“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统数值模拟_甄浩艺.pdf

收稿日期：作者简介：甄浩艺（），女，河北廊坊人，中级专业技术职务。防火工程研究“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统数值模拟甄浩艺天津市武清区消防救援支队，天津 摘 要：对“三合一”场所建筑特点和火灾形势进行总结，利用 软件建立典型火灾场景模型，研究火灾发生发展规律。通过设置不同喷头工作压力和不同喷头布置间距等工况进行数值模拟，对比分析不同工况下火灾发展态势和控火效果，探讨该类场所简易自动喷水灭火系统的设置方案。结果表明：在“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统是有效的，考虑自动喷水灭火系统安装成本及水源供水实际，选择喷头工作压力为 、布置间距为 的设置方案较为理想。关键词：“三合一”场所；简易自动喷水灭火系统；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言近年来，随着市场经济的发展，不少地区的临街住宅或商铺，由原来单一功能，逐渐改建为集生产、经营、仓储及人员生活住宿等多种使用性质于一身的“三合一”场所。这些场所建设之初一般未设置完善的消防设施，疏散出口不足、内部可燃物多、物品储存杂乱、私拉乱接电线等，存在较严重的火灾隐患。年全国居住场所火灾数据显示，“三合一”场所火灾高达 万起，占到全年居住场所火灾总数的 ，造成 人遇难，占居住场所火灾死亡人数的 ，“三合一”场所已经成为亡人火灾的多发地。“三合一”场所一旦发生火灾，具有火灾蔓延速度快、人员疏散难、救援难度大等特点，因此，必须重视自动消防设施的建设。目前，国内学者对减少或消除“三合一”场所火灾隐患开展了大量理论研究。石志华认为，对国家规范没有明确要求设置室内消火栓和自动喷水灭火系统的建筑底部沿街店面，应增设消防水喉或简易自动喷水灭火设施；周白霞指出，在“三合一”场所推广应用简易自动喷水灭火系统，能有效提高该类场所的消防安全水平；李麒认为，“三合一”建筑内宜设置简易喷淋或者火灾自动报警系统，尤其对分别设置安全出口确有困难、暂时共用安全出口的场所，必须设置简易自动喷水灭火系统。根据研究情况看，提出在“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统的较多，因此开展在“三合一”场所设置简易自动喷水灭火系统的技术研究和探讨非常必要。本文通过建立典型“三合一”场所，应用 软件进行数值模拟，以寻求最佳应用效果工况，为简易自动喷水灭火系统设置提供参考。模拟场景设置在数值模拟研究中，火灾场景的设置应具有真实性、代表性和灵活性。本文以某市一典型“三合一”场所为例，利用 软件建立全尺寸仿真模型，如图 所示。模型尺寸为 ，层高，分上下两层。建筑一层大部分作为快递驿站经营，一层西侧、楼梯附近、二层东侧及楼梯附近不规则堆放由纸壳包装的快递包裹，二层西侧作为店员防火工程研究生活区，布置 张床铺及 部沙发。疏散通道方面，一层西侧卷帘门尺寸为 ，东侧窗户尺寸为 ，二层西侧窗户尺寸为 ，共 扇，其中 扇因建筑外墙有牌匾遮挡不能开启，外窗均安装有防盗窗，人员无法从窗户逃生。建筑东北角有 部楼梯连通一、二层空间。图 仿真模型侧视图 根据日常监督检查走访调研结果，对模拟场景假设如下：（）初始环境温度设置为 、风速为 ；（）一层东侧窗、二层西侧窗 开启，卷帘门全程处于关闭状态；（）参照 等网格独立性测试试验，权衡模拟准确性及模拟效率，设置网格最小尺寸为 ；（）根据最不利原则，将起火点设置在一层北墙堆放快递包裹较多处；（）火灾类型设置为 非稳态快速增长型，增长系数为 ，火源最大热释放速率设置为 ；（）模拟时间设定为 ；（）根据该类建筑火灾危险等级，考虑农村地区供水状况和系统安装成本，设置流量为 ，普通型洒水喷头；（）一、二层均设置有测温设备、浓度检测设备、能见度检测设备，考虑到该模型总体建筑面积较小，探测设备在水平方向上受位置影响可忽略不计，因此将探测设备在 平面内居中布置，探测设备设置情况如表 所示。