悬空式格栅吊顶场所感烟火灾探测报警试验研究

陈 南

（中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊，065000）

0 引言

悬空式格栅吊顶场所火灾探测器的设计及安装要求在现行《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116－1998）［1］中未明确规定，工程实际中悬空式格栅吊顶场所感烟火灾探测器难以确定有效设计及安装位置，同时使该类场所（如地铁站区、大型商业及展览建筑展区的格栅吊顶场所）火灾自动报警系统验收无据可循［2］。因此，有必要对该类场所感烟火灾探测器的设置有效性进行研究，探讨悬空式格栅吊顶场所烟气流动规律及感烟火灾探测器响应特性，科学合理确定该类场所感烟火灾探测器的设置原则，解决工程设计应用问题。

1 试验设计

在标准 BS5839－2002［3］和 NFPA72－2007［4］中，悬空式格栅吊顶场所点型感烟火灾探测器的设置要求仅考虑了单一镂空形式（直径3mm圆孔，7%镂空率）与非悬空式直接吊顶的特殊场所，不能满足我国的实际工程需要。据此，试验设计思路是采用美国NIST火灾模拟软件FDS［5］，通过改变格栅吊顶参数进行悬空式格栅吊顶场所火灾数值模拟，同时在标准燃烧实验室中依据标准GB4715－2005进行实体火灾条件下感烟火灾探测器报警及时性试验，分析探讨悬空式格栅吊顶场所烟气流动规律、感烟火灾探测器响应特性和相应的工程设计应用原则。

1.1 火灾数值模拟模型构建

根据国家标准 GB4715－2005［6］，用于火灾探测器性能检测的标准燃烧试验室规格要求是长9m～11m、宽6m～8m、高3.8m～4.2m，因而数值模拟实验室模型尺寸选择长10m×宽7m×高4m；具有代表性和普遍适用性的普通可燃物典型试验火源为木材火或棉绳火，考虑到感烟火灾探测器木材火与棉绳火实体火灾试验结果有明显的关联性，试验火源选择木材火且燃料木材为云杉，点火器置于地面中心并参照FDS常用数据库参数对火源进行设置；格栅吊顶悬于顶棚下方，吊装高度按工程实际选取0.6m、0.8m和1.0m三种；模拟点设置按标准要求设在以实验室顶棚及吊顶所在平面中心为圆心、半径为3m的圆周上，如图1（a）所示。

图1 标准燃烧室模拟图Fig.1 Simulated diagram of the standard combustion room

为提高计算效率，数值模拟时采用FDS提供的“复合计算区域”功能［7］，将模拟空间划分为4个长方体形状的计算区域并分别划分网格，如图1（b）所示。其中，区域1为火源所在区，网格设置为0.05m×0.05m×0.05m；区域2为格栅吊顶区，网格设置为0.01m×0.01m×0.01m；区域3、4为其他区，网格设置为0.1m×0.1m×0.1m。数值模拟时，分别考虑格栅吊顶三种吊装高度和不同镂空率情况，经过网格独立性测试及时间步长调整，使网格方案能保证数值模拟过程的计算效率和精度。

1.2 实体试验火源设置

按国家标准GB4715－2005中火灾灵敏度试验要求，感烟火灾探测器实体火灾性能试验采用的火源木块是10根长75mm×宽25mm×高20mm山毛榉木材；木块首先在60℃温箱内干燥60分钟，然后均匀摆放在便携式典型阴燃火发烟装置上，通过温控器使其达到定制温度并发烟；木材发烟过程如图2所示。便携式阴燃火发烟装置具有通用性，既可用作实验室定量测试的发烟工具，也可用作工程现场定性验证的发烟装置。

图2 木材发烟过程Fig.2 Process of wood fuming

1.3 格栅吊顶镂空率构造

经不同类型格栅结构对比和标准燃烧实验室中吊顶镂空率影响特性的摸索试验，确定实体火灾试验选用悬空式75mm×75mm方格格栅吊顶，吊顶距建筑顶棚高度1m，满顶（10m×7m）铺设并采用不同宽度胶带进行不同方式的粘贴来得到不同镂空率吊顶，如表1所示。图3所示为近似15%、30%和75%镂空率条件的格栅吊顶，而100%镂空率即无格栅吊顶。

表1 八种镂空率格栅吊顶Table 1 Grid suspended ceilings in eight types of hollow rates

图3 不同镂空率试验条件下格栅吊顶Fig.3 Grid suspended ceilings in different rates of hollow

图4 测试点位置示意图Fig.4 Diagrammatic sketch of the test points

1.4 测点设置

FDS数值模拟共设有17个测试点。在实验室模型顶棚所在平面中心为圆心、半径为3m的圆周上，均匀设置8个测试点，编号1～8；在顶棚下格栅吊顶所在平面对应位置设置8个测试点，编号21～28；在顶棚中心位置设置1个测温点，如图4所示。数值模拟时，采用两种输出形式：一是SLCF（slice file）形式，以切片形式显示计算结果；二是THCP（Thermocouples and Point Measurements）形式，其记录测定参数的方式类似于热电偶测温，将结果记做空间某点上的时间函数。

