噴頭加設集熱板有效性的理論分析

劉今爍

(武警學院 研究生隊，河北 廊坊　065000)

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噴頭加設集熱板有效性的理論分析

劉今爍

(武警學院 研究生隊，河北 廊坊065000)

判定集熱板的集熱效果如何，依據的是在其內部安裝的噴頭是否能夠及時響應。從噴頭響應時間公式和Alpert頂棚射流模型出發，研究了起火點與集熱板相對位置不同時集熱板的集熱效果；同時對起火點所處位置不同時的概率進行了分析。結果表明：當起火點位于集熱板正下方時，集熱板才能發揮集熱作用，其有效性僅為0.16%～2.52%，因此不建議在實際工程中推廣使用。

集熱板；頂棚射流；起火點概率；有效性

0　引言

自動噴水滅火系統被廣泛的應用在一些大型公共建筑中，但在實際工程中，存在一個矛盾之處。以裝設格柵類通透性吊頂的場所為例，如果將噴頭直接安裝在頂棚下方，噴頭的灑水會受到其下方格柵吊頂的阻擋，不能均勻噴灑；如果將噴頭安裝在格柵吊頂的下方，雖然保證了均勻噴灑，可噴頭卻不能充分的與熱煙氣進行對流換熱而無法及時響應。為解決這一難題，實際工程中大量采用將噴頭的安裝高度降低到通透性吊頂以下，在其上方加設集熱板，目的是保證噴頭均勻噴灑的同時使噴頭及時響應。此外，一些高凈空場所、地下車庫和高層建筑設備層等場所也采用該做法。那么，集熱板作用下的噴頭是否能及時響應，即集熱板的有效性究竟如何，值得進一步研究。

目前，薄立矗[1]、葛曉霞[2]和馮小軍[3]等人分別利用數值模擬和實體實驗的方法，對集熱板的作用效果進行研究，得知僅當集熱板位于起火點正上方時才可起到集熱作用。本文通過對集熱板的集熱效果和起火點發生位置概率的理論分析，得到集熱板有效性的具體結論。

1　集熱板的集熱效果分析

1.1基本原理

判定集熱板的集熱效果如何，依據的是在其內部安裝的噴頭是否能夠及時響應，噴頭響應時間越短，集熱板的集熱效果越好，反之越差。噴頭的響應時間由頂棚射流的溫度與速度、噴頭的RTI以及噴頭的啟動溫度決定，Gupta[4]、Bukowshi[5]和Budnick[6]等人通過研究，得到噴頭熱敏原件的熱平衡方程式[6]：

(1)

穩定火源下，積分式(1)，可得響應時間t[7]：

(2)

式中，m為熱敏元件質量(kg)；cp為熱敏元件的比熱(kJ·kg-1·℃-1)；h為對流換熱系數(kW·m-2·K-1)；A為熱敏元件傳熱表面積(m2)；Te為熱敏元件動作溫度值(℃)；Tg為頂棚射流的溫度(℃)；T0為初始環境溫度；dt為微元時間(s)；u為頂棚射流速度；RTI為響應時間指數。

對于給定的噴頭，其響應時間指數和啟動溫度為定值，只需獲得噴頭附近頂棚射流的溫度與速度，便可依據式(2)計算出噴頭的響應時間。

1.1.1起火點位于集熱板正下方

可燃物燃燒產生的煙羽流在浮力作用下迅速上升，到達噴頭上方的集熱板時如遇到一個小型“頂棚”，迅速轉為沿水平方向蔓延擴散，經過集熱板的彎邊后再繼續上升，這個最初由上升轉為水平蔓延的過程可看做是頂棚射流形成的過程，如圖1所示。

圖1　起火點位于集熱板正下方時示意圖

根據Alpert[8]總結的穩態火源下的頂棚射流模型，可獲得集熱板下方“頂棚射流”的溫度與速度，計算公式如下：

(3)

(4)

式中，r為噴頭與火羽流中心的水平距離；H為頂棚高度(集熱板安裝高度)；Q為火源熱釋放速率。

將式(3)和式(4)帶入式(2)，得到起火點位于集熱板正下方時噴頭的響應時間公式：

t=1.02RTI(H/Q)1/6ln{16.9Q2/3

(5)

