基于數值模擬的迷你倉消防設計研究

陳　全

(廣東省公安消防總隊 防火監督部，廣東 廣州 510640)

0　引言

迷你倉是指用于儲存的小型倉庫。倉庫內可根據客戶的不同需要，提供從小型衣物放置到大型物品儲藏的各種型號的儲藏室[1]。迷你倉在國外發展相對成熟，美國8.96%的家庭是迷你倉的用戶，全球最大的迷你倉公司Public Storage在2014年營業收入達到22億美元[2]，從2012年開始，“迷你倉”在中國大陸經過前期的摸索和市場嘗試，已經在北京、上海、深圳、廣州等大城市逐步發展并成熟起來，隨著國內房價的飛速上漲，居住面積和使用面積的矛盾逐漸凸顯，迷你倉在國內的需求也越來越高，由此看來，迷你倉產業作為新興產業，在國內有高速發展的趨勢。迷你倉在方便生活起居的同時，其帶來的火災隱患也不容忽視，香港是國內最早引入“迷你倉”這個概念的城市，但2016年6月21日香港工業大廈的迷你倉火災事故為其消防安全敲響了警鐘，“6.21”大火持續燃燒長達108 h，造成重大社會影響。

目前對倉儲類火災研究成果主要集中在大型倉庫類建筑，余華等基于倉庫火災統計數據，總結了倉庫火災特點并提出防范對策措施[3]；蔣永清等通過數值模擬的方法，對高架倉庫進行火災煙氣運動和控制方案研究[4]；王國棟等通過全尺寸實驗，分析了消防設施對倉室火災控制效果，實驗結果表明：依規范設計的消防措施能夠有效控制火災[5]；劉濤等通過對比倉庫火災的實驗和數值模擬結果，進一步驗證了數值模擬技術在倉庫火災模擬中的有效性[6]。由此可見，目前對大型倉儲火災研究已經相對完善，但尚未對小型、種類復雜的迷你倉的火災危險性以及防火措施等消防設計相關內容進行研究。本文對多地的迷你倉及其消防安全性進行了實地調研，采用數值模擬的方法對迷你倉的排煙系統、儲柜間距等進行分析，旨在為迷你倉的消防設計及運行提出合理化建議，降低迷你倉火災事故的風險，保障公眾人身財產安全。

1　迷你倉火災風險分析

通過對廣東、北京、香港等地部分迷你倉現場調研發現，現有迷你倉中，大部分設置在民用住宅建筑或公共建筑的地下空間，且倉內可燃物數量多、種類多，其火災荷載、火災復雜性以及撲救難度均大于普通民用建筑以及同類的地上建筑，主要火災風險總結如下：

1)由于迷你倉的業主為不同人群及個體，單個迷你倉可達上百個存儲柜，因此倉庫內所存放的物質種類較多，并且無法對全部存儲物品的火災危險性進行全面的判斷。

2)迷你倉面對客戶對象主要為城市居民以及企業組織等，目前迷你倉的服務對象中，家庭約占60%左右，企業和組織約占40%左右[7]。家庭用戶主要存放家具、衣物及其外包裝等物品。

3)企業用戶主要存放紙張、辦公用品等物品，因此其儲存物質多屬丙類固體，在空氣中受到火焰和高溫作用時能發生燃燒，即使移走火源，仍能繼續燃燒，具有一定的火災危險性[8]。

4)由于其多設置在經改造后的民用住宅建筑或公共建筑的地下空間，建筑內部僅配置滅火器，未設置機械排煙系統、自動噴水滅火系統等消防設施。

5)迷你倉的大小從幾平米到幾百平米不等，建筑面積小而體積較大，而消防部門出于便民利民考慮，對于300 m2以下的場所是不用進行消防設計審核和驗收的，因此此類場所缺失源頭審批、監管[8]，留下了先天隱患。

6)目前沒有專門適用于迷你倉的設計防火規范和標準，只能參照丙類倉庫的防火要求來設防，但是迷你倉建筑規模很多達不到規范要求的設置自動滅火系統標準，大多未設置自動滅火系統，這是香港“6.21”火災難以撲救的原因之一。

7)設置分散，各種寫字樓、工業園區、廠房、倉庫內都可以設置，甚至違規設在違章既有建筑、住宅建筑內，既分散又隱蔽，難以監管，消防投入不足，多火災隱患。

鑒于上述情況，除應在源頭上確定審批制度、加強監管外，還應研究分析迷你倉火災特點及消防技術要求，為建立相關標準提供支持。因此，本文選擇影響火災風險的重要因素—排煙系統、儲柜間距進行研究，探索迷你倉的消防解決方案。

