賓館客房FDS虛擬燃料包的開發與設計

徐豐煜，張　偉

(1.三明市公安消防支隊，福建 三明　360000； 2.泉州市公安消防支隊，福建 泉州　365000)

0　引言

隨著性能化防火設計的發展以及建筑結構的日趨復雜，運用計算機模型模擬建筑內火災發展過程和煙氣運動規律，已經成為認識火災特點和開展有關消防安全水平分析的重要手段。由NIST開發的FDS場模擬軟件，能夠計算不完全燃燒狀況下CO產量，因此，可模擬通風受限室內火災，研究不同參數對室內燃燒的影響，得到了廣泛應用。影響FDS數值模擬輸出結果的因素很多，如計算區域、網格、房間尺寸、邊界條件、模擬時間、點火源、可燃物的尺寸以及屬性、可燃物的擺放位置、材料的氣相和固相屬性等。其中材料的氣相和固相屬性對模擬結果的影響最為明顯。在實際火災場景中，可燃物涉及到多種不同材料(木材、塑料、紡織物等)，每種材料所占比例以及燃燒屬性不盡相同，對火災的貢獻也不同，如氣化熱、熱值、燃燒速率、密度、點燃溫度、化學成分等。在燃燒過程中，由于通風狀況的不同，還可能出現完全燃燒和不完全燃燒的情況。為了解決材料屬性和質量分布上的多樣性，完全燃燒或者不完全燃燒出現的不確定性，提出了FDS虛擬燃料包的概念，其特點是不要求材料屬性和實際燃料包的完全一致，只要能夠模擬出試驗所確定的熱釋放速率、熱煙氣溫度以及CO、CO2產量即可，設計思路如圖1所示。

圖1　虛擬燃料包設計思路

加拿大學者E.Zalok[1-3]等對168家商業建筑進行了火災荷載調查，確定了不同類型店鋪的火災荷載密度、可燃物類型及分布，進行了若干組中等尺寸和全尺寸的燃燒試驗，將試驗得到的熱釋放速率、毒性氣體產量等數據作為設計虛擬燃料包的基礎參數。根據商業建筑可燃物分布特點，在計算機模擬中，將室內可燃物視為均勻分布。以PMMA作為基礎材料，通過不斷修改PMMA的氣相和固相屬性，使之接近于試驗結果，得到了關于電腦店、書店、鞋店、服裝店等七個虛擬燃料包。其中修改的固相屬性包括：氣化熱、燃燒熱、最大燃燒速率、材料厚度、密度、點燃溫度。修改的氣相屬性包括：烴類燃料的理想化學當量計算CO2產率、單位質量材料轉化為煙氣的百分數。具體材料屬性見表1。

表1　不同商業店鋪的虛擬燃料包參數

此類商業建筑的虛擬燃料包是一組長約1.0 m，截面0.1 m×0.1 m的長方體橫條組成的梯形分布體，其梯形分布和橫條數量都是通過和試驗值不斷對比修改來確定的。將虛擬燃料包應用于實際尺寸的商業店鋪中，可以預測火災發展特點及熱釋放速率峰值，模擬如圖2所示。

圖2　商業建筑虛擬燃料包在實際場景中的應用

1　虛擬燃料包設計

為了得到可靠的FDS虛擬燃料包，筆者首先對北京145家中檔賓館客房進行了火災荷載調查，得到了火災荷載密度、可燃物組分比例等關鍵參數，并將客房可燃物大致劃分為兩類：一是沙發和床墊的泡沫，為第一類引燃物，影響室內火災的初期階段；二是以木材為主，包含一部分塑料、泡沫，為第二類引燃物，在室內火災發展到一定階段才會被引燃。在此基礎上設計了具有代表性的燃料包[4]，如圖3所示。

圖3　實體燃料包

利用FDS模擬不同通風條件下的賓館客房燃料包燃燒規律，選擇了兩種場景作為不利情況下的火災場景(見表2)，利用四川消防研究所全尺寸房間火災綜合試驗裝置進行了房間火試驗，得到熱釋放速率、產煙量、熱煙氣溫度等數據[5]。

表2　兩組試驗的火災荷載和通風條件

為了能夠對試驗結果進行再現，設計兩個FDS虛擬燃料包，一個是“FVP”主要為泡沫，另一個是“WVP”主要為木材，含有部分泡沫。通過反復修改模擬，確定兩種虛擬燃料包的屬性如表3所示。