由式知，頂棚射流的溫度與速度隨著頂棚高度的增大而減小，噴頭的響應時間隨著頂棚高度的增大而增大。所以，當起火點位于集熱板正下方時，集熱板具有集熱效果，可提早其內部噴頭的響應。

1.1.2起火點不在集熱板正下方

該情況下，集熱板已經不能看作小型“頂棚”，可燃物燃燒產生的煙羽流在頂棚處形成頂棚射流后，沿水平方向蔓延并經過集熱板正上方的部位，隨著火災的發展，頂棚射流不斷變厚，才慢慢接近集熱板，如圖2所示。

Alpert[8]定義頂棚射流厚度lT為煙氣與環境溫差降到最大值的1/e的地方與頂棚間的距離，計算公式如下：

(6)

0.26≤r/H≤2.0

由上式知，頂棚射流的厚度非常有限，一般為頂棚高度的5%～12%[9]。筆者通過對實際工程的調研發現，集熱板的上方存在大量的梁、管道和鋼架等

圖2　起火點不在集熱板正下方時示意圖

結構，這些結構占據了頂棚下方的大部分空間，集熱板與頂棚間的距離依這部分空間高度而定，一般不小于0.5 m。綜合式(6)知，頂棚射流需較長時間或根本不能下降到集熱板的安裝高度，集熱板很難起到集熱作用，噴頭的響應時間得不到保證。

1.2實例分析

選取一工程實例，利用上文闡述的集熱板集熱效果基本原理進行實例分析。該房間的頂棚高度H為4 m，環境溫度T0為21 ℃，噴頭的熱敏元件動作溫度Te為68 ℃，響應時間指數RTI值為70，集熱板的安裝高度為3.5 m，火源功率為160 kW。

1.2.1起火點位于集熱板的正下方

根據式(3)、(4)和(5)，計算噴頭加設集熱板和直接安裝在頂棚處兩種情況下，其附近煙氣的溫度和速度以及響應時間，結果如表1。由表1可知，與直接安裝在頂棚處相比，噴頭加設集熱板時其周圍的煙氣溫度較高、速度較大，響應時間縮短了一半左右，說明此種情況下集熱板的集熱效果理想。

表1　噴頭附近的煙氣溫度、速度和響應時間

1.2.2起火點不在集熱板的正下方

若集熱板與起火點中心水平間距r為2 m，通過式(6)計算，得到此種情況下頂棚射流厚度為0.3 m左右，而集熱板距離頂棚0.5 m，火災初期時頂棚射流很難降低到集熱板的安裝高度，集熱板無熱可集，噴頭不可能響應。隨著火災的發展，熱煙氣不斷地在頂棚下方累積，逐漸降低到集熱板和噴頭處，噴頭才接觸到熱煙氣，但此時熱煙氣的溫度較低，不足以使噴頭響應，且早已過了撲滅初期火災的最佳時機。所以，此種情況下，集熱板根本起不到集熱的作用。

2　起火點發生位置的概率分析

火災的發生受到各種環境因素的影響，沒有固定的地點，假定只有一處起火點，位于圖3中的粗線框內，簡稱區域A，發生火災時最先啟動該區域內的噴頭。由上文得知，起火點發生的位置可能有兩種，一種在集熱板正下方，另外一種不在集熱板的正下方(一般位置)，分別為區域A中圓形圖案(集熱板)的內部和外部，如圖3所示。在區域A內劃分單位為0.1 m×0.1 m的網格，每個網格線交叉點代表一個可能的起火點，如圖4所示。

圖3　起火點發生位置示意圖

圖4　網格圖

起火點發生位置概率的計算公式如下：

(7)

式中，P為起火點發生位置的概率；n為該情況下可能的起火點個數；N為所有可能的起火點個數總數。

以中Ⅱ危險級場所為例，按正方形布置噴頭，根據《自動噴水滅火系統設計規范》[10]第7.1.2條得到區域A的大小為3.4 m×3.4 m，在噴頭上方采用直徑為600 mm的圓形集熱板。在區域A內劃分網格后，獲得可能的起火點個數總計1 225個。當起火點位于集熱板正下方時，共有29個起火點，如圖5中的圓點標記，經式(7)計算，得到發生該情況的概率僅為2.37%。當起火點處于一般位置時，可能的起火點個數共計1 196個，經計算，發生該情況的概率為97.63%。計算結果顯示，在中Ⅱ危險級場所中采用直徑為600 mm的圓形集熱板時，如果發生火災，起火點位于集熱板正下方的概率極低，僅有2.37%，絕大多數情況起火點處于一般位置。