2　研究方法與參數設置

2.1　研究方法與研究對象

受條件限制，實體火災實驗難以實施，本文主要采用消防行業認可并經實體實驗驗證的FDS軟件進行火災煙氣蔓延特點、輻射通量計算等分析。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，基本控制方程為質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及狀態方程[9]。

研究對象為廣東某地下迷你倉建筑：建筑內部尺寸為20.0 m×12.0 m×3.5 m；無外窗，在東西兩側設有2個外門；內部設置四橫兩縱的通道；儲柜沿墻和建筑中部布置(中間區域設置6排儲柜)，上下2層，單個儲柜的規格為1.0 m×1.0 m×1.6 m；內部無火災自動報警系統、無自動滅火系統和防排煙系統，只放置滅火器。該迷你倉的現場照片和數值計算模型如圖1、圖2所示。監測點布置如圖2所示，A，B測點位于火源兩側橫走道內部中間位置，主要監測參數為煙氣層高度；C，D測點位于火源所在橫走道與兩側縱向走道交叉位置，主要監測參數為能見度；E點位于火源對側儲柜外表面幾何中心位置，主要監測參數為溫度；F點位于火源上方儲柜與著火儲柜相接觸表面的幾何中心位置，主要監測參數為溫度。

圖1　迷你倉現場Fig.1　Photo of mini-storage

圖2　迷你倉FDS模型Fig.2　FDS model of mini-storage

2.2　前提假設

結合迷你倉的特點和現場調研情況，進行數值模擬分析時做以下幾點假設[10-11]：

1)儲柜在鎖閉狀態下時，空氣流通條件較差，故假設火源位置儲物柜處于打開狀態；火災發展簡化為快速t2火,并且忽略陰燃階段。

2)迷你倉內部存儲物質多為衣物等日常用品或檔案等辦公用品，假定此類物品的燃點與棉麻及紙張類物質類似，為130℃[12]。

3)儲物柜材質一般為金屬，設其比熱為0.46 kJ/(kg·K)，導熱率為45.8 W/(m·K)。

4)內部儲柜的布置與研究對象一致，單個儲柜規格為1 m×1 m×1.6 m。

5)迷你倉附設在建筑物地下，除2個門外，無其他開敞條件。

2.3　參數設置

該迷你倉內儲存物質多為丙類固體，建模時按照實際情況設置可燃物荷載，并采用固體燃燒模型對迷你倉內的火災荷載進行計算，如式(1)[13]。

Q=ρνpAΔHc

(1)

式中：ρ為可燃材料的密度，kg/m3；νp為燃燒線速度，m/s；A為可燃物與空氣接觸的表面積，m2；ΔHc為燃燒熱，MJ/kg。

依據實地火災荷載數量和相應物品燃燒速度估算，該迷你倉的火災規模約1.0 MW；模擬時，采用計算火源特征直徑的方法[14]，將網格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m的網格；火災增長方式選擇快速t2，主要參數如表1所示。

表1　基本參數設置Table 1　Basical parameter settings for simulated fire conditions

2.4　模擬工況

為分析排煙系統、儲柜間距對迷你倉火災發展的影響，主要設置不同的儲物柜間距、不同的排煙量，以得到合理的儲柜布置方式和排煙量大小。考慮到現場儲柜可能的布置方式，模擬時設置1.0，1.5和2.0 m 3種布置間距。排煙系統主要考慮有排煙和無排煙2類工況。設置排煙系統時，依據規范要求[15]，排煙量設定為60 m3/(h·m2)，考慮到迷你倉內火災荷載較高，且小空間的蓄煙能力有限，本文同時模擬了120 m3/(h·m2)的煙控效果，即為規范中同時負擔2個防煙分區時排煙系統的排煙量。排煙口對稱布置在走道上空。共設置5種工況，如表2所示。

