大型建筑智能火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計

康潔萍

（青島市消防救援支隊嶗山區(qū)大隊，山東 青島 266000）

隨著經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，我國城市規(guī)模也不斷擴大。目前，我國人口在500 萬以上的城市仍然在增加，人口在1000 萬及以上的超大規(guī)模城市也達到了近20 個[1]。在如此大規(guī)模的城市中，商用和民用建筑的規(guī)模也隨之?dāng)U大，以滿足人口承載的容量需求。但是，大型建筑不僅火災(zāi)安全隱患多，防火控制的難度也進一步增大[2]。一方面，大型建筑內(nèi)樓層高、房間多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果火情發(fā)生在隱蔽區(qū)域很難及時發(fā)現(xiàn)。另一方面，大型建筑內(nèi)人員眾多、角色構(gòu)成復(fù)雜、生活習(xí)慣各異，也進一步增加了火災(zāi)可能發(fā)生的隱患。最危險的是，大型建筑的人員疏散也有很大難度，一旦發(fā)生火災(zāi)難以開展有效救援[3]。更令人擔(dān)憂的是，大型建筑無法采用常規(guī)方法防控火災(zāi)。在該局面下，智能防火系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，成為解決大型建筑防火問題的關(guān)鍵。這里的智能化一方面體現(xiàn)為多類傳感器的規(guī)?；褂茫硪环矫骟w現(xiàn)為多類傳感器信息的繼承和決策智能輸出。該文以大型建筑火災(zāi)智能防控系統(tǒng)的設(shè)計為核心研究內(nèi)容，開展具體的技術(shù)工作。

1 大型建筑整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維建模

對大型建筑的火災(zāi)防控來說，可以對防控對象進行三維建模進而對防控系統(tǒng)建模，形成準確的防控策略。為了模擬火災(zāi)現(xiàn)場，需要充分了解火災(zāi)發(fā)生時的物理和化學(xué)特征?；馂?zāi)是一系列不同種類、不同屬性的物質(zhì)發(fā)生燃燒后形成的復(fù)雜的、綜合性的化學(xué)反應(yīng)，因為不同建筑物整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性，火災(zāi)的蔓延速度特征、燃燒生成物特征、火焰特征都會有所差異。因此，對不同建筑有針對性地設(shè)計火災(zāi)防控系統(tǒng)，進而通過仿真試驗觀察火災(zāi)可能達到的強度，對精準防控有重要意義。

對火災(zāi)防控系統(tǒng)的仿真設(shè)計來說，不僅要對大型建筑包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行準確建模，還應(yīng)該準確地模擬火災(zāi)發(fā)生位置、火焰強度、煙霧濃度和環(huán)境溫度等環(huán)境信息。該文以大型公寓式民用住宅為例，就應(yīng)該對大型建筑整體、走廊、餐廳、廚房、臥室等內(nèi)部結(jié)構(gòu)都能進行建模，并分析可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生和蔓延的電氣線路危險。

首先，在對大型建筑整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行建模時，應(yīng)該遵循的3 個原則：質(zhì)量守恒原則、動量守恒原則、能量守恒原則。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，物質(zhì)的總體質(zhì)量在燃燒前后保持守恒，得到如下的質(zhì)量守恒方程，也稱連續(xù)性方程，如公式（1）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，u為連續(xù)介質(zhì)的運動速度。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，物質(zhì)發(fā)生燃燒、迸射等連續(xù)性運動過程中保持動量守恒，從而得到如下的動量守恒方程，如公式（2）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，u為連續(xù)介質(zhì)的運動速度，f為連續(xù)介質(zhì)運動過程中發(fā)生碰撞時受到的力，P為連續(xù)介質(zhì)運動過程中的應(yīng)力張量。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，在物質(zhì)燃燒的過程中，總體能量保持不變，從而得到能量守恒方程，如公式（3）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，U為單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的內(nèi)能，u為連續(xù)介質(zhì)的運動速度，f為連續(xù)介質(zhì)運動過程中發(fā)生碰撞時受到的力，P為連續(xù)介質(zhì)運動過程中的應(yīng)力張量，q為熱輻射形成的單位質(zhì)量大小、單位時間內(nèi)傳入的熱量分布函數(shù)。

