量14輛消防車72名指戰(zhàn)員到場(chǎng)處置分別采取外圍控火和內(nèi)攻滅火的戰(zhàn)術(shù)在40 min內(nèi)撲滅大火，19時(shí)許火場(chǎng)清理完畢(見(jiàn)圖3)。

2.2 火災(zāi)相關(guān)條件的分析

這是一起典型的單元式住宅樓火災(zāi)事故，結(jié)合FDS模型1和模型2場(chǎng)景設(shè)置對(duì)火場(chǎng)環(huán)境做如下分析。

2.2.1 火場(chǎng)溫度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)痕跡和高溫下各類物質(zhì)的變化從火場(chǎng)燃燒殘留物可以看出，木質(zhì)家具發(fā)生炭化層且有規(guī)則的龜裂紋； 鋁制品有融化痕跡；鐵銅制品狀態(tài)完好；室內(nèi)玻璃均已破裂但無(wú)流淌；墻壁部分混凝土呈灰白色且有少部分脫落(見(jiàn)圖4)，具體物質(zhì)融點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)圖5。在明火撲滅后的第一時(shí)間使用紅外測(cè)溫儀和熱像儀測(cè)得客廳電視墻溫度約為280 ℃，據(jù)此可以推斷從爆炸起火到明火撲滅，火場(chǎng)瞬間溫度可達(dá)1 000 ℃以上，之后迅速下降到800 ℃左右并維持了一定時(shí)間，最終火場(chǎng)溫度在700 ℃以下400 ℃以上的區(qū)間內(nèi)維持了較長(zhǎng)時(shí)間直至明火撲滅。

2.2.2 火災(zāi)荷載及熱量

根據(jù)以下公式QP=mp,Q=∑QP可燃物質(zhì)量和釋放熱量。著火房屋為出租屋，面積80 m2，所設(shè)家具為基本生活用品，種類齊全，但室內(nèi)裝修較為簡(jiǎn)單，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)主要燃燒產(chǎn)物估算全面燃燒熱值(如表1所示)由此可得出該房屋平均火災(zāi)荷載90.23 MJ/m2，為三級(jí)火災(zāi)荷載。

2.2.3 火場(chǎng)用水量

1 L水在20 ℃時(shí)升溫至100 ℃需要335 kJ/L的熱量，在轉(zhuǎn)化成100 ℃水蒸氣需2 260 kJ/L熱量，水蒸氣再次升溫至300 ℃需416 kJ/L,理論每升水完全變成300 ℃的蒸汽可以從火場(chǎng)帶走大約3 MJ熱量，此次火災(zāi)事故在全面燃燒的情況下理論滅火用水量為2 406 L，考慮大部分水未變?yōu)檎羝麆t水的利用率為11%，則滅火用水量為21 873 L，而火場(chǎng)實(shí)際用水量約為55 000 L(不含高噴車外圍控火用水)。

表1 著火房間主要可燃物熱值表

2.2.4 供水壓力

火場(chǎng)采用一臺(tái)中低壓消防車向16層沿樓梯蜿蜒鋪設(shè)水帶方式供水，由消防車到一樓樓梯處2盤(pán)80水帶，一樓樓梯處至15層樓梯口使用80水帶5盤(pán)并接分水器，分水器前至16層火場(chǎng)為1盤(pán)65水帶，根據(jù)供水壓力損失公式hd=SQ2(水平)和hd=2SQ2+H(80水帶沿樓梯)，hd=1.5SQ2+H(65水帶沿樓梯)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 消防水帶壓力損失和水槍壓力

3 綜合分析

從著火建筑的火災(zāi)荷載密度、燃燒殘留物以及其他現(xiàn)場(chǎng)痕跡可以看出，雖然火災(zāi)中有建筑結(jié)構(gòu)、自然環(huán)境等影響，但對(duì)火場(chǎng)溫度上升的過(guò)程影響不大，僅是由建筑中火災(zāi)荷載大小去影響火場(chǎng)溫度的高低。消防用水取決于火場(chǎng)放熱的程度，水的比熱、各類物質(zhì)的比熱是恒定的，火場(chǎng)可燃物的數(shù)量及其燃燒程度，燃燒越充分其散發(fā)的熱量越多，滅火所需的水也就越多。模型2的結(jié)論與實(shí)際滅火行動(dòng)中的基本戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作沒(méi)有太大差距，只是在實(shí)際應(yīng)用中由于射流的影響導(dǎo)致空氣流動(dòng)加劇，使火場(chǎng)迅速由燃料控制型燃燒變?yōu)橥L(fēng)控制型燃燒，從而改變火場(chǎng)小環(huán)境。由于建筑性質(zhì)的局限，單元式住宅樓的面積不會(huì)太大，建筑的火災(zāi)荷載、火場(chǎng)溫度、火場(chǎng)供水、戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作都對(duì)其火災(zāi)撲救影響是恒定的，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際滅火的差別在于消防射流在撲救火災(zāi)時(shí)的選擇。

消防員滅火的方法是讓水盡可能接觸到燃燒物帶走熱量，離開(kāi)水槍的水滴在穿過(guò)熱煙氣層時(shí)，一部分液滴會(huì)蒸發(fā)掉。如果水滴粒徑過(guò)小，就會(huì)在接觸明火前蒸發(fā)。這種情況下，可燃物表面溫度不會(huì)降低，熱分解也不會(huì)停止。因此，在進(jìn)行表面冷卻滅火時(shí)，液滴粒徑應(yīng)足夠大以確保大部分液滴在可燃物表面蒸發(fā)吸熱。在滅火過(guò)程中，整個(gè)可燃物表面都需要冷卻，否則會(huì)出現(xiàn)部分火焰被撲滅而相鄰位置仍存在明火的現(xiàn)象，輻射熱將導(dǎo)致已冷卻的表面再次升溫。隨后，熱解釋放的可燃?xì)怏w受高溫作用會(huì)被點(diǎn)燃，使得火災(zāi)撲救回到原點(diǎn)。當(dāng)大量液滴與可燃物接觸導(dǎo)致其表面溫度下降，熱解不久便會(huì)停止。這之后，所有液滴會(huì)撞擊可燃物表面的相同位置，造成水漬損失。

