邢哲理 龍洋波 毛 維 吉少杰 鄧非凡 李超峰

防火卷簾對防護(hù)工程火災(zāi)煙氣擴(kuò)散影響研究

邢哲理1龍洋波1毛 維1吉少杰2鄧非凡1李超峰1

（1.軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100036；2.中央軍委機(jī)關(guān)事務(wù)管理總局 北京 100120）

為討論防火卷簾對防護(hù)工程火災(zāi)時(shí)走廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散的影響，根據(jù)相似原理搭建了模型與實(shí)體比例為1:4的單室-走廊模型實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行了2個(gè)工況的模型實(shí)驗(yàn)，分析了走廊內(nèi)煙氣溫度分布，研究了不同工況條件下走廊內(nèi)CO濃度、CO2濃度及O2濃度等煙氣特性。結(jié)果表明，防火卷簾關(guān)閉后走廊中最高溫度有所降低，走廊中溫度豎向分布更加趨于一致，煙氣的熱分層穩(wěn)定性降低；卷簾門關(guān)閉后導(dǎo)致煙氣濃度發(fā)生變化的時(shí)間提前，且煙氣濃度的極值向?qū)θ藛T安全不利的方向顯著發(fā)展；建議火災(zāi)初期和人員未完全逃出防火分區(qū)時(shí)防火卷簾處于開啟狀態(tài)，當(dāng)人員安全疏散出防火分區(qū)后再關(guān)閉。

火災(zāi)；防護(hù)工程；防火卷簾；煙氣

0 引言

火災(zāi)煙氣是指火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的氣體和懸浮在其中的煙粒子的總稱，是人員傷亡的主要原因[1,2]，煙氣的高溫不僅會對人員安全造成威脅，還對設(shè)施設(shè)備、工程建筑結(jié)構(gòu)造成巨大損壞[3,4]。因此，不少學(xué)者針對防護(hù)工程、隧道等地下工程進(jìn)行了研究[5-8]。

由于火災(zāi)的破壞性，模型實(shí)驗(yàn)成為研究火災(zāi)的重要手段[9]，“單室—走廊”結(jié)構(gòu)是防護(hù)工程中非常典型的結(jié)構(gòu)樣式，美國弗吉尼亞大學(xué)的研究組搭建了“房間—走廊”結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)臺，研究了通風(fēng)受限情況下的煙氣遷移規(guī)律研究[10,11]，國內(nèi)火災(zāi)研究人員也搭建并改進(jìn)了小尺度模型實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了相關(guān)的研究[12,13]。防護(hù)工程中一般設(shè)有防火卷簾，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火卷簾的關(guān)閉會對走廊內(nèi)的煙氣溫度以及煙氣濃度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到人員的逃生。本文根據(jù)相似原理搭建“單室—走廊”模型實(shí)驗(yàn)臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究防火卷簾打開與封閉對走廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律的影響，為防護(hù)工程火災(zāi)人員逃生及消防救援工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺搭建

實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)防護(hù)工程的防火分區(qū)為原型，該原型由一個(gè)火源房間、長通道和一個(gè)煙氣擴(kuò)散房間組成。本文根據(jù)傳熱學(xué)相似理論和關(guān)鍵相似準(zhǔn)則[9]以1:4的幾何比例建立模型，依據(jù)模型率分析可得到模型與實(shí)體之間的溫度、煙氣濃度關(guān)系均為1:1，時(shí)間比例為1:2，熱釋放速率比例為1:32，火源熱值比例為1:64。模型實(shí)驗(yàn)臺走廊尺寸為15 m×0.5 m×0.75 m，火源房間尺寸為1.2 m×0.75 m×0.6 m，房間開一個(gè)高0.75 m、寬0.2 m的門，沒有窗戶，煙氣擴(kuò)散房間尺寸與火源房間相同。模型主體采用塑鋼材料，模塊化連接，可變換模型的寬度和高度，火源房間選用耐高溫鋼化玻璃材質(zhì)，以便于觀察火焰，火源房間頂部采用厚鐵皮，模塊之間連接處采用防火密封劑封堵以保證完全密封。搭建的實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。

