物流配送中心性能化防火设计研究

●王祁为

(太原市消防支队,山西 太原 030024)

物流配送中心是在市场经济条件下,以加速商品流通和创造规模效益为核心,以商品代理和配送为主要功能,集商流、物流、信息流于一体的现代综合流通机构。现代物流的概念已远远超出了我国原有仓储运输的简单范畴。在运输、储存、加工、包装、配送、信息等物流要素的支持下,向着更加系统化、综合化、科技化的方向发展,是商业储运企业发展的方向之一。

从近年来出现的一些物流配送中心建筑看,处理的货物一般有食品饮料、家用电器、日常品、机电产品及电子产品等,主要为可燃固体。货物的流转速度快,在物流配送中心建筑内滞留时间短,主要是为周边区域提供第三方物流服务。由于流转和功能需要,所需装卸、分拣、储存等作业面积大,多为机械化操作,建筑规模大。与传统的仓库相比,物流配送中心建筑在存储、运行和管理等方面均存在一定差异。现行《建筑设计防火规范》对仓库的防火要求已不完全适应物流配送中心的防火设计,对其进行性能化防火设计研究,使之既满足建设需要,又满足消防安全要求,则十分必要。

1 工程实例

某在建物流配送中心,分常温区及低温区两部分,中间局部相连。其中仓库常温区建筑占地面积约为 26 787m2,首层仓储区共分为三个防火分区,建筑面积分别为 11 684m2,11 692m2和 3 411m2。

按 GB50016-2006《建筑设计防火规范》的规定,本项目中常温区储存物品的火灾危险性为丙类,耐火等级为二级,仓库内安装有自动喷水灭火系统,其最大允许占地面积为12 000m2,每个防火分区的最大允许建筑面积为3 000m2。由于当前仓库常温区为满足存取容量和存取工艺需要,占地面积和防火分区面积均超出了《建筑设计防火规范》的规定。从消防安全角度出发,应该严格控制占地面积和防火分区面积,但如此一来,又无法满足使用需要。因此需要进行性能化防火设计,以保证物流中心的消防安全。

2 火灾发展模型

火灾热释放速率(HRR)随时间的变化关系常用t2模型的方法来表示,见下式。

其中,Q为火源的热释放速率,kW;α为火灾增长速率,kW·s-2;t为时间,s。

不同的可燃物火灾增长指数不同,根据 α的不同可将火灾发展分为：慢速火、中速火、快速火和超快速火。物流配送中心内物品种类比较多,存在诸多不确定因素,保守考虑火源为快速火,其火灾增长系数 α=0.046 89kW·s-2。

3 火灾蔓延的安全间隔

美国国家消防协会(National Fire Protection Association,简称NFPA)对不同材料的点燃的临界辐射通量进行了实验研究,结果表明：对易燃物、一般可燃物以及难燃材料其辐射热通量分别不得超过 10、20和 40kW·m-2,见表 1。当可燃物种类难以界定时,可根据最不利原则,保守地选取易燃物的临界辐射量 10kW·m-2为临界引燃值。

表1 可燃物被引燃难易程度的粗略分类

仓库内某一列货架起火后,会通过热辐射将相邻的货架列引燃,引燃所需要的时间可以通过以下方法计算。根据火灾动力学原理,距火源中心距离为 R处所受到的火源热辐射和火源热释放速率的关系可由下式表示：

式中,Q为火源热释放速率,kW;R为距火源中心的距离,m(R=r+L,r为火源等效半径,m;L为可燃物边界与火源的距离,m);q″为产生辐射引燃的最小热流值,kW·m-2。

根据本项目物流配送中心内货架间的摆放距离,确定相邻可燃物与火源中心的距离 R,如图1。

图1 仓库内货架间位置关系示意图

3.1 相连两个货架间的影响

货架托盘宽度为 1.1m,两列货架之间的距离为 0.2m,因此当一列货架起火后,其火源中心距相邻货架列的距离为0.55+0.2=0.75m。将其代入上述公式,计算得到引燃相邻货架列时火源热释放速率为 212kW,当火灾以快速t2火发展时,起火时间为 67s时达到此规模。

3.2 间隔走道的两组货架间的影响

假设火源中心为相邻货架的中间,两组货架中间的走道为3.6m,其火源中心距相邻的另一组货架的距离为 0.1+1.1+3.6=4.8m。将其代入上述公式,计算得到引燃相邻另一组货架时火源热释放速率为 8.685 9MW,当火灾以快速 t2火发展时,起火时间为 430s时达到此规模。

