防火型家用救生艙艙體熱環境與結構優化研究

周年勇， 陳夢夢，王　露，陳孚江

(常州大學 石油工程學院，江蘇 常州 213016)

0　引言

根據世界各國高層火災事故的調查，在火災事故發生現場瞬間受到傷害死亡的人員只占事故傷亡人數的極少部分，有相當一部分人員都是因為在高層建筑中無法及時逃離高溫、有毒有害氣體現場，導致窒息或中毒死亡的[1-2]；另外由于消防云梯上升高度受限，也有相當一部分人員即使逃離至陽臺、天臺等地方，因得不到及時救援，被高溫烘烤致死。因此，高層建筑火災救援問題引起人們的廣泛關注[3-4]，國內外部分企業及研究機構開始從事高層建筑防火救生艙的研究，其中火災高溫下艙體圍護結構的絕熱保溫設計一直是救生艙研制過程中的關鍵技術。

目前國內對家用救生艙的研究處于初始階段，相關文獻較少。楊福芹[5]提出了家用救生艙的設計概念，主要對家用救生艙艙體的整體抗震性能進行研究，利用Pro/E與AWE協同優化技術對艙體進行了優化，提升了艙體強度和剛度；王吉利[6]對家用救生艙進行較為系統的理論研究與設計，重點研究了家用救生艙的整體及關鍵部件的結構設計與優化，并分析了艙體的隔熱結構，提出加強外置有利于艙體的隔熱設計。

礦用救生艙是一種用于礦井火災、爆炸、塌方等事故后，為無法及時撤離的礦工提供一個安全的密閉空間，對外能抵御爆炸沖擊、高溫煙氣、隔絕有毒有害氣體，對內能為被困礦工提供氧氣、食物和水、去除有毒有害氣體，贏得較長的生存時間[7]。家用救生艙的圍護結構設計可以從礦用救生艙中吸取經驗，目前關于礦用救生艙的研究成果較為豐富。例如，常德功[8]提出一種礦用救生艙保溫結構，內外層分別是3 mm和10 mm厚的Q345鋼板，并在內外層鋼結構內壁貼有1層氣凝膠，中間填充80 mm厚的聚氨酯發泡材料，研究表明該保溫結構具有明顯的隔熱優勢；劉寶[9]利用Fluent軟件對礦用救生艙隔熱層厚度為20 mm和60 mm進行了隔熱性能分析，提出了改變隔熱性能救生艙思想，有效的提高了救生艙的隔熱降溫性能；李國星[10]通過Workbench對新、舊兩種類型艙體進行了熱防護性能分析，并模擬了106 h的高溫試驗，研究表明新型艙體結構具有更好的熱防護性能；陶國銀[11]通過救生艙艙體結構，構建艙體隔熱層填充材料隔熱性能測定系統，測定出復合硅酸鹽氈厚度為100 mm時，可移動救生艙隔熱性能試驗結果可行。

以上關于家用救生艙結構的研究主要集中在艙體剛度和強度方面。防火型家用救生艙的工作條件為高層火災現場——火災發生初期，火勢較小；大約5～10 min之后，火災進入猛烈狀態，此時溫度會急劇上升，時間持續的長久需考慮高層內易燃物質的多少；火災后期，溫度會慢慢冷卻，直至火被熄滅。因此，防火型家用救生艙的圍護結構，不僅需要考慮艙體結構強度，還需要考慮艙體的防火隔熱性能，其持續耐高溫能力遠遠高于礦用救生艙的設計要求。本文擬對家用救生艙的防火隔熱性能展開研究，建立家用救生艙的數值傳熱模型，提出適用于火災工況的多重保溫結構形式，并對此進行優化。

1　防火型家用救生艙艙體物理模型

在充分調研國內外研究成果的基礎上，考慮救生艙在高層住宅內部的安放位置，要求救生艙簡潔、輕便。根據RCYF系列救生艙基本參數指標，生存艙人均有效容積為0.8 m3，額定人數為3人，經計算研究，救生艙的外形尺寸2 220 mm×728 mm×1 916 mm (長×寬×高)，如圖1所示。

