岳煥煥

(山東省泰安市公安消防支隊(duì)，山東泰安 271000)

1 煙氣的流動(dòng)分布規(guī)律和排煙系統(tǒng)

1.1 流動(dòng)分布規(guī)律

在無(wú)外力干擾的情況下，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫氣體上升到火焰上方形成煙羽流。圖1是火災(zāi)煙氣在中庭中的流動(dòng)分布示意圖，由圖可見(jiàn)煙氣在著火初期的分布情況。煙羽流在上升過(guò)程中不斷卷入四周空氣，且煙羽流在上升過(guò)程中不觸及邊界面，由此形成的煙羽流為對(duì)稱煙羽流［1］。

圖1 火災(zāi)煙氣在中庭中流動(dòng)分布示意圖Fig.1 Distribvction map for fire flue gas flow in the atrium

當(dāng)羽流受到建筑頂棚的阻擋后，便在頂棚下方向四周擴(kuò)散，形成了沿頂棚表面平行流動(dòng)的較薄的熱煙氣層，即頂棚射流。頂棚射流在向外擴(kuò)展的過(guò)程中，也會(huì)卷吸其下方的空氣。然而由于其溫度高于冷空氣的溫度，這使得頂棚射流的厚度增長(zhǎng)不快。當(dāng)頂棚射流受到建筑墻壁的阻擋，便開(kāi)始沿墻壁轉(zhuǎn)向下流。但由于煙氣溫度仍較高，煙氣下降不是很長(zhǎng)的距離后便轉(zhuǎn)向上浮，發(fā)生反浮力壁面射流。重新上升的熱煙氣先在墻壁附近積聚起來(lái)，達(dá)到了一定厚度時(shí)又會(huì)慢慢向建筑中部擴(kuò)展，不久就會(huì)在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層。

在煙氣的蔓延擴(kuò)散過(guò)程中，當(dāng)受到外界因素的影響時(shí)，煙氣層的流動(dòng)分布規(guī)律則發(fā)生變化，如外界的風(fēng)壓、送風(fēng)機(jī)送出的高壓氣流及排煙機(jī)的抽吸作用，在這種情況下煙氣的流動(dòng)將發(fā)生明顯的改變，從而對(duì)于以熱煙氣為啟動(dòng)源的一些系統(tǒng)的啟動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響滅火系統(tǒng)的滅火效果及人員的疏散。

1.2 排煙系統(tǒng)

1.2.1 自然排煙是借助室內(nèi)外空氣溫差引起的熱壓作用和室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓作用而形成的是內(nèi)煙氣和室外空氣之間的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。一般利用外窗或?qū)Ｓ玫呐艧熆趯煔庵苯优懦鍪彝?，在這種情況下，往往需要熱煙氣積聚一定的厚度，到達(dá)排煙口時(shí)才開(kāi)始排煙，因此該排煙方式對(duì)火災(zāi)初期煙氣的流動(dòng)分布影響不明顯。

1.2.2 機(jī)械排煙是利用排煙機(jī)械設(shè)備把著火區(qū)域所產(chǎn)生的煙氣通過(guò)排煙口排至室外的排煙方式。通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排煙。據(jù)相關(guān)資料表明，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)械排煙系統(tǒng)在火災(zāi)時(shí)能排除80%的熱量，使火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度大大降低。

由上述可知，自然排煙和機(jī)械排煙都會(huì)引起煙氣流動(dòng)分布發(fā)生改變，在機(jī)械排煙系統(tǒng)中由于風(fēng)機(jī)的使用，使得機(jī)械排煙對(duì)煙氣的流動(dòng)分布具有更顯著的影響。