表2　各工況的參數設置Table 2　Parameter settings for simulated fire conditions

3　數值模擬分析

3.1　機械排煙對火災發展的影響分析

3.1.1機械排煙對煙氣層高度的影響

圖3為不同機械排煙量下A，B測點位置的煙氣層高度變化圖。通過對比分析煙氣層高度曲線可知：煙氣層高度在前150 s內急劇下降，當未設置排煙設施時，A，B兩測點的煙氣層高度均在150 s內下降至2 m；A測點的煙氣層高度明顯高于B測點，在未設置排煙設施時，A測點的煙氣層高度在1.8 m左右波動，B測點的煙氣層高度在1.3 m左右波動；煙氣層的高度隨著排煙量的增大而升高，60 m3/(h·m2)的排煙方案能夠將A，B兩點的煙氣層高度分別控制在2.2 m和1.6m左右，120 m3/(h·m2)的排煙方案能夠將A，B兩點的煙氣層高度分別控制在2.5 m和2.0 m左右。原因在于火災發生后，煙氣向上蔓延并充滿上部自由空間，隨后在走道內快速沉降；由于A測點與門口距離較近，存在一定自然排煙條件，因此A測點的煙氣層高度明顯高于B測點；機械排煙系統啟動后，部分高溫煙氣由室內排出，使得煙氣層高度上升，隨著機械排煙量的增大，煙氣層高度升高越明顯。

圖3　排煙量不同時煙氣層高度變化Fig.3　Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

3.1.2機械排煙量對火災蔓延的影響

圖4為排煙量不同時，火源上方儲柜(F點)以及火源對側儲柜(E點)的溫度變化曲線。由圖4可知，3種工況下，火源上方儲柜在120 s左右均被引燃；工況4對火源上方儲柜溫度影響較小，而工況5對火源上方儲柜溫度有明顯影響，使其溫度下降20%左右。原因在于火源上方儲柜受到下部火源的加熱，導致上部儲柜快速升溫，因此內部可燃物很容易被引燃。由圖4可知，隨著排煙量的增加，儲柜溫度明顯降低，工況4的排煙方案可以有效地將儲柜溫度降低到自燃點130℃以下，工況5的排煙方案可以有效地將儲柜溫度降低到100℃以下。原因是與火源上方儲柜相比，對側儲柜與火源間的距離較遠，所受輻射能較少，同時，機械排煙將高溫煙氣快速排出，煙氣層難以沉降，使得儲柜與煙氣層距離較大，降低了熱煙氣對火場內的熱輻射作用，從而減少了高溫煙氣對儲柜的熱輻射作用。

圖4　排煙量不同時火災蔓延情況Fig.4　Changes of fire spread under different mechanical exhaust rate

3.1.3機械排煙對能見度的影響

圖5為C，D兩點在1.6 m高度處能見度變化的均值曲線，由該曲線可以看出，能見度在100～170 s迅速降至10 m以內，其中工況1的能見度在180 s左右下降至2 m以內，最終穩定在0.5 m左右，工況4的能見度在220 s左右下降至2 m以內，最終穩定在1.3 m左右，工況5的能見度未出現低于5 m的情況。能見度急劇下降的原因是火災初起時，煙氣在上部空間彌漫，待上部空間充滿后逐漸向下沉降，由于室內下部自由空間減小以及火災在142 s時開始達到全盛階段，煙氣在走道內快速沉降，從而降低能見度。由于以上特點以及排煙規律，當排煙量為60 m3/(h·m2)時，僅能排出頂部空間以及少量的走道區域的煙氣，當排煙量為120 m3/(h·m2)時，排煙量足以排出頂部空間煙氣，并能排出大部分走道區域煙氣，因此排煙量的加大對能見度影響較大。

圖5　排煙量不同時能見度變化Fig.5　Changes of visibility under different mechanical exhaust rate

3.1.4小結

從本節分析可以看出，由于迷你倉內部結構特點，使得煙氣在室內頂部蓄積后迅速下降，降低室內能見度的同時引燃走道對側儲柜，因此危險性較大，需加設機械排煙設施，從而達到安全要求。結合不同排煙方案對煙氣層高度的影響，120 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于2 m以上，能見度維持在5 m以上，而60 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于1.5 m左右，能見度維持在1.3 m以上，由此可以看出，機械排煙量的增加使得高溫煙氣得以快速排出，煙氣層高度、能見度以及火災蔓延情況得到明顯改善。因此，地下迷你倉儲建筑采用120 m3/(h·m2)的排煙方案可有效降低火災規模擴大風險，保障人員安全疏散。

3.2　儲柜間距對火災蔓延的影響分析

如圖6所示，走道對側儲柜的表面溫度在120 s后增長迅速，當走道兩側儲柜間距為1 m時，火災發生260 s后，火源對側E位置的儲柜達到自燃點130℃；當儲柜間間距加大至1.5 m后，E處儲柜表面最高溫度不超過100℃。原因在于火災發生后，對側儲柜的熱量交換主要受火焰以及火場內高溫煙氣熱輻射作用的影響，火災初期階段，由于火勢較小，儲柜所接收的輻射能較少，在120 s時火源的熱釋放速率已經達到火災規模的67%，隨著儲柜熱量的積聚以及火災規模的增大，儲柜表面溫度迅速增長。可見，走道兩側儲柜間距的增大可顯著降低輻射熱強度，從而降低火災蔓延風險。

