地下停車庫實地全尺寸熱煙測試試驗研究

賈天耀+王俊+孫春光+張文德

摘 要：對地下停車庫進行了全尺寸實地熱煙測試試驗，研究了火災發生后地下車庫內煙氣的蔓延擴散的規律，并對防排煙系統實際排煙效果進行了評估。結果表明，在車庫發生火災后，通風排煙系統能控制煙氣有序流動，能將火災產生的有毒煙氣控制在2m以上區域，同時風機開啟后煙氣溫度下降很快，為車庫內火災發生初期疏散安全創造了條件。測試結果還為進行大規模火災模擬分析研究模型的建立、參數的設定等提供了參考數據，從而為地下車庫等建筑的防排煙系統優化設計、消防安全等提供更科學合理的數據支撐。

關鍵詞：實地全尺寸熱煙測試；機械排煙；地下車庫

社會經濟的發展促進了汽車保有量的快速增長，地下停車庫已成為現代建筑，特別是城市公共建筑的必備配置。地下車庫一般為地下較封閉的空間，多是單層面積很大的扁平大空間結構，其寬度和進深明顯大于其高度，而且與外界的聯系主要為通往地面的一兩處出入口和樓梯，這類結構建筑的空氣流動水平流動速度遠低于垂直流動速度[1]，因此排除火災產生的熱量、煙氣都十分困難，發生火災后，空間內溫度升高和火災蔓延速率很快。空氣流通條件差又導致燃燒物燃燒不完全從而產生更大量的煙氣，且煙氣中的有害成分濃度更高、能見度更差[2]，對人員疏散和消防撲救帶來困難。據國外大多數火災案例，火災中直接由煙霧致死的人員比例約占70%[3]。因此，地下車庫是否具有良好的防排煙系統是對人員安全疏散及創造有利滅火條件的關鍵因素。公共建筑的大型地下車庫一般都按規范設置了獨立的排煙系統，但這些系統能否在火災發生后第一時間啟動、以及排煙能達到什么樣的效果不得而知，因此研究地下車庫發生火災后煙氣蔓延機理、驗證防排煙系統的實際運轉效果有著重要的意義。趙涵璽[4]、翟波[5]等人對地下車庫的火災煙氣擴散規律及通風效果進行了數值模擬研究，數值模擬作為一種研究手段，但模擬結果常常受對模擬軟件的了解程度以及各參數的設定是否合理的影響，現場實驗更能貼近現實。澳大利亞、新西蘭、中國香港等地已廣泛的采用實地熱煙測試試驗的方法對建筑煙氣控制系統效果進行了評估和驗證[6]，我國沒有制定相關測試規范和標準。

實地全尺寸熱煙測試是直接在建筑內現場設置受控的火源、煙源模擬火災場景，通過觀測有溫度的熱煙在建筑內的實際流動情況，評估排煙系統、各個消防子系統的實際效果及聯動性能，測試對建筑物無破壞作用[7]。國內已有學者利用實地熱煙測試手段對地鐵車站、隧道的煙氣控制系統進行研究[8，9]，取得了較好研究成果。

本研究利用地鐵工程防災安全熱煙測試實驗室（浙江省科技計劃項目，計劃編號：2014F10041）相關熱煙設備設施，對浙江省某商貿中心地下停車庫第5防火分區進行了實地熱煙測試試驗，對火災發生后該車庫的煙氣流動規律進行了研究，對其機械排煙系統實際運行效果、煙霧控制情況等進行了評估。

1 試驗對象概況及試驗裝置介紹

1.1 試驗對象概況

試驗對象為浙江省某商貿中心地下車庫典型的一個防煙分區，該防煙分區長45m，寬20m，地下車庫層高4.8m，其中梁部高度0.6m，防火分區的設置符合建筑設計防火規范要求。防煙分區設有獨立的機械排煙裝置，設計排煙量為45000m3/h，排煙口尺寸為0.8×0.8m，排煙口距離地面高度最低3.0m。車庫設有補風系統，補風量不小于排煙量的50%。

1.2 火源與煙氣發生裝置

火源及煙氣發生裝置用于產生預設火災功率的熱煙氣，包括燃燒器、煙氣發生器和煙氣發生箱和保護裝置，按文獻[10]進行設計制造。燃料采用95%工業甲醇，發煙材料采用煙餅。

根據文獻[11]，一輛家用小汽車的最大熱釋放速率為3.6～5MW。基于本次實驗所選地下車庫結構、規模及安全考慮，確定本次試驗火源功率為1.4MW，火源系統單個油盤燃燒的熱釋放速率約為0.34MW，那么設置四個油盤即可滿足產生1.4MW穩定火源的要求。

1.3 測量系統

采用分布式光纖測溫系統（DTS）用來測量火災工況下空間溫度場分布情況，本次實驗以火源位置為中心，分布向左右兩側在垂直方向1.5m、2m、3.5m、4m、4.5m（頂棚）敷設5條測溫光纖，形成10個測溫通道，見圖1所示。采用紅外熱像儀記錄火源火焰、以及附近頂棚煙氣溫度。

2 試驗結果分析與討論

試驗開始前記錄車庫內環境溫度為20℃。實驗開始后，火源在300s時達到穩定燃燒，圖2為熱像儀對火焰溫度測量情況，火焰中心的最高溫度為432.7℃，防護罩附近的煙氣溫度為176.1℃，說明火源的發展及溫度符合預期設計的火源功率要求。

