大空间中庭内热分层环境下环境温度对烟气上升高度的影响

于春雨，梅志斌，王卓甫

（公安部沈阳消防研究所，110034）

大空间中庭内热分层环境下环境温度对烟气上升高度的影响

于春雨，梅志斌，王卓甫

（公安部沈阳消防研究所，110034）

根据稳定线性热分层环境下羽流积分控制方程，分析了温度因素对羽流中性浮力点高度和羽流最大上升高度的影响，在大空间实验室开展了一系列实验，采集环境温度，计算竖向温度梯度，利用摄像机拍摄并记录烟气层上升高度，通过实验数据对理论分析结果进行了验证。

火灾探测；热分层；大空间中庭；火灾早期探测

0 引言

随着建筑科技和水平的不断进步，建筑形式和功能日益升级，大空间建筑越来越多，如大型歌剧院、体育馆、展览馆等，由于这类大型建筑内部往往人员密集，火灾载荷大，一旦发生火灾，火势蔓延迅速，势必造成人员和财产的巨大损失，产生恶劣的社会影响。

火灾自动探测报警系统作为早期发现火灾的重要设备，在消防安全工作中发挥着越来越重要的作用。早期报警，可以迅速组织人员安全疏散，联动相关消防设施动作，将火灾消灭在萌芽状态，这对于保证人员安全、减小火灾损失，具有重要的意义。

但是热障效应下，早期火灾烟气通常无法迅速到达建筑物顶棚，造成常规点式探测器无法实现早期报警，国家标准《火灾自动报警系统设计规范》已规定，点式感烟探测器不适用于内部高度在12m以上的空间安装使用。吸气式探测器和红外光束感烟探测器是目前大空间常用的两种火灾探测器，它们的安装高度和间距等工程参数是大空间内消防设计亟待解决的关键问题。

因此，有必要开展大空间场所火灾早期烟气特性和运动规律研究，这是开展大空间火灾早期探测与应用技术研究的前提条件和技术基础，是国内外火灾探测技术领域的热点问题。热分层环境是造成烟气热障效应的必要条件，现行高大空间建筑都不同程度存在热分层环境，早期火灾烟气很难破坏热分层环境，造成烟气羽流可能悬浮在空间，其输运规律完全不同于均匀环境下或大规模火灾烟气后期的发展规律，很显然均匀环境下烟气羽流规律及区域模拟中均匀烟气层或空气层的假设在此不能适用，因此必须寻求新的理论或方法来阐述分析热分层环境下早期火灾烟气的上升发展过程。

2002年瑞典国家试验研究学院（SNTRI）对热分层环境下烟气羽流的输运规律进行了一些探索［1］，他们采用SOFIE模拟软件对温度梯度分别为1℃／m和0.5℃／m的15m×20m×10m高大空间下的早期火灾烟气运动进行了模拟分析，并得到羽流上升最大高度、温度、速度等参数定量变化值。美国国家消防协会NFPA 92B［2］在考虑热分层环境下早期火灾烟气羽流最大高度时，将火灾热释放速率及热分层环境相关联，给出烟气羽流最大高度计算方程。方俊［3，4］推导了稳定线性热分层环境下湍浮力羽流无量纲积分方程，对线性热分层环境下积分公式进行了进一步修正，并设计了小尺度烟气羽流模型验证实验台。NFPA 92B和方俊的研究成果中给出了烟气分层下中性浮力点及最大高度计算方程，但均将环境温度设为300K近似处理，未考虑环境温度的影响。

本文在前人研究基础上对稳定线性热分层环境积分方程进行了修正，引入环境温度变量。在大空间实验室开展实验，通过实验数据对推导的控制方程进行了验证。最后根据大空间场所实际需求，结合本文研究，对大空间火灾探测器安装和设计进行了讨论。

1 稳定线性热分层环境下羽流积分控制方程

假设某一大空间空气温度上高下低，存在一定温度梯度且稳定［5］，火灾烟气羽流初始温度一般大大超过室内温度，因此在热浮力作用下不断上升，在上升过程中，由于浮力羽流的空气掺混卷吸作用，烟气温度逐渐降低，密度增大，而周围环境空气温度逐渐上升，密度逐渐减小，造成烟气浮力逐渐变小，直至减小到零，羽流浮力为零的高度为中性浮力点高度，由于惯性作用，烟气会继续上升，此时烟气密度大于空气密度，致使浮力方向反而向下，烟气羽流最后终止在某一高度，并最终形成向下及两边扩展的类似顶棚射流稳定的扩展层，扩展层最高点高度称为羽流最大高度。

