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自动喷水灭火系统对大型商业建筑火灾蔓延的抑制作用
Xin Ye, Jian Ma, Yi-xin Shen, Long-yuan Lin
School of Transportation amp; Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China School of Environmental and Resources, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China
摘 要
大型商业建筑发生火灾往往会造成重大的人员伤亡和财产损失。许多关于大型商业建筑火灾行为的研究都着重于简单的防火状态对火灾蔓延的影响。然而，在实际火灾中，喷头的运行方式和可燃材料属性都对火灾安全产生重要影响。本文采用CFD模拟软件FDS对大型商业建筑不同火灾场景下喷水灭火系统的激活模式进行了数值研究。研究发现，由于喷淋系统抑制了可燃材料的热解，从而减缓了传热过程，从而延长了该类建筑内的疏散时间，从而在火灾发生初期抑制了火灾的发展。研究还发现，不同可燃材料在市场中的分布和燃烧速率对人员疏散的安全水平有重要影响。
关键词：大空间建筑，商业建筑，自动喷水灭火系统，疏散，数值模拟
术语符号
Dl 扩散系数(m2 /s) Frsquo; 体积力（N）
Vrsquo; 速度矢量 k 导热系数（W/mK）
V 体积（m2） mf 燃料释放模型（kg/s）
Yl 成分浓度(kg/kg) P 压强（Pa）
rho; 密度(kg/m3 ) q· 辐射热流（W/m2）
Phi; 能量平差 T 温度（K）
t 时间（s）
mu; 动态黏度系数（N·s/m2）
e 内能（J/m3）
- 介绍
随着建筑技术的发展，大型商业建筑在现代城市中越来越受欢迎。它使生活条件更加方便，但也带来了新的火灾风险。这是由于大型商业建筑通常内空间大，内部易燃物品形成了一种特殊的燃料分配，即大部分货物集中储存，便于分类和运输。如果发生火灾，火灾就会迅速蔓延到这种建筑中的[1]。根据中国火灾调查表，2014年共报告火灾报警器39.5万起，造成1817人死亡，直接财产损失43.9亿元。因此，大型空间建筑火灾引起了越来越多的关注。为了使大型商业建筑的防火工作更加科学、合理和经济，人们做了大量的工作。利用Delphi、 PHOENICS等数值模拟软件[2-3]对烟流的特性等相关问题进行了研究。David等人比较了相邻房间烟雾运动的实验结果和数值模拟结果，分析了数值模拟软件[4]中的精度控制问题。David还提出了他对大型空间建筑[5]的烟雾控制方法的观点。
对大型商业中心在不同火源和不同喷雾作业场景下的安全性进行分析和评价，为建筑性能化设计提供参考。
本研究利用FDSreg;软件研究了抑制自动喷水灭火系统对大空间火灾扩散和烟雾流动的影响。建立了一个典型的大型空间商业建筑模型，并在第二节建立了6个不同火源位置和自动喷水灭火系统工作范围的火灾场景。这些防火设计的结果详见第3节。在第四部分中，我们比较了抑制式喷水灭火系统对居民疏散安全的影响。最后我们得出了结论。
- 模型公式化
2.1 FDS
FDSreg;是一种消防能量和流体流动CFD软件，由美国国家标准与技术研究所(NIST)[6]开发。该软件采用有限元体积法计算各单元的气体浓度、温度、流速。湍流可以在FDS中的大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)技术进行建模。通过计算，我们可以得到预先指定的计算点的温度、CO浓度、CO2浓度、O2浓度、烟雾运动方向等。FDS还可以模拟实际消防情况下的自动喷水灭火系统等灭火系统。
FDS基于粘性流体流动的Navier-Stokes方程，包括连续性方程、动量方程、能量方程和组成方程，如下式（1）-（4）所示。
2.2建筑和火灾模型
本文选择一个大型购物中心作为具有代表性的大型商业建筑。所选建筑长度80m，宽度60m，高度10m。作为一个中庭建筑，这个市场被分为两层。共有8个门、3部电梯、4个自动扶梯和2个逃生楼梯，如图1所示。1号门宽8m，高4m。其他大门宽2m，高4m。应急楼梯宽度1.50m，楼梯台阶深度0.4m。
在图1中，灰墙和黑色电梯采用不可燃材料，其他隔板和货物采用可燃材料，因此可通过设计的初始火源点火。具体内容详见下表1。关于这些材料的详细具体内容详见下表1，每层有4个不同的区域。这些楼层各区域的可燃材料的分布信息见表2。
图1为所研究的大型商业建筑的设计方案 (a)一楼俯视图；(b)二层俯视图。
表1可燃物燃点（℃）信息
可燃的 测试1（无喷淋系统） 测试2（无喷淋系统） 测试3（改变点火温度）
室内装饰物 160 160 280
云杉木 360 360 360
地毯 160 160 290
塑料A 370 370 370
表2.可燃材料的分布信息
一层 可燃材料 二层 可燃材料
A 6个商店 Arsquo; 银行
B 19个商店 Brsquo; 生活超市
C 3组可燃物 Crsquo; 6组可燃物
D 2家商店 Drsquo; 中庭洞