工况设置设置 种不同工况，如表 所示，对比不同工况下火灾热释放速率、烟气温度、烟气能见度和 浓度，从而得到该类场所设置自动喷水灭火系统的最优方案。模拟结果分析 工况 模拟结果分析 热释放速率 图 是热释放速率随时间变化曲线，可以看出，火灾处于起火阶段，火势发展稳定，火灾蔓延速度相对较小，火灾在起火点附近小范围内燃烧，这个阶段是灭火的最好时机。进入火灾全面发展阶段，由于空气供应充足，火势发展迅猛，火灾范围迅速扩大，热释放速率达到最大值，此阶段极易发生轰燃。随着可燃物消耗、挥发物质减少，燃烧速度减小，热释放速率逐渐下降，最终可燃物完全耗尽，火灾结束。表 探测设备设置情况表探测设备位置坐标 烟气温度探测器一层人眼高度处 烟气温度探测器一层顶棚处 烟气温度探测器二层人眼高度处 烟气温度探测器二层顶棚处 浓度探测器一层人眼高度处 浓度探测器一层顶棚处 浓度探测器二层人眼高度处 浓度探测器二层顶棚处 烟气高度 切片 一层人眼高度处 烟气高度 切片 二层人眼高度处 烟气高度 切片建筑纵向剖面烟气能见度 切片 一层人眼高度处 烟气能见度 切片 二层人眼高度处 浓度 切片一层人眼高度处 浓度 切片二层人眼高度处 表 不同工况参数表工况单个喷头流量 喷头工作压力 喷头个数 个喷头间距 烟气温度图 中、分别代表一层人眼高度处、一层顶棚处、二层人眼高度处、二层顶棚处烟气温度随时间变化曲线，可以看出，期间，火势迅猛发展，一层人眼高度处温度最高达到 ，一层顶棚温度最高达到，二层人眼高度处温度最高达到 ，二层顶棚温度最高达到 。根据人在不同温度下耐受时间可知，当烟气层下降到与人体直接接触的高度时，对人体的危害将是直接灼伤，此时温度临界值约为 ，一、二层人眼高度处温度达到 的时间分别为、，此期间人员处于极度危险状态，必须迅速撤离火场，否则后果不堪设想。甄浩艺：“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统数值模拟期间，随着可燃物的逐渐消耗，火势逐渐减弱，温度逐渐降低，最后达到环境温度。图 热释放速率随时间变化曲线图 建筑不同位置烟气温度随时间变化曲线 烟气高度及能见度设置切片可观察到烟气高度和能见度，通过对设置在一层、二层人眼高度处烟气高度 切片分析可知，一、二层烟气分别在、下降到人眼高度处，受烟气刺激导致人眼无法睁开足够长时间，以致无法看清目标，进而影响疏散速度。对于较熟悉的场所人眼可视范围内烟气能见度低于 将对火场中人员造成伤害，由图、图 可以看出，一层在 后人眼高度处能见度除一层东侧窗口附近外全部低于 ，二层在 后人眼高度处能见度全部低于 ，由于缺少排烟设备，总通风量不足，这种状况一直持续到模拟结束。浓度据调查，火灾事故中有超过 以上受害者死于 中毒。从图 可以看出、后，一、二层 浓度分别逐渐升高。一层人眼高度处 浓度达到最大值 ，二层人眼高度处 浓度达到最大值 。根据 中毒特征，当人员处于 浓度大于 环境中超过 ，会出现头疼、头晕、视觉失常等状况，如果长时间暴露，人员将会失去意识甚至死亡，一、二层 达到该浓度的时间均在 左右。图 一层人眼高度处能见度 切片图 二层人眼高度处能见度 切片图 人眼高度处 浓度随时间变化曲线 通过上述分析可知，建筑一层危险程度明显高于二层，在未设置简易自动喷水灭火系统工况下 烟气下降到人眼高度处，烟气能见度最先达到危险值，烟气温度达到危险值，浓度达到危险值，由此可以判定烟气能见度是该类场所火灾造成人员伤亡的首要因素。根据最不利原则，假设火场人员被困一层，工况、将重点对一层人眼高度处各项数据进行对比分析。工况 和工况 对比分析简易自动喷水灭火系统启动后热释放速率、烟气温度、烟气高度及能见度、浓度均产生相对明防火工程研究显变化。热释放速率由图 可以看出，工况 与工况 相比，热释放速率明显降低，最大值由 降低到 ，但受喷淋影响，烟气流动紊乱，热释放速率产生一定波动。图 热释放速率对比图 烟气温度由图 可以看出，工况 一层人眼高度处烟气温度降低，最高温度降低到 ，与无喷淋工况相比降低了 ，平均温度不超过 ，达到 的时间与无喷淋工况相比推迟了 ，说明喷淋对火场烟气温度起到明显抑制作用。