2 影響噴淋系統(tǒng)動(dòng)作的因素

噴頭是自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，是噴淋系統(tǒng)動(dòng)作快慢的決定性因素。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，由圖可知，噴頭的感溫玻璃球是主要的控制元件?；馂?zāi)時(shí)，熱煙氣流上升，噴頭浸沒(méi)在熱氣層中，玻璃球中液體吸熱膨脹，達(dá)到玻璃的公稱動(dòng)作溫度，玻璃炸裂，噴水滅火。在系統(tǒng)正常情況下，噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間主要取決于噴頭的動(dòng)作，噴頭的動(dòng)作與多種因素有關(guān)，為了弄清這一問(wèn)題，美國(guó)建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)的研究，在其研究中認(rèn)為:噴頭的感溫玻璃球體積很小，可將其視為內(nèi)部溫度均勻的"薄片"，假定噴頭的感溫玻璃球是一個(gè)集熱系統(tǒng)且與外部沒(méi)有熱量損失，運(yùn)用能量守恒方程得［2］:

Tg為煙氣溫度(℃)，Te為感溫玻璃球溫度(℃)，m為感溫玻璃球的質(zhì)量(kg)，cp為感溫玻璃球的比熱(J/kg·℃)，h為表面換熱系數(shù)(w/m2·k)，A為感溫玻璃球的表面積(m2)。

兩組診斷結(jié)果依據(jù)腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)定情況、關(guān)節(jié)面壓縮坍塌、關(guān)節(jié)面分離、關(guān)節(jié)面骨塊3塊以上、骨折伴下尺橈半脫位、橈骨縮短、尺偏角改變等檢測(cè)項(xiàng)目[2]。

圖2 噴頭示意圖Fig.2 Nozzle schematic

假設(shè)對(duì)流換熱系數(shù)與自由空氣流的速率的平方根相關(guān)，溫度用與初始環(huán)境溫度T0相關(guān)的數(shù)值來(lái)表示，則(1)式可轉(zhuǎn)變?yōu)?

△Te=Te－T0，△Tg=Tg－T0，其中 u 為煙氣速率(m/s)，

τ為時(shí)間常數(shù)(s)。

對(duì)(2)進(jìn)行積分:

在噴頭感溫玻璃球選定之后，RTI值主要受煙氣流動(dòng)速度的影響，煙氣流動(dòng)速度越大，RTI值就隨之增大，然而RTI值越大，噴頭反應(yīng)時(shí)間就越慢，反之，RTI值越小，噴頭響應(yīng)越迅速，噴頭就越靈敏。例如有的噴頭RTI值為200(m·s)0.5，在測(cè)試中實(shí)際動(dòng)作時(shí)間為63s;有的噴頭RTI值為36(m·s)0.5，在測(cè)試中實(shí)際動(dòng)作時(shí)間為11.4 s。根據(jù)(1)、(2)、(3)式中可知，噴頭的熱響應(yīng)性能主要由初始環(huán)境溫度T0，煙氣溫度Tg，響應(yīng)時(shí)間指數(shù)RTI決定。因此，噴頭的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間主要影響因素為RTI值、煙氣溫度、煙氣流動(dòng)速度。

3 煙氣及排煙系統(tǒng)對(duì)水噴淋系統(tǒng)的影響

3.1 煙氣對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響

3.1.1 煙氣的溫度對(duì)噴淋系統(tǒng)動(dòng)作的影響 在火災(zāi)初期，煙氣的溫度越高，對(duì)流換熱越劇烈，熱輻射越強(qiáng)，噴頭的熱敏感元件吸熱速度越快，越容易達(dá)到噴頭的公稱動(dòng)作溫度，啟動(dòng)也越快。

3.1.2 煙氣流動(dòng)對(duì)噴淋系統(tǒng)動(dòng)作的影響 由于防煙及排煙設(shè)施的存在，使得煙氣的流動(dòng)發(fā)生改變，如煙氣向背離噴頭的方向移動(dòng)，則會(huì)延遲噴頭的動(dòng)作時(shí)間，反之，則會(huì)促進(jìn)噴頭的動(dòng)作。