圖1　家用救生艙結構示意Fig.1　Schematic diagram of Home Rescue Cabin

根據不同的功能，家用救生艙劃分為2個區域，分別是保險柜、生存艙。其主要功能如下所示：

1)保險柜：用于存放用戶的貴重物品及有價證券。

2)生存艙：包含主艙門和生存艙，主艙門在避難人員進入救生艙后可阻擋有害氣體進入救生艙；生存艙是避難人員的主要生存空間，包含制冷系統、供氧系統、一氧化碳和二氧化碳凈化系統。其中，一氧化碳凈化系統主要依據貴金屬催化劑進行催化氧化；供氧系統、二氧化碳凈化系統采用一定數量的壓縮空氣瓶，既能供氧又能洗滌艙內二氧化碳等有害氣體；制冷系統是配備一定量的化學冰袋，用于人員負荷的去除。

在高溫階段的絕熱性能是家用救生艙設計的關鍵技術之一。本文擬采用多重組合絕熱手段進行救生艙的絕熱設計，艙體圍護結構由高溫防火涂層、結構用鈦合金鋼板、NIP-1050型納米微孔隔熱板、NIP-950型納米微孔隔熱板、內飾木板組成，具體如圖2所示。

1.高溫防火涂層；2.鈦合金鋼板；3. NIP-1050納米微孔隔熱板；4. NIP-950納米微孔隔熱板；5.內飾木板。圖2　家用救生艙艙體圍護結構Fig.2　Cabin building envelope of Home Rescue Cabin

1.1　材料模型

家用救生艙采用多層絕熱設計，其結構材料的特性參數如表1所示。

表1　結構材料特性參數

家用救生艙的絕熱結構最高使用溫度不低于1 000 ℃且具有阻燃、導熱系數低、密度小、可塑性的特點。目前納米微孔隔熱材料是隔熱性能最好的高溫隔熱材料，其隔熱性能優于傳統纖維類的隔熱材料3～4倍。型號NIP-1050與NIP-950的納米微孔隔熱板能夠較好地滿足家用救生艙的設計需求，其中NIP-1050型的保溫材料能夠承受不低于1 000 ℃的高溫，但是導熱系數相對較大；NIP-950型的保溫材料具有較小的導熱系數，但是不能承受800 ℃以上的高溫。2種絕熱材料[12-13]導熱系數隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3　NIP-1050與NIP-950納米微孔隔熱板導熱系數隨溫度變化曲線Fig.3　Thermal conductivity of Nano microporous thermal insulation board varied with temperature

2　艙體熱環境

火災溫度和持續時間是火災的重要指標。為了便于科學研究和制定防火規范，世界各國都依據試驗結果制定代表本國一般建筑火災發展規律的標準溫度——時間曲線。Pope[14]，Zehfuss[15]，Moss[16]等在國際標準規定的曲線上擬合出適合住宅建筑的實際溫度曲線圖，如圖4所示。

圖4　標準升溫曲線與實驗升溫曲線Fig.4　Standard heating curve and the experimental temperature curve

崔守金[17]等人調查得到了民宅、醫院、單身宿舍、會議室、辦公室、教室、圖書室、閱覽室、倉庫的火災荷載密度變化范圍，利用結果和國際標準(IS0834)[18]規定的標準火災溫度——時間曲線進行火災持續時間與溫度的估算，得出民宅建筑火災持續時間在1 h左右。楊曉璐[19]等人在城市火災救援工作提出最佳救援路線，在早高峰，火警車0.5 h左右也能到達火災現場。綜上所述，家用救生艙模擬實驗采用1.5 h的設計是有余量且合理的。

火災條件下，火焰不僅會造成周圍的空氣流動產生強烈的對流換熱，還會由于火焰自身的高溫，對周圍物體造成強烈的輻射換熱[20]，外部發射率一般選取0.9[21]，外部輻射溫度參照ISO-834火災標準升溫曲線[15]，火災下的綜合對流換熱系數具體如表2所示。