进行探测器响应特性实体火灾试验时，选用海湾安全技术有限公司燃烧实验室，并以GST系列感烟火灾探测器作为试验样品，GST200火灾报警控制器作为报警时间记录器。进行每组镂空率试验时，首先将16只探测器试验样品的地址对应设定为1～8、21～28并进行报警灵敏度标定，然后安装在与数值模拟时顶棚和格栅吊顶测点位置的对应点上，最后连接数据采集系统并打开火灾报警控制器，开始探测器注册登记，调节确认试验样品至正常监控状态并进行模拟报警试验。当试验探测器注册地址和数量正确，模拟报警功能正常时，试验即可开始。试验时，便携式阴燃火发烟装置需首先进行升温并控温；当温度达到300℃时，记录GST200火灾报警控制器的对应时间作为试验开始时间（精确到秒）。

2 格栅吊顶不同镂空率时的火灾烟气数值模拟

数值模拟时，实验室模型的格栅吊顶镂空率分别选取15%、30%、75%和100%四种情况，吊装高度设有0.6m、0.8m和1.0m三种情况并选择工程中常用的1m高度为例说明。

图5、图6为模拟开始60s和300s时不同镂空率条件下的三维烟气图。可见，垂直向上的烟羽流受到格栅吊顶或顶棚的阻挡，形成贴附格栅吊顶或顶棚的“顶棚射流”。当格栅吊顶15%镂空率时，羽流在上升过程中遇到较大的阻碍，“顶棚射流”主要在格栅吊顶下方形成；30%镂空率时，格栅吊顶仅能阻挡小部分烟羽流，且这部分烟羽流在格栅吊顶下方不能形成“顶棚射流”；75%镂空率时，格栅吊顶对烟羽流的上升几乎没有影响，“顶棚射流”主要在顶棚形成；无格栅吊顶时即为真正的顶棚射流。

图7为模拟开始300s时不同镂空率条件下火源中心面温度云图。可见，不同镂空率的格栅吊顶对烟气扩散的影响明显；当镂空率15%时，垂直上升的烟羽流受格栅吊顶阻挡并吸收部分热量，烟羽流热浮力减小，使烟羽流主要沿着格栅吊顶水平蔓延；镂空率30%时，格栅吊顶对烟羽流的阻碍作用减小，使烟羽流更多地向顶棚蔓延；镂空率75%时，格栅吊顶对烟气的阻碍作用小且吸收烟羽流热量少，烟羽流具有相对较高的温度及浮力作用，使大量烟气穿过格栅吊顶在顶棚蔓延。同时，烟羽流在上升过程中对周围空气产生的卷吸现象，遇格栅吊顶会形成不同的温度变化特征；当镂空率15%时，格栅吊顶对烟羽流阻碍较大，格栅下方区域“顶棚射流”卷吸的是温度较高的热烟气，因而格栅下方烟气层温度开始缓慢上升，温度变化明显；镂空率30%时，通透面积相对增大，格栅吊顶对烟羽流的上升影响减小；镂空率75%时，格栅吊顶对烟羽流的上升几乎没有影响，烟羽流在格栅上方卷吸温度较高的热烟气，使格栅上方烟气层温度缓慢上升，而格栅下方烟气较少，温度接近环境温度；无格栅吊顶时，上升的烟羽流不受阻挡且具有较高的温度，能较快上升到顶棚并水平蔓延。

图5 不同镂空率条件下模拟60s时三维烟气图Fig.5 Three－dimensional smoke graph of different hollow rates at simulating 60s

图6 不同镂空率条件下模拟300s时三维烟气图Fig.6 Three－dimensional smoke graph of different hollow rates at simulating 300s

图7 不同镂空率条件下模拟300s时火源中心面温度云图Fig.7 Temperature of the central plane of fire source for different hollow rates at 300s

模拟表明，格栅吊顶镂空率会影响试验环境内格栅吊顶上下烟气层的发展；镂空率≥30%的格栅吊顶下方基本不会形成烟气层，而镂空率≤15%的格栅吊顶下方会形成烟气层。此外，0.6m和0.8m吊装高度的格栅吊顶在不同镂空率时数值模拟亦有相同结果。

3 悬空式格栅吊顶不同镂空率时的木材火报警试验

3.1 试验过程

根据试验设计，悬空式格栅吊顶不同镂空率条件下的木材火报警试验目的是考察吊顶上、下烟气蔓延及火灾探测器响应情况，下面对表1所示八种镂空率吊顶中具有较明显特征的15%、30%和75%镂空率情况进行分析。图8是悬空式格栅吊顶在15%、30%与75%镂空率条件下，试验开始120s时吊顶上方和下方烟气蔓延情况。可见，镂空率75%和30%格栅吊顶下方几乎没有烟气，烟气能够较顺利通过栅格向实验室顶棚蔓延，且随着镂空率减小，烟气在上升过程中遇到一定的阻挡，一部分烟气在格栅吊顶下方蔓延并逐渐形成烟气层；镂空率15%格栅吊顶下方的烟气浓度较大，烟气层明显，而其格栅上方的烟气浓度较小。因此，随着镂空率减小，在烟气蔓延初期同一时刻格栅吊顶下方烟气浓度逐渐增大、吊顶上方烟气浓度逐渐减小，布置在吊顶上、下的火灾探测器将在设定阈值对烟雾浓度响应并输出报警信号。

