水噴淋對建筑外立面火災煙氣向室內蔓延控制的研究

●王 瑗

(北京東城區消防支隊，北京 100061)

(本欄責任編輯、校對 馬 龍)

當今高層建筑中，聚氨酯硬泡等有機材料作為外墻保溫材料被廣泛使用。此類材料耐熱性能差、易燃燒，一旦發生火災，燃燒極其迅速且產生大量的熱量和有毒煙氣向室內蔓延，對人員的生命安全造成嚴重威脅。自動噴水滅火系統是人們在生產、生活和社會活動的各個場所中最普遍采用的一種固定滅火設備，火災發生時，從噴頭噴出的大量液滴通過對流作用不斷冷卻火場煙氣，同時也降低煙氣浮力，達到防煙和降溫的效果［1］。Bullen［2］于 1974 年率先探討了水噴淋與煙氣層的相互作用問題并建立了相應的數學模型，結果發現噴淋覆蓋區內液滴的總拖曳力與煙氣總浮力之間的比值是煙氣層是否失穩的決定因素。Morgan［3］等人將這一概念進行了推廣并提出一個新模型，分析了具有一定粒徑分布的液滴與熱煙氣之間的對流傳熱。此后，Alpert［4-6］、Gardiner［7］、Cooper［8］、W．K．Chow［9-11］及 N．K．Fong［10-11］等研究者都采用CFD模擬軟件對水噴淋與煙氣層的相互作用以及噴淋作用下的煙氣運動特性進行了數值模擬研究。在國內，中科大的霍然、周允基［12-14］等人自行設計搭建水噴淋與煙氣相互作用實驗臺首次對大空間內不同火源、不同噴頭和不同工作壓力時水噴淋與煙氣的相互作用動力學過程開展研究。在國內外眾多開展的研究中，針對高層建筑火災煙氣與室內水噴淋相互作用的研究較少，特別是鑒于近年來由建筑外保溫材料引起的火災頻發，研究自動噴水滅火系統對火災煙氣向室內蔓延的控制就更突顯出其必要性，筆者將就這一問題開展模擬研究。

1 高層建筑火災模型的建立

筆者根據某高層建筑建立模型(見圖1)，應用火災動力學軟件FDS進行數值模擬研究。該高層建筑總高80 m，共23層，單層面積約為300 m2。建筑外表面鋪設有保溫材料，材料為聚氨酯硬泡板，導熱系數為0．04 W·m-1·K-1，尺寸為 0．2 m ×0．2 m×0．1 m。建筑室內設有水噴淋系統，采用K-11吊掛式灑水噴頭，房間頂部設有感溫探測器，一旦室溫高于68℃時將自動啟動水噴淋系統開始向室內噴水［15］。模擬起火位置在該高層建筑7層外表面的一處面積為0．04 m2的火源(見圖2)，其單位面積熱釋放速率為5 000 kW·m-2·s-1，假設火源從第1 s開始即被引燃，隨之引燃周圍的保溫材料后火勢逐漸擴大，火災功率隨時間的變化情況如圖3所示。筆者在著火層緊鄰房間內，以不同位置的噴頭設置了5種工況(見表1)，環境溫度為24℃，工作壓力為0．1 MPa，流量為 13 L·min-1，流速為 5 m·s-1，噴射角度為0～60°，粒徑為1 200 μm。考慮到人員的疏散安全，筆者在室內距地1．6 m高度處設置測面來提取各個模擬計算工況下的CO濃度、溫度等煙氣層相關特性參數隨時間變化的數據，并對其進行對比分析。

圖1 高層建筑模型示意圖

圖2 室內布置模型示意圖

圖3 火源功率變化曲線圖

表1 工況詳情表

2 室內CO濃度分析

圖4為高層建筑外保溫材料著火后，不同工況下室內1．6 m高度處的平均CO濃度隨時間變化的曲線圖。高層建筑外保溫材料引起火災后，伴隨著聚氨酯燃燒產生的大量有毒煙氣迅速向著火層臨近的房間內擴散。由圖4可以看到，從火災發生伊始到120 s這段時間內，室內平均CO濃度有明顯大幅度提升，最大濃度值超過了900 ppm。在120 s時自動噴水滅火系統啟動，設置在窗戶上方的噴頭會通過滅火作用減小熱釋速率從而減少煙氣生成量;設置在室內的噴頭通過水霧的稀釋作用也會降低CO濃度。因此從圖中也能看出室內平均CO濃度開始有回落的趨勢。窗戶作為室外火災煙氣進入室內的最主要渠道，位于窗上方向下噴射這一工況下的室內平均CO濃度曲線較其他工況走勢最低，CO濃度最大值維持在300 ppm以下，說明此工況對室外煙氣的阻隔效果最理想，對人員的逃生安全十分有利;反觀設置在門上方的噴頭，由于相對窗戶的距離最遠，因此對室外火災煙氣的阻隔效果不佳，此工況下的室內平均CO濃度值接近700 ppm;工況三和工況四下的室內平均CO濃度曲線走勢基本一致，說明將噴頭設置在房間中部向下和側面向前噴射對火災煙氣的阻隔效果相近。

