胡緒鑫，李思成，劉 超，劉翔朋

(武警學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著社會經濟與城市的快速發(fā)展，住宅建筑結構形式越來越復雜，建筑房間內火災荷載大、裝修材料多。一旦發(fā)生火災，當有室外風作用時，大量高溫、有毒煙氣迅速蔓延，極易造成人員傷亡。同時，正壓送風是住宅發(fā)生火災時常用的排煙方式。因此，研究正壓送風和室外風綜合作用對住宅建筑著火房間火災發(fā)展的影響具有極其重要的意義。

室外風對室內火災的發(fā)展有一定的影響作用，田康達[1]利用FDS軟件建立臥室火災模型，通過設定不同的環(huán)境風速，研究其對火災特性的影響，發(fā)現環(huán)境風對火場起到助燃和冷卻作用，且風速越高流向下風向的熱流量越大；高為剛[2]基于FDS模型對不同功率的池火災在不同風速的迎風面和背風面作用下自然排煙效果進行數值模擬，發(fā)現迎面風對側墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用；黃村[3]利用FLUENT軟件模擬分析不同風速對單室房間火災發(fā)展和窗口溢出羽流的影響。正壓送風對室內火災發(fā)展的相關研究也有很多，Stephen[4]對裝滿家具的房間進行了一系列試驗，發(fā)現正壓送風可以略微降低室內溫度；中佛羅里達大學[5-6]的研究者通過試驗發(fā)現，正壓送風排煙是一種有效的火災撲救戰(zhàn)術，它可以有效減小室內熱量和有毒煙氣濃度。對于單室火災發(fā)展的研究大多針對室外風或正壓送風某單一情形下的火災發(fā)展的模擬和試驗研究，而火場中，很可能需要對室外風影響下的著火房間進行正壓送風排煙，排煙口可能是處在迎風面破碎的窗戶，而對于正壓送風和室外風綜合作用時，住宅建筑著火房間火災發(fā)展的模擬研究較少。

查閱相關資料發(fā)現，我國年平均風速在1.8～4.5 m·s-1之間，取室外風速2 m·s-1的情況下，依據一般住宅建筑單個房間的火災荷載，建立著火房間的物理模型。模擬排煙口處于迎風風速2 m·s-1時，采用不同的正壓送風風速對著火房間送風，通過對火災熱釋放速率、門口和窗口處的溫度、熱流量等分析，得出不同送風速度對著火房間火災發(fā)展的影響，為消防救援過程中，借助風機進行正壓送風排煙行動提供一定的借鑒和參考。

1 模型建立

1.1 火災荷載的設定

建筑火災的發(fā)生與其中存在的可燃物有密切關系，可燃物的種類、數量及分布情況對火災的發(fā)展蔓延有決定性作用，而火災荷載是指室內可燃物完全燃燒釋放出的總熱量值[7]。因此，研究著火房間火災發(fā)展，必須對其中的可燃物有一定把握。依據CIBW14中的數據[8]，以及中國建筑科學研究院和鄭州大學對住宅建筑火災荷載的調查研究，得出居民建筑火災荷載密度平均值為780 MJ·m-2，95%分位數為970 MJ·m-2。

1.2 物理模型

該房間尺寸為8.8 m×6.5 m×3 m，房門寬為1 m，高1.8 m，窗戶寬為3 m，高1.2 m，建筑內有雙人床、沙發(fā)、衣柜、梳妝臺等物品。圖1為著火房間模型圖。

圖1 著火房間模型圖

1.3 模擬設定

該著火房間在模擬時，設定網格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，模擬時間1 200 s。室內外初始溫度為20 ℃，墻壁材料為鋼筋混凝土，導熱系數為1.8 W·m-1·K-1。起火點位于枕頭上，點火功率為60 kW，100 s時撤掉。房間中家具的熱值、材料的燃點和單位面積火災熱釋放速率均按照王金平[9]的文獻資料設定。設定60 s時窗戶破碎，窗口處于迎風面，風速為2 m·s-1。消防員到場后開啟房門，放置風機，因此設置200 s時房門開啟，李思成等[10-11]研究風機最佳設置位置距房門2.5～3 m，因此，風機放置在距房門2.5 m處，尺寸為0.8 m×0.8 m，距地面0.2 m，風速分別為0，5，10，15，20，25，30，35 m·s-1。具體工況如表1所示。

表1 模擬工況設置表

2 模擬結果分析

2.1 不同風速對火災熱釋放速率的影響

圖2為不同風速下火災熱釋放速率隨時間變化圖。通過圖2上圖可以發(fā)現，在前200 s，火災發(fā)展狀況基本相同，200 s后房門打開，風機開始加壓送風，大量空氣涌入房間，火災熱釋放速率迅速上升，不同風速下的熱釋放速率發(fā)展趨勢有所差別。

