室內步行街火災煙氣溫度和蔓延速度的試驗研究

蔡碧合,王 輝,焦 澳,郭筱瑩,陳 健,張梅紅,丘華生,鄭春林,范傳剛

(1.衍菓(廈門)科技有限公司,福建 廈門 361101;2.福建建工集團有限責任公司,福建 福州 350001;3.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075;4.福建省建筑設計研究院有限公司,福建 福州 350001;5.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100020;6.廈門市消防救援支隊,福建 廈門361012;7.中國建筑第四工程局有限公司,廣東 廣州 510665;8.海峽建工集團有限公司,福建 福州 350001)

近年來,隨著社會經濟和城市化建設的飛速發展以及人們對物質文化需求的日益增長,諸如大型購物商場、地下商業街等綜合體建筑應運而生,而室內步行街則是綜合體建筑中最具代表性的結構之一。室內步行街能夠集購物、娛樂、休閑、觀光等功能于一體,給人們的生活帶來了便利和舒適。但與此同時,室內步行街內可燃物眾多、人員密集,又存在特殊的狹長結構,且多與建筑中庭空間連通,一旦發生火災,往往會導致建筑內局部溫度急劇升高,同時火災產生的高溫煙氣會快速在整個建筑內蔓延且難以排出,極易造成大規模的人員傷亡和財產損失。2010年,吉林市暉春街商業大廈發生重大火災,由于“煙囪效應”使火災煙氣迅速蔓延至整個建筑,導致火災迅速蔓延擴大,最終造成19人死亡、24人受傷;2012年,天津市薊縣萊德商廈空調超負荷工作形成電氣火花引發大火,事故造成10人死亡、16人重傷。綜合體建筑火災的危險性不言而喻,其消防安全問題也引發了廣大學者的高度關注[1-7]。

控制火災煙氣流動是室內步行街火災研究的重要課題,設置合理的防煙分隔和機械排煙系統是限制室內步行街火災煙氣蔓延的重要方式[8-11]。田浩等[12]通過對某室內步行街火災煙氣蔓延途徑進行數值模擬來評估其火災危險性,提出了防排煙系統性能化設計解決方案,并驗證了消防設計的可靠性;Huang等[13]通過火災模擬軟件FDS研究了地下商業步行街火災的煙氣流動和人員疏散狀況,比較了必需疏散時間(REST)和可用疏散時間(AEST),并根據性能化設計的思想提出了疏散安全等級的評價方法;趙志遠[14]通過FDS建立了某室內步行街模型,系統地研究了不同位置排煙口、火源功率、樓板開洞率以及回廊劃分形式和長度對火災煙氣蔓延和控制的影響,提出了室內步行街火災下機械排煙系統的開啟方式,并得到了有利于提高排煙效果的防煙分隔設置形式;宗周文等[15]分析了不同工況下某商業綜合體內火災煙氣中一氧化碳(CO)濃度、溫度、能見度等參數的變化,得到了火災初期煙氣危險性主要為能見度下降的結論;薛偉等[16]采用數值模擬的方法研究了某地下商業街不同機械排煙模式下火災煙氣的控制效果,從排煙速率、非起火區排煙的開啟狀況等不同角度分析了排煙效率的變化,并提出適當增加補風口的面積能改善排煙效果的結論;胡浪等[17]采用實體火災試驗的方法研究了某室內商業步行街中庭火災煙氣的沉降速率和蔓延范圍,并通過比較自然排煙模式和機械排煙模式對火災煙氣的控制效果,給出了實際消防應用中排煙系統開啟模式的優化方案;張梅紅等[18]通過熱煙試驗法研究了自然排煙模式和機械排煙模式中的三級排煙模式對室內商業步行街火災煙氣的限制效果,并指出回廊排煙在火災煙氣控制中的重要性。