圖1 模型實(shí)驗(yàn)臺示意圖

1.2 火源及工況設(shè)置

工況1和工況2均采用直徑14.1 cm的油池盛放200 mL正庚烷燃料作為火源，火源位于火源單室中央，其中工況1時(shí)走廊遠(yuǎn)火源端封閉，工況2時(shí)走廊遠(yuǎn)火源端打開。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括煙氣成分濃度采集系統(tǒng)、火源質(zhì)量損失速率采集系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)，本文分析只涉及溫度采集系統(tǒng)和煙氣成分濃度采集系統(tǒng)。溫度測量采用直徑0.5 mm的K型熱電偶制作熱電偶樹探測不同高度溫度值，熱電偶測量范圍為0～1300℃，測量精度為0.4%，響應(yīng)時(shí)間為10 s。經(jīng)過溫度采集模塊R-8018BL處理后通過RS-485通信總線將數(shù)據(jù)顯示在采集軟件上，數(shù)據(jù)采集軟件由VIASUAL BAISC編寫，能夠?qū)崟r(shí)的采集、觀察和儲存各測點(diǎn)處的溫度情況。

通過TESTO 310煙氣分析儀進(jìn)行一氧化碳、二氧化碳及氧氣濃度三個(gè)物理量的同時(shí)測量，氧氣的測量精度為0.2%，響應(yīng)時(shí)間為30 s，CO和CO2的響應(yīng)時(shí)間為60 s，CO的測量精度為20 ppm（0-400 ppm），5%（401-2000 ppm），10%（2001-4000 ppm）。

1.4 測點(diǎn)布置

在走廊內(nèi)由火源房間處至走廊遠(yuǎn)端共設(shè)置了5組熱電偶樹，分別距走廊的火源端0.75m(T1)、3.75m(T2)、6.75m(T3)、10.75m(T4)、14.75m(T5)，每組熱電偶樹有6個(gè)溫度測點(diǎn)，由下至上分別為1#—6#探頭，6#探頭距走廊頂端2cm，1#—6#相鄰探頭距離為14cm，1#探頭距地面為3cm。在距走廊的火源端5m處設(shè)有一個(gè)煙氣分析儀，煙氣分析儀探頭距地面高度為0.5m。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度特性分析

觀察和分析模型實(shí)驗(yàn)過程，認(rèn)為走廊封閉后增加了煙氣擴(kuò)散的阻力，熱煙氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的換熱時(shí)間增長，同時(shí)煙氣沉降速度加快，熱煙氣與冷空氣之間的卷吸作用加強(qiáng)，雖然防火卷簾關(guān)閉后走廊中最高溫度有所降低，但是走廊中溫度豎向分布更加趨于一致，煙氣的熱分層穩(wěn)定性受到抑制，認(rèn)為防火卷簾關(guān)閉后走廊中溫度分布會對人員疏散造成不利影響。

