烟气及排烟系统对喷淋系统的影响分析

岳焕焕

(山东省泰安市公安消防支队，山东泰安 271000)

1 烟气的流动分布规律和排烟系统

1.1 流动分布规律

在无外力干扰的情况下，火灾产生的高温气体上升到火焰上方形成烟羽流。图1是火灾烟气在中庭中的流动分布示意图，由图可见烟气在着火初期的分布情况。烟羽流在上升过程中不断卷入四周空气，且烟羽流在上升过程中不触及边界面，由此形成的烟羽流为对称烟羽流［1］。

图1 火灾烟气在中庭中流动分布示意图Fig.1 Distribvction map for fire flue gas flow in the atrium

当羽流受到建筑顶棚的阻挡后，便在顶棚下方向四周扩散，形成了沿顶棚表面平行流动的较薄的热烟气层，即顶棚射流。顶棚射流在向外扩展的过程中，也会卷吸其下方的空气。然而由于其温度高于冷空气的温度，这使得顶棚射流的厚度增长不快。当顶棚射流受到建筑墙壁的阻挡，便开始沿墙壁转向下流。但由于烟气温度仍较高，烟气下降不是很长的距离后便转向上浮，发生反浮力壁面射流。重新上升的热烟气先在墙壁附近积聚起来，达到了一定厚度时又会慢慢向建筑中部扩展，不久就会在顶棚下方形成逐渐增厚的热烟气层。

在烟气的蔓延扩散过程中，当受到外界因素的影响时，烟气层的流动分布规律则发生变化，如外界的风压、送风机送出的高压气流及排烟机的抽吸作用，在这种情况下烟气的流动将发生明显的改变，从而对于以热烟气为启动源的一些系统的启动产生影响，进一步影响灭火系统的灭火效果及人员的疏散。

1.2 排烟系统

1.2.1 自然排烟是借助室内外空气温差引起的热压作用和室外风力所造成的风压作用而形成的是内烟气和室外空气之间的对流运动。一般利用外窗或专用的排烟口将烟气直接排出室外，在这种情况下，往往需要热烟气积聚一定的厚度，到达排烟口时才开始排烟，因此该排烟方式对火灾初期烟气的流动分布影响不明显。

1.2.2 机械排烟是利用排烟机械设备把着火区域所产生的烟气通过排烟口排至室外的排烟方式。通过风机进行强制排烟。据相关资料表明，一个设计优良的机械排烟系统在火灾时能排除80%的热量，使火灾现场温度大大降低。

由上述可知，自然排烟和机械排烟都会引起烟气流动分布发生改变，在机械排烟系统中由于风机的使用，使得机械排烟对烟气的流动分布具有更显著的影响。

2 影响喷淋系统动作的因素

喷头是自动喷淋系统的关键部件之一，是喷淋系统动作快慢的决定性因素。其结构示意图见图2，由图可知，喷头的感温玻璃球是主要的控制元件。火灾时，热烟气流上升，喷头浸没在热气层中，玻璃球中液体吸热膨胀，达到玻璃的公称动作温度，玻璃炸裂，喷水灭火。在系统正常情况下，喷淋系统的启动时间主要取决于喷头的动作，喷头的动作与多种因素有关，为了弄清这一问题，美国建筑火灾研究实验室进行了相关的研究，在其研究中认为:喷头的感温玻璃球体积很小，可将其视为内部温度均匀的"薄片"，假定喷头的感温玻璃球是一个集热系统且与外部没有热量损失，运用能量守恒方程得［2］:

Tg为烟气温度(℃)，Te为感温玻璃球温度(℃)，m为感温玻璃球的质量(kg)，cp为感温玻璃球的比热(J/kg·℃)，h为表面换热系数(w/m2·k)，A为感温玻璃球的表面积(m2)。

两组诊断结果依据腕关节不稳定情况、关节面压缩坍塌、关节面分离、关节面骨块3块以上、骨折伴下尺桡半脱位、桡骨缩短、尺偏角改变等检测项目[2]。

图2 喷头示意图Fig.2 Nozzle schematic

假设对流换热系数与自由空气流的速率的平方根相关，温度用与初始环境温度T0相关的数值来表示，则(1)式可转变为:

△Te=Te－T0，△Tg=Tg－T0，其中 u 为烟气速率(m/s)，

τ为时间常数(s)。

对(2)进行积分:

在喷头感温玻璃球选定之后，RTI值主要受烟气流动速度的影响，烟气流动速度越大，RTI值就随之增大，然而RTI值越大，喷头反应时间就越慢，反之，RTI值越小，喷头响应越迅速，喷头就越灵敏。例如有的喷头RTI值为200(m·s)0.5，在测试中实际动作时间为63s;有的喷头RTI值为36(m·s)0.5，在测试中实际动作时间为11.4 s。根据(1)、(2)、(3)式中可知，喷头的热响应性能主要由初始环境温度T0，烟气温度Tg，响应时间指数RTI决定。因此，喷头的动作响应时间主要影响因素为RTI值、烟气温度、烟气流动速度。

3 烟气及排烟系统对水喷淋系统的影响

3.1 烟气对喷淋系统的影响

3.1.1 烟气的温度对喷淋系统动作的影响 在火灾初期，烟气的温度越高，对流换热越剧烈，热辐射越强，喷头的热敏感元件吸热速度越快，越容易达到喷头的公称动作温度，启动也越快。

3.1.2 烟气流动对喷淋系统动作的影响 由于防烟及排烟设施的存在，使得烟气的流动发生改变，如烟气向背离喷头的方向移动，则会延迟喷头的动作时间，反之，则会促进喷头的动作。