在本研究中，我们假设火源的放热速率为5000W，设计的初始火源面积为1mtimes;1m。1层火源位置为B区，二层火源位置为Brsquo;区。我们共设计了6个火灾场景，其详细信息见表3。这些火灾场景中的火灾大小都是相同的，唯一改变的参数是火灾位置。为探讨自动喷水灭火系统的影响，本研究选择了K-25自动喷水灭火系统，并改变了其在不同火灾情景下的工作范围。洒水车工作压力0.13MPa，启动温度74℃，流速10m/s。喷水灭火系统的分布形式为方形，喷水灭火间距为3m。在这里，我们使用了两种不完全工作的自动喷水灭火系统。对于方案1，洒水装置在区域E出现故障（如图1所示）。在方案2中，工作中的洒水器分布在火源上方。
- 结果和讨论
3.1热量释放
与其他建筑火灾相比，发展速度快是大型商业建筑火灾的一个特点。图2为六种火灾情景的热释放曲线。在场景1下，由于热对流的作用，在150s内火势迅速发展，HRR值也迅速上升，然后，火灾在200秒内达到了一个相对稳定的状态，并保持在300秒左右，之后HRR开始下降。对于方案2、3、4，从图2a中可以看出，喷淋系统明显抑制了热释放速率。同时，HRR值随着洒灭火系统覆盖范围的增大而减小。在情景2下，300s后的热释放速率趋于为0。在方案3和方案4下，100s后的热释放速率趋为0。而对于方案5，火源位于二楼，那里有密集的可燃材料。可以发现，火灾在100秒之前发展迅速，而在200秒到400秒之间，火灾状态保持稳定。从400s到500s，火势蔓延到一楼，并发展得更快。从600s到800s，一楼火势燃烧稳定，二层火势处于熄灭阶段。900s后，一楼的大火开始被扑灭。对比场景6和方案5，我们可以发现快速发展阶段消失了。这是因为情景6中的自动喷水灭火系统可以完全控制火灾，因此二楼的火灾规模很小。因此，方案6的HRR值在整个火灾开发过程中保持稳定。比较方案1和方案5，我们可以看到热释放速率具有类似的形状，但是延迟很短。造成这一特征的原因是可燃材料及其分布相同，但火源的位置不同。二楼的可燃材料大多为低放热塑料，因此在模拟过程中，放热总量保持在低水平。
表3不同火灾场景的信息
防火设计 火灾源位置 喷水灭火系统模式
场景1 一层 未激活
场景2 一层 部分活动1
场景3 一层 部分活动2
场景4 一层 活动
场景5 二层 未激活
场景6 二层 活动
图2 HRRPUV在6种火灾情景下的发展情况(a)及相应的烟尘浓度(b)
3.2烟雾的产生
据我们所知，超过80%的火灾中受伤是由吸入过量的烟雾造成的。因此，我们必须探索大型建筑的烟雾生产，以调查居住者的安全。火灾中产生的烟雾包括气体、颗粒物和由热解和燃烧产生的部分空气组成。在图2b中，我们展示了不同火灾情景下烟尘协调的发展情况。在情景1、2、3和4中，我们发现烟尘浓度随着有效范围自动喷淋范围的增加而减小。由于燃烧开始阶段不完全燃烧，烟雾体积迅速增加，在完全发展阶段变得稀少。对比情景5和情景6的条件，烟尘关注的发展趋势与HRR的体积变化相一致，说明烟尘关注与燃烧条件密切相关。当我们看到情景5时，也可以得出类似的结论，即火灾蔓延到一楼，烟雾量迅速增加，而作为对比，火在场景6中会持续燃烧在二楼，因此煤灰浓度的变化也很慢。对比情景4和情景6，我们发现火灾增长率对影响喷水灭火系统效果的影响至关重要，即二层可燃材料密度高于一楼，因此喷水灭火系统对二楼的控制作用有限，可以有效控制一楼火灾的发展。
3.3烟雾温度
研究发现，当温度达到65℃时，人们可以存活短时间；当温度达到120℃时，会对人体造成不可恢复的损害；当温度达到180℃，时，可以直接烧伤人体[7]。图4显示了温度50℃，200℃和500℃在100s下的六种火灾场景的等温表面，分别为橙色、灰色和绿松石。从图4可以看出，对于方案1,500℃等温面主要分布在火灾完全发展的B区（如图1所示）。而50℃和200℃的等温表面基本覆盖了其他区域。我们注意到，上温度较高，这是由于烟雾在地板[8]上积聚的原因。同时，我们注意到在窗口附近有明显的热分层，这被认为是外界冷空气冷却效应的结果。二层的50℃、200℃等温表面主要分布在Drsquo;区域，如图1b所示。在方案2中，火源上方激活9个洒水器。我们发现200℃等温表面几乎覆盖了一楼，而500℃等温表面主要分布在火源邻近区域。对比方案2和方案1，我们可以看到，在二层的50℃等温面的面积比方案1的面积要小。在方案3中，蔓延抑制明显，即500℃等温面在火源上方，而200℃等温面基本覆盖一层。由于烟雾通过D区扩散，所以50℃等温表面基本上覆盖了Drsquo;区域。在情景4中，B区域的温度控制在50℃下。在方案5中，500℃等温表面基本覆盖了二层。一楼的温度几乎没有上升。对比情景6和情景5，我们可以看到情景6中的50℃等温面比情景5中的要小，基本上覆盖了区域Arsquo;。
- （b)(c) (d)(e) (f)
图3 100s时6个火灾情景的50℃，200℃和500℃等温面快照：(a)情景1、(b)情景2、(c)情景3、(d)情景4；(e)情景5；(f)情景6
- 疏散条件
4.1疏散时间
疏散过程一般可分为三个阶段，即疏散感知阶段、疏散响应阶段和疏散操作阶段。总疏散时间是这三个阶段的时间成本之和。本文根据Ref[9]计算疏散时间，其中总疏散时间为感知时间和运行时间之和，如式（5）所示。
T=P/NB L/V (5)
其中P为疏散人数，1层、二层居住人数为400人，N为流量（本文为N=1.5p/m/s），B为出口有效宽度。需要注意的是，通往疏散楼梯的门的有效宽度为1.7m，而自动扶梯的有
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