高净空场所自动喷水灭火系统洒水喷头动作时间研究

宋 波,杨丙杰,刘 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

高净空场所自动喷水灭火系统洒水喷头动作时间研究

宋 波,杨丙杰,刘 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

为研究非仓库类高大净空场所自动喷水灭火系统洒水喷头的动作性能,按照模拟真实场所的场景布置,采用单层标准燃烧物组合替代实际场所中的燃烧物,进行了单层标准燃烧物组合的热量标定试验。通过采用实体试验、数值模拟和羽流模型计算相结合的方法,对18m高净空场所在单层标准燃烧物组合布置情况下的喷头动作性能进行了计算分析。计算结果显示,喷头预计会在8min～10min内动作,动作时间处于火灾稳定增长阶段范围内。对于此类场所设置的自动喷水灭火系统,其功能应以保护建筑结构为主,并为人员疏散和消防队员扑救赢得时间。

高净空场所;洒水喷头;动作性能

0 引言

近年来,我国一些非仓库类高大净空场所逐渐兴起,如会展中心、体育馆、航站楼等,这些场所具有净空高度高,可燃物荷载少且高度低等特点,国外一些研究机构将该类场所定义为燃料堆垛储存高度低于3m且净空高度大于8m的场所(净空高度指室内地面到屋面板的垂直距离)[1,2]。目前,我国相关规范缺乏对于此类场所自动灭火设施设置方式的规定。常用的有以下5种灭火设施:1、扩大作用面积的自动喷水湿式系统;2、雨淋系统;3、采用ESFR喷头的自动喷水灭火系统;4、固定消防炮灭火系统;5、自动跟踪定位射流灭火系统等,5种灭火设施的特点如表1所示。

表1 几种灭火设施比较Table 1 Comparison of fire protection systems

3 E S F R自动喷水灭火系统系统动作时间快,喷水量大系统所需压力高,主要用于仓库场所4 自动消防炮系统喷射流量大、射程远、灭火智能化与仓库火灾特点相似的场所与传统的自动喷水灭火系统相同较好喷水方式为柱状,保护区易出现喷水死角5 自动跟踪定位射流灭火系统动作灵敏、自动探测并实施灭火,适用范围广非仓库类高净空场所等可参照《自动消防炮灭火系统技术规程》较好设计用水量大,经济性差非仓库类高净空场所和部分仓储场所可参照《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》好

此类场所设置灭火设施时,涉及到的主要问题有:1、是否设置自动灭火系统;2、采用何种自动灭火系统;3、采用常规的自动喷水灭火系统系统能否及时动作和有效控灭火等[3]。现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084-2001,2005年版)规定了净空高度为8m～12m的非仓库类高大净空场所自动喷水灭火系统的设计基本参数,条文说明中指出此参数是参照 FM Global的试验总结而成[4]。从条文中可以看出,对于8m～12m的高度,仍可采用传统的湿式系统,但是增加了喷水强度和作用面积,如会展中心、多功能体育馆、自选商场等一类场所,属中Ⅱ危险级,高净空场所(8m～12m)的喷水强度和作用面积较普通安装高度(≤8m)分别增加了50%和87.5%。

为研究高净空场所自动喷水灭火系统洒水喷头的动作性能,本文按照模拟真实场所的场景布置,采用单层标准燃烧物组合替代实际场所中的燃烧物,进行了单层标准燃烧物组合火灾热释放速率标定试验。试验目的是得出单层标准燃烧物组合的热释放速率发展曲线,确定低负荷火灾荷载下的火灾发展规律,提供高净空场所设计火灾所需的设计参数等。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验在公安部天津消防研究所燃烧实验馆大型量热器(图1)下进行,试验装置由管路、升降车、测量段、分析仪器、除尘器、风机和烟囱等组成。其中室内管路由集烟罩、弯头、孔板、圆筒形直管段、气动阀门、热补偿器等组成,测试段内设置有温度、氧浓度、CO浓度和CO2浓度等测试仪器,最佳测量范围为2MW～10MW。

1.2 试验燃料的确定

图1 量热器测量系统Fig.1 Calorimetric test system

实体火试验中,由于不可能选取所有实际场所的燃烧物进行试验,且选取的燃烧物缺乏可重复性和可比性,因此目前国际上普遍采用等效替代的方法,即用标准燃烧物替代实际场所的燃烧物,通过采用标准燃烧物组合来模拟实物,如果采用标准燃烧物组合的火灾热释放速率增长曲线能够与实物火基本吻合,则可认为所选定的标准燃烧物组合能够替代实物火[5]。