圖6　儲柜間距不同時火災蔓延影響Fig.6　Changes of fire spread under different distance between two lines of lockers

4　結論

1) 設置排煙系統可大大降低迷你倉火災蔓延風險，當設置機械排煙系統時，120 m3/(h·m2)的排煙量對火災蔓延及發展有明顯抑制作用。

2) 為降低迷你倉內火勢的蔓延風險，走道兩側儲柜之間的距離不宜小于1.5 m。

3)受條件所限，目前僅采用消防行業認可的數值模擬軟件及相關方法對迷你倉進行研究，下一步可通過實體實驗進行相關驗證。

[1]關博陽．基于RS-485總線的迷你倉溫度和時間采集與控制系統的設計[D]．天津：天津大學，2014．

[2]王燕紅，萬鵬里．基于互聯網+的物流迷你倉發展運營探索[J]．物流工程與管理，2016，38(5)：71-72.

WANG Yanhong, WAN Pengli. Based on the "Internet Plus" logistics mini warehouse operations to explore development[J]. Logistics Engineering and Management,2016,38(5):71-72.

[3]余華，何學秋．倉庫火災特點、原因及防范對策探討[J]．中國安全生產科學技術，2005，1(5)：85-87.

YU Hua, HE Xueqiu. Discussion about characteristics, reasons and contermeasurs of warehouse fire[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2005,1(5):85-87.

[4]蔣永清，劉芳，馬德仲．高架倉庫火災煙氣運動和控制數值模擬研究[J]．中國安全科學學報，2010，20(2)：35-40.

JIANG Yongqing, LIU Fang, MA Dezhong. Numerical simulation on the movement and control of smoke in large high rack warehouse fire[J]. China Safety Science Journal,2010,20(2):35-40.

[5]王國棟，范志剛，史聰靈，等．機械排煙與水噴淋對倉室火災控制效果的實驗研究[J]．消防科學與技術，2005，24(5)：539-541.

WANG Guodong, FAN Zhigang, SHI Congling, et al. Experimental studies on efficiency of mechanical exhaust and water sprinkler system in compartment fire[J].Fire Science and Technology,2005,24(5):539-541.

[6]劉濤，楊培中，談迅，等．某倉庫火災實驗與數值模擬對比[J]．消防科學與技術，2010，29(2)：91-95.

LIU Tao, YANG Peizhong, TAN Xun, et al. Comparison of numerical simulation and a fire experiment in storehouse[J]. Fire Science and Technology,2010,29(2):91-95.

[7]安錦. 迷你倉——物流模式新探索[N]. 中國航空報,2013-09-19(T03).

[8]中華人民共和國公安部.建筑設計防火規范: GB50016-2014[S].北京：中國計劃出版社,2015.

[9]呂辰，吳宗之，王天瑜，等．中智地下車庫火災煙氣流動規律數值模擬分析[J]．中國安全生產科學技術，2016，12(1)：107-110.

LYU Chen, WU Zongzhi, WANG Tianyu, et al. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):107-110.

[10]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator(Version 5)- User's Guide[R].USA:NIST, 2010.

[11]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator (Version 5)- Technical Reference Guide[R].USA:NIST, 2009.

[12]陳鵬. 典型木材表面火蔓延行為及傳熱機理研究[D]. 合肥：中國科學技術大學, 2006.

[13]衛文彬，劉松濤，劉文利．高層建筑典型房間及共享空間火災溫度場分布規律[J]．河南科技大學學報(自然科學版)，2015，36(5)：68-72.

WEI Wenbin, LIU Songtao, LIU Wenli. Fire temperature field distribution of typical rooms and shared spaces of high-rise buildings[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science,2015,36(5):68-72.

[14]余明高, 陳靜, 蘇冠鋒. 不同防排煙方式下車廂火災煙氣運動的數值模擬研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2017, 13(2):119-125.

YU Minggao, CHEN Jing, SU Guanfeng. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2017,13(2):119-125.

[15]公安部上海消防研究所,上海市消防局. 建筑防排煙技術規程: DGJ08-88-2006 [S] .上海：上海市新聞出版局,2006.