圖5　起火點位于集熱板正下方可能的位置

實際工程中，除了中Ⅱ危險級場所以外，在輕和中Ⅰ危險級場所中也存在大量使用集熱板的情況，集熱板的規格有很多，包括直徑為200 mm、400 mm和600 mm的圓形集熱板以及邊長為180 mm、350 mm和530 mm的正方形集熱板。

由式(7)知，影響起火點發生位置的概率有兩個因素，一是場所危險級，不同危險級場所的系統設計噴水強度不同，對應的噴頭布置間距也就不同，噴頭布置間距決定N的個數；二是集熱板規格，集熱板形狀和大小的不同直接影響它在地面投影內n的個數。為保證理論分析的準確性，本文對場所危險級與集熱板規格不同情況下起火點發生位置的概率都進行了計算，結果如表2。

由表2可看出，場所危險級越嚴重或集熱板尺寸越大，起火點位于集熱板正下方的概率越大，但最大值僅為2.52%。說明無論在何種危險級的場所采用什么規格的集熱板，起火點位于集熱板正下方的概率都很小，絕大多數情況處于一般位置。因此，集熱板的有效性是很低的，建議在其替代方法方面展開研究，指導實際工程的應用。

3　結論

本文以噴頭響應時間和頂棚射流模型相關理論為基礎，分析起火點位于不同位置時集熱板集熱效果，研究了起火點發生位置的概率，得到如下結論：(1)當起火點位于集熱板的正下方時，集熱板內的噴頭啟動時間早于直接安裝在頂棚處的噴頭，集熱板的集熱效果理想；當起火點不在集熱板的正下方時，頂棚射流很難降低至集熱板的安裝高度，集熱板起不到集熱作用。(2)場所危險級越嚴重或集熱板尺寸越大，起火點位于集熱板正下方的概率越大。(3)集熱板的有效性很低，僅為0.16%～2.52%，不建議在實際工程中推廣應用。

表2　起火點發生位置的概率(%)

[1] 薄立矗.集熱罩對噴頭啟動時間影響的數值模擬研究[J].武警學院學報,2011,27(6):5-7.

[2] 葛曉霞.集熱擋水板應用效果的試驗研究[J].消防科學與技術,2014,33(11):1294-1297.

[3] 馮小軍,張文華,孔祥欣,等.集熱板在大空間場所作用效果的討論[J].消防科學與技術,2008,27(2):86-90.

[4] GUPTA A K. Modeling the Response of Sprinklers Incompartment Fires[J].Fire and Materials,2001,25:117-121.

[5] BUKOWSHI R W．Fire Hazard Analysis[M]// Fire Protection Handbook. 19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003: Section 3 Chapter 7.

[6] BUDNICK E K, EVANS D D, NELSON H E. Simplified Fire Growth Calculations[M]// Fire Protection Handbook.19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003:Section 3 Chapter 9.

[7] CHOW W K. Performance of Sprinkler in Atrium[J]. Journal of Fire Science,1996,14:467-488.

[8] KLEIN R A. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering(1995)[J]. Fire Safety Journal,1997,291.

[9] 杜蘭萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大學,2007.

[10] 中華人民共和國公安部.自動噴水滅火系統設計規范:GB 50084—2001[S].2005年版.北京：中國計劃出版社,2005.

(責任編輯、校對馬龍)

An Analysis of the Effectiveness of a Heat-collection Plate

LIU Jinshuo

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The heat-collection effect of a heat-collection plate is determined by the responding time of nozzle. Based on the formula of the responding time of a nozzle and Alpert model of a ceiling jet, this paper analyzes the heat-collecting effectiveness with different locations of a fire and a heat-collection plate. The results show that when the origin of a fire is under a heat-collection plate, the heat-collecting effect is ideal but this probability is low about only 0.16%～2.52%. Therefore, the effectiveness of a heat-collection plate is low and it is hard to be effective.

heat-collection plate; ceiling jet; position probability of fire; effectiveness

2016-01-12

武警學院優秀碩士學位論文培育工程項目(YP201510)

劉今爍(1992—)，男，山東菏澤人，防火工程專業在讀碩士研究生。

TU892

A

1008-2077(2016)04-0023-04