高大空間早期火災探測試驗環(huán)境建設研究

田曉艷

(咸陽市公安消防支隊，陜西 咸陽 712000)

0 引言

室內凈空高度超過12 m的建筑場所屬于高大空間建筑[1]。此類建筑具有可燃物種類多、內部裝修材料多、火災探測難度大、易迅速蔓延形成大規(guī)模火災等特點。《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50116—2013)[2]對高度大于12 m的空間場所設置探測器作了一定規(guī)定，但其工程應用仍面臨一些問題，如：火災探測干擾源的影響及火災探測靈敏度與可靠性的矛盾問題；線型光束感煙探測器和吸氣式感煙探測器無相對全面的國家設計、施工及驗收規(guī)范；如何設計布置多種類型火災探測器以達到最佳性能的設計問題等[3]。筆者認為，嘗試建設高大空間早期火災探測試驗環(huán)境，開展實體火災試驗研究確定適合高大空間火災探測試驗的火源種類、規(guī)模及標準化測量設備布置方案，進而形成評判高大空間建筑相關探測器響應的技術條件，具有現實意義。

1 擬建設高大空間早期火災探測試驗環(huán)境

1.1 建設思路

國家標準《點型感煙火災探測器》(GB 4715—2005)[4]規(guī)定了點型感煙火災探測器靈敏度試驗(即檢驗探測器在模擬真實火災條件下的響應性能)的方法和要求，其中附錄F～J嚴格設置了標準試驗環(huán)境。參考標準試驗環(huán)境，建設高大空間早期火災探測試驗環(huán)境的思路是：首先，選取實驗室、試驗火源、標準測量設備和被測工程產品；接著，結合實驗室建筑結構和高大空間早期火災煙氣特性，設計火源種類及規(guī)模，確定標準測量設備和被測工程產品的布置；然后，開展實體火災試驗，研究可評價高大空間早期火災探測試驗的火源種類、規(guī)模及標準化測量設備布置方案；最后，采用火災動態(tài)模型軟件FDS對擬建設環(huán)境開展數值模擬，對比實體試驗，分析獲取擬建設試驗環(huán)境數值模擬的定性參數。

1.2 試驗環(huán)境設置

參考GB 4715—2005，試驗環(huán)境設置如下：(1)選取木材陰燃火、棉繩陰燃火、聚氨酯塑料火及正庚烷火4種國家標準火作為試驗火源；規(guī)模采用標準火用量及其整數倍；位置選取中心、側壁、墻角三個典型位置。(2)布置3個光學煙密度計(分設在10,12,26 m高度，測量值為減光系數m,單位dB·m-1)、1個離子煙濃度計(設在26 m高度,測量值為y)、1個熱電偶樹(距圓心7 m，由地面5～26 m，每1 m安裝一個熱電偶，測量值為煙氣溫度，單位℃)在高大空間內以地面中心為圓心、半徑為7 m、圓心角為60°的圓弧上。(3)選取線型紅外光束感煙探測器和主動吸氣式感煙探測器為被測工程產品。(4)試驗過程中門、窗關閉。綜上所述，擬建設高大空間早期火災探測試驗環(huán)境如圖1所示。

圖1 擬建設高大空間早期火災探測試驗環(huán)境

2 高大空間早期火災探測試驗環(huán)境實體火災試驗

根據試驗設計方案開展高大空間早期火災探測試驗環(huán)境實體火災試驗33次。基于篇幅所限，下文主要就中心位置的棉繩陰燃火(慢速火)和正庚烷明火(快速火)試驗結果開展分析，對試驗探測器響應特性及其評價參數暫不作探討。

2.1 煙參量試驗分析

圖2中，不同倍數(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的曲線)規(guī)模棉繩陰燃火在26 m高度處m～y曲線，試驗結果顯示：1倍曲線非常雜亂，m和y值在三個軸線周圍雜亂分布；2倍有兩條軸線；3倍存在一條垂直于x軸的軸線；唯4倍沿某軸線兩側均勻分布，并呈一定斜率穩(wěn)定增長，與標準試驗室棉繩陰燃火m～y曲線有一致性。由此得，在該試驗環(huán)境開展早期火災探測試驗時，選擇棉繩陰燃火作為標準火，至少4倍及4倍以上規(guī)模能產生與標準試驗室中標準量棉繩陰燃火同等煙氣濃度效果，進而形成評判探測器響應性能的有效條件。