表2　火災工況下綜合對流換熱系數表

考慮普通家庭火災的持續時間，并結合城市消防救援能力，家用救生艙應能夠承受最高溫度1 000℃，且置于火災中燃燒不少于1.5 h(標準火災升溫曲線0～90 min內)，期間艙內溫度應不高于35℃[22-23]。另外，一般家用救生艙的額定救援人數為3人，人員總負荷與設備負荷相對較小，可以通過儲備一定量的化學制冷冰袋進行去除，故本文在模擬計算中只考慮火災負荷。

3　模擬結果分析

家用救生艙總體呈長方體結構。為了計算方便，本次計算將門板絕熱部分等效成周圍平板，不做特殊處理。門板做簡化處理后，使得救生艙整體結構具有對稱性，本次模擬計算取沿長度方向的1個二維截面進行計算。家用救生艙采用多重絕熱的圍護結構形式。為了獲得多重絕熱結構的最優厚度及材料之間的最優配比，本次模擬計算選取12種典型的計算工況展開分析，具體如表3所示。

3.1　最優圍護結構厚度

Case1～4的保溫材料NIP-1050板的厚度均為20 mm，NIP-950板厚度從25 mm逐漸增加至55 mm，其他材料厚度保持不變。通過觀察艙內空氣X，Y向的平均溫度、內飾表面溫度隨時間的變化曲線分析家用救生艙的多重絕熱性能。

表3　艙體模擬計算載荷工況

圖7　家用救生艙在Case 3下不同時刻艙內空氣溫度變化云圖Fig.7　The cabin air temperature changes at Case 3 different moments of the Home Rescue Cabin

圖5　艙內空氣沿X向平均溫度隨時間變化曲線(Case1～4)Fig.5 The air of cabin along the direction of X average temperature with time

圖6　艙內空氣沿Y向平均溫度隨時間變化曲線(Case1～4)Fig.6　The air of cabin along the direction of Y average temperature with time

如圖5，6所示，艙內空氣平均溫度隨時間的推移總體呈先平穩再逐漸增加的趨勢；當NIP-1050板厚度保持不變時，隨著NIP-950板厚度的增加，1.5 h后艙內空氣平均溫度逐漸降低，但是降幅逐漸減小。火災1.5 h后，艙內空氣沿X向平均溫度分別為329.1，311.0，305.0，303.8K；艙內空氣沿Y向平均溫度分別為323.1，308.9，304.2，303.8K；其中Case 1與Case 2的艙內平均溫度明顯不滿足艙內溫度不高于308K的設計要求，Case 3與Case 4能夠滿足艙內溫度的設計要求，但是Case 4比Case 3壁厚增加了10 mm，對于艙內空氣X，Y向平均溫度Case4比Case3分別降低了1.2K與0.4K。艙壁厚度的增加有利于艙體絕熱性能的提升，但是到達臨界值時，對于絕熱性能的提升十分有限，考慮家用救生艙的有效容積及經濟性，選擇Case 3作為家用救生艙的最優圍護結構厚度。

如圖7所示，火災0.5 h后，艙內空氣受內壁初始溫度的影響，略有上升；火災1 h后，救生艙內壁溫度緩慢上升至303.5 K，也意味著接下來的時間內，外部環境的火災高溫逐漸導入救生艙內；火災1.5 h后，救生艙內壁溫度上升至308 K，且在艙體邊角處溫度最高，最高溫度可達309 K，但艙內空氣整體平均溫度低于305 K。模擬結果表明，Case 3總壁厚為80 mm的艙體結構符合1.5 h內家用救生艙艙內溫度不高于35℃的設計要求。如果時間繼續推移，由于結構熱容已被完全克服，艙內平均溫度將快速升高。