前人研究［3，5］将大空间内分为等温空调区、对流主区域和顶部热滞留区，已有研究结果表明［3，5，6］，大空间内环境温度在这三个区域垂向分布线性度较好，并呈分段线性分布。本文仅考虑烟气上升最大高度在对流主区域内的情况。

假设整个空间热分层环境温度呈线性分布，且热分层强度为一定值。则根据Brunt［7］浮力频率参数来表示线性热分层强度N为：

ρa0为烟气羽流出口处空气密度，ρa为某高度处空气密度，g为重力加速度，X表示高度。如果温度梯度造成空气密度分布不均匀，且空气密度在垂向呈线性梯度关系，则N为定值，定义此环境为稳定线性热分层环境。

烟气羽流浮力通量B0和火源热功率存在相关关系：

Ta0为火源起始处羽流周围环境温度，Qc为火源热释放速率转化成的对流热量部分，Cp为空气定压比热。

由 Turner［8］及方俊［3，4］等的分析知，热分层下烟气羽流中性浮力点Hneu和羽流最高点位置Hmax可以分别表示为：

A1和A2为经验常数，按照Turner等人的分析A1为2.8，A2为3.8，方俊给出的数值为2.989和3.9317。这里采用Turner的分析结果。

将（1）和（2）代入到（3）和（4）中，得到

在大空间热分层强度实际测量中，常常实测空气的温度而不是空气的密度，因此需将空气的温度值转化相应的密度值，由气体状态方程和道尔顿分压定律［3］可知空气的密度计算公式：

P为空气压力，Ta为空气绝对温度，Ps为温度T时饱和水蒸气的分压，φ为空气相对湿度。括号中负值项在一般室内条件下远小于1，因而可以忽略，（7）式简化为：

假设大空间内部空气大气压不变，且为标准大气压，即P＝101325Pa，对（8）两边取微分，得到

将（8）和（9）代入到（5）和（6）中，得到：

这里dTa／dX为空气温度垂向变化率，Ta为某高度环境空气温度，空气定压比热Cp取1.042kW／kg·K，Qc的单位为kW，Ta单位为 K。根据式（10）和（11），在标准大气压下，由环境温度、火源功率及空间温度分布即可估算线性热分层环境下烟气羽流上升的中性浮力点及最大高度方程。由式（10）和（11）也可以看出，羽流中性浮力点和最大高度与火源起始处羽流周围环境温度的3／8次幂成正比，而和空气温度垂向变化率的3／8次幂成反比。

2 实验设计

为验证第1节中推导的稳定线性热分层环境下羽流积分控制方程，在大空间开展实验，以测量大空间自上而下温度分布。

（1）实验场景

实验地点在秦皇岛海湾公司大空间火灾实验室。该实验室南北方向长38m，东西方向宽15m，高27m。实验室东墙和西墙上四个不同高度设有窗户，距离地面高度分别为7m、12m、18m和24m，试验期间窗户关闭。沿四周墙壁设有三条1m宽的人行走廊，高度依次在5m，10m及26m，高度15m、20m处墙壁面装设有线路桥架。大空间实验室场景图如图1所示：

图1 大空间实验室内部场景图Fig.1 Interior of the large atrium test hall

（2）实验设备

实验室在10m、12m、26m三个高度距离侧壁中心线4.5m，离开墙壁1.8m处安装有三台光学烟密度计，从地面以上5m到26m高度设有热电偶树，每米分布1根热电偶，共22根，热电偶树距离侧壁中心线4.2m，离开墙壁1.3m。各设备安装位置如图2所示：

（3）实验内容

试验火源参考国家标准GB4715-2005《点型感烟火灾探测器》中有关木材阴燃标准试验火的设置方式。取10根75mm×25mm×20mm的山毛榉木棍（含水量约等于5%），放置在圆形加热盘上，加热盘直径为220mm，加热功率为2kW（额定功率），如图3所示，加热盘加热最高温度控制在500℃。给加热盘通电后实验开始，燃料耗尽后实验结束。