根据以上火灾发生时热辐射引燃相邻可燃物的分析可知,以目前的货架摆放距离,火灾向相连货架蔓延的时间为火灾发生 67s时,火灾向相隔走道的另一组货架蔓延的时间为火灾发生后 430s。当设有自动喷水灭火系统时,一般当火灾发展到 300kW时探测器便可以探知火灾,快速火的热释放速率发展到 300kW的时间为 79s。在自动喷水灭火系统的作用下,一方面会降低高温烟气的温度,同时可以将相邻货架淋湿,使之更加难以被引燃。由于自动喷水灭火系统的动作时间大于火灾在相邻货架间的蔓延时间,小于向另一组货架的蔓延时间,因此,经粗略估计,当自动喷淋系统有效时,两组货架间 3.6m宽的走道可以阻止火灾蔓延至另一组货架。

参考《民用建筑防排烟技术规程》(DGJ08-88-2000)对仓库火源功率的规定,选取火源的最大热释放速率：无喷淋或喷淋失效时取 20MW;当设置了普通响应喷头或快速响应喷头,且自动喷水灭火系统正常动作时,火灾的最大热释放速率分别为 4MW和 2.4MW。保守地以 10kW·m-2作为判定相邻可燃物被引燃的临界热通量标准,则根据式(2)计算,可得防止火灾蔓延的安全间隔,见表 2。

表2 设定火源防止火灾蔓延的安全间隔

4 火灾蔓延的数值模拟

本文采用NIST(美国国家标准与技术研究院)开发的火灾模拟软件FDS对该物流配送中心的火灾情况进行模拟。

4.1 火灾场景设置

由于本项目中储存区中央处货物密集,工作人员少,火灾发生后可能不会被迅速察觉,因此火灾危险性最大;而且两个防火分区内货架摆放形式、火灾荷载、货物类型等基本相同,因此本文选择了其中一个防火分区,火源位置在其中间部位,计算机模拟不同火源功率和高度的几种工况,具体场景设置见表 3。

表3 火灾场景汇总表

4.2 建立模型

根据建筑实际尺寸和货架位置建立建筑模型,在火源附近区域的网格尺寸为 0.2m×0.2m×0.2m,其他区域的网格尺寸为 1m×1m×1m。整体模型如图 2所示。

图2 FDS建立的建筑模型

4.3 模拟结果

记录火源周围货物边界受到的热辐射通量,图3、图 4、图5分别为场景 A、场景 B、场景 C中火源周围货物受到的热辐射分布云图。从图中可以看出,当火灾功率为 20MW时,火源对两侧货物的热辐射在484s时开始超过10kW·m-2,随着火灾热释放速率的增长,其值仍会升高;当火源功率为 4MW时,在模拟时间 900s内火源对两侧货物的热辐射值未超过临界引燃值 10kW·m-2,仅为 5kW·m-2左右;当火源功率为2.4MW时,火源对两侧货物的热辐射值同样未超过10kW· m-2。

5 结果分析

图3 场景 A货架受到的热辐射分布云图,484s

图4 场景B货架受到的热辐射分布云图,900s

图5 场景C货架受到的热辐射分布云图,900s

将火源假想为点火源后,通过公式计算,当火源最大热释放速率分别为 20MW、4MW和 2.4MW时,距离火源 3.6m的位置处所受到的热辐射通量分别为 40.9kW·m-2、8.2 kW·m-2、4.9kW·m-2。只有当火源的最大热释放速率为20MW,即未设置自动喷水灭火系统或自动喷水灭火系统失效的情况下,火源对距离 3.6m位置处的热辐射高于临界引燃值10 kW·m-2。根据计算,火源最大热释放速率分别为20MW、4MW和 2.4MW时,防止火灾蔓延的安全间隔分别为7.3m、3.3m和 2.5m。

根据火灾模拟的结果,火源最大热释放速率为 20MW时,距离火源 3.6m的位置处所受到的热辐射超过 10 kW·m-2,火灾会在货架之间蔓延;而当火源最大热释放速率分别为 4MW和 2.4MW时,距离火源 3.6m的位置处所受到的热辐射分别不超过 5kW·m-2和 3.5kW·m-2,火灾不会越过走道在货架之间蔓延,结果与计算结果大致相符。

6 结论与展望

当自动喷淋系统有效作用时,能够阻止火灾在货架间的横向蔓延,可以有效地保护高架仓库。本文采用的研究方法可用于物流配送中心的性能化防火设计,作为防火分区内隔离带的设计参考依据。布置于货架间及仓库顶端喷淋系统的可靠性有待于更多的火灾试验进行验证,并提供可靠的技术支持。

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