3.1.3 烟气的温度分布对喷淋系统动作的影响 根据烟气的分层分布规律，烟气的温度分布呈下低上高状态分布，越接近顶棚，烟气的温度越高。当喷头布置在顶棚附近时，喷头动作较快，而离顶棚越远，喷头动作时间会相对延迟。国内的张和平、赵建华等人在喷淋对烟气影响这方面做了进一步研究，选取了4℃、10 ℃、20 ℃、27.8 ℃、38.9 ℃五种环境温度，以及分别为13.5 m、10.2 m 的两种安装高度来研究自动喷水灭火系统的喷头响应动作时间与环境温度、安装高度的关系，得出:喷头的响应时间随着温度升高而增大，喷头热敏元件温度与热烟气温度均随着火灾功率的变化而变化，二者之间变化的趋势是一致的;在相同的温度条件下，环境温度越大，喷头的动作时间越短;自动喷头高度越小，则在相同的环境温度条件下，喷头的响应动作时间越短;而相反，自动喷头高度越大，在相同的环境温度条件下，喷头响应动作时间就较长，环境温度对喷头的热响应影响较大。实验研究结果表明，顶棚高度为13.5 m，在最高环境温度与最低环境温度下，喷头响应动作时间相差了69.5 s;顶棚高度为10.2 m，在最高环境温度与最低环境温度下，喷头响应动作时间相差了 53.7 s［2］。

3.2 排烟系统对喷淋系统的影响

在火灾中自然排烟系统主要是利用烟气的热压作用进行排烟，对于烟气的流动、烟气的分布影响没有机械排烟系统显著。下面主要研究机械排烟系统对喷淋启动时间的影响。

3.2.1 排烟系统在不同的建筑空间条件内对喷淋系统的影响 在小空间内烟气比较容易积聚，到达喷头动作温度的时间较短，喷淋系统易于启动;当机械排烟系统开启后，烟气很快排出，对于喷淋系统地启动产生影响。在大空间内烟气较易流散，烟气层到达喷头处的时间较长，相对于小空间，喷淋系统的启动时间较晚，机械排烟系统在运行初期，对于烟气分布的影响并不是很显著。所以，机械排烟系统在小空间内对烟气分布的影响比大空间内的影响显著，进而对喷淋系统启动时间的影响显著。

Hinkley等研究了大空间排烟系统对喷头动作的影响，研究结果表明，在大空间内排烟系统对喷淋系统的影响不显著，没有延迟喷头的启动时间，而在小空间内，喷头动作时间滞后一段时间［3］。Hsieh Tung－Liang等研究了小空间内排烟系统对喷淋系统的影响，对3种不同的火源位置和2种不同的排烟类型进行了研究，实验结果表明，对于面积小于100 m2的小空间，如果排烟量在1 cm2/min时，喷淋系统先于排烟系统启动，更能保护人员的生命安全，同时喷淋系统喷水后，降低了烟气的温度，最高降幅可达烟气平均温度的 50%［4］。

3.2.2 排烟系统在起火部位和排烟口设置位置不同时对喷淋系统的影响 假如排烟系统先于喷淋系统启动，起火部位不是在排烟口的正下方，火灾产生的烟气必然存在一段流动途径才能到达排烟口排出室外，给烟气积聚促使喷林系统启动留有一定的时间，对延迟喷头的动作时间的影响较小。起火部位正位于排烟口下方时，产生的热烟气很快通过排烟口排出，必然会延迟喷头的动作时间。

排烟口的设置位置不同，烟气的流动方向不同，排烟过程中烟气的流动方向与火灾蔓延方向之间的关系也会对喷淋系统启动产生影响，如两者的方向相反，则有可能减少喷头的动作个数，反之，则可能增加喷头的动作个数。图3中描述出火灾蔓延方向与烟气流动方向相反时的喷淋系统动作的情况。因此，起火部位和机械排烟系统中排烟口的设置位置会影响喷淋系统的启动时间。

图3 火灾蔓延方向与烟气流动方向相反时的系统动作示意图Fig.3 Schematic for fire spread direction in the opposite of flue gas flow

3.2.3 排烟系统在排烟量及启动时间不同时对喷淋系统的影响 机械排烟系统的排烟量小，烟气在短时间内不容易排除，对喷淋系统的启动影响较小，反之，较大。排烟系统的启动先于喷淋系统启动时，对喷淋系统的启动时间有一定的影响，反之，对喷淋系统的启动时间没有影响，而对喷头的动作数量有一定影响。在排烟量小的情况下，尽可能实现喷淋系统先于排烟系统启动，这样有助于降低烟气的温度，进而有利于保证人员的生命安全。当然，喷淋系统的喷水会使烟气层下降，有人员疏散也会有一定的影响。总之，要综合考虑排烟量，喷淋系统和排烟系统的启动时间。

4 结语

如何合理设置排烟系统和喷淋系统，需要做多方面的研究工作，根据我国的实际情况，笔者认为应有针对性的开展喷淋系统启动滞后时间的定量研究以及排烟口设置位置的优化专项研究，便于指导工程实践。

［1］刘芳，胡斌，付祥钊.中庭烟气流动和烟气分析［J］.国外技术介绍，2000，30(6):42～47

［2］朱五八，张和平，赵建华，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

［3］P.L.Hinkley.The Effect of Smoke Venting on the Operation of Sprinklers Subsequent to the Fist Sprinkler［J］.Fire Safety，1989(14):221－240

［4］Hsieh Tung－Liang，Chien Shen－Wen，Chung Kee－Chiang.The Effect of Smoke Vents on The Sprinklers in a Small Compartment［J］.J Applied FireScience，2002－2003，11(2):91－119