基于FDS 的幼兒園簡易噴淋應用研究

邴震

（山西轉型綜合改革示范區晉中開發區機械園南街消防救援站，山西 晉中 030600）

近年來，幼兒園火災事故頻發，事故造成損失慘重，社會影響較為惡劣。幼兒園人員組成十分特殊，主體為幼齡兒童，其自我安全保護意識較差，逃生能力較弱，對危險的辨識和應對能力較差，人員疏散存在很大問題。同時，幼兒園中高聚物塑料、棉麻、紙張等易燃物品較多，發生火災蔓延較為迅速。因此，有效的防控手段對幼兒園火災的控制與人員安全十分重要，尤其在固定設施方面，簡易自動噴水滅火系統（又稱“簡易噴淋”）可以成為當下幼兒園火災防控手段中較為有效的一種。

1 幼兒園火災特點及相關防火規范

幼兒園火災情況復雜，造成巨大損失的原因多種多樣，但進行總體歸納，可以歸結為以下三個原因：①人員意識較差，安全管理不足。近年來，幼兒園的需求增多，其開辦審批流程與難度大大簡化，導致其在監督管理環節變得較為薄弱，部分幼兒園存在麻痹大意的思想，忽視在幼兒園開辦過程中的消防安全管理，使得人員的消防安全意識較為淡薄。幼兒園的教師大多為女性，在危急時刻容易驚慌失措，并且由于大部分教師未認真進行過消防培訓或相關演練，各種消防安全管理措施流于形式。②消防設施及部分消防設置不符合規范。在幼兒園火災中，部分消防設施無法正常啟用，導致火災迅速蔓延，同時，部分幼兒園的教室、宿舍的消防器材并沒有定期檢查、及時維護，其可靠性存在較大問題。③幼兒自我防護能力差，疏散時間較長。由于幼兒園中兒童自我防護能力較差，逃生意識與逃生技能不足，行動能力較為遲緩，導致其疏散時間較長，引發嚴重后果。

在幼兒園的防火設計中，除了防火劃分、疏散、滅火設施等要求外，對于噴淋系統的設置，在GB 50016—2014《建筑設計防火規范》中有明確規定，8.3.4 中規定，下列單、多層民用建筑或場所應設置自動滅火系統，并宜采用自動噴水滅火系統：5.大、中型幼兒園，總面積大于500 m2的老年人建筑。因此，對于自動噴水滅火系統在幼兒園的設置，建筑設計防火規范有較為明確的要求。但實際工程中，由于常規自動噴水滅火系統造價較高，維護困難，構造復雜，使用存在較多問題。

2 簡易自動噴水滅火系統及相關標準

簡易噴淋系統是指由K系數為115 的快速響應或K系數為80 的標準響應噴頭、管道以及供水設施組成的噴淋系統。簡易噴淋系統構造簡單，由消防水箱、噴頭等組成。其原理是充分利用城市自來水、高位消防水箱和室內消火栓系統來保證系統自動噴水滅火。一是工程規模不宜太大，應控制在1 000 m2以下；二是樓層不宜太高，應控制在3 層及以下；三是作為標準自動噴水滅火系統的補充，對國家消防技術規范沒有規定，而火災危險性又比較大的小型人員密集場所，推廣設置簡易自動噴水滅火系統。

簡易自動噴水滅火系統在設置上暫時沒有相關的國家標準，在北京、四川、上海等地均有相關地標。以北京市地方標準DB 11/1022—2013《簡易自動噴水滅火系統設計規程》為例，其中規定如下，3.0.2 新建、改建、擴建的民用建筑以及既有建筑中的下列場所可設置簡易自動噴水滅火系統：2.總建筑面積大于500 m2且小于等于3 000 m2的托兒所、幼兒園、醫院病房樓、門診樓及手術部、老年人建筑等類似場所。因此，簡易噴淋適合應用于幼兒園場所，且因為其造價低廉，易于推廣。

3 FDS 火災模擬軟件及火災場景設計

本文利用的Fire Dynamics Simulator（火災動力模擬，簡稱“FDS”）軟件，是由美國國家標準局建筑火災研究實驗室開發的一款模擬軟件。該軟件基于場模型，將火災區域劃分為若干個小型的網格，通過對網格的火災動力學計算，從而反映整個火災場景的火災變化規律。FDS 軟件由于其較強的火災推演能力，真實的場景再現和擴展性能，使其在火災模擬中應用十分廣泛。

本文充分考慮工程實際及計算機處理性能，將模型進行簡化，根據《建筑設計防火規范》要求，設計幼兒園某一宿舍。其中，網格尺寸劃分為40×40×27=43 200 個，房間尺寸為10 m×10 m×2.7 m，簡易噴淋設置9 個，房間中設置床鋪42 個，其材料設置為木材及棉花，模擬時間為500 s，假想場景為因違規使用電取暖引燃床鋪，觀察場景模擬結果。場景示意如圖1 所示。