图2 大空间实验设备布置图Fig.2 Equipment arrangement in the large atrium test hall

图3 加热炉盘及木块摆放示意图Fig.3 Sketch map of the heating stove and wood blocks

3 实验结果

（1）烟气层高度

共进行了6组木材阴燃标准火试验。选取其中比较有代表性的两组实验进行对照分析，通过摄像机拍摄观察烟气层高度，实验1烟气聚集高度约为7m-12m，实验2聚集高度约为11m-15m。

图4 实验1光学烟密度计响应曲线Fig.4 MIC data of test 1

图4为实验1，10m、12m、26m三个高度光学烟密度计测量到的烟雾浓度曲线，可以看出，木材阴燃产生烟雾由于热障效应，在实验前期未到达顶棚，后期极少量烟雾扩散到顶棚。10m、12m两个位置光学烟密度计显示烟雾浓度相差不明显，说明烟气层在10m到12m高度之间均有分布。

图中烟雾浓度曲线上升时间较晚是由于实验以加热盘插电记为开始时间，而加热盘表面从室温开始上升到一定温度，木块才开始热解。

实验1木材阴燃实验热电偶测量得到的温度曲线如图5所示：

图5 实验1热电偶温度曲线图Fig.5 Temperature data in test 1

由于大空间实验间底部没有设置空调，而屋顶为钢筋混凝土结构，且实验期间室外环境温度较低（10℃左右），屋顶热负荷作用不明显，且实验过程中无灯照，可认为热源主要来自于实验间两侧窗户透入的太阳光辐射。本文研究未考虑对流主区域和顶部热滞留区分界线的高度，且热电偶测量温度也未明显体现出两个区域温度分布的差别，因此这里近似认为5m到26m环境温度为线性分布，且假设5m以下等温空调区，垂向环境温度呈均匀分布。由于热电偶测量误差和以上近似处理带来较大误差，因此最终得到的结果只能作为估算值近似考虑。

根据热电偶测量数据计算得到空气温度垂向变化率dTa／dX＝0.24℃／m，木材阴燃标准火的燃烧功率为5kW，而一般转化为对流热部分占到40%到80%，这里取70%，即对流热部分Qc＝3.5kW。环境温度取为284K，则根据以上数据计算式（10）和（11）得 Hneu＝9.3m，Hmax＝12.7m。

实验1中由摄像机拍摄到了较清晰的烟气层，如图6所示。

图6中，烟气层聚集在10m人行走廊附近，根据观察，烟气层大部分聚集在7m到9m之间，最高点在12m到13m之间，与估算值吻合较好。

图7为实验2，10m、12m、26m三个高度光学烟密度计测量到的烟雾浓度曲线，可以看出，烟气仍未到达顶棚。12m光学烟密度计显示烟雾浓度明显高于10m，说明烟气层主要分布在12m高度附近。

图6 实验1木材阴燃火烟气层Fig.6 Smoke layer of smouldering wood fire in test 1

图7 实验2光学烟密度计响应曲线Fig.7 MIC data of test 2

图8 实验2热电偶温度曲线Fig.8 Temperature data in test 2

实验2热电偶测量温度曲线如图8所示，根据热电偶测量数据知空气温度垂向变化率dTa／dX＝0.15℃／m，木材阴燃标准火的燃烧功率为3.5kW，环境温度取为287K，则将以上数据带入到式（10）和（11）得 Hneu＝11.2m，Hmax＝15.2m。

图9中，烟气层聚集在10m人行走廊以上，走廊以下没有形成烟气聚集层，根据观察，烟气层大部分聚集在10m到15m之间，最高点略高于15m，与估算值吻合较好。

图9 实验2木材阴燃火烟气层Fig.9 Smoke layer of smouldering wood fire in test 2

4 讨论

线型红外光束感烟探测器和吸气式感烟探测器为目前大空间场所常用的两种火灾探测器。对于线型红外光束感烟探测器在大空间场所的安装位置，在GB50166《火灾自动报警系统施工及验收规范》中规定，不大于20m时，线型红外光束感烟火灾探测器光束轴线距离顶棚的垂直距离为0.3m到1.0m，当探测高度大于20m时，光束轴线距离探测区域的地面高度不宜超过20m，相邻两组探测器光束轴线的水平距离不应大于14m，探测器至侧墙水平距离不应大于7m，且不应小于0.5m。但是，相关规范中没有明确规定大空间中对于保护热障效应下烟气分层，线型红外光束感烟探测器应安装的高度。