火災熱釋放速率在260 s后基本穩(wěn)定，為了便于觀察，特選取180～260 s的數據放大繪圖，如圖2下圖所示。

圖2 不同風速下火災熱釋放速率變化圖

當風機風速為0 m·s-1時，火災熱釋放速率會小幅度上升至13 MW左右并趨于穩(wěn)定。上海市地方標準《民用建筑防排煙技術規(guī)程》(DGJ 08—88—2006)中規(guī)定的無噴淋的客房熱釋放量6 MW，田康達等人對環(huán)境風2 m·s-1的臥室火災模擬時，火災熱釋放速率在10 MW左右，火災熱釋放速率不同的原因是：本文中著火房間面積、送風口和排煙口面積均較大，而且房間的火災荷載大，因此，著火房間的火災熱釋放速率大。當風機風速為5 m·s-1時，火災熱釋放速率會小幅度上升至15 MW左右，然后趨于穩(wěn)定，風機風速對房間內火災影響不大，火災熱釋放速率增大了15.3%；當風機風速為10 m·s-1以上時，發(fā)生轟燃，火災熱釋放速率會迅速上升達到峰值，然后在260 s時均趨于穩(wěn)定值30 MW左右，正壓送風對火災影響很大，火災熱釋放速率增大了130.7%。由此可見，室外風和正壓送風均會助長火勢，但風機風速達到10 m·s-1以上時，火災熱釋放速率最終均趨于定值30 MW左右。

2.2 不同風速對門口處溫度及截面熱流量的影響

2.2.1 不同風速對門口處溫度的影響

圖3為不同風速下門口處溫度隨時間的變化圖。通過圖3可以發(fā)現：風機送風可以明顯降低門口處的溫度，風速越大，門口處的溫度越低；風機風速為0，5，10 m·s-1時，門口處的溫度在450 ℃左右；風機風速為15，20，25 m·s-1時，門口處的溫度在250 ℃左右，降低了44.4%；風機風速為30，35 m·s-1時，門口處的溫度在150 ℃左右，比初始降低了66.7%?？梢姡L機送風產生的風壓驅動熱煙氣向排煙口蔓延，送風口處溫度明顯降低。當風機風速為0 m·s-1時，因為室外風的作用，門口變?yōu)榕艧熆?，此時門口處溫度較高，有蔓延至走廊的危險，隨著風機風速增加，門口處溫度降低，火災蔓延至走廊的危險性降低。

圖3 不同風速下門口處溫度隨時間變化圖

2.2.2 不同風速對門口截面熱流量的影響

圖4為不同風速下門口截面的熱流量隨時間變化圖。圖中熱流量為負值，負號僅代表方向，說明房間中的熱流量穿過門口截面到走廊。

圖4 不同風速下通過門口截面的熱流量隨時間變化圖

通過圖4可以發(fā)現：當風機風速為0 m·s-1時，通過門口截面的熱流量為800 kW左右；而風機風速為5 m·s-1時，通過門口截面的熱流量為200 kW左右，減小了75%，說明此時風速可以有效阻止熱煙氣蔓延出房門；風機風速為10 m·s-1時，熱流量為800 kW左右，和風機風速為0 m·s-1時通過門口截面的熱流量相同；此后，隨著風速增加，通過門口截面的熱流量不斷增加，風機風速35 m·s-1時，通過門口截面的熱流量達到了1 400 kW。風機風速增加，使得大量熱煙氣隨著風驅動向排煙口蔓延，但是排煙口處在迎風面，2 m·s-1的室外風吹向室內，使得風機送風驅動的一部分熱煙氣回流，因為風機送風產生的錐形面并未完全覆蓋房門，因此，回流的熱煙氣通過房門上部蔓延至走廊。風速越大，通過房門上部蔓延至走廊的熱煙氣越多，風機風速15 m·s-1以下時，既可以驅動房間內部熱煙氣至排煙口，又能有效防止熱煙氣的回流。

2.3 不同風速對窗口處溫度及截面熱流量的影響

2.3.1 不同風速對窗口處溫度的影響

圖5為不同風速下窗口處溫度隨時間變化圖。通過圖5可以發(fā)現：200 s以后，風機風速在0和5 m·s-1時，風機作用不明顯，由于窗口處于迎風面，室外風通過窗戶向室內送入大量氧氣，使得窗口處燃燒產生更多熱量，導致溫度升高，風速5 m·s-1時溫度可達700 ℃；風機風速為10 m·s-1時，窗口中心溫度驟升至900 ℃，此后持續(xù)上升至1 300 ℃左右；風機風速為15 m·s-1以上時，溫度驟升至1 100 ℃，此后持續(xù)上升至1 500 ℃左右。