圖1 幼兒園模擬場景示意圖

4 幼兒園火災數值模擬結果及簡易噴淋效果分析

將火災數值模擬分為兩個場景，分別模擬不加裝簡易自動噴淋滅火系統的幼兒園宿舍和加裝了簡易自動噴淋滅火系統的宿舍，將兩個場景的同一時刻進行對比，可以得出某一時刻簡易自動噴淋系統的效果，將燃燒全過程進行對比，則可以得出整體簡易自動噴淋系統的控火滅火效果。其中，為了方便計算，取兒童高度1 m 位置處為數據采樣點，分別測量這一高度處的溫度、能見度、CO 濃度的指標。

4.1 煙氣擴散過程

燃燒整個過程區域分為可燃物質區、火焰區、間斷火焰區與熱煙氣區，其中，熱煙氣層隨火羽繼續從冷空氣層卷席空氣并向頂棚傳遞，熱煙氣層體積不斷增大，冷熱分層界面不斷向地面下降。

煙氣中裹挾著大量的碳顆粒以及大量的有毒有害氣體，隨著燃燒過程，其煙氣濃度增加，體積增大，從頂部開始下沉。煙氣層下降十分影響疏散，影響疏散時行人的視力。經過模擬可得煙氣層圖，通過讀取模擬數據可知熱煙氣在150 s左右沉降至1 m 處，嚴重影響人員的疏散與人員的人員安全。

由于本模型存在一通風口，因此部分熱煙氣隨著通風口擴散至室外，如果通風口更小的話，其煙氣沉降的程度將會更加明顯，對人群的威脅程度更高。

4.2 溫度場變化規律

火災溫度場與煙氣場分布大致相同，由于存在側面開口，其燃燒屬于燃料控制型燃燒，不存在轟燃等情況，火焰分布規律較為明顯。取起火點正上方0.5 m 處的觀測點數據，其溫度變化規律如圖2 所示。

圖2 起火點上方0.5 m 測點溫度變化

從圖中可以很明顯地得出，該點燃燒溫度隨時間呈單駝峰分布，從室溫20 ℃，發展至201 s 時的790 ℃。隨著較易燃燒的棉制品燃盡后，剩余木材進行較為緩慢的燃燒。

由模擬過程分析可知，在無噴淋的情況下，局部溫度最高可達800 ℃以上，并隨火焰進一步向四周蔓延。燃燒最終導致表層棉織物在320 s 時全部燃盡。

4.3 CO 濃度變化分析

在燃燒過程中，對人的危害最大的莫過于未充分燃燒產生的CO 氣體。CO 氣體濃度越高，對人的危害就越大，當其濃度高于0.01%時，對人體會產生極大的危害，會使人產生頭暈、嘔吐的癥狀，影響人員疏散。由模擬可知，在177 s時，危害區域已經開始擴大，在200 s 時，距地面1 m 處的CO 濃度已經到達影響人正常疏散的濃度，此時危害極大。

4.4 簡易噴淋啟動及作用

當室內加裝簡易噴淋后，其對于熱煙氣分布、溫度場分布、CO 濃度的影響都很大。從第40 s 第一個噴頭開啟，至模擬結束，整個室內的最高溫度為320 ℃，相比較不設噴淋的920 ℃，最高溫度大大降低。同時也降低了燃燒最猛烈的時間，從200 s 推遲到了270 s，如圖3 與圖4 所示。為人員疏散贏得了寶貴的實踐，也為人員安全提供了較高的保障。同時，從整個燃燒過程來看，在500 s 時，加裝簡易噴淋的場景，棉織物仍有未燃燒的部分，而未加裝的場景，則在400 s 已全部燃盡。

圖3 加裝簡易噴淋270 s 溫度分布圖

圖4 未加裝噴淋200 s 溫度分布圖

從燃燒物體表面的溫度場來看，在280 s 時，物體表面溫度已降至50 ℃以下，可以認定，火災已被有效控制。

從同一時刻的CO 濃度來看，在未加裝簡易噴淋的場景中，240 s 時CO 濃度已達到0.04%，在加裝噴淋的場景中，240 s 的CO 濃度才達到警戒濃度0.01%以上，為人員的疏散與撤離贏得了寶貴的時間。

綜上所述，簡易噴淋在熱煙氣濃度的降低、火場溫度的降低和CO 濃度的影響都是較大的，能有效控制火勢，為人員疏散與撤離和滅火行動開展提供了有力支持。

5 結論

利用FDS 數值模擬軟件對某幼兒園場景進行了火災場景模型的建立，通過對其火災發展情況進行模擬以及簡易噴淋作用效果進行研究，得出了以下結論：①根據計算結果可以推知，幼兒園場景火災發展過程及其迅速，其在煙氣擴散、溫度變化，CO 濃度變化均可看出，其火災蔓延及其迅速，火勢猛烈，難以控制，尤其是對于幼兒的人員疏散，時間更為緊迫；②通過對簡易噴淋的效果看來，簡易噴淋可以降低火場溫度，控火滅火效果較好，能夠阻止火勢進一步發展蔓延，從而降低火災損失，保障幼兒的生命安全。

結合實際情況與工程造價，簡易自動噴水滅火系統造價低廉、安裝簡便，通過模擬，在幼兒園場景中具有良好的控火與滅火效果，應當在幼兒園中進行進一步的推廣，從而降低幼兒園火災損失，保障人民生命財產安全。