由于全尺寸火災試驗對人力、物力、場地的高要求,前人的工作中對室內步行街火災煙氣蔓延和控制的研究多依賴于數值模擬方法,但實體火災試驗能夠更加真實地反映火災發展和煙氣流動狀況。因此,本文開展了室內步行街全尺寸火災試驗,旨在研究不同排煙模式下火災煙氣溫度和煙氣蔓延速度的變化規律,探討現有防煙和排煙設備的可靠性,為室內步行街火災的發展態勢和危險性評估以及為防排煙系統性能化設計提供依據。

1 全尺寸火災試驗

1.1 試驗布局與工況設置

室內步行街是綜合體建筑中的主要結構之一,如圖1所示。此次室內步行街全尺寸火災試驗在某綜合體建筑內開展(圖2),步行街內試驗區域涉及步行街主街(包括中庭和回廊)以及回廊東側的一個房間,用來模擬室內步行街商鋪的火災煙氣蔓延狀況。步行街主街為直線型,整體長為154 m、寬為17 m;其中回廊寬度為4 m,吊頂下高度為2.8 m;1號、2號和3號中庭沿南北方向依次排布,高度均為19.8 m。房間由東西、南北方向的兩條走道交匯構成,吊頂下凈高度為2.8 m,如圖3所示。其中,東西方向走道長為35 m、寬為4 m,東側盡頭為防火門,試驗時保持關閉,走道西側通過兩個寬分別為1.6 m和2.6 m的門洞與步行街主街回廊連通,門洞高度均為2.6 m;南北方向走道長為6.5 m、寬為3.1 m,南側與東西側走道相通,北側通向一個長為20 m、寬為9 m的空間。

圖1 某室內步行街圖(圖片來源:作者自攝)Fig.1 Photo of an indoor pedestrian street (Taken by the author)

圖2 步行街內試驗區域Fig.2 Experimental region in the indoor pedestrian street

圖3 房間內火災試驗布局Fig.3 Fire experimental layout in the room

室內步行街中通常設置機械排煙系統,并采用房間、回廊和中庭組合的三級排煙模式,因此本試驗共設置4組工況,以火災煙氣自然蔓延工況為對照組,研究房間排煙模式、房間與中庭組合排煙模式以及房間與回廊組合排煙模式下的火災煙氣蔓延特征和控制效果,試驗工況的詳細信息見表1。

表1 試驗工況設置

試驗房間內東側走道和北側走道各設有一處擋煙垂壁,與西側門洞所設計的防火防煙設施共同構成一個防煙分區(為了研究房間火災煙氣向步行街主街的蔓延情況,試驗時西側門洞保持敞開),試驗主要在該防煙分區內展開。該防煙分區內設有兩處排煙口(圖3),房間排煙口1位于西側門洞處,房間排煙口2位于北側擋煙垂壁處,尺寸均為1 m×1 m,在工況2、3、4的試驗中兩個排煙口同時開啟,設計排煙量為15 000 m3/h。在與該防煙分區相鄰的回廊上設置有一個尺寸為0.8 m×1 m的排煙口,設計排煙量為15 000 m3/h,在工況4的試驗中與回廊的活動式擋煙垂壁共同開啟。與試驗房間相鄰的是3號中庭,其頂部南北兩側共安裝有5個尺寸為1 m×0.8 m的機械排煙口,在工況3的試驗中全部開啟,設計排煙量為107 000 m3/h。系列試驗期間,點火后隨即啟動機械排煙系統,環境溫度始終維持在18 ℃左右,每兩次試驗間隔期間開啟機械排煙系統排煙,待環境條件恢復到初始狀態再進行下一組試驗。