3.2　絕熱材料的最優配比

在工況Case5～12中，保持兩種絕熱材料總厚度65 mm不變，NIP-1050型納米微孔隔熱板厚度從0 mm逐漸增加至65 mm，通過觀察艙內空氣X，Y向的平均溫度、內飾表面溫度隨時間的變化曲線分析家用救生艙的多重絕熱性能，如圖8所示。

圖8　1.5 h后艙內空氣與內飾表面溫度隨時間變化Fig.8　Air and interior surface temperature change with time after 1.5 hours

從圖8可知，在家用救生艙額定救援時間1.5 h后，隨著NIP-1050板厚度的增加，艙內空氣X，Y向的平均溫度、內飾表面溫度都呈先減小再逐漸增大的趨勢，其中當NIP-1050板厚度在0，5，10 mm點時下降速率較快。對上述現象進行如下解釋：結合圖9可知，NIP-1050板厚度在0，5，10 mm時，NIP-950板外側溫度都已經超過使用溫度800℃，造成材料性能迅速劣化，使得艙內溫度較高，隨著NIP-1050板慢慢替代了失效部分的NIP-950板，艙內溫度迅速下降，當NIP-950板進入使用溫度時，降幅又緩慢下降直至最低點；繼續增加NIP-1050板厚度，艙內溫度又緩慢上升，這是因為NIP-1050板雖然具有較好的耐高溫能力，但是相比NIP-950板的保溫性能較差。綜上所述，家用救生艙的多重絕熱材料不僅存在最優厚度，還存在絕熱材料的最優配比，本文當NIP-1050板厚度為20 mm，NIP-950板厚度為45 mm的情況下，救生艙艙體絕熱保溫效果最優。

圖9　1.5 h后NIP-950板最高溫度曲線(Case5～12)Fig.9　Maximum temperature curve of NIP-950 after 1.5 hours(Case5～12)

3.3　試驗結果對比

為了驗證模型的準確性，按照Case3的計算模型設計了家用救生艙的實物，并置于加熱爐內進行模擬火災試驗，如圖10～11所示，期間加熱爐內的溫度控制按照ISO-834標準火災升溫曲線0～90 min進行模擬。

圖10　家用救生艙實驗模擬Fig.10　Experiment simulation of Home Rescue Cabin

圖11　試驗后艙內部分Fig.11　Part picture of cabin after the test

如圖12所示，將試驗與Case3模擬的家用救生艙艙內空氣溫升曲線進行對比分析。

圖12　家用救生艙艙內溫度試驗數據Fig.12　The test data of cabin temperature for Home Rescue Cabin

從圖12可知，試驗曲線在3 600 s之前上升幅度較大，而模擬曲線則上升幅度較為平緩；另外在1 200 s之后，試驗曲線溫度一直高于模擬曲線溫度，1.5 h后試驗艙內的溫度達到315 K，Case3模擬溫度為307 K，試驗曲線與模擬結果的偏差在-0.016%～2.28%之間。造成計算誤差主要原因為：①試驗艙體的板材貼合不緊密，存在部分空氣夾層；②試驗艙體門框存在一定漏熱；③艙體在焊接及裝配時存在一定量的熱橋。對于高出的溫度，艙內配備應急制冷設備。因此在家用救生艙制冷系統的設計時，需要配備一定余量系數的化學冰袋確保抵消結構負荷。綜上，本次計算中采用的模擬模型完全能夠滿足工程設計需求。

4　結論

1)針對防火型家用救生艙的隔熱結構，本文提出了采用防火涂層、鈦合金、1050型納米微孔隔熱板、950型納米微孔隔熱板和內飾木板的多重絕熱結構形式。

2)防火型家用救生艙隔熱結構采用多重絕熱結構形式時，存在最優圍護結構厚度，使得滿足艙內隔熱性能要求的同時，具有較高的艙內有效容積。

3)家用救生艙的多重絕熱材料不僅存在最優厚度，還存在絕熱材料的最優配比，本文當NIP-1050板厚度為20 mm、NIP-950板厚度為45 mm的情況下，救生艙艙體絕熱保溫效果最優。

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