單元式住宅樓火災撲救中射流效率的探討

曹 永 生

(大同市消防救援支隊作戰指揮中心，山西 大同 037000)

單元式住宅是指在多層、高層樓房中的一種住宅建筑形式。通常每層樓面只有一個樓梯，住戶由樓梯平臺直接進入分戶門，一般多層住宅每個樓梯可以安排2戶～4戶(大進深住宅每層一梯可服務于5戶～8戶)。所以每個樓梯的控制面積又稱為一個居住單元。

1 FDS模型基本參數及實驗數據

1)(模型1)建筑為二梯6戶單元式住宅樓，東西長28 m南北寬20 m，每層高3 m。南北各3個單元完全對稱，因此以南面為起火點設置3個起火點A1，B3，火源3。分別為臥室、客廳和廚房。其計算區域為36 m×25 m×6 m,模擬時間20 min，起火物質分別A1為被褥、衣物和木質衣柜，B3為電器和木質家具，火源3為油鍋起火和煤氣泄漏起火。其中A1和B3熱釋放速率取4 Mw,火源3取3 Mw(見圖1)。

通過模擬實驗可得A,B,C房間及周邊建筑在火災發生后200 s～400 s時溫度上升的數值，總體來說客廳和臥室由于火災載荷大溫度上升至700 ℃以上，廚房溫度可上升至300 ℃，其周邊建筑由近及遠溫度可達200 ℃～40 ℃。

2)(模型2)選擇控制體尺寸為6 m×6 m×6 m，網格數量216 000個，應用預混燃燒模型，并采用液體燃料蒸發燃燒模式定義可燃物，碳氫比取輕質柴油的質量分數11∶24。油池尺寸采用當量矩形區域面積2 m×2 m,火焰燃燒20 s后開始滅火動作，消防水槍流量300 L/min,滅火點距離火焰1 400 mm/2 800 mm,水滴尺寸按1 200正態分布，通過熱釋放速率的變化模擬滅火過程。

對距離油池1 400 mm和2 800 mm兩種條件下，立姿1 700 mm和半蹲姿態900 mm的常見滅火姿態進行數值仿真，其水槍射流為噴霧，角度為俯角10°、平射和仰角10°,25°。通過實驗分析可以看出，近距離平射和小角度俯射能夠迅速壓制火勢，但滅火效率不高，火焰熄滅時間較長；而近距離小角度仰射能夠較好地控制火勢，用時較短。遠距離噴水滅火受噴射角度影響不大，但平射和小角度仰射滅火效率明顯優于俯射。

2 實際案例分析

2.1 著火建筑及事故處置情況

基本情況：鋼筋混凝土澆筑商住混合樓共18層，兩梯四戶東西橫向布置的單元式住宅樓，北面毗鄰城市道路，南面為小區6號樓，西面為小區北大門，東面為2號樓。室內消火栓系統因冬季防凍無水，氣象條件：-15 ℃，北風4級，濕度41%。

事故經過：由于天然氣使用不當，3單元16層東側住戶引發爆燃，致使16層及其樓上兩層住宅受到爆炸波及且有不同程度的損壞，17層,18層住戶北側和南側房間被引燃，事故造成著火房間住戶一人受傷(見圖2)。

處置過程：接警時間當日下午17時許，調集力量14輛消防車72名指戰員到場處置分別采取外圍控火和內攻滅火的戰術在40 min內撲滅大火，19時許火場清理完畢(見圖3)。

2.2 火災相關條件的分析

這是一起典型的單元式住宅樓火災事故，結合FDS模型1和模型2場景設置對火場環境做如下分析。

2.2.1 火場溫度

根據現場痕跡和高溫下各類物質的變化從火場燃燒殘留物可以看出，木質家具發生炭化層且有規則的龜裂紋； 鋁制品有融化痕跡；鐵銅制品狀態完好；室內玻璃均已破裂但無流淌；墻壁部分混凝土呈灰白色且有少部分脫落(見圖4)，具體物質融點對比見圖5。在明火撲滅后的第一時間使用紅外測溫儀和熱像儀測得客廳電視墻溫度約為280 ℃，據此可以推斷從爆炸起火到明火撲滅，火場瞬間溫度可達1 000 ℃以上，之后迅速下降到800 ℃左右并維持了一定時間，最終火場溫度在700 ℃以下400 ℃以上的區間內維持了較長時間直至明火撲滅。

2.2.2 火災荷載及熱量

根據以下公式QP=mp,Q=∑QP可燃物質量和釋放熱量。著火房屋為出租屋，面積80 m2，所設家具為基本生活用品，種類齊全，但室內裝修較為簡單，根據現場主要燃燒產物估算全面燃燒熱值(如表1所示)由此可得出該房屋平均火災荷載90.23 MJ/m2，為三級火災荷載。

2.2.3 火場用水量

1 L水在20 ℃時升溫至100 ℃需要335 kJ/L的熱量，在轉化成100 ℃水蒸氣需2 260 kJ/L熱量，水蒸氣再次升溫至300 ℃需416 kJ/L,理論每升水完全變成300 ℃的蒸汽可以從火場帶走大約3 MJ熱量，此次火災事故在全面燃燒的情況下理論滅火用水量為2 406 L，考慮大部分水未變為蒸汽則水的利用率為11%，則滅火用水量為21 873 L，而火場實際用水量約為55 000 L(不含高噴車外圍控火用水)。

表1 著火房間主要可燃物熱值表

2.2.4 供水壓力

火場采用一臺中低壓消防車向16層沿樓梯蜿蜒鋪設水帶方式供水，由消防車到一樓樓梯處2盤80水帶，一樓樓梯處至15層樓梯口使用80水帶5盤并接分水器，分水器前至16層火場為1盤65水帶，根據供水壓力損失公式hd=SQ2(水平)和hd=2SQ2+H(80水帶沿樓梯)，hd=1.5SQ2+H(65水帶沿樓梯)，具體數據見表2。