3.1.3 煙氣的溫度分布對(duì)噴淋系統(tǒng)動(dòng)作的影響 根據(jù)煙氣的分層分布規(guī)律，煙氣的溫度分布呈下低上高狀態(tài)分布，越接近頂棚，煙氣的溫度越高。當(dāng)噴頭布置在頂棚附近時(shí)，噴頭動(dòng)作較快，而離頂棚越遠(yuǎn)，噴頭動(dòng)作時(shí)間會(huì)相對(duì)延遲。國(guó)內(nèi)的張和平、趙建華等人在噴淋對(duì)煙氣影響這方面做了進(jìn)一步研究，選取了4℃、10 ℃、20 ℃、27.8 ℃、38.9 ℃五種環(huán)境溫度，以及分別為13.5 m、10.2 m 的兩種安裝高度來(lái)研究自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴頭響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間與環(huán)境溫度、安裝高度的關(guān)系，得出:噴頭的響應(yīng)時(shí)間隨著溫度升高而增大，噴頭熱敏元件溫度與熱煙氣溫度均隨著火災(zāi)功率的變化而變化，二者之間變化的趨勢(shì)是一致的;在相同的溫度條件下，環(huán)境溫度越大，噴頭的動(dòng)作時(shí)間越短;自動(dòng)噴頭高度越小，則在相同的環(huán)境溫度條件下，噴頭的響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間越短;而相反，自動(dòng)噴頭高度越大，在相同的環(huán)境溫度條件下，噴頭響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間就較長(zhǎng)，環(huán)境溫度對(duì)噴頭的熱響應(yīng)影響較大。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，頂棚高度為13.5 m，在最高環(huán)境溫度與最低環(huán)境溫度下，噴頭響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間相差了69.5 s;頂棚高度為10.2 m，在最高環(huán)境溫度與最低環(huán)境溫度下，噴頭響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間相差了 53.7 s［2］。

3.2 排煙系統(tǒng)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響

在火災(zāi)中自然排煙系統(tǒng)主要是利用煙氣的熱壓作用進(jìn)行排煙，對(duì)于煙氣的流動(dòng)、煙氣的分布影響沒(méi)有機(jī)械排煙系統(tǒng)顯著。下面主要研究機(jī)械排煙系統(tǒng)對(duì)噴淋啟動(dòng)時(shí)間的影響。

3.2.1 排煙系統(tǒng)在不同的建筑空間條件內(nèi)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響 在小空間內(nèi)煙氣比較容易積聚，到達(dá)噴頭動(dòng)作溫度的時(shí)間較短，噴淋系統(tǒng)易于啟動(dòng);當(dāng)機(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)啟后，煙氣很快排出，對(duì)于噴淋系統(tǒng)地啟動(dòng)產(chǎn)生影響。在大空間內(nèi)煙氣較易流散，煙氣層到達(dá)噴頭處的時(shí)間較長(zhǎng)，相對(duì)于小空間，噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間較晚，機(jī)械排煙系統(tǒng)在運(yùn)行初期，對(duì)于煙氣分布的影響并不是很顯著。所以，機(jī)械排煙系統(tǒng)在小空間內(nèi)對(duì)煙氣分布的影響比大空間內(nèi)的影響顯著，進(jìn)而對(duì)噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的影響顯著。

Hinkley等研究了大空間排煙系統(tǒng)對(duì)噴頭動(dòng)作的影響，研究結(jié)果表明，在大空間內(nèi)排煙系統(tǒng)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響不顯著，沒(méi)有延遲噴頭的啟動(dòng)時(shí)間，而在小空間內(nèi)，噴頭動(dòng)作時(shí)間滯后一段時(shí)間［3］。Hsieh Tung－Liang等研究了小空間內(nèi)排煙系統(tǒng)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響，對(duì)3種不同的火源位置和2種不同的排煙類(lèi)型進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于面積小于100 m2的小空間，如果排煙量在1 cm2/min時(shí)，噴淋系統(tǒng)先于排煙系統(tǒng)啟動(dòng)，更能保護(hù)人員的生命安全，同時(shí)噴淋系統(tǒng)噴水后，降低了煙氣的溫度，最高降幅可達(dá)煙氣平均溫度的 50%［4］。