實驗開始后，在火源前100s的緩慢燃燒階段，煙氣主要集中在火源附近并在梁部區域內聚集（圖3）。在100～120s期間，煙氣在頂棚向水平方向快速蔓延、并充滿車庫3.5m以上整個空間（圖4）。

圖5為試驗期間光纖測溫系統獲取的空間內的煙氣層溫度，實驗期間煙氣層的最高溫度為60.31℃，位于光纖的米標為118m處，與圖1進行對照，可知該溫度位于火源區域左側4.5m高度處，高溫煙氣多集中在火源所在的區域附近，除此區域外，大部分煙氣的溫度低于45℃，整體溫度接近環境溫度。圖6說明測試期間整個汽車庫內2m以下區域內煙氣的溫度基本都處于30℃以下，與環境溫度相差不大，也遠低于影響人員安全的臨界溫度60℃，這說明熱煙氣層在排煙風機的控制下，并未下降到該高度。

試驗過程對停車庫內的風速進行測量，結果見圖7所示，風機啟動后風速有較大的升高，繼而降到較穩定的數值，最終氣流穩定后的風速介于2.7m/s～4.0m/s之間，說明該地下車庫排煙風機系統運轉良好，能夠控制煙氣有序流動。

試驗過程發現該商貿中心各樓層之間串煙現象較為嚴重。雖試驗位于地下車庫，但地面一層、地上二層、地上三層的建筑均出現了不同程度的煙霧彌散現象并導致不同數量的煙感裝置報警，其中地面一層煙感報警數量為16處、地上二層9處、地上三層5處。這是由于地下車庫的水平排煙支管道與其他樓層之間的水平排煙支管道共同接入同一個豎向排煙主管道，但未做好各層排煙支管與主管道間的止回及密封措施，導致煙霧逸散至無關區域。

3 結束語

（1）通過對地下車庫開展實地熱煙測試試驗表明，火災發生后，車庫的通風排煙系統能控制煙氣有序流動，有效控制煙氣層的高度及沉降速度，能將火災產生的有毒煙氣控制在2m以上區域，同時風機開啟后煙氣溫度下降很快，可保障車庫內火災發生初期的人員安全疏散。

（2）試驗過程發現各樓層之間串煙現象較為嚴重。建議進行防排煙系統設計時，排煙主管道應有誘導設施，既要有效組織排煙，又能在相應部位實現煙氣在排氣管道內有效壓差，促進煙氣在管道內合理流動；在施工期間做好管道與建筑物之間等防火封堵；并應對防排煙系統常閉式防煙風閥閉合狀態進行經常性檢查，防止火災發生時煙氣的回流和倒灌。

（3）本試驗采用的火源熱釋放速率尚達不到小汽車的最大熱釋放速率，且由于車庫內車輛密集，一輛汽車著火后還可能會引燃其他相鄰的車輛，實際發生火災的規模要大得多，采用大功率的火源進行實地全尺寸熱煙測試試驗顯然不安全。建議采用數值模擬與熱煙測試相結合的方法對地下車庫的防煙氣擴散規律及防排煙系統性能進行研究，即采用安全的火源功率進行實地熱煙測試來驗證數值模擬分析所建立的數學模型、邊界條件等參數是否符合實際，再進行大規模火災模擬分析研究，才能得到更科學合理的研究結果，從而為地下車庫等建筑的防排煙系統優化設計、消防安全等提供更有效的數據支持。

參考文獻

[1]王新穎.扁平大空間類建筑火災煙氣流動規律及控制研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

[2]李英，王艷.某地下車庫不同排煙口高度及朝向排煙效率數值模擬研究[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2014，22（3）：78-82.

[3]吳維華，朱國慶，張國維，等.大空間建筑煙氣填充研究方法的對比[J].中國安全生產科學技術，2011，7（11）：35-40.

[4]趙涵璽.地下車庫火災煙氣擴散規律的數值計算與實驗[J].中國安全生產科學技術，2015（12）：46-51.

[5]翟波，鞏志敏.地下車庫誘導風機通風效果數值模擬研究[J].科學技術與工程，2009，9（7）：1766-1771.

[6]楊淑江.大空間建筑防排煙系統性能化設計[J].安全與環境工程，2010，17（5）：84-87.

[7]薛崗，郭大剛，智會強.熱煙試驗方法的研究[J].消防科學與技術，2006，25（4）：466-468.

[8]史聰靈，鐘茂華，汪良旗，等.地鐵車站及隧道全尺寸火災實驗研究_2_區間隧道火災[J].中國安全生產科學技術，2012（08）：28-34.

[9]史聰靈，鐘茂華，汪良旗，等.地鐵車站及隧道全尺寸火災實驗研究_3_車站隧道火災[J].中國安全生產科學技術，2013（03）：26-33.

[10]AS4391-1999，Smoke management systems-Hot smoke test[S].Australia Standards，1999.

[11]程遠平，JOHN R.小汽車火災試驗研究[J].中國礦業大學學報，2002，31（6）：557-560.

[12]陳穎，李思成，李勝利，等.基于煙氣沉降的地下車庫火災排煙量計算[J].消防科學與技術，2011，30（6）：488-491.

作者簡介：賈天耀，男，碩士研究生，主要從事安全生產科學研究、安全技術咨詢等服務與研究工作。