根據(jù)上述原則，對一個公寓式大型民用建筑進行三維建模，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 中，這一公寓式大型民用建筑是一個整體為二層的建筑，總建筑面積達到了1800 m2。上下兩層的建筑空間，單層高度統(tǒng)一為3.3 m。內(nèi)部各種功能空間分隔成一個個獨立的單元，包括居住單元、活動單元、餐飲單元和廚衛(wèi)單元等，各個單元都可以通過連廊進行連接，形成建筑上的類總線型結(jié)構(gòu)。對公寓式大型民用建筑進行實體結(jié)構(gòu)的三維建模，一方面可以明確大型建筑內(nèi)部的布局細節(jié)，另外，從三維空間給出了智能火災(zāi)防控系統(tǒng)的邊界。也就是說，由多個傳感器、傳輸線路、控制中心所構(gòu)成的火災(zāi)防控系統(tǒng)，就安裝在這個三維空間實體的內(nèi)部。這樣既圈定了火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體邊界，也基本劃定了各個傳感器所監(jiān)控和檢測的局部范圍。這樣就使火災(zāi)防控系統(tǒng)和所防控的真實場景之間形成了一一對應(yīng)。

2 大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)及模型參數(shù)設(shè)計

對圖1 中的公寓式大型民用建筑來說，該文所設(shè)計的火災(zāi)防控系統(tǒng)其空間分布以建筑的絕對區(qū)域和有效空間為限制，進行獨立的網(wǎng)格劃分、危險貨源的參數(shù)設(shè)計和傳感器配置。

不同類型的傳感器對可能發(fā)生的火災(zāi)參數(shù)有不同的檢測方式和反應(yīng)手段，但無論何種類型的傳感器，其測量和覆蓋范圍都是有限的。在火災(zāi)防控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，一方面需要傳感器數(shù)量足夠覆蓋整個防控區(qū)間，另一方面又希望盡可能地減少傳感器數(shù)量以減少系統(tǒng)設(shè)計成本。因此，將大型建筑的整個防控區(qū)間進行網(wǎng)格劃分，形成不同傳感器分布的合理區(qū)域。同時，從仿真建模的角度看，網(wǎng)格劃分對仿真結(jié)果的準確性也至關(guān)重要。如果網(wǎng)格的尺寸空間配置過大，就會導(dǎo)致檢測精度低、防控仿真的結(jié)果不到位；如果網(wǎng)格的尺寸空間配置過小，就會導(dǎo)致仿真過程速度變慢，影響的防控效率。該文介紹的仿真環(huán)境網(wǎng)格邊長大小的計算方法如公式（4）所示。

式中：ρ為環(huán)境中的氣體密度大小，c為環(huán)境中的空氣熱比率，T為建筑內(nèi)的環(huán)境溫度，g為中立加速度的大小，Q為火源的釋放速率大小。

按照上述計算，最終確定該文中網(wǎng)格大小的每個邊長約0.1 m。

從上述公式傳遞的信息可以看出，仿真環(huán)境網(wǎng)絡(luò)中每個立體單元格邊長的大小設(shè)置，與火源有密切的聯(lián)系。只有確定火源的相關(guān)信息，才能得到網(wǎng)絡(luò)中每個網(wǎng)格中的邊長配置合理值。所以，在火災(zāi)防控的實際仿真過程中，都需要先對火源的信息進行準確地刻畫。同時，仿真網(wǎng)格邊長的配置與環(huán)境中的氣體密度、燃燒發(fā)生后的空氣熱比率、環(huán)境溫度以及中立加速度等信息有關(guān)。

因為火源信息是影響網(wǎng)格邊界設(shè)定最重要的因素，所以進一步提出火源釋放速率的計算方法，其數(shù)學(xué)公式如公式（5）所示。

式中：Q為火源的釋放速率大?。籥為火災(zāi)發(fā)生以后的蔓延系數(shù)；t為火災(zāi)發(fā)生以后的蔓延時間。

從公式（5）可以看出，火源大小和影響程度受到了釋放速度的影響，并且其與火源燃燒的強弱、波及的范圍、持續(xù)的時間有關(guān)?；鹪吹娜紵饔迷綇?，蔓延范圍就越大，而火源物質(zhì)種類的特殊性，也會直接影響火源燃燒的持續(xù)時間。

為了使公寓式大型建筑內(nèi)部的火災(zāi)防控更智能，該文采用了4 種傳感器。感煙型傳感器可以對火災(zāi)發(fā)生或懸浮在環(huán)境空間中的粉塵小顆粒即煙霧進行檢測，此處采用的是離子型感煙傳感器。感光型傳感器可以對火災(zāi)發(fā)生時物質(zhì)因燃燒產(chǎn)生的光輻射進行檢測。感溫型傳感器可以對火災(zāi)發(fā)生時物質(zhì)因燃燒產(chǎn)生的熱量即對應(yīng)溫度范圍進行檢測。氣體型傳感器可以對火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的氣體進行檢測，如CO 等。