圖5 不同風速下窗戶中心溫度隨時間變化圖

可見，室外風的進入和風機送風使得窗口中心溫度上升，風機風速10 m·s-1以上時，溫度劇增，說明風機送風產生風壓驅動熱煙氣向窗口蔓延并形成高溫，且風速越大，驅動力越強，使得房間的火災發(fā)展蔓延速度加快，甚至有可能將高溫火焰推至窗外，造成更加嚴重的后果。

2.3.2 不同風速對窗口截面熱流量的影響

圖6為不同風速下窗口截面的熱流量隨時間變化圖。通過圖6可以發(fā)現：隨著風機風速的增加，通過窗口的熱流量不斷增加。風機風速為5 m·s-1時，由于室外風是2 m·s-1，所以通過窗口的熱流量很小，幾乎可以忽略不計；風機風速為10 m·s-1，通過窗口的熱流量為5 000 kW左右；風機風速為35 m·s-1時，通過窗口的熱流量為15 000 kW左右，是風機風速10 m·s-1時熱流量的3倍。

圖6 不同風速下通過窗口截面的熱流量隨時間變化圖

可見，風機送風使得熱煙氣向排煙口蔓延，而熱煙氣蔓延的方向一般認為是火災發(fā)展蔓延的方向。因此，風機風速越大，通過窗口熱流量越多，火災發(fā)展蔓延越迅速，而且大量高溫煙氣蔓延至窗口，會加熱窗口周圍的可燃物，促使火災進一步發(fā)展。火場排煙時，應當選擇合適的正壓送風風速，應以10 m·s-1為宜。

2.4 不同風速對頂棚溫度的影響

圖7為不同風速下頂棚(高2.8 m)800～1 000 s的等溫線圖。通過圖7可以發(fā)現：風機風速越大，房間內溫度越高，窗戶外溫度也越來越高，而門口外溫度越來越低。

(a) 風機風速0 m·s-1

(b) 風機風速5 m·s-1

(c) 風機風速10 m·s-1

(d) 風機風速15 m·s-1

(e) 風機風速20 m·s-1

(f) 風機風速25 m·s-1

(g) 風機風速30 m·s-1

(h) 風機風速35 m·s-1

可見，室外風作用下，使得房間火災不斷發(fā)展，溫度不斷升高，當風機風速為0 m·s-1時，房門成為排煙口，使得大量煙氣蔓延至走廊，頂棚溫度達到了950 ℃，非常不利于人員疏散逃生。隨著風機風速的增大，造成室內火災快速發(fā)展蔓延，溫度升高，而處在迎風面的窗口成為排煙口，窗外煙氣溫度增至1 200 ℃左右，而房門外因為風機送風作用，煙氣量減少，溫度為100 ℃左右，可有效保證走廊的安全，利于人員疏散和滅火救援行動。因此，火場中使用正壓送風控制煙氣流動非常關鍵。

3 結論

3.1 室外風和正壓送風均可以助長火勢發(fā)展。室外風2 m·s-1影響下，風機風速為0 m·s-1時，火災熱釋放速率為13 MW左右，風機風速為5 m·s-1時，火災熱釋放速率為15 MW左右，增大了15.3%；當風機風速達到10 m·s-1以上時，火災熱釋放速率會驟增而后下降并最終趨于定值30 MW左右，增大了130.7%。

3.2 對迎風面著火房間正壓送風，風速越大，風機產生的風壓驅動熱煙氣向排煙口蔓延，使得送風口處溫度越低；由于2 m·s-1的室外風的存在，加之風機送風產生的錐形面不能完全覆蓋送風口，因此造成部分熱煙氣通過房門上部流出，風機風速越大，通過門口的熱流量越多。

3.3 對迎風面著火房間正壓送風，風速越大，排煙口處溫度越高，通過排煙口的熱流量越多，風機風速為35 m·s-1時，通過窗口截面的熱流量為15 000 kW，是風機風速10 m·s-1時熱流量的3倍，熱煙氣蔓延出著火房間的可能性越大，有可能引燃窗外可燃物。

因此，當排煙口處于迎風面且室外風速為2 m·s-1時，對著火房間正壓送風，宜選擇10 m·s-1左右的風機風速。這樣，既可以有效進行火場排煙，又能防止火災蔓延出著火房間，有利于人員的疏散逃生和消防員的滅火救援。

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