图9是悬空式格栅吊顶在15%、30%与75%镂空率条件下，试验开始300s时吊顶上方和下方烟气蔓延情况。可见，镂空率75%格栅吊顶下方几乎没有烟气存在、上方烟气浓度较大；镂空率30%吊顶下方此时形成薄薄一层烟气、上方烟气浓度较大但较镂空率75%吊顶上方烟气浓度相应减小；镂空率15%吊顶下方烟气浓度较大，烟气层十分明显，而其上方烟气浓度较小。与120s时刻相比，显然镂空率对烟气蔓延的影响越来越明显，且300s附近时段是感烟火灾探测器报警相对集中阶段。

图10是悬空式格栅吊顶在15%、30%与75%镂空率条件下，试验开始480s时吊顶上方和下方烟气蔓延情况。可见，格栅吊顶上、下方烟气浓度都随时间增长而增大；镂空率75%格栅吊顶下方烟气浓度较小且烟气柱明显，镂空率30%格栅吊顶下方烟气层明显；镂空率75%和30%格栅吊顶上方烟气浓度几乎达到饱和；镂空率15%格栅吊顶下方烟气几近饱和，看不到烟气柱的存在，而其上方也有较明显的烟气。

图8 三种镂空率条件下120s时格栅吊顶下方和上方烟气情况Fig.8 Smoke graph for three hollow rates at 120s（under and above grid ceilings）

图9 三种镂空率条件下300s时格栅吊顶下方和上方烟气情况Fig.9 Smoke graph for three hollow rates at 300s（under and above grid ceilings）

图11所示为无格栅吊顶条件下烟气在燃烧室顶棚的蔓延情况。试验时，首先对实验室顶棚位置1～8探测器测试，然后更换上述试验中格栅吊顶下方21～28探测器再次试验。可见，烟气以较为规则的柱状向顶棚运动且上升迅速，在顶棚上逐渐扩散并向各方向均匀水平蔓延。

3.2 数据处理

试验过程以每种镂空率条件下全部探测器报警完毕作为试验结束条件，随后查询GST200火灾报警控制器记录的每种镂空率条件下各探测器的报警时间并填入记录表，如表2至表5所示。

图10 三种镂空率条件下480s时格栅吊顶下方和上方烟气情况Fig.10 Smoke graph for three hollow rates at 480s（under and above grid ceilings）

图11 无格栅吊顶条件下燃烧室顶棚烟气情况Fig.11 Smoke graph in the case of no grid ceilings

表2 镂空率15%格栅吊顶报警试验记录表Table 2 Record of grid ceiling in 15%of hollow rate

表3 镂空率30%格栅吊顶报警试验记录表Table 3 Record of grid ceiling in 30%of hollow rate

表4 镂空率75%格栅吊顶报警试验记录表Table 4 Record of grid ceiling in 75%of hollow rate

4 结论

在海湾安全技术有限公司标准燃烧实验室及GST系列火灾报警设备支持下，通过选择悬空式75mm×75mm格栅吊顶并采用不同遮挡方式形成不同镂空率，开展了等尺寸不同镂空率条件下格栅吊顶上方及下方的火灾烟气模拟和感烟火灾探测器响应特性试验与数据分析，得到可用于指导火灾探测器工程设计安装的应用指导原则。试验表明，悬空式格栅吊顶的镂空率是影响该类场所火灾初期烟气分布的主要因素；当悬空式格栅吊顶镂空率小于15%时，烟气主要在格栅吊顶下方蔓延并形成烟气层，感烟火灾探测器宜在吊顶下设置；当镂空率大于30%时，烟气主要在格栅吊顶上方蔓延并形成烟气层，格栅吊顶下方几乎不能形成烟气层，感烟火灾探测器宜在吊顶上部平实顶棚设置；当镂空率介于15%～30%时，需进一步开展相应的火灾烟气数值模拟和实体火灾试验来确定感烟火灾探测器的工程设计及应用要求。

表5 无格栅吊顶报警试验记录表Table 5 Record with no grid ceiling

［1］GB50116－1998，火灾自动报警系统设计规范［S］.

［2］李引擎.建筑防火工程［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［3］BS 5839.1－2002，Fire detection and fire alarm systems for buildings－Part 1：Code of practice for system design，installation，commissioning and maintenance［S］.

［4］NFPA72－2007，National Fire Alarm Code［S］.

［5］刘军，刘敏，智会强，路世昌.FDS火灾模拟基本理论探析与应用技巧［J］.安全科学与技术，2006（1）：6－10.

［6］GB4715－2005，点型感烟火灾探测器［S］.

［7］邓玲.FDS场模拟计算中的网格分析［J］.消防科学与技术，2006，25（2）：207－209.