图 一层人眼高度处烟气温度对比图 烟气高度及能见度与工况 同理，工况 通过设置在人眼高度处的 切片可以看出，工况 在 之后一层烟气下降到人眼高度处，在 之后一层人眼高度处能见度全部低于 ，比工况 分别推迟了、，为人员逃生赢得了宝贵时间。浓度由图 可以看出，之前及 之后工况与工况 相比 浓度有所上升，主要原因是喷淋启动后，水和烟气混合，物质不能充分燃烧，导致 含量增加，但 浓度峰值有所减低，降低到 。定喷头间距变喷头压力工况对比分析工况 增加单个喷头压力到 ，喷头个数及布置间距保持不变。通过对比分析发现，工况 与工况 相比增加喷头工作压力，热释放速率、烟气温度及 浓度没有产生明显变化，但喷头工作压力的增加却对烟气的流动产生较为明显的影响。工况 在 烟气下降到人眼高度处，烟气能见度低于 ，分别比工况 提前了 ，由此可知，增加喷头工作压力不但不能明显控制火情，反而加速烟气下降，给该类场所人员逃生增加困难。此外，喷头工作压力的增加势必会增加系统造价，喷头工作压力不是越大越好，因此根据自动喷水灭火系统设计规范和简易自动喷水灭火系统应用技术规程 要求，将喷头工作压力设置为 即可满足要求。图 浓度对比图 变喷头间距定喷头压力工况对比分析工况 将喷头布置间距增加到，喷头个数减少到 个，喷头工作压力保持 不变，工况 与工况 相比，热释放速率和 浓度没有产生明显变化，但烟气温度、烟气高度和能见度变化明显。烟气温度由图 可以看出，之前工况、工况 烟气温度变化趋势相近，工况 烟气温度明显高于工况，温度峰值分别为、，分别出现在、，工况 烟气温度整体高于工况，但在 之前区别不明显。烟气高度及能见度工况 在 烟气下降到人眼高度处，烟气能见度低于 ，比工况 分别推迟了、。图 是工况 在 烟气高度切片，图 是工况在 烟气能见度切片，可以看出工况 在 仅有少量烟气下降到人眼高度处，在 房间中部区域能见度良好。说明在喷头压力不变的情况下，适当加大喷头布置间距，能够降低火场烟气紊乱程度，甄浩艺：“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统数值模拟延迟火灾烟气蔓延，考虑烟气能见度是影响该类场所火灾危险性的首要因素，将喷头间距增大至 ，可保证控火效果。图 工况 和工况 一层人眼高度处烟气温度对比图图 工况 一层烟气高度 切片图 工况 一层烟气能见度 切片 结论分析了“三合一”场所火灾危险性，利用 软件建立一个典型的火灾模拟场景，设置 种安装简易自动喷水灭火系统的工况，并与未设置简易自动喷水灭火系统的模拟工况进行对比，从热释放速率、烟气温度、烟气高度和能见度以及 浓度等方面，分别对不同工况下的火灾发展态势和控火效果进行了分析。通过模拟分析得出以下结论：（）针对本文设置场景，在“三合一”场所中安装使用简易自动喷水灭火系统能够在一定程度上控制火灾的发展。（）保持相同喷头布置间距，增加单个喷头工作压力，能够降低烟气温度，缩短灭火时间，但下降幅度不大，效果不明显，而且会导致 浓度升高、加速烟气紊乱程度。参照有关规范，设置喷头工作压力为 ，能够达到较为理想的控火效果。（）相同喷头工作压力下，在有关规范要求基础上适当增加喷头布置间距到 ，不但不会影响控火效果，而且能够降低烟气紊乱程度，延迟烟气高度和烟气能见度达到危险临界值的时间。综合上述分析，在“三合一”场所应用简易自动喷水灭火系统是有效的，考虑自动喷水灭火系统安装成本及水源供水实际，选择喷头工作压力为 、布置间距为 的设置方案较为理想，且能够在保证安全性的前提下兼顾经济性。参考文献：冯俊伟，梁栋，莫善军“三合一”场所火灾风险计算分析研究 科技通报，（）：，张媛，邱榕，李山玲，等 某典型三合一场所火灾的数值模拟重构 消防科学与技术，（）：遏制居住场所火灾多发势头 居民自建房已成亡人火灾多发地 （）：石志华 某“三合一”场所火灾数值重构及消防安全隐患对策 消防科学与技术，（）：周白霞 简易喷淋在“三合一”场所消防整治中应用的思考 中国安全生产科学技术，（）：李麒 三合一场所的消防管理对策探讨 武警学院学报，（）：闫业楠 基于 的高校办公楼及人员疏散模拟研究