1.2 火源設置與數據采集系統

此次全尺寸火災試驗采用《防排煙系統性能現場驗證方法 熱煙試驗法》(GA/T 999—2012)[19]中規定的標準熱煙試驗法,火源設置在東西、南北方向走道交叉口處,如圖3所示。熱煙試驗裝置包括置于承水盤中的燃燒盤和緊靠燃燒盤的發煙裝置,其中燃燒盤選用A1規格,每次試驗注入16 L 95%乙醇作為燃料,設計火源功率為0.34 MW;在承水盤中注入適量冷卻水以確保試驗安全性,同時保證燃燒盤不會飄浮;試驗發煙材料選用煙餅,燃燒產生的煙氣通過獨立的發煙爐引導至火源上方。此外,由于試驗房間較為狹小,在燃燒盤上方及四周墻壁處放置了防護板進行保護,以避免火焰高溫對周圍墻壁及天花板飾面材料造成損傷,而防護板的設置會對火災煙氣的初始上升階段有所遲滯,但不會影響火災煙氣整體的蔓延發展過程。本次試驗全部采取自然補風方式,為了減少環境風對試驗的影響,僅開啟步行街南側遠端大門作為補風口,其余位置的補風口均保持關閉。

此次全尺寸火災試驗的溫度測試系統采用0.4 mm K型熱電偶與深華軒SH-64通道多路溫度測試儀,41個熱電偶以火源為中心沿東西、南北方向交叉布置在房間和回廊天花板下方2 cm處(圖3),用于測量房間天花板下方煙氣溫度的變化。在南北方向走道上,沿走道中軸線在天花板下方共布置了16個熱電偶,其中有5個熱電偶安裝在擋煙垂壁北側;在東西方向走道上布置的26個熱電偶貫通整個走道及西側門洞外的回廊,其中有4個熱電偶安裝在擋煙垂壁東側,熱電偶之間的間距均為1 m。

2 試驗結果與討論

2.1 房間天花板下方火災煙氣溫升變化

研究房間天花板下方火災煙氣溫升的變化能夠為建筑防火設計提供參考,同時也能夠為火災時人員安全疏散提供指導。房間內火災先后經歷了加速燃燒階段、穩定燃燒階段和熄滅階段:示蹤煙氣在火災熱浮力的驅動下先上升,到達防護頂板后向天花板運動,火災煙氣在加速階段不斷蔓延積聚,發展至穩定燃燒階段后形成穩定煙氣層,但受南側墻壁的限制,火災煙氣主要沿東側走道、北側走道及西側門洞進行蔓延,火災煙氣蔓延出西側門洞后向相鄰的回廊空間和3號中庭擴散,如圖4所示。

圖4 在不同方向上火災煙氣的蔓延現象Fig.4 Fire smoke movement phenomena in different directions

圖5和圖6分別給出了不同工況下火源東西、南北方向上近火源、回廊、東側走道、東側擋煙垂壁后、北側走道、北側擋煙垂壁后等走道典型位置處火災煙氣溫升隨時間的變化曲線。

圖5 不同工況下火源東西方向上走道典型位置處火災煙氣溫升隨時間的變化曲線Fig.5 Fire smoke temperature rise curves with time at typical positions of the channel in the east-west direction of the fire source under different conditions

圖6 不同工況下火源南北方向上走道典型位置處火災煙氣溫升隨時間的變化曲線Fig.6 Fire smoke temperature rise curves with time at typical positions of the channel in the north-south direction of the fire source under different conditions

由圖5和圖6可以看出:

1) 在整個試驗中,火災煙氣溫升曲線的變化趨勢是相似的,無論機械排煙系統是否開啟,火災煙氣溫升均先后經歷了上升、在一定范圍內波動以及降低3個階段,與上文中所述火災發展的3個階段相一致。在火源的穩定燃燒階段,火災煙氣溫升在一定范圍內波動變化,視為火災煙氣溫升的穩定階段;在不同機械排煙模式下,火災煙氣溫升穩定階段的狀況也有所不同,主要體現在火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間以及煙氣溫升值的變化。

