基于FDS 的幼兒園簡(jiǎn)易噴淋應(yīng)用研究

邴震

（山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)晉中開(kāi)發(fā)區(qū)機(jī)械園南街消防救援站，山西 晉中 030600）

近年來(lái)，幼兒園火災(zāi)事故頻發(fā)，事故造成損失慘重，社會(huì)影響較為惡劣。幼兒園人員組成十分特殊，主體為幼齡兒童，其自我安全保護(hù)意識(shí)較差，逃生能力較弱，對(duì)危險(xiǎn)的辨識(shí)和應(yīng)對(duì)能力較差，人員疏散存在很大問(wèn)題。同時(shí)，幼兒園中高聚物塑料、棉麻、紙張等易燃物品較多，發(fā)生火災(zāi)蔓延較為迅速。因此，有效的防控手段對(duì)幼兒園火災(zāi)的控制與人員安全十分重要，尤其在固定設(shè)施方面，簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)（又稱“簡(jiǎn)易噴淋”）可以成為當(dāng)下幼兒園火災(zāi)防控手段中較為有效的一種。

1 幼兒園火災(zāi)特點(diǎn)及相關(guān)防火規(guī)范

幼兒園火災(zāi)情況復(fù)雜，造成巨大損失的原因多種多樣，但進(jìn)行總體歸納，可以歸結(jié)為以下三個(gè)原因：①人員意識(shí)較差，安全管理不足。近年來(lái)，幼兒園的需求增多，其開(kāi)辦審批流程與難度大大簡(jiǎn)化，導(dǎo)致其在監(jiān)督管理環(huán)節(jié)變得較為薄弱，部分幼兒園存在麻痹大意的思想，忽視在幼兒園開(kāi)辦過(guò)程中的消防安全管理，使得人員的消防安全意識(shí)較為淡薄。幼兒園的教師大多為女性，在危急時(shí)刻容易驚慌失措，并且由于大部分教師未認(rèn)真進(jìn)行過(guò)消防培訓(xùn)或相關(guān)演練，各種消防安全管理措施流于形式。②消防設(shè)施及部分消防設(shè)置不符合規(guī)范。在幼兒園火災(zāi)中，部分消防設(shè)施無(wú)法正常啟用，導(dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延，同時(shí)，部分幼兒園的教室、宿舍的消防器材并沒(méi)有定期檢查、及時(shí)維護(hù)，其可靠性存在較大問(wèn)題。③幼兒自我防護(hù)能力差，疏散時(shí)間較長(zhǎng)。由于幼兒園中兒童自我防護(hù)能力較差，逃生意識(shí)與逃生技能不足，行動(dòng)能力較為遲緩，導(dǎo)致其疏散時(shí)間較長(zhǎng)，引發(fā)嚴(yán)重后果。

在幼兒園的防火設(shè)計(jì)中，除了防火劃分、疏散、滅火設(shè)施等要求外，對(duì)于噴淋系統(tǒng)的設(shè)置，在GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中有明確規(guī)定，8.3.4 中規(guī)定，下列單、多層民用建筑或場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)，并宜采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)：5.大、中型幼兒園，總面積大于500 m2的老年人建筑。因此，對(duì)于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在幼兒園的設(shè)置，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范有較為明確的要求。但實(shí)際工程中，由于常規(guī)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)造價(jià)較高，維護(hù)困難，構(gòu)造復(fù)雜，使用存在較多問(wèn)題。

2 簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

簡(jiǎn)易噴淋系統(tǒng)是指由K系數(shù)為115 的快速響應(yīng)或K系數(shù)為80 的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)噴頭、管道以及供水設(shè)施組成的噴淋系統(tǒng)。簡(jiǎn)易噴淋系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，由消防水箱、噴頭等組成。其原理是充分利用城市自來(lái)水、高位消防水箱和室內(nèi)消火栓系統(tǒng)來(lái)保證系統(tǒng)自動(dòng)噴水滅火。一是工程規(guī)模不宜太大，應(yīng)控制在1 000 m2以下；二是樓層不宜太高，應(yīng)控制在3 層及以下；三是作為標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的補(bǔ)充，對(duì)國(guó)家消防技術(shù)規(guī)范沒(méi)有規(guī)定，而火災(zāi)危險(xiǎn)性又比較大的小型人員密集場(chǎng)所，推廣設(shè)置簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在設(shè)置上暫時(shí)沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在北京、四川、上海等地均有相關(guān)地標(biāo)。以北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/1022—2013《簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》為例，其中規(guī)定如下，3.0.2 新建、改建、擴(kuò)建的民用建筑以及既有建筑中的下列場(chǎng)所可設(shè)置簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)：2.總建筑面積大于500 m2且小于等于3 000 m2的托兒所、幼兒園、醫(yī)院病房樓、門(mén)診樓及手術(shù)部、老年人建筑等類似場(chǎng)所。因此，簡(jiǎn)易噴淋適合應(yīng)用于幼兒園場(chǎng)所，且因?yàn)槠湓靸r(jià)低廉，易于推廣。

