煙氣及排煙系統對噴淋系統的影響分析

岳煥煥

(山東省泰安市公安消防支隊，山東泰安 271000)

1 煙氣的流動分布規律和排煙系統

1.1 流動分布規律

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

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

當羽流受到建筑頂棚的阻擋后，便在頂棚下方向四周擴散，形成了沿頂棚表面平行流動的較薄的熱煙氣層，即頂棚射流。頂棚射流在向外擴展的過程中，也會卷吸其下方的空氣。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不快。當頂棚射流受到建筑墻壁的阻擋，便開始沿墻壁轉向下流。但由于煙氣溫度仍較高，煙氣下降不是很長的距離后便轉向上浮，發生反浮力壁面射流。重新上升的熱煙氣先在墻壁附近積聚起來，達到了一定厚度時又會慢慢向建筑中部擴展，不久就會在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層。

在煙氣的蔓延擴散過程中，當受到外界因素的影響時，煙氣層的流動分布規律則發生變化，如外界的風壓、送風機送出的高壓氣流及排煙機的抽吸作用，在這種情況下煙氣的流動將發生明顯的改變，從而對于以熱煙氣為啟動源的一些系統的啟動產生影響，進一步影響滅火系統的滅火效果及人員的疏散。

1.2 排煙系統

1.2.1 自然排煙是借助室內外空氣溫差引起的熱壓作用和室外風力所造成的風壓作用而形成的是內煙氣和室外空氣之間的對流運動。一般利用外窗或專用的排煙口將煙氣直接排出室外，在這種情況下，往往需要熱煙氣積聚一定的厚度，到達排煙口時才開始排煙，因此該排煙方式對火災初期煙氣的流動分布影響不明顯。

1.2.2 機械排煙是利用排煙機械設備把著火區域所產生的煙氣通過排煙口排至室外的排煙方式。通過風機進行強制排煙。據相關資料表明，一個設計優良的機械排煙系統在火災時能排除80%的熱量，使火災現場溫度大大降低。

由上述可知，自然排煙和機械排煙都會引起煙氣流動分布發生改變，在機械排煙系統中由于風機的使用，使得機械排煙對煙氣的流動分布具有更顯著的影響。

2 影響噴淋系統動作的因素

噴頭是自動噴淋系統的關鍵部件之一，是噴淋系統動作快慢的決定性因素。其結構示意圖見圖2，由圖可知，噴頭的感溫玻璃球是主要的控制元件。火災時，熱煙氣流上升，噴頭浸沒在熱氣層中，玻璃球中液體吸熱膨脹，達到玻璃的公稱動作溫度，玻璃炸裂，噴水滅火。在系統正常情況下，噴淋系統的啟動時間主要取決于噴頭的動作，噴頭的動作與多種因素有關，為了弄清這一問題，美國建筑火災研究實驗室進行了相關的研究，在其研究中認為:噴頭的感溫玻璃球體積很小，可將其視為內部溫度均勻的"薄片"，假定噴頭的感溫玻璃球是一個集熱系統且與外部沒有熱量損失，運用能量守恒方程得［2］:

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

兩組診斷結果依據腕關節不穩定情況、關節面壓縮坍塌、關節面分離、關節面骨塊3塊以上、骨折伴下尺橈半脫位、橈骨縮短、尺偏角改變等檢測項目[2]。

圖2 噴頭示意圖Fig.2 Nozzle schematic

假設對流換熱系數與自由空氣流的速率的平方根相關，溫度用與初始環境溫度T0相關的數值來表示，則(1)式可轉變為:

△Te=Te－T0，△Tg=Tg－T0，其中 u 為煙氣速率(m/s)，

τ為時間常數(s)。

對(2)進行積分:

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

3 煙氣及排煙系統對水噴淋系統的影響

3.1 煙氣對噴淋系統的影響

3.1.1 煙氣的溫度對噴淋系統動作的影響 在火災初期，煙氣的溫度越高，對流換熱越劇烈，熱輻射越強，噴頭的熱敏感元件吸熱速度越快，越容易達到噴頭的公稱動作溫度，啟動也越快。

3.1.2 煙氣流動對噴淋系統動作的影響 由于防煙及排煙設施的存在，使得煙氣的流動發生改變，如煙氣向背離噴頭的方向移動，則會延遲噴頭的動作時間，反之，則會促進噴頭的動作。