2) 火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間受到機械排煙系統開啟模式的影響,同時與火災煙氣蔓延方向以及距火源的距離有關。在自然蔓延條件下(工況1),不同方向上、距火源不同距離的火災煙氣溫升具有相似的穩定階段,距火源的距離對火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間的影響很小,但西側門洞外遠處較為特殊,由于回廊空間開闊,火災煙氣在回廊上蔓延時的熱損失相對房間內較高,火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間略晚。對于不同機械排煙模式(工況2、3、4),火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間在相同的位置上是相似的,但在不同方向上、距火源不同距離處存在著一定的差異;火源正上方煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間與自然蔓延條件下保持一致,而火源兩側位置火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間相較自然蔓延條件下滯后,東側和北側走道火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間滯后程度相近,但低于西側門洞內、高于西側門洞外;擋煙垂壁后火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間與擋煙垂壁前保持一致,說明擋煙垂壁對其基本沒有影響。機械排煙作用下火災煙氣溫升穩定階段在點火后的出現時間的變化與火災煙氣蔓延速度相關,相同方向上工況2、3、4中3種不同機械排煙模式下火災煙氣的蔓延速度相近,而在不同方向上東側和北側走道火災煙氣的蔓延速度相近,但西側門洞方向上火災煙氣的蔓延速度較低,具體變化將在下節中詳述。

3) 不同排煙模式下穩定階段內火災煙氣溫升值的變化同時體現在火災煙氣溫升值隨時間的波動以及總體煙氣溫升值的大小,這兩方面的變化也與距火源的距離有關。在自然蔓延條件下,穩定階段內火災煙氣溫升值的波動幅度整體較小;當機械排煙系統開啟時,整體上尤其是房間內火災煙氣溫升值在穩定階段內的波動幅度明顯增大,這是由于房間內氣流流動增強導致的;而在北側和東側擋煙垂壁后以及西側門洞外火災煙氣溫升值相對較低[圖5(a)、5(f)和圖6(d)],這些位置受到擋煙垂壁以及距離的限制,機械排煙系統的開啟對上述位置處火災煙氣溫升值的影響較小,因而這些位置處穩定階段火災煙氣溫升值的波動幅度增加較小。

4) 當機械排煙系統開啟時,整體上尤其是房間內天花板下方火災煙氣溫升值相較于自然蔓延條件下有所升高;而在北側和東側擋煙垂壁后以及西側門洞外火災煙氣溫升值相較于自然蔓延條件下有所降低。

對于此次試驗中的典型位置,引起火災煙氣溫升值變化的原因主要有兩個方面:火源功率的變化和機械排煙系統的影響。火源功率的增大會使火災煙氣溫升升高,而機械排煙系統的開啟會使火災煙氣溫升降低。前人的研究指出,可以通過火源的燃料/通風當量比φ來判斷火源燃燒是受燃料控制還是通風控制,φ的計算公式如下[20-22]:

(1)

(2)

式中:a、b、c分別為燃料分子式CaHbOc中碳、氫、氧原子的個數。

(3)

(4)

此次試驗區域房間的通風口主要為北側走道開口和西側門洞,面積分別為8.68 m2和10.92 m2,由上述公式可計算得到此試驗火源的燃料/通風當量比φ= 6.95>1,由此判斷此次試驗火源燃燒是受通風控制的。需要說明的是,由于通風條件的限制,乙醇的燃燒效率可能會有所降低,但不影響最終的試驗結果。按照開啟房間機械排煙系統(工況2)、同時開啟房間機械排煙系統和3號中庭機械排煙系統(工況3)、同時開啟房間機械排煙系統和回廊機械排煙系統(工況4)的順序,房間內氣體流動強度不斷增大,通風條件得到改善,因而其火源功率不斷增強,導致房間內天花板下方火災煙氣溫升不斷升高;而在北側和東側擋煙垂壁后以及西側門洞外,機械排煙系統對火災煙氣的冷卻和限制作用要顯著高于其對火源功率的提升作用,因此這兩個位置處火災煙氣溫升有所降低。

2.2 火災煙氣蔓延速度變化

圖7給出了東、西、北三個方向上到火源不同距離處火災煙氣的蔓延速度。本研究中以熱電偶溫升發生突變的時間作為火災煙氣前鋒到達該位置的時間,據此計算不同位置處火災煙氣的蔓延速度,并求取距火源不同距離處火災煙氣蔓延速度的平均值作為其整體的火災煙氣蔓延速度,如圖7中實線部分所示。