3 FDS 火災(zāi)模擬軟件及火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

本文利用的Fire Dynamics Simulator（火災(zāi)動(dòng)力模擬，簡(jiǎn)稱“FDS”）軟件，是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一款模擬軟件。該軟件基于場(chǎng)模型，將火災(zāi)區(qū)域劃分為若干個(gè)小型的網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，從而反映整個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景的火災(zāi)變化規(guī)律。FDS 軟件由于其較強(qiáng)的火災(zāi)推演能力，真實(shí)的場(chǎng)景再現(xiàn)和擴(kuò)展性能，使其在火災(zāi)模擬中應(yīng)用十分廣泛。

本文充分考慮工程實(shí)際及計(jì)算機(jī)處理性能，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求，設(shè)計(jì)幼兒園某一宿舍。其中，網(wǎng)格尺寸劃分為40×40×27=43 200 個(gè)，房間尺寸為10 m×10 m×2.7 m，簡(jiǎn)易噴淋設(shè)置9 個(gè)，房間中設(shè)置床鋪42 個(gè)，其材料設(shè)置為木材及棉花，模擬時(shí)間為500 s，假想場(chǎng)景為因違規(guī)使用電取暖引燃床鋪，觀察場(chǎng)景模擬結(jié)果。場(chǎng)景示意如圖1 所示。

圖1 幼兒園模擬場(chǎng)景示意圖

4 幼兒園火災(zāi)數(shù)值模擬結(jié)果及簡(jiǎn)易噴淋效果分析

將火災(zāi)數(shù)值模擬分為兩個(gè)場(chǎng)景，分別模擬不加裝簡(jiǎn)易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的幼兒園宿舍和加裝了簡(jiǎn)易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的宿舍，將兩個(gè)場(chǎng)景的同一時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，可以得出某一時(shí)刻簡(jiǎn)易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的效果，將燃燒全過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，則可以得出整體簡(jiǎn)易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的控火滅火效果。其中，為了方便計(jì)算，取兒童高度1 m 位置處為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，分別測(cè)量這一高度處的溫度、能見(jiàn)度、CO 濃度的指標(biāo)。

4.1 煙氣擴(kuò)散過(guò)程

燃燒整個(gè)過(guò)程區(qū)域分為可燃物質(zhì)區(qū)、火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)與熱煙氣區(qū)，其中，熱煙氣層隨火羽繼續(xù)從冷空氣層卷席空氣并向頂棚傳遞，熱煙氣層體積不斷增大，冷熱分層界面不斷向地面下降。

煙氣中裹挾著大量的碳顆粒以及大量的有毒有害氣體，隨著燃燒過(guò)程，其煙氣濃度增加，體積增大，從頂部開(kāi)始下沉。煙氣層下降十分影響疏散，影響疏散時(shí)行人的視力。經(jīng)過(guò)模擬可得煙氣層圖，通過(guò)讀取模擬數(shù)據(jù)可知熱煙氣在150 s左右沉降至1 m 處，嚴(yán)重影響人員的疏散與人員的人員安全。

由于本模型存在一通風(fēng)口，因此部分熱煙氣隨著通風(fēng)口擴(kuò)散至室外，如果通風(fēng)口更小的話，其煙氣沉降的程度將會(huì)更加明顯，對(duì)人群的威脅程度更高。

4.2 溫度場(chǎng)變化規(guī)律

火災(zāi)溫度場(chǎng)與煙氣場(chǎng)分布大致相同，由于存在側(cè)面開(kāi)口，其燃燒屬于燃料控制型燃燒，不存在轟燃等情況，火焰分布規(guī)律較為明顯。取起火點(diǎn)正上方0.5 m 處的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其溫度變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 起火點(diǎn)上方0.5 m 測(cè)點(diǎn)溫度變化

從圖中可以很明顯地得出，該點(diǎn)燃燒溫度隨時(shí)間呈單駝峰分布，從室溫20 ℃，發(fā)展至201 s 時(shí)的790 ℃。隨著較易燃燒的棉制品燃盡后，剩余木材進(jìn)行較為緩慢的燃燒。