根据前期课题试验研究结果,本次试验选定的标准燃烧物单体由瓦垅纸箱、聚苯乙烯塑料杯、纸隔板和木托盘等组成(图2),其中瓦垅纸箱规格为500mm×500mm×500mm,瓦垅纸箱内装有聚苯乙烯塑料杯,塑料杯用厚度为4mm的纸隔板隔离,按5×5×5布置,标准燃烧物单体总重6.39kg[6]。

图2 标准燃烧物单体Fig.2 Standard plastic commodity

图3 试验燃料布置平面图Fig.3 Plan view of test fuel arrangement

1.3 试验燃料布置

标准燃烧物组合共4组,每组4个单体,放置在木托盘上,组间距 0.15m,按 2×2布置,面积约4m2,如图3所示。

1.4 点火方式

点火源采用浸有0.11L汽油的纤维棉棒,直径和高度均为7.6cm。将纤维棉棒用聚乙烯袋包裹[7]。试验时将4个聚乙烯包裹的纤维棉棒放置在标准燃烧物组合中心四个对角位置,使用浸有汽油的火炬点燃聚乙烯包。

1.5 试验过程及结论

点火后约150s时间内,火势燃烧平稳,火灾热释放速率一直维持在 30kW～70kW,较为稳定。150s后开始加速燃烧,火势处于快速增长阶段,燃烧较为充分。400s时,火灾热释放速率达到第一个峰值,约3MW,630s时达到最大值,为3.67MW,火势在这一规模下持续燃烧,火灾热释放速率一直维持在3000kW～3600kW,为全面燃烧阶段,维持了约600s,试验过程如图4所示。

图4 试验过程Fig.4 Test course

试验期间烟气全部收集在集烟罩内,单层标准燃烧物组合火灾热释放速率随时间变化曲线如图5所示。由图5可知,单层标准燃烧物组合在火灾增长阶段的发展规律与火灾增长系数α=0.02056的t2火较为相近。因此,可认为单层标准燃烧物组合的火灾热释放速率可表示为Q=αt2=0.02056t2(kW)。

图5 单层标准燃烧物火灾热释放速率随时间变化曲线Fig.5 HRRcurve of single layer standard plastic commodities with time

2 喷头动作时间计算

国内外有不少专家学者开展了喷头动作时间的计算研究,并开发了一些用于预测喷头或感温探测器动作时间的半物理模型计算程序和软件,如美国国家标准技术研究院(NIST)开发的计算机应用软件 DETECT-QS、DETQCT-T2 和 L EVENT 等 ,国内刘文利等人也开发了不同火灾状况下洒水喷头响应时间预测软件[8]。这些模型通常以洒水喷头或探测器RTI、公称动作温度、安装高度以及喷头距离火源的半径等作为输入参数,以此计算暴露于火灾环境下的洒水喷头或探测器的响应时间[9]。本文通过采用数值模拟和羽流模型2种不同的计算方法,对比计算高净空场所喷头的动作时间。

2.1 数值模拟计算

数值模拟计算采用DETECT-QS模型,该模型可用于计算无侧限顶棚下热敏元件的动作时间。经计算,喷头动作时间为595.2s,试验条件及结果见表2。

表2 DETECT-QS计算条件及结果Table 2 Computation condition and result for DETECT-QS

2.2 羽流模型计算

采用羽流模型计算时,首先应对喷头周围羽流的温度,对流热释放速率以及流速进行计算,羽流的对流热释放速率可通过羽流中心线上喷头周围温度计算确定,如式(1)所示[10]:

其中:

ΔT0——中心线羽流温度变化(K);

T∞——环境温度(K);

g——重力加速度(m/s2);

Cp——空气的等压比热(kJ/kg·K);

ρ∞——环境密度(kg/m3);

z——距羽流原点的高度(m,距离燃料顶部的高度);

z0——虚源高度(m),可由式(2)计算:

喷头的动作时间即为从试验点火开始到喷头感温元件达到其动作温度所用的时间,该时间可以通过对能量守恒方程进行积分获得,见式(5)。将测量到的喷头周围环境温度 Tg拟合成为时间函数Tg=f(t)。本文采用4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)格式对式(5)进行积分。

其中:

Te——喷头热敏元件温度(K)

t——时间(s)

u——喷头周围羽流速度 (m/s)

Tg——喷头周围环境热空气温度(K)

RTI——响应时间指数((m·s)1/2)