圖3中，26 m高度處不同倍數規(guī)模正庚烷火m～y曲線擬合線與標準試驗室正庚烷m～y曲線相較：兩者有非常一致的趨勢，均沿著某條軸線穩(wěn)定均勻增長，說明無論何種倍數規(guī)模的正庚烷火煙氣都能上升到光學煙密度計和離子煙濃度計所布置的26 m高度，形成穩(wěn)定煙氣層，達到與標準試驗室中標準量正庚烷火同等煙氣濃度效果，使得貼頂安裝的探測器能取得理想探測效果。

(a)2倍

(b)4倍

圖3 正庚烷火26 m高度m～y線性擬合線

結合圖2、圖3也得，基于點型感煙探測器標準試驗環(huán)境建設的高大空間早期火災探測試驗環(huán)境方案是可行的，無論陰燃火還是有煙明火類火源都能產生穩(wěn)定試驗煙，測量煙霧密度的光學煙密度計和離子煙濃度計布設也是合理的，形成了高大空間早期火災探測試驗的有效支撐環(huán)境。

圖4中，10 m、12 m高度處不同倍數規(guī)模棉繩陰燃火的m～t曲線趨勢與標準試驗室棉繩陰燃火m～t曲線有較高一致性，說明可能出現一種情況：10～12 m高度范圍內，棉繩陰燃火會出現穩(wěn)定煙氣層，嘗試找到一種適用于高大空間早期火災探測，并在該高度范圍內穩(wěn)定聚集煙氣的棉繩火源規(guī)模具有意義。筆者認為，在該試驗環(huán)境10～12 m高度范圍內增加安裝離子煙濃度計，進一步開展實體火災試驗考察m～y曲線確定棉繩陰燃火規(guī)模，可獲得評判安裝高度在12 m附近探測器響應的技術條件。

(a)10 m高度

(b)12 m高度

圖5中，26 m高度處各種規(guī)模正庚烷火煙氣的m～t線性擬合線近似平行，與標準試驗室正庚烷m～t曲線高度一致，說明該高大空間環(huán)境內，2倍及2倍以上規(guī)模正庚烷火燃燒可在頂棚下方穩(wěn)定聚集煙氣層，產生與標準試驗室中標準規(guī)模正庚烷火同等煙氣效果，進而形成頂棚下方探測器響應特性的檢驗條件。

圖5 正庚烷火26 m高度m～t線性擬合線

2.2 溫度參量試驗分析

圖6中，試驗規(guī)模(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的數據)棉繩陰燃火不同高度處熱電偶測量值隨時間變化很小，最大變化幅度為1 ℃，說明該環(huán)境內熱電偶布設位置離火源位置太遠，不能有效衡量中心位置棉繩陰燃火溫度場情況。圖中煙氣溫度普遍集中在15 m高度處發(fā)生急劇變化，可能是該高度附近安裝的數據采集設備硬件散熱所致，獲取已建設環(huán)境煙氣溫度參量時應尋找方法規(guī)避此問題。

(a)2倍

(b)4倍

圖7中(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的數據)，正庚烷火煙氣從棚頂到地面的溫度差相比棉繩陰燃火隨火源規(guī)模有較大變化，溫度急劇變化位置也是集中在15 m高度處。還可看出，2倍規(guī)模以上正庚烷火煙氣均迅速上升到大空間頂部并橫向蔓延，在頂棚下方形成煙氣層，得到與圖5相同結論。

(a)2倍

(b)4倍

3 擬建設試驗環(huán)境數值模擬與實體試驗對比分析

應用火災模擬軟件FDS對擬建設高大空間早期火災探測環(huán)境開展數值模擬[5]，對比實體火災試驗，分析研究慢速火(木材陰燃火)和快速火(正庚烷火)的煙氣運動規(guī)律。