由模擬過(guò)程分析可知，在無(wú)噴淋的情況下，局部溫度最高可達(dá)800 ℃以上，并隨火焰進(jìn)一步向四周蔓延。燃燒最終導(dǎo)致表層棉織物在320 s 時(shí)全部燃盡。

4.3 CO 濃度變化分析

在燃燒過(guò)程中，對(duì)人的危害最大的莫過(guò)于未充分燃燒產(chǎn)生的CO 氣體。CO 氣體濃度越高，對(duì)人的危害就越大，當(dāng)其濃度高于0.01%時(shí)，對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生極大的危害，會(huì)使人產(chǎn)生頭暈、嘔吐的癥狀，影響人員疏散。由模擬可知，在177 s時(shí)，危害區(qū)域已經(jīng)開(kāi)始擴(kuò)大，在200 s 時(shí)，距地面1 m 處的CO 濃度已經(jīng)到達(dá)影響人正常疏散的濃度，此時(shí)危害極大。

4.4 簡(jiǎn)易噴淋啟動(dòng)及作用

當(dāng)室內(nèi)加裝簡(jiǎn)易噴淋后，其對(duì)于熱煙氣分布、溫度場(chǎng)分布、CO 濃度的影響都很大。從第40 s 第一個(gè)噴頭開(kāi)啟，至模擬結(jié)束，整個(gè)室內(nèi)的最高溫度為320 ℃，相比較不設(shè)噴淋的920 ℃，最高溫度大大降低。同時(shí)也降低了燃燒最猛烈的時(shí)間，從200 s 推遲到了270 s，如圖3 與圖4 所示。為人員疏散贏得了寶貴的實(shí)踐，也為人員安全提供了較高的保障。同時(shí)，從整個(gè)燃燒過(guò)程來(lái)看，在500 s 時(shí)，加裝簡(jiǎn)易噴淋的場(chǎng)景，棉織物仍有未燃燒的部分，而未加裝的場(chǎng)景，則在400 s 已全部燃盡。

圖3 加裝簡(jiǎn)易噴淋270 s 溫度分布圖

圖4 未加裝噴淋200 s 溫度分布圖

從燃燒物體表面的溫度場(chǎng)來(lái)看，在280 s 時(shí)，物體表面溫度已降至50 ℃以下，可以認(rèn)定，火災(zāi)已被有效控制。

從同一時(shí)刻的CO 濃度來(lái)看，在未加裝簡(jiǎn)易噴淋的場(chǎng)景中，240 s 時(shí)CO 濃度已達(dá)到0.04%，在加裝噴淋的場(chǎng)景中，240 s 的CO 濃度才達(dá)到警戒濃度0.01%以上，為人員的疏散與撤離贏得了寶貴的時(shí)間。

綜上所述，簡(jiǎn)易噴淋在熱煙氣濃度的降低、火場(chǎng)溫度的降低和CO 濃度的影響都是較大的，能有效控制火勢(shì)，為人員疏散與撤離和滅火行動(dòng)開(kāi)展提供了有力支持。

5 結(jié)論

利用FDS 數(shù)值模擬軟件對(duì)某幼兒園場(chǎng)景進(jìn)行了火災(zāi)場(chǎng)景模型的建立，通過(guò)對(duì)其火災(zāi)發(fā)展情況進(jìn)行模擬以及簡(jiǎn)易噴淋作用效果進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論：①根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以推知，幼兒園場(chǎng)景火災(zāi)發(fā)展過(guò)程及其迅速，其在煙氣擴(kuò)散、溫度變化，CO 濃度變化均可看出，其火災(zāi)蔓延及其迅速，火勢(shì)猛烈，難以控制，尤其是對(duì)于幼兒的人員疏散，時(shí)間更為緊迫；②通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易噴淋的效果看來(lái)，簡(jiǎn)易噴淋可以降低火場(chǎng)溫度，控火滅火效果較好，能夠阻止火勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展蔓延，從而降低火災(zāi)損失，保障幼兒的生命安全。

結(jié)合實(shí)際情況與工程造價(jià)，簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)造價(jià)低廉、安裝簡(jiǎn)便，通過(guò)模擬，在幼兒園場(chǎng)景中具有良好的控火與滅火效果，應(yīng)當(dāng)在幼兒園中進(jìn)行進(jìn)一步的推廣，從而降低幼兒園火災(zāi)損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。