物流配送中心性能化防火設計研究

●王祁為

(太原市消防支隊,山西 太原 030024)

物流配送中心是在市場經濟條件下,以加速商品流通和創造規模效益為核心,以商品代理和配送為主要功能,集商流、物流、信息流于一體的現代綜合流通機構。現代物流的概念已遠遠超出了我國原有倉儲運輸的簡單范疇。在運輸、儲存、加工、包裝、配送、信息等物流要素的支持下,向著更加系統化、綜合化、科技化的方向發展,是商業儲運企業發展的方向之一。

從近年來出現的一些物流配送中心建筑看,處理的貨物一般有食品飲料、家用電器、日常品、機電產品及電子產品等,主要為可燃固體。貨物的流轉速度快,在物流配送中心建筑內滯留時間短,主要是為周邊區域提供第三方物流服務。由于流轉和功能需要,所需裝卸、分揀、儲存等作業面積大,多為機械化操作,建筑規模大。與傳統的倉庫相比,物流配送中心建筑在存儲、運行和管理等方面均存在一定差異。現行《建筑設計防火規范》對倉庫的防火要求已不完全適應物流配送中心的防火設計,對其進行性能化防火設計研究,使之既滿足建設需要,又滿足消防安全要求,則十分必要。

1 工程實例

某在建物流配送中心,分常溫區及低溫區兩部分,中間局部相連。其中倉庫常溫區建筑占地面積約為 26 787m2,首層倉儲區共分為三個防火分區,建筑面積分別為 11 684m2,11 692m2和 3 411m2。

按 GB50016-2006《建筑設計防火規范》的規定,本項目中常溫區儲存物品的火災危險性為丙類,耐火等級為二級,倉庫內安裝有自動噴水滅火系統,其最大允許占地面積為12 000m2,每個防火分區的最大允許建筑面積為3 000m2。由于當前倉庫常溫區為滿足存取容量和存取工藝需要,占地面積和防火分區面積均超出了《建筑設計防火規范》的規定。從消防安全角度出發,應該嚴格控制占地面積和防火分區面積,但如此一來,又無法滿足使用需要。因此需要進行性能化防火設計,以保證物流中心的消防安全。

2 火災發展模型

火災熱釋放速率(HRR)隨時間的變化關系常用t2模型的方法來表示,見下式。

其中,Q為火源的熱釋放速率,kW;α為火災增長速率,kW·s-2;t為時間,s。

不同的可燃物火災增長指數不同,根據 α的不同可將火災發展分為：慢速火、中速火、快速火和超快速火。物流配送中心內物品種類比較多,存在諸多不確定因素,保守考慮火源為快速火,其火災增長系數 α=0.046 89kW·s-2。

3 火災蔓延的安全間隔

美國國家消防協會(National Fire Protection Association,簡稱NFPA)對不同材料的點燃的臨界輻射通量進行了實驗研究,結果表明：對易燃物、一般可燃物以及難燃材料其輻射熱通量分別不得超過 10、20和 40kW·m-2,見表 1。當可燃物種類難以界定時,可根據最不利原則,保守地選取易燃物的臨界輻射量 10kW·m-2為臨界引燃值。

表1 可燃物被引燃難易程度的粗略分類

倉庫內某一列貨架起火后,會通過熱輻射將相鄰的貨架列引燃,引燃所需要的時間可以通過以下方法計算。根據火災動力學原理,距火源中心距離為 R處所受到的火源熱輻射和火源熱釋放速率的關系可由下式表示：

式中,Q為火源熱釋放速率,kW;R為距火源中心的距離,m(R=r+L,r為火源等效半徑,m;L為可燃物邊界與火源的距離,m);q″為產生輻射引燃的最小熱流值,kW·m-2。

根據本項目物流配送中心內貨架間的擺放距離,確定相鄰可燃物與火源中心的距離 R,如圖1。

圖1 倉庫內貨架間位置關系示意圖

3.1 相連兩個貨架間的影響

貨架托盤寬度為 1.1m,兩列貨架之間的距離為 0.2m,因此當一列貨架起火后,其火源中心距相鄰貨架列的距離為0.55+0.2=0.75m。將其代入上述公式,計算得到引燃相鄰貨架列時火源熱釋放速率為 212kW,當火災以快速t2火發展時,起火時間為 67s時達到此規模。

3.2 間隔走道的兩組貨架間的影響

假設火源中心為相鄰貨架的中間,兩組貨架中間的走道為3.6m,其火源中心距相鄰的另一組貨架的距離為 0.1+1.1+3.6=4.8m。將其代入上述公式,計算得到引燃相鄰另一組貨架時火源熱釋放速率為 8.685 9MW,當火災以快速 t2火發展時,起火時間為 430s時達到此規模。