表2 消防水帶壓力損失和水槍壓力

3 綜合分析

從著火建筑的火災荷載密度、燃燒殘留物以及其他現場痕跡可以看出，雖然火災中有建筑結構、自然環境等影響，但對火場溫度上升的過程影響不大，僅是由建筑中火災荷載大小去影響火場溫度的高低。消防用水取決于火場放熱的程度，水的比熱、各類物質的比熱是恒定的，火場可燃物的數量及其燃燒程度，燃燒越充分其散發的熱量越多，滅火所需的水也就越多。模型2的結論與實際滅火行動中的基本戰術動作沒有太大差距，只是在實際應用中由于射流的影響導致空氣流動加劇，使火場迅速由燃料控制型燃燒變為通風控制型燃燒，從而改變火場小環境。由于建筑性質的局限，單元式住宅樓的面積不會太大，建筑的火災荷載、火場溫度、火場供水、戰術動作都對其火災撲救影響是恒定的，模擬數據與實際滅火的差別在于消防射流在撲救火災時的選擇。

消防員滅火的方法是讓水盡可能接觸到燃燒物帶走熱量，離開水槍的水滴在穿過熱煙氣層時，一部分液滴會蒸發掉。如果水滴粒徑過小，就會在接觸明火前蒸發。這種情況下，可燃物表面溫度不會降低，熱分解也不會停止。因此，在進行表面冷卻滅火時，液滴粒徑應足夠大以確保大部分液滴在可燃物表面蒸發吸熱。在滅火過程中，整個可燃物表面都需要冷卻，否則會出現部分火焰被撲滅而相鄰位置仍存在明火的現象，輻射熱將導致已冷卻的表面再次升溫。隨后，熱解釋放的可燃氣體受高溫作用會被點燃，使得火災撲救回到原點。當大量液滴與可燃物接觸導致其表面溫度下降，熱解不久便會停止。這之后，所有液滴會撞擊可燃物表面的相同位置，造成水漬損失。

4 單元式住宅樓火災如何正確選擇射流形態

1)蒸汽滅火，為完全撲滅火災，需要中止可燃物的熱解過程,水要盡可能接觸到燃燒物表面產生最大量的蒸汽。當室內存在蒸汽時，房間內氧氣濃度會下降，明火將會消失。理想狀態下，使用開花水槍，將水噴射到墻壁和天花板處。并關閉相鄰房間的門，以此來保證著火空間內一定的蒸汽濃度。但這并不意味著火已經被撲滅，只是暫時受到抑制，隨著蒸汽逐漸從室內排出，新鮮空氣會進入到房間內，出現復燃現象。所以，這種方法也可通過局部破拆建筑構件的孔洞，利用水槍來產生室內蒸汽并減少新鮮空氣的流通。

消防員通過開口射水滅火時，需要注意的是，要留有一個開口將多余蒸汽排到外部空間。防止多余的蒸汽沿門向外擴散時經過火場內消防員所在位置，對其造成傷害。

2)煙氣冷卻，初起火災產生的熱煙氣會在天花板下方積聚，煙氣的溫度和密度逐漸增加，某個時間點，煙氣層被點燃，煙氣產生輻射熱會急劇增加，轟燃隨之而來。這時，可采用在煙氣層中射入適量的水避免這種情況的發生，冷卻煙氣時，水槍需要高壓力低流量，快速打開產生較小的水滴。一方面，水會蒸發并吸收煙氣層熱量；另一方面，水蒸發形成的蒸汽(部分)會保留在煙氣層內，改變煙氣的燃燒極限，使其難以被點燃。液滴最佳尺寸為300 μm，該尺寸下液滴比較厚重足以進入到煙氣層內部。

3)火點撲救(點射、掃射)消防員向著火點進行推進的同時，會在煙霧中持續冷卻高溫煙氣。發現火點后將水槍設置為直流水，接著慢慢打開水槍，當水接觸到火點后，就緩慢關閉水槍，形成相對大而厚的水滴。理想狀態下，水將沿著燃燒物緩慢地流下，這樣能夠最大可能地冷卻燃燒物表面。此時水槍仍為直流水，但開關僅稍微打開以低壓射出1 m左右的直射水柱，這將進一步降低燃燒物的溫度。

當可燃物大量集中燃燒時，點射就不再適用了，在這種情況下，水槍緩慢打開，水流的壓力和流量范圍設置為水剛好以小弧度到達起火點為止。這樣，厚水滴將再次形成，持續打開水槍，來回擺動形成掃射，晃動水流把水噴灑到可燃物的整個表面，持續此動作，直到火焰熄滅。

4)建筑外部進攻，如火場已經處于全面燃燒階段，且火焰突破建筑外殼，消防員無法內攻。在這種情況下，結合建筑高度、水槍(炮)射程和視線范圍，可以用直流水進行直接進攻，將水從地面或居高車平臺射向著火建筑的天花板，天花板的水將會濺射并下落，這樣，部分水將落到房間內的燃燒物上。可以降低火災荷載的溫度并為消防員內攻創造條件。因此，這類射流應在統一指揮下進行，且每次出水時間控制在10 s以下，在達成內攻條件后，應立即停止。

5 結語

隨著城市化進程的推進，單元式住宅樓將成為城市人群的主要居住建筑，現有的消防裝備也能夠滿足滅火救援時的技術需求，所要注意的是消防員與裝備的最佳結合，發揮裝備的最大效能，不能過度依賴裝備而忽視火場實際情況，改變過去大水漫灌的理念，選用正確的水槍射流，提高水的滅火效能，減小附帶損失。