3.1.3 煙氣的溫度分布對噴淋系統動作的影響 根據煙氣的分層分布規律，煙氣的溫度分布呈下低上高狀態分布，越接近頂棚，煙氣的溫度越高。當噴頭布置在頂棚附近時，噴頭動作較快，而離頂棚越遠，噴頭動作時間會相對延遲。國內的張和平、趙建華等人在噴淋對煙氣影響這方面做了進一步研究，選取了4℃、10 ℃、20 ℃、27.8 ℃、38.9 ℃五種環境溫度，以及分別為13.5 m、10.2 m 的兩種安裝高度來研究自動噴水滅火系統的噴頭響應動作時間與環境溫度、安裝高度的關系，得出:噴頭的響應時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功率的變化而變化，二者之間變化的趨勢是一致的;在相同的溫度條件下，環境溫度越大，噴頭的動作時間越短;自動噴頭高度越小，則在相同的環境溫度條件下，噴頭的響應動作時間越短;而相反，自動噴頭高度越大，在相同的環境溫度條件下，噴頭響應動作時間就較長，環境溫度對噴頭的熱響應影響較大。實驗研究結果表明，頂棚高度為13.5 m，在最高環境溫度與最低環境溫度下，噴頭響應動作時間相差了69.5 s;頂棚高度為10.2 m，在最高環境溫度與最低環境溫度下，噴頭響應動作時間相差了 53.7 s［2］。

3.2 排煙系統對噴淋系統的影響

在火災中自然排煙系統主要是利用煙氣的熱壓作用進行排煙，對于煙氣的流動、煙氣的分布影響沒有機械排煙系統顯著。下面主要研究機械排煙系統對噴淋啟動時間的影響。

3.2.1 排煙系統在不同的建筑空間條件內對噴淋系統的影響 在小空間內煙氣比較容易積聚，到達噴頭動作溫度的時間較短，噴淋系統易于啟動;當機械排煙系統開啟后，煙氣很快排出，對于噴淋系統地啟動產生影響。在大空間內煙氣較易流散，煙氣層到達噴頭處的時間較長，相對于小空間，噴淋系統的啟動時間較晚，機械排煙系統在運行初期，對于煙氣分布的影響并不是很顯著。所以，機械排煙系統在小空間內對煙氣分布的影響比大空間內的影響顯著，進而對噴淋系統啟動時間的影響顯著。

Hinkley等研究了大空間排煙系統對噴頭動作的影響，研究結果表明，在大空間內排煙系統對噴淋系統的影響不顯著，沒有延遲噴頭的啟動時間，而在小空間內，噴頭動作時間滯后一段時間［3］。Hsieh Tung－Liang等研究了小空間內排煙系統對噴淋系統的影響，對3種不同的火源位置和2種不同的排煙類型進行了研究，實驗結果表明，對于面積小于100 m2的小空間，如果排煙量在1 cm2/min時，噴淋系統先于排煙系統啟動，更能保護人員的生命安全，同時噴淋系統噴水后，降低了煙氣的溫度，最高降幅可達煙氣平均溫度的 50%［4］。

3.2.2 排煙系統在起火部位和排煙口設置位置不同時對噴淋系統的影響 假如排煙系統先于噴淋系統啟動，起火部位不是在排煙口的正下方，火災產生的煙氣必然存在一段流動途徑才能到達排煙口排出室外，給煙氣積聚促使噴林系統啟動留有一定的時間，對延遲噴頭的動作時間的影響較小。起火部位正位于排煙口下方時，產生的熱煙氣很快通過排煙口排出，必然會延遲噴頭的動作時間。

排煙口的設置位置不同，煙氣的流動方向不同，排煙過程中煙氣的流動方向與火災蔓延方向之間的關系也會對噴淋系統啟動產生影響，如兩者的方向相反，則有可能減少噴頭的動作個數，反之，則可能增加噴頭的動作個數。圖3中描述出火災蔓延方向與煙氣流動方向相反時的噴淋系統動作的情況。因此，起火部位和機械排煙系統中排煙口的設置位置會影響噴淋系統的啟動時間。

圖3 火災蔓延方向與煙氣流動方向相反時的系統動作示意圖Fig.3 Schematic for fire spread direction in the opposite of flue gas flow

3.2.3 排煙系統在排煙量及啟動時間不同時對噴淋系統的影響 機械排煙系統的排煙量小，煙氣在短時間內不容易排除，對噴淋系統的啟動影響較小，反之，較大。排煙系統的啟動先于噴淋系統啟動時，對噴淋系統的啟動時間有一定的影響，反之，對噴淋系統的啟動時間沒有影響，而對噴頭的動作數量有一定影響。在排煙量小的情況下，盡可能實現噴淋系統先于排煙系統啟動，這樣有助于降低煙氣的溫度，進而有利于保證人員的生命安全。當然，噴淋系統的噴水會使煙氣層下降，有人員疏散也會有一定的影響。總之，要綜合考慮排煙量，噴淋系統和排煙系統的啟動時間。

4 結語

如何合理設置排煙系統和噴淋系統，需要做多方面的研究工作，根據我國的實際情況，筆者認為應有針對性的開展噴淋系統啟動滯后時間的定量研究以及排煙口設置位置的優化專項研究，便于指導工程實踐。

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

［2］朱五八，張和平，趙建華，等.高架倉庫內噴頭熱響應性能研究［J］.火災科學，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