FDS模擬的房間尺寸采用6 m×4 m×3 m，設門和窗戶兩個通風口。鑒于之前火災場景設計的FDS模擬和試驗結果的差異性[6]，為了避免泡沫燃燒時

表3　兩種虛擬燃料包的材料屬性

HRR峰值增長過快，將“FVP”設計為1.8 m×1.2 m×0.2 m類似床墊的板狀材料，“WVP”則是由橫截面積尺寸為0.1 m×0.1 m、長度為0.8 m的條狀材料構成。考慮兩種擺放方式：(1)擺放方式1。將FVP放置在房間中心，下方擺放三排由WVP組成的堆垛物。在FVP的兩旁分別放置兩個由WVP組成的6層高的堆垛。采用丙烷作為氣體燃料，引火源位于FVP側面，靠近窗戶一側，尺寸為0.2 m×0.3 m，功率為60 kW。(2)擺放方式2。在房間中心位置放置兩個FVP，尺寸均為1.8 m×0.9 m×0.2 m，中間相隔0.2 m，下方各放置兩排由WVP組成的堆垛物。引火源位于兩個FVP之間，其余同擺放方式1，具體擺放情況如圖4、圖5所示。

圖4　虛擬燃料包擺放方式1

圖5　虛擬燃料包擺放方式2

2　虛擬燃料包模擬結果與討論

2.1　熱釋放速率

從圖6、圖7可以看出，擺放方式1能夠較好地模擬試驗1火災初期增長速率，但無法得到兩個明顯的HRR峰值。擺放方式2能較好地再現試驗1的火災初期增長曲線和兩個HRR峰值，由木垛完全燃燒產生的HRR峰值接近于試驗值，但達到時間早于試驗值。由于FDS模擬燃燒持續時間短，兩種擺放方式均無法模擬出火災衰減階段。

圖6　試驗1熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖7　試驗1熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

從圖8、圖9可以看出，兩種擺放方式都能較好地再現試驗2火災增長初期的熱釋放速率曲線，擺放方式2能較為準確地預測第一個峰值大小，但出峰的時間稍滯后于試驗值，由木垛燃燒產生的第二個峰值高于試驗值，出現的時間更早。

2.2　熱煙氣層溫度

圖10～圖13分別給出了熱電偶樹溫度的試驗值和模擬值的比較情況。兩種擺放方式都能較好地預測最高溫度，擺放方式2能更好地再現溫度變化趨勢。

圖8　試驗2熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖10　試驗1熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖12　試驗2熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

3　虛擬燃料包的應用

本文基于火災荷載調查和燃料包試驗數據得到了FDS虛擬燃料包，綜合考慮了材料屬性和周圍環境條件的影響因素，對兩組不同通風條件的試驗場景進行了模擬，能夠較好地反映熱釋放速率和溫度的變化趨勢，火災初期階段的火災增長速率均介于快速火和中速火之間，偏向于快速火，與試驗結果一致。而且，本次實體試驗采用的賓館客房燃料包，是

圖9　試驗2熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

圖11　試驗1熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

圖13　　　　試驗2熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

按照火災荷載調查結果的95th分位數設計的，代表了火災荷載最不利的情況[6]，因此可以直接應用于實際尺寸的中檔賓館客房中。綜合考慮通風條件、消防設施、房間尺寸等影響因素，進行不同火災場景設計的模擬研究，為研究賓館客房的火災發展提供了一種簡化可靠的方法。

4　結論

本文在火災荷載調查和燃料包試驗數據基礎上，設計了賓館客房的FDS虛擬燃料包，考慮了兩種擺放方式來模擬試驗中的火災場景，發現擺放方式2能較好地再現火災初期階段的熱釋放速率峰值和最高溫度，相對誤差在5%左右。但是由于FDS模擬的燃燒過程較短，兩種擺放方式均無法再現火災的衰減階段。

雖然數值模擬不能精準地再現試驗結果，但是涉及到可燃物材料屬性未知的情況下，FDS虛擬燃料包能為預測火災發展提供一種簡化的方法。要得到較為可靠的FDS虛擬燃料包輸入文件，通過火災荷載調查確定該類場所的火災荷載、可燃物類型及分布是基礎，通過合理的火災場景設計，進行全尺寸或者中等尺寸試驗得到熱釋放速率、溫度等曲線是關鍵。由此得到的虛擬燃料包可以應用于真實火災場景中，綜合通風條件、房間尺寸、消防設施等影響因素，預測不同場景下的賓館客房火災發展特征。