圖4 室內1．6 m高度處平均CO濃度

3 室內溫度變化分析

圖5為不同工況下室內1．6 m高度處的室內平均溫度隨時間變化的曲線圖。由圖5可知，火災發生后120 s時，著火層臨近房間室內平均溫度升至68℃以上，設置于房間頂部的噴頭的玻璃球破碎自動噴水，各工況下的室內平均溫度曲線開始呈不同幅度的下降趨勢。但將噴頭置于門上方這一工況下的室溫曲線在120 s之后依然呈上升的趨勢，其最高室溫一度超過100℃，降溫效果不夠理想;其他幾種工況基本都能將室溫控制在80℃以下，其中置于房間側面向前噴射這一工況下的室溫波動幅度較大，穩定性不夠理想;將噴頭置于窗上方和房間中間頂部噴射的水噴淋均能較好地將室內平均溫度降至60℃以下，人員在該環境中能夠對逃生做出清醒的判斷，進一步確保其疏散的安全性。

圖5 室內1．6 m高度處平均溫度

4 結論

筆者運用FDS軟件對高層建筑外墻保溫材料引起的火災進行了數值模擬，研究室內自動噴水滅火系統對室外火災煙氣蔓延的控制。著重討論了5種工況下，噴頭不同位置和噴射角度對室外火災煙氣向室內蔓延的控制效果，通過提取模擬所得各工況下的室內CO濃度值和溫度值，對模擬結果比較分析后可以得出以下結論:對于由高層建筑外保溫材料引起的火災，室內水噴淋系統的噴頭位置和噴射方向決定了其對火災煙氣向室內蔓延控制的效果。其中將噴頭設置在窗上方向下噴射阻隔室外煙氣蔓延的效果最佳;在降低室內溫度方面，將噴頭置于窗上方和房間中部噴射的降溫效果均較為理想，十分有利于人員在火災發生后的安全逃生和疏散。

［1］霍然，周允基，張村峰．典型噴淋條件下火災煙氣運動的動力學特性研究［D］．合肥:中國科學技術大學，2006．

［2］BULLEN M L．The Effect of a Sprinkler on the Stability of a Smoke Layer Beneath a Ceiling［R］．Fire Research Note1016，Fire Research Station，Bore ham wood，United Kingdom，1974．

［3］MORGAN H P，BAINES K．Heat Transfer from a Buoyant Smoke Layer Beneath a Ceiling to a Sprinkler Spray 2-An Experiment［J］．Fire and Materials，1979，3(1):34-38．

［4］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation of Large-scale Flow Fields Induced by Droplet Sprays［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，Factory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1979．

［5］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation Interaction of Sprays with Large-scale Cross Flows and Buoyant Opposed Flows［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，Factory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1984．

［6］ALPERT R L．Numerical Modeling of the Interaction Between Automatic Sprinkler Sprays［J］．Fire Safety Journal，1985，9:157-163．

［7］GARDINER A J．The Mathematical Modeling of the Interaction between Sprinkler Sprays and the Thermally Buoyant Layers of the Gases from Fires［D］．PhD thesis，South Bank Polytechnic，London，1989．

［8］COOPER L Y．The Interaction of an Isolated Sprinkler Spray and a Two-layer Compartment Fire Environment-Phenomena and Model Simulations［J］．Fire Safety Journal，1995，25:89-107．

［9］CHOW W K，CHEUNG Y L．Simulation of Sprinkler-hot Layer Interaction Using a Field Model［J］．Fire and Materials，1994，18:359-379．

［10］CHOW W K，FONG N K．Application of Field Modeling Technique to Simulate Interaction of Sprinkler and Fire-induced Smoke Layer［J］．Combustion Science and Technology，1993，89:101-151．

［11］CHOW W K，FONG N K．Numerical Simulation on Cooling of the Fire-induced Air Flow by Sprinkler Water Sprays［J］．Fire Safety Journal，1991，17:263-290．

［12］霍然，李開源．水噴淋作用下火災煙氣層的穩定特性研究［D］．合肥:中國科學技術大學，2008．

［13］霍然，周允基，游宇航．機械排煙與水噴淋作用下大空間倉室火災及煙氣特性研究［D］．合肥:中國科學技術大學，2007．

［14］自動噴水滅火系統設計手冊編委會．自動噴水滅火系統設計手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［15］GB 50045-95，高層民用建筑設計防火規范(2005年版)［S］．

［16］劉方，廖曙江．建筑防火性能化設計［M］．重慶:重慶大學出版社，2007．