圖2 T2處溫度隨時(shí)間變化

圖3 T4處溫度隨時(shí)間變化

2.2 煙氣濃度分析

圖4～圖6所示為不同工況時(shí)一氧化碳、氧氣和二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化。觀察后可以發(fā)現(xiàn)防火卷簾對走廊中煙氣濃度的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，卷簾關(guān)閉后導(dǎo)致煙氣濃度發(fā)生變化的時(shí)間提前，并且一氧化碳和二氧化碳濃度的增長速度以及氧氣濃度的降低速度明顯加快，卷簾關(guān)閉時(shí)走廊中二氧化碳濃度在200 s最先達(dá)到臨界值2%，卷簾打開時(shí)只有二氧化碳濃度在300 s時(shí)剛達(dá)到2%，卷簾關(guān)閉對火災(zāi)初期人員疏散造成不利影響；其次，卷簾關(guān)閉后使煙氣濃度的極值向?qū)θ藛T安全不利的方向顯著發(fā)展，卷簾打開時(shí)走廊中一氧化碳和二氧化碳濃度的最大值分別為360 ppm和2%，氧氣濃度最小值為18.1%，卷簾關(guān)閉后一氧化碳和二氧化碳濃度的最大值分別達(dá)到了600 ppm和3.3%，氧氣濃度最小值降低為16.5%，卷簾打開時(shí)只有二氧化碳濃度剛剛達(dá)到影響人員逃生的臨界值（2%），卷簾關(guān)閉后一氧化碳、二氧化碳以及氧氣濃度均超過了臨界值（600 ppm、2%、17%）；最后，卷簾關(guān)閉時(shí)，走廊中煙氣成分的濃度達(dá)到極值后基本不變，卷簾打開時(shí)煙氣成分的濃度達(dá)到極值后逐漸向初始狀態(tài)恢復(fù)，火源熱釋放速率達(dá)到最大值以后，如果人員在卷簾封閉的走廊中逃生是非常危險(xiǎn)的。基于以上分析認(rèn)為，防火卷簾關(guān)閉后，走廊中煙氣分布狀態(tài)會對人員疏散造成非常不利的影響。

經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致防火卷簾對人員疏散造成不利影響的原因主要為新風(fēng)供給和排煙條件受限。工程內(nèi)沒有窗戶，卷簾關(guān)閉后，沒有了新風(fēng)供給，燃燒條件惡化，不完全燃燒產(chǎn)物增多，導(dǎo)致防火分區(qū)內(nèi)有害氣體濃度增加，煙氣也無法排出防火分區(qū)，有害氣體在走廊內(nèi)聚集，導(dǎo)致煙氣濃度達(dá)到極致后無法向初始狀態(tài)恢復(fù)，并造成走廊中煙氣分層狀態(tài)惡化，走廊中煙氣熱量和成分的擾動增強(qiáng)也增加了人員疏散的不確定性。

圖4 CO濃度隨時(shí)間變化

圖5 O2濃度隨時(shí)間變化

圖6 CO2濃度隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

基于以上分析，認(rèn)為在火災(zāi)初期打開防火卷簾比較有利于人員的疏散和逃生，尤其當(dāng)火源HRR達(dá)到最大值以后，關(guān)閉防火卷簾會對防火分區(qū)中的逃生人員造成不利的影響。因此，防護(hù)工程火災(zāi)時(shí)，建議火災(zāi)初期和人員未完全逃出防火分區(qū)時(shí)防火卷簾處于開啟狀態(tài)，當(dāng)人員均安全疏散出防火分區(qū)后再關(guān)閉。

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Study on the Influence of Fire Curtain on Fire smoke Diffusion in Protective Engineering

Xing Zheli1Long Yangbo1Mao Wei1Ji Shaojie2Deng Feifan1Li Chaofeng1

( 1.Defense Engineering Institute of PLA Academy of Military Sciences, Beijing, 100036; 2.General Administration of Organs Affairs of the Central Military Commission, Beijing, 100120 )

In order to discuss the influence of fire curtain on fire smoke diffusion in Protective Engineering, a room-corridor-room model test-bench with a ratio of 1:4 between model and entity was built according to the similarity principle, and model experiments were carried out under two working conditions. The smoke temperature, CO concentration, CO2concentration and O2concentration in smoke diffusion room and doorway corridor were compared and analyzed. The results show that the highest temperature in the corridor decreases after the closure of the fire curtain, the vertical distribution of temperature in the corridor tends to be identical, and the smoke thermal stratification stability is inhibited; the smoke concentration changes earlier after the down of the curtain, and the extreme value of smoke concentration develops significantly in a direction that is not conducive to the safety of personnel; it is suggested that the fire curtain is up at the initial stage of fire and the personnel do not completely escape from the fire prevention zones, the fire curtain will be down when all the persons evacuation.

fire; Protective Engineering; fire curtain; smoke

X936

A

1671-6612（2020）01-049-04

邢哲理（1986.9-），男，博士，工程師，E-mail：zheli86@sina.com

龍洋波（1982.4-），男，碩士，工程師，E-mail：lybisok@163.com.com

2019-05-09