3.1 煙參量對比分析

由圖8，從趨勢上看，高大空間內10 m、12 m、26 m高度處，不同倍數(限于篇幅，本文略去1倍、2倍和4倍的曲線)規(guī)模正庚烷火煙霧濃度的模擬結果與試驗結果有較高一致性，且隨火源倍數規(guī)模增加，結果差異性不斷減小。由此得，FDS模擬能較好反映高大空間環(huán)境內正庚烷實際火災發(fā)生時煙氣濃度變化規(guī)律，兩者有較高一致性。

(a)模擬結果

(b)試驗結果

圖9中，1倍木材陰燃火煙氣濃度變化趨勢的試驗結果與模擬結果有很大差異：試驗得10 m、12 m高度處煙氣濃度在600 s之后迅速上升，并隨時間不斷變化，僅有少量煙漂移到26 m處，這是因為初始需要花費600 s用加熱盤加熱木材使其陰燃；模擬得煙氣濃度在幾十秒內迅速升至26 m。顯然FDS不能真實反映高大空間環(huán)境內木材陰燃火實際火災發(fā)生時煙氣濃度變化規(guī)律。

(a)模擬結果

(b)試驗結果

3.2 溫度參量對比分析

圖10與圖7對比：模擬得不同高度處溫度均自20 ℃隨時間呈不同程度升高，火源規(guī)模越大，隨時間開始產生劇烈變化的高度越低，總體溫度分布比較規(guī)則，而試驗測得溫度分布卻存在一定波動。分析原因之一是FDS模擬設初始環(huán)境溫度為20 ℃，而實體試驗過程中存在漏風、天氣、環(huán)境溫度變化等問題造成試驗溫度值較低且存在波動；也可能因為模擬設定穩(wěn)定火源與實際正庚烷火熱釋放速率不符造成一定差異。但從煙氣溫度隨時間隨高度變化趨勢及變化幅度上看，模擬結果與試驗結果有較高一致性，FDS模擬從某種程度上能較好反映高大空間環(huán)境內真實正庚烷火煙氣溫度場變化情況。

(a)2倍

(b)4倍

圖11中，1倍木材陰燃火模擬測得熱電偶數值幾乎隨時間無變化，相較實體試驗結果，相差很大，FDS模擬不能有效反映高大空間環(huán)境內木材陰燃火煙氣溫度場變化情況。

(a)模擬結果

(b)試驗結果

4 結論

4.1 基于點型感煙探測器標準試驗環(huán)境建設的高

大空間早期火災探測試驗環(huán)境的方案是可行的，火源種類及規(guī)模、標準化測量設備布置等應按如下要求確定：(1)4倍及4倍以上標準規(guī)模量的棉繩陰燃火和2倍及2倍以上標準規(guī)模量的正庚烷火能在頂棚下方形成穩(wěn)定煙氣層，可用于評判高大空間條件下相關探測器的響應特性。(2)測量煙霧濃度的離子煙濃度計、光學煙濃度計和測量溫度的熱電偶樹布置在以地面中心為圓心、半徑為7 m、圓心角為60°的圓弧上是合理的，熱電偶布設位置不能有效衡量中心位置棉繩陰燃火溫度場情況，在該試驗環(huán)境10～12 m高度范圍內增設1個離子煙濃度計。

4.2 高大空間早期火災探測試驗環(huán)境的正庚烷火數值模擬能較好地反映真實火災煙氣流動規(guī)律，數值模擬和實體試驗之間具有較高的一致性；而FDS模擬不能真實反映該環(huán)境內木材陰燃火實際火災發(fā)生時煙氣流動規(guī)律。

[1] 朱立平.消防工程師手冊[M].南京：南京大學出版社,2005.

[2] 公安部沈陽消防研究所.火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范:GB 50116—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[3] 本書編委會.北京奧運工程性能化防火設計與消防安全管理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 公安部沈陽消防研究所.點型感煙火災探測器:GB 4715—2005[S].北京：中國計劃出版社，2005．

[5] 張?zhí)煳?懸空式格柵吊頂場所感煙火災探測器響應及時性影響因素試驗研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院，2009.