对于吸气式感烟探测器，GB50116《火灾自动报警系统施工及验收规范》规定非高灵敏度的吸气式感烟火灾探测器不宜安装在天棚高度大于16m的场所；高灵敏度吸气式感烟火灾探测器在设为高灵敏度时可安装在天棚高度大于16m的场所，并保证至少有2个采样孔低于16m，但是并没有明确这2个采样孔具体的安装位置。

通过前文的分析可以看出，对于内部高度大于20m，低于27m的大空间场所，两组实验中烟气层分别聚集在7m-9m和10m-15m两个高度范围，与公式预测结果相近。而如果在夏季，环境温度和顶棚空气温度较高时，烟气羽流受热障效应影响更大，根据文献中数据，环境温度为19.3℃，温度递增梯度为1℃／m，假设火源功率仍为3.5kW，则由前文分析可预测出烟气层主要聚集在5.5m。因此，线型红外光束感烟探测器宜在7m和12m附近间各安装一组探测器，以对冬季和夏季的不同季节温度环境下聚集在不同高度的阴燃烟都能快速响应。

同样，对于吸气式感烟火灾探测器，应在7m和12m附近各开一个采样孔。而相关规范中规定，高度大于16m垂直采样的采样管道，每2℃温差间隔或3m间隔（取最小者）应设置一个采样孔，通常选择3m间隔。若考虑在16m以下开孔也根据此项规定，则应在7m、10m、13m附近各开一个采样空。如仅在10m、13m各开一孔，则在夏季环境温度及温度梯度较高的条件下，烟气层聚集在10m以下，吸气式探测器报警时间势必会延迟。

5 结语

推导了稳定线性热分层环境下羽流积分控制方程，获得了羽流中性浮力点的高度和羽流最大上升高度的与环境温度、火源功率及空间温度分布的关系，羽流中性浮力点和最大高度与火源起始处羽流周围环境温度的3／8次幂成正比，而和空气温度垂向变化率的3／8次幂成反比。

根据大空间木材阴燃标准火实验测量的垂向温度数据以及摄像机拍摄观察烟气层聚集高度，验证了理论分析结果。研究结果为高大空间烟气输运规律研究提供了理论依据。

［1］NFPA92B-2005，Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Spaces［S］.

［2］Frederic Conte.CFD simulations of smoke detection in rooms with high ceilings［R］.Swedish National Testing and Research Institute，2002.

［3］方俊.高大空间热分层环境下早期火灾烟气输运规律与探测方法研究［D］.合肥：中国科学技术大学博士论文，2004.

［4］方俊，疏学明，袁宏永，郑昕.稳定线性热分层环境下火灾烟气羽流积分解及实验分析［J］.中国工程科学，2004，6（1）：37-43.

［5］黄晨.大空间建筑室内空气垂直温度分布的研究［D］.上海：上海理工大学博士论文，2001.

［6］范存养，龙惟定，黄晨.上海体育建筑的大空间空调设计［A］.98内地香港空调技术及研讨会论文集［C］，1998，3.

［7］Trevor J.McDougall.Bubble plumes in stratified environments［J］.Journal of Fluid Mechanics，1978，85（4）：655-672.

［8］John Stewart Turner.Buoyancy effects in fluids［M］.Cambridge University Press.1973.

Effect of environment temperature on the smoke height in thermally stratified environments of large atriums

YU Chun-yu，MEI Zhi-bin，WANG Zhuo-fu

（Ministry of Public Security of the Shenyang Fire Research Institute，110034，China）

In this work，a series of tests were conducted in a large test hall，and the data of environment temperature and vertical temperature gradients of smoke were collected for calculations.Based on the smoke plume integral equations in the linearly thermally stratified environment，the effect of temperature on the heights of neutral buoyancy point and maximum rising point of smoke plume was theoretically analyzed，which was verified by the test results.

Fire detection；Thermally stratified environments；Large atriums；Early fire detection

X932

A

1004-5309（2011）-0179-06

2011-08-16；修改日期：2011-09-02

于春雨（1982-），男，博士，助理研究员，现就职于公安部沈阳消防研究所，主要从事火灾探测基础理论研究。