3.2.2 排煙系統(tǒng)在起火部位和排煙口設(shè)置位置不同時(shí)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響 假如排煙系統(tǒng)先于噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)，起火部位不是在排煙口的正下方，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣必然存在一段流動(dòng)途徑才能到達(dá)排煙口排出室外，給煙氣積聚促使噴林系統(tǒng)啟動(dòng)留有一定的時(shí)間，對(duì)延遲噴頭的動(dòng)作時(shí)間的影響較小。起火部位正位于排煙口下方時(shí)，產(chǎn)生的熱煙氣很快通過(guò)排煙口排出，必然會(huì)延遲噴頭的動(dòng)作時(shí)間。

排煙口的設(shè)置位置不同，煙氣的流動(dòng)方向不同，排煙過(guò)程中煙氣的流動(dòng)方向與火災(zāi)蔓延方向之間的關(guān)系也會(huì)對(duì)噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)產(chǎn)生影響，如兩者的方向相反，則有可能減少噴頭的動(dòng)作個(gè)數(shù)，反之，則可能增加噴頭的動(dòng)作個(gè)數(shù)。圖3中描述出火災(zāi)蔓延方向與煙氣流動(dòng)方向相反時(shí)的噴淋系統(tǒng)動(dòng)作的情況。因此，起火部位和機(jī)械排煙系統(tǒng)中排煙口的設(shè)置位置會(huì)影響噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。

圖3 火災(zāi)蔓延方向與煙氣流動(dòng)方向相反時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)作示意圖Fig.3 Schematic for fire spread direction in the opposite of flue gas flow

3.2.3 排煙系統(tǒng)在排煙量及啟動(dòng)時(shí)間不同時(shí)對(duì)噴淋系統(tǒng)的影響 機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙量小，煙氣在短時(shí)間內(nèi)不容易排除，對(duì)噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)影響較小，反之，較大。排煙系統(tǒng)的啟動(dòng)先于噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間有一定的影響，反之，對(duì)噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間沒(méi)有影響，而對(duì)噴頭的動(dòng)作數(shù)量有一定影響。在排煙量小的情況下，盡可能實(shí)現(xiàn)噴淋系統(tǒng)先于排煙系統(tǒng)啟動(dòng)，這樣有助于降低煙氣的溫度，進(jìn)而有利于保證人員的生命安全。當(dāng)然，噴淋系統(tǒng)的噴水會(huì)使煙氣層下降，有人員疏散也會(huì)有一定的影響?？傊C合考慮排煙量，噴淋系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

如何合理設(shè)置排煙系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，需要做多方面的研究工作，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為應(yīng)有針對(duì)性的開(kāi)展噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)滯后時(shí)間的定量研究以及排煙口設(shè)置位置的優(yōu)化專(zhuān)項(xiàng)研究，便于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

［1］劉芳，胡斌，付祥釗.中庭煙氣流動(dòng)和煙氣分析［J］.國(guó)外技術(shù)介紹，2000，30(6):42～47

［2］朱五八，張和平，趙建華，等.高架倉(cāng)庫(kù)內(nèi)噴頭熱響應(yīng)性能研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2004，13(2):95～98

［3］P.L.Hinkley.The Effect of Smoke Venting on the Operation of Sprinklers Subsequent to the Fist Sprinkler［J］.Fire Safety，1989(14):221－240

［4］Hsieh Tung－Liang，Chien Shen－Wen，Chung Kee－Chiang.The Effect of Smoke Vents on The Sprinklers in a Small Compartment［J］.J Applied FireScience，2002－2003，11(2):91－119