4 單元式住宅樓火災(zāi)如何正確選擇射流形態(tài)

1)蒸汽滅火，為完全撲滅火災(zāi)，需要中止可燃物的熱解過(guò)程,水要盡可能接觸到燃燒物表面產(chǎn)生最大量的蒸汽。當(dāng)室內(nèi)存在蒸汽時(shí)，房間內(nèi)氧氣濃度會(huì)下降，明火將會(huì)消失。理想狀態(tài)下，使用開(kāi)花水槍，將水噴射到墻壁和天花板處。并關(guān)閉相鄰房間的門(mén)，以此來(lái)保證著火空間內(nèi)一定的蒸汽濃度。但這并不意味著火已經(jīng)被撲滅，只是暫時(shí)受到抑制，隨著蒸汽逐漸從室內(nèi)排出，新鮮空氣會(huì)進(jìn)入到房間內(nèi)，出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。所以，這種方法也可通過(guò)局部破拆建筑構(gòu)件的孔洞，利用水槍來(lái)產(chǎn)生室內(nèi)蒸汽并減少新鮮空氣的流通。

消防員通過(guò)開(kāi)口射水滅火時(shí)，需要注意的是，要留有一個(gè)開(kāi)口將多余蒸汽排到外部空間。防止多余的蒸汽沿門(mén)向外擴(kuò)散時(shí)經(jīng)過(guò)火場(chǎng)內(nèi)消防員所在位置，對(duì)其造成傷害。

2)煙氣冷卻，初起火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣會(huì)在天花板下方積聚，煙氣的溫度和密度逐漸增加，某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，煙氣層被點(diǎn)燃，煙氣產(chǎn)生輻射熱會(huì)急劇增加，轟燃隨之而來(lái)。這時(shí)，可采用在煙氣層中射入適量的水避免這種情況的發(fā)生，冷卻煙氣時(shí)，水槍需要高壓力低流量，快速打開(kāi)產(chǎn)生較小的水滴。一方面，水會(huì)蒸發(fā)并吸收煙氣層熱量；另一方面，水蒸發(fā)形成的蒸汽(部分)會(huì)保留在煙氣層內(nèi)，改變煙氣的燃燒極限，使其難以被點(diǎn)燃。液滴最佳尺寸為300 μm，該尺寸下液滴比較厚重足以進(jìn)入到煙氣層內(nèi)部。

3)火點(diǎn)撲救(點(diǎn)射、掃射)消防員向著火點(diǎn)進(jìn)行推進(jìn)的同時(shí)，會(huì)在煙霧中持續(xù)冷卻高溫?zé)煔狻０l(fā)現(xiàn)火點(diǎn)后將水槍設(shè)置為直流水，接著慢慢打開(kāi)水槍，當(dāng)水接觸到火點(diǎn)后，就緩慢關(guān)閉水槍，形成相對(duì)大而厚的水滴。理想狀態(tài)下，水將沿著燃燒物緩慢地流下，這樣能夠最大可能地冷卻燃燒物表面。此時(shí)水槍仍為直流水，但開(kāi)關(guān)僅稍微打開(kāi)以低壓射出1 m左右的直射水柱，這將進(jìn)一步降低燃燒物的溫度。

當(dāng)可燃物大量集中燃燒時(shí)，點(diǎn)射就不再適用了，在這種情況下，水槍緩慢打開(kāi)，水流的壓力和流量范圍設(shè)置為水剛好以小弧度到達(dá)起火點(diǎn)為止。這樣，厚水滴將再次形成，持續(xù)打開(kāi)水槍，來(lái)回?cái)[動(dòng)形成掃射，晃動(dòng)水流把水噴灑到可燃物的整個(gè)表面，持續(xù)此動(dòng)作，直到火焰熄滅。

4)建筑外部進(jìn)攻，如火場(chǎng)已經(jīng)處于全面燃燒階段，且火焰突破建筑外殼，消防員無(wú)法內(nèi)攻。在這種情況下，結(jié)合建筑高度、水槍(炮)射程和視線范圍，可以用直流水進(jìn)行直接進(jìn)攻，將水從地面或居高車平臺(tái)射向著火建筑的天花板，天花板的水將會(huì)濺射并下落，這樣，部分水將落到房間內(nèi)的燃燒物上?？梢越档突馂?zāi)荷載的溫度并為消防員內(nèi)攻創(chuàng)造條件。因此，這類射流應(yīng)在統(tǒng)一指揮下進(jìn)行，且每次出水時(shí)間控制在10 s以下，在達(dá)成內(nèi)攻條件后，應(yīng)立即停止。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，單元式住宅樓將成為城市人群的主要居住建筑，現(xiàn)有的消防裝備也能夠滿足滅火救援時(shí)的技術(shù)需求，所要注意的是消防員與裝備的最佳結(jié)合，發(fā)揮裝備的最大效能，不能過(guò)度依賴裝備而忽視火場(chǎng)實(shí)際情況，改變過(guò)去大水漫灌的理念，選用正確的水槍射流，提高水的滅火效能，減小附帶損失。