圖7 不同工況下東、西、北三個方向上到火源不同距 離處火災煙氣的蔓延速度Fig.7 Fire smoke movement velocities at different distances to the fire source in the estern, western and northern directions under different conditions

由圖7可以看出:受火源上方防護板對火災煙氣運動延遲作用的影響,火災煙氣在各個方向上3 m范圍內(以灰色區域進行標識)的蔓延速度計算值均偏小,因此在計算整體火災煙氣蔓延速度時未將在各個方向上3 m范圍內的數據考慮在內。

試驗中待火源燃燒穩定后,通過手持式熱線風速儀每間隔1 min對東側和北側走道擋煙垂壁處的火災煙氣蔓延速度進行了測量,并將測量結果與通過火災煙氣溫度變化計算得到的火災煙氣蔓延速度進行了對比,以驗證上述計算方法的準確性,其結果如圖8所示。

圖8 不同工況下火災煙氣蔓延速度測量值與計算值的對比Fig.8 Comparison between measurement and calculation results of fire smoke movement velocity under different conditions

由圖8可以看出:東側和北側走道擋煙垂壁兩個位置處火災煙氣蔓延速度的測量值隨時間均有一定程度的波動,但同時均與通過火災煙氣溫度變化得到的計算值保持良好的一致性,說明本文所采用的計算方法是可靠的。

上述試驗結果表明:在自然蔓延條件下,火災煙氣沿東側走道的蔓延速度最高,北側走道次之,而在西側門洞方向最低,但絕對值差別不大;火災煙氣在越過西側門洞邊界進入相鄰回廊后,火災煙氣蔓延速度顯著降低。火災煙氣蔓延速度的變化與其蔓延方向上建筑的結構形式有關,火災煙氣蔓延為熱浮力驅動,煙氣的熱能轉換為前進的動能,其蔓延速度的大小取決于其在蔓延途徑上的熱量損失。分析認為:東側走道相對密閉,火災煙氣在運動過程中的熱量損失較低、溫度較高,因此火災煙氣蔓延速度較高;而北側走道空間相對開闊,且末端通向大空間,火災煙氣在運動過程中的熱量損失升高、溫度降低,因而火災煙氣蔓延速度降低;西側門洞方向空間最為開闊,火災煙氣在進入回廊后在沿原方向蔓延的同時會發生水平擴散,與周圍環境和空氣進行大量的熱量交換,因而火災煙氣沿西側門洞方向的蔓延速度最低,且在進入回廊后火災煙氣蔓延速度發生了顯著降低。但由于此時尚未有機械排煙系統的影響,火災煙氣與環境的熱交換并不劇烈,因此火災煙氣在各個方向上的蔓延速度絕對值差別不大。

在開啟機械排煙系統的工況下,火災煙氣蔓延速度的變化是機械排煙系統和火源功率共同作用的結果。一方面,機械排煙口的開啟會誘導火災煙氣向其運動,并將煙氣快速排出,限制煙氣在房間內部以及向更大范圍的蔓延,但對不同方向上火災煙氣蔓延的限制效果與排煙口與火源的相對位置有關;另一方面,由于房間火災為通風控制火災,機械排煙系統的開啟會改善房間內通風狀況,促進火源燃燒,提升火源功率,加快火災煙氣的蔓延速度。

房間排煙口1和2分別位于西側及北側遠端(圖3),因此在東側走道方向上機械排煙系統對火災煙氣蔓延的限制效果最強,火災煙氣蔓延速度下降了約20%,但3種機械排煙模式下火災煙氣的蔓延速度非常接近。這是由于隨著機械排煙模式的變化(工況2至工況4),機械排煙系統對火災煙氣蔓延的限制效果增強,但同時也導致了火源功率的不斷升高,兩者的綜合作用表現為不同的機械排煙模式對火災煙氣蔓延的限制效果基本相同。