图6为通过羽流模型计算得到的单层标准燃烧物组合和火灾增长系数α=0.02056时的燃烧物在18m高度下喷头感温元件处的温度随时间变化的曲线,计算条件见表3。由图6可知,单层标准燃烧物下喷头在点火后640s时达到最高温度67.4℃,无法驱动喷头动作,而按α=0.02056增长的燃烧物在477s时达到公称动作温度,此时火灾热释放速率约为4.7MW。因此可以推测,如果单层标准燃烧物组合按6×6布置 ,则喷头不仅能够动作,而且动作时间会提前,且过火面积不会超过1只喷头的保护面积。

表3 计算条件Table 3 Computation condition

图6 喷头感温元件处的温度随时间变化曲线Fig.6 Temperature curve of sprinkler thermal element with time

3 结果分析及结论

(1)由图5可知,单层标准燃烧物组合在点火后400s～1000s的时间段内热释放速率达到峰值后能够一直稳定燃烧,持续时间约600s左右。因此,如果单层标准燃烧物组合按照6×6布置,则点火后1000s内火灾热释放速率应一直处于稳定增长阶段。因此,本文假定火灾增长系数为α=0.02056是合适且保守的。

(2)通过数值模拟和羽流模型计算2种方法计算得到喷头的动作时间分别为595.2s和477s,分别约为10min和8min,结果相差较大,这是由于两种计算方法的边界条件不同造成的,但无论采用哪种计算方法,所得的结果均在火灾增长阶段范围内。因此,可认定在18m净空高度下,喷头会在8min～10min动作。

(3)高净空场所设置自动喷水灭火系统应考虑到可能潜在的火灾荷载,尤其当这些临时火灾荷载与固定火灾荷载相近时,设置自动喷水灭火系统就显得十分有必要。此类场所设置的自动喷水灭火系统,其功能应以保护建筑结构为主,并为人员疏散和消防队员扑救赢得时间。

[1]Soonil Nam.Actuation of sprinkler at high ceiling clearance facilities[J].Fire Safety Journal.2004,39(7):619-642.

[2]Nam S,Braga A,Kung HC and Troup JA.Fire Protection for Non-Storage ocupancies with High Ceiling Clearances[A],7th International Symposium on Fire Safety Science[C].2002,Worcester,Massachusetts,U.S.A.

[3]FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 3-26,Fire protection water demand for nonstorage sprinklered properties[S].

[4]GB50084-2001,自动喷水灭火系统设计规范(2005年版)[S].

[5]宋波,杨丙杰,等.高大净空场所火灾实体灭火试验研究[J].消防科学与技术,2009,28(12):912-915.

[6]宋波,等.高净空场所及高架仓库自动喷水灭火系统应用研究[R].天津:公安部天津消防研究所,2009.

[7]GB5135.9-2006,自动喷水灭火系统第9部分:早期抑制快速响应喷头[S].

[8]刘文利,吕振纲,等.自动喷水灭火系统洒水喷头响应时间预测方法研究[J].建筑科学,2007,23(1):44-48.

[9]朱五八,张和平,等.高架仓库内喷头热响应性能研究[J].火灾科学,2004,13(2):95-98.

[10]倪照鹏,等.火灾增长分析的原则和方法[R].天津:公安部天津消防研究所,2004.

Actuation time of auto sprinklers at high ceiling clearance facilities

SONG Bo,YANG Bing-jie,LIU Xin,LI Yi

(Tianjin Fire Research Institute of MPS,Tianjin,300381,China)

Calorimetric test of single layer TFRI Standard Plastic Commodities used to represent combustibles in real scenarios was conducted to investigate the actuation performance of auto sprinkler in non-storage high-ceiling-clearance occupancies.Full scale fire test,numerical simulation and fire plume computation were performed to examine the sprinkler actuation performance under the 18-meter clearance height.Computation results show that the sprinkler is estimated to start up at the 8th to 10th minute,which is in the stable fire growth stage.Installing auto sprinkler system in this kind of facilities is mainly for protecting the building structures and saving time for evacuation and fire fightings.

High ceiling clearance facilities;Sprinkler;Actuation performance

TU2

A

1004-5309(2011)-0161-06

2011-02-18;修改日期:2011-04-21

国家“十一五”科技支撑计划课题(2006BAK06B03);公安部天津消防研究所所级项目“自动喷水灭火系统作用效能的研究”

宋波(1967-),男,天津人,公安部天津消防研究所党委书记,研究员,工程硕士,主要从事固定灭火系统应用技术研究。