3 大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)的測試試驗

為了驗證公寓式大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的有效性，對具有智能反饋意義的傳感器進行火災(zāi)性能測試試驗。試驗過程在高度消防安全保障且無人的情況下進行，以避免試驗可能帶來的負面影響。

在試驗過程中主要針對感煙型傳感器進行，具體分為2 種情況：第一種情況，選取建筑內(nèi)的臥室空間單元，內(nèi)置火源可持續(xù)燃燒30 min 并產(chǎn)生煙霧，室內(nèi)配置感煙型傳感器。感煙型傳感器一般在濃度為15%以上會發(fā)出報警，如果室內(nèi)煙霧濃度持續(xù)升高，感煙型傳感器將會在100%的示數(shù)位置達到飽和。對臥室空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測試試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 中，橫軸為火源發(fā)生燃燒后的時間，時間間隔為50 s，一共測試到300 s 的位置；縱軸為感煙型傳感器測得的煙霧濃度的變化，最低值為0，最高值為100%。圖中黑色粗實線代表火源發(fā)生燃燒后，感煙型傳感器測得的煙霧濃度變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著火源的持續(xù)燃燒，臥室空間單元室內(nèi)的煙霧濃度持續(xù)升高，感煙型傳感器的檢測結(jié)果比較靈敏，大約在10 s 后，煙霧濃度變化曲線即開始迅速拉升，在2 s～3 s 達到15%的報警臨界值，感煙型傳感器即發(fā)出報警。隨著測量時間進一步增加，在火源燃燒后的60s 左右，煙霧濃度變化曲線達到峰值的100%。在其后的時間內(nèi)，煙霧濃度變化曲線一直處于100%的飽和狀態(tài)。

圖2 臥室空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測試試驗

測試過程的第二種情況，選取各個空間單元的連接部，即走廊的位置。為了縮小試驗測試的影響范圍，截取了長度為10 m 的一段走廊，走廊兩側(cè)共有6 個建筑單元，包括居住空間單元、活動空間單元和廚衛(wèi)空間單元等。在這6 個建筑單元中的4 個單元內(nèi)，設(shè)置火源點燃，并敞開與連廊連接的門，以保證煙霧的流通。走廊空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測試試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖3 中，橫軸為火源發(fā)生燃燒后的時間，時間間隔為50 s，一共測試到300 s 的位置；縱軸為感煙型傳感器測得的煙霧濃度的變化，最低值為0，最高值為100%。圖中黑色粗實線，火源發(fā)生燃燒后，感煙型傳感器測得的煙霧濃度變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著走廊兩側(cè)4個空間單元內(nèi)火源的持續(xù)燃燒，走廊內(nèi)煙霧濃度變化曲線也不斷升高，反映也出現(xiàn)在10 s 后，其后先是相對快速拉升，然后逐漸變得平滑，到230 s 以后再次迅速拉升，直至達到100%，并在其后維持飽和狀態(tài)。與臥室空間單元的煙霧濃度曲線變化相比，走廊空間單元煙霧濃度達到100%的過程要慢的多，這與走廊空間單元內(nèi)空氣體量更大、流通性更好有關(guān)。這也說明，當(dāng)大型建筑火災(zāi)發(fā)生時，如果火情發(fā)生在一個隱蔽的房間單元并且這個單元沒有配置監(jiān)控傳感器，等其影響到走廊后獲得火情預(yù)警，其速度會明顯滯后。

圖3 走廊空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測試試驗

4 結(jié)論

大型建筑的火災(zāi)智能防控對小區(qū)乃至城市總體消防安全具有十分重要的意義。該文以公寓式大型民用建筑為例，進行了智能火災(zāi)防控系統(tǒng)的相關(guān)研究。首先，在質(zhì)量守恒原則、動量守恒原則、能量守恒原則的基礎(chǔ)上，對大型建筑進行三維建模，勾勒出這次火災(zāi)防控系統(tǒng)的建筑實體邊界和內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)。其次，對建筑整體進行網(wǎng)格化處理，并給出火源煙霧濃度釋放測算公式，在火災(zāi)防控關(guān)鍵點位配置了四類傳感器，以達到火災(zāi)防控的智能性。最后，以系統(tǒng)中感煙型傳感器為對象展開性能測試試驗，試驗結(jié)果表明：臥室空間單元和走廊空間單元的傳感器都可以有效地檢測到火災(zāi)的發(fā)生并完成報警，相對來說，走廊空間單元的煙霧濃度變化更慢一些。