根據以上火災發生時熱輻射引燃相鄰可燃物的分析可知,以目前的貨架擺放距離,火災向相連貨架蔓延的時間為火災發生 67s時,火災向相隔走道的另一組貨架蔓延的時間為火災發生后 430s。當設有自動噴水滅火系統時,一般當火災發展到 300kW時探測器便可以探知火災,快速火的熱釋放速率發展到 300kW的時間為 79s。在自動噴水滅火系統的作用下,一方面會降低高溫煙氣的溫度,同時可以將相鄰貨架淋濕,使之更加難以被引燃。由于自動噴水滅火系統的動作時間大于火災在相鄰貨架間的蔓延時間,小于向另一組貨架的蔓延時間,因此,經粗略估計,當自動噴淋系統有效時,兩組貨架間 3.6m寬的走道可以阻止火災蔓延至另一組貨架。

參考《民用建筑防排煙技術規程》(DGJ08-88-2000)對倉庫火源功率的規定,選取火源的最大熱釋放速率：無噴淋或噴淋失效時取 20MW;當設置了普通響應噴頭或快速響應噴頭,且自動噴水滅火系統正常動作時,火災的最大熱釋放速率分別為 4MW和 2.4MW。保守地以 10kW·m-2作為判定相鄰可燃物被引燃的臨界熱通量標準,則根據式(2)計算,可得防止火災蔓延的安全間隔,見表 2。

表2 設定火源防止火災蔓延的安全間隔

4 火災蔓延的數值模擬

本文采用NIST(美國國家標準與技術研究院)開發的火災模擬軟件FDS對該物流配送中心的火災情況進行模擬。

4.1 火災場景設置

由于本項目中儲存區中央處貨物密集,工作人員少,火災發生后可能不會被迅速察覺,因此火災危險性最大;而且兩個防火分區內貨架擺放形式、火災荷載、貨物類型等基本相同,因此本文選擇了其中一個防火分區,火源位置在其中間部位,計算機模擬不同火源功率和高度的幾種工況,具體場景設置見表 3。

表3 火災場景匯總表

4.2 建立模型

根據建筑實際尺寸和貨架位置建立建筑模型,在火源附近區域的網格尺寸為 0.2m×0.2m×0.2m,其他區域的網格尺寸為 1m×1m×1m。整體模型如圖 2所示。

圖2 FDS建立的建筑模型

4.3 模擬結果

記錄火源周圍貨物邊界受到的熱輻射通量,圖3、圖 4、圖5分別為場景 A、場景 B、場景 C中火源周圍貨物受到的熱輻射分布云圖。從圖中可以看出,當火災功率為 20MW時,火源對兩側貨物的熱輻射在484s時開始超過10kW·m-2,隨著火災熱釋放速率的增長,其值仍會升高;當火源功率為 4MW時,在模擬時間 900s內火源對兩側貨物的熱輻射值未超過臨界引燃值 10kW·m-2,僅為 5kW·m-2左右;當火源功率為2.4MW時,火源對兩側貨物的熱輻射值同樣未超過10kW· m-2。

5 結果分析

圖3 場景 A貨架受到的熱輻射分布云圖,484s

圖4 場景B貨架受到的熱輻射分布云圖,900s

圖5 場景C貨架受到的熱輻射分布云圖,900s

將火源假想為點火源后,通過公式計算,當火源最大熱釋放速率分別為 20MW、4MW和 2.4MW時,距離火源 3.6m的位置處所受到的熱輻射通量分別為 40.9kW·m-2、8.2 kW·m-2、4.9kW·m-2。只有當火源的最大熱釋放速率為20MW,即未設置自動噴水滅火系統或自動噴水滅火系統失效的情況下,火源對距離 3.6m位置處的熱輻射高于臨界引燃值10 kW·m-2。根據計算,火源最大熱釋放速率分別為20MW、4MW和 2.4MW時,防止火災蔓延的安全間隔分別為7.3m、3.3m和 2.5m。

根據火災模擬的結果,火源最大熱釋放速率為 20MW時,距離火源 3.6m的位置處所受到的熱輻射超過 10 kW·m-2,火災會在貨架之間蔓延;而當火源最大熱釋放速率分別為 4MW和 2.4MW時,距離火源 3.6m的位置處所受到的熱輻射分別不超過 5kW·m-2和 3.5kW·m-2,火災不會越過走道在貨架之間蔓延,結果與計算結果大致相符。

6 結論與展望

當自動噴淋系統有效作用時,能夠阻止火災在貨架間的橫向蔓延,可以有效地保護高架倉庫。本文采用的研究方法可用于物流配送中心的性能化防火設計,作為防火分區內隔離帶的設計參考依據。布置于貨架間及倉庫頂端噴淋系統的可靠性有待于更多的火災試驗進行驗證,并提供可靠的技術支持。

[1]消防是物流中心安全之本[J].物流技術與應用,2006,(11)：64-66.

[2]宋波,李毅,劉欣,等.高架倉庫實體火災的實驗研究[J].消防科學與技術,2009,28(4)：155-157.

[3]霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥：中國科學技術大學出版社,1999.

[4]李引擎.建筑防火性能化設計[M].北京：化學工業出版社,2005.