而在北側走道方向,與火源距離較近的房間排煙口1對火災煙氣蔓延表現出較強的限制作用,北側走道上房間排煙口2對火災煙氣蔓延表現為促進作用,通風條件的改善促進了火源燃燒,對火災煙氣蔓延同樣表現為促進作用,在三者的綜合作用下,3種機械排煙模式下的火災煙氣蔓延速度仍非常接近,但總體上相較自然蔓延條件下略有降低,下降了約6%。

對于西側門洞方向,由于房間排煙口1位置的特殊性,機械排煙系統對火災煙氣蔓延更多地表現為促進作用,尤其在相鄰中庭排煙口(工況3)和相鄰回廊排煙口(工況4)與房間內排煙口同時開啟工況下,火災煙氣更多地被引入回廊區域,結合火源功率的提升,火災煙氣蔓延速度表現出一定程度的升高;但由于3號中庭排煙口位置較高,對回廊上火災煙氣蔓延的影響較弱,回廊排煙口對附近火災煙氣蔓延的影響較強,卻受到活動式擋煙垂壁的限制,因此這兩種機械排煙模式下火災煙氣蔓延速度相近,相較于自然蔓延條件下升高了約19%。

需要注意的是,在任意方向和任意機械排煙模式下,火災煙氣均能越過擋煙垂壁繼續向防煙分區外蔓延,且擋煙垂壁的存在均未對火災煙氣蔓延速度產生進一步的限制作用[圖7(a)和(b)],但機械排煙系統的作用使外溢火災煙氣量和濃度明顯降低。如圖9所示,在自然蔓延條件下,房間內火災煙氣層厚度較大,火災煙氣在蔓延至擋煙垂壁后發生了繞流,火災煙氣繞流現象明顯并不斷向遠端蔓延,擋煙垂壁未能對火災煙氣蔓延形成限制,基本沒有改變火災煙氣的蔓延速度;當機械排煙系統開啟時,大量火災煙氣通過排煙口被排出,火災煙氣蔓延受限,但房間內火災煙氣層仍存在一定的厚度,火災煙氣在運動至擋煙垂壁時仍可越過擋煙垂壁繼續蔓延,此時擋煙垂壁仍未對火災煙氣蔓延速度產生影響,但火災煙氣繞流現象明顯減弱,火災煙氣濃度明顯降低。由此可見,擋煙垂壁和機械排煙系統的協同作用未對防煙分區外火災煙氣的蔓延速度體現出進一步的限制作用,兩者對火災煙氣的控制效果更多體現為降低火災煙氣的濃度。

圖9 不同機械排煙模式下北側走道處火災煙氣越過擋 煙垂壁的現象Fig.9 Phenomena of fire smoke flow around the smoke barrier in the northern channel under different mechanical smoke exhaust modes

3 結 論

本文通過開展一系列全尺寸火災試驗,研究了不同機械排煙模式下室內步行街火災煙氣溫度和蔓延速度的變化規律。本試驗中共設置了4種機械排煙模式,分別為火災煙氣自然蔓延、開啟房間機械排煙口、同時開啟房間機械排煙口和中庭機械排煙口以及同時開啟房間機械排煙口和回廊機械排煙口。主要的研究結論如下:

1) 房間內天花板下方火災煙氣溫升隨時間的變化存在明顯的穩定階段,開啟機械排煙系統會使其穩定階段在點火后的出現時間延后,從而得到更多的可用疏散時間。

2) 房間內火災燃燒模式可以通過計算燃料/通風當量比φ來判斷,本試驗中火源為通風控制,當機械排煙系統開啟時,房間內通風條件改善使得火源功率增大,導致房間內天花板下方火災煙氣溫升總體升高。

3) 火災煙氣在狹長密閉空間的蔓延速度要明顯高于開闊空間,機械排煙系統對火災煙氣蔓延速度的限制作用應綜合考慮機械排煙模式、排煙口與火源的相對位置以及火源功率的變化。

4) 現有擋煙垂壁和機械排煙系統協同作用可有效降低火災煙氣濃度,但難以進一步限制火災煙氣向防煙分區外蔓延的速度,因此在進行防排煙設計時需要改進防煙分隔設施,以提高其限制火災煙氣蔓延的可靠性。