地下车库火灾荷载计算模型的建立与应用研究

2014-11-08吴欣田张哲源

安全与环境工程 2014年4期

陈阵，王霁，张苗，吴欣田，张哲源

（1.中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190；2.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300387；3.中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000；4.天津公安消防总队河北区消防支队，天津300100；5.天津易景环境科技发展有限公司，天津300101）

地下车库火灾由于其特殊的环境场合，火灾与烟气蔓延情况复杂，一旦发生火灾其蔓延速度快、扑救困难［1］。对地下车库火灾荷载的深入了解是研究其火灾与烟气蔓延规律的前提，而对地下车库设计合理的自动消防灭火系统具有重要意义［2］。

地下车库火灾荷载的研究主要包括两部分内容：一是可燃物的调查统计；二是不同类型可燃物燃烧热的计算模型。对于可燃物的调查统计，国际建筑研究会在开展性能化防火设计的同时曾做了大量的调查研究工作，得出了商业建筑、车库、仓储库和办公室等典型场所火灾荷载密度的平均值。此外，S.Kumar等［3—4］对35栋居住建筑进行了调查，认为相同功能建筑的火灾荷载密度分布符合正态分布；廖曙江等［5］对大型商场服装层的活动火灾荷载进行了调查分析，结果显示服装层的火灾荷载密度采用二项式分布描述更合适。对于可燃物燃烧热计算模型的研究，国内一些高校开展了一系列很有价值的试验，如中国科学技术大学的张和平等［6］研究了可燃物表面积和厚度对火灾荷载的影响，并提出了一种简单的计算模型；清华大学的孙旋等［7］对汽车进行了全尺度火灾试验，得出了在不同工况下汽车火灾的蔓延规律。

本文在前人研究的基础上，采用数据统计分析与部分可燃物模型化相结合的方法，针对地下车库火灾载荷提出了一种新的计算模型。该模型适用于地下车库性能化消防设计前火灾载荷的确定，对于地下车库防灭火的研究具有重要意义。

1 火灾荷载与计算方法

1.1 火灾荷载

火灾荷载是衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数，也是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素。在建筑物发生火灾时，火灾荷载直接决定着火灾的持续时间、室内温度的变化以及烟气蔓延等情况［8］。因此，采用合理的方法确定不同建筑场所内火灾荷载的数值对于建筑物的防火设计具有重要意义。

火灾荷载分为固定火灾荷载、活动火灾荷载和临时火灾荷载三类［5］。在地下车库中，固定火灾荷载数量很少，主要包括通风、排水和电路等设施中所携带的一些塑料构件等，而且所占比例很小。虽然单个汽车具有临时火灾荷载的特点，但是车库内汽车数量符合一定的分布规律，所以整体上地下车库内的汽车属于活动火灾荷载，主要可燃物为汽车的几种零部件，包括轮胎、塑料构件、燃油和座椅。

1.2 火灾荷载的计算方法

为了方便分析与设计，在火灾理论和工程应用的研究中经常采用火灾荷载密度这一概念。火灾荷载密度是指固定空间内所有可燃物完全燃烧所释放的热量与空间特征参考积之比，也即空间单位面积上可燃物的发热量。确定一个封闭空间内的火灾荷载密度通常采用的方法有：参照以往调查结果直接评估、采用传统经验公式计算和模型化的火灾荷载计算方法。

1.2.1 参照以往调查结果直接评估

国外对火灾荷载密度的实际调查结果显示［4］，相同场所的火灾荷载密度接近正态分布，因此可以根据以往调查结果评估目标场所的火灾荷载。常见场所的火灾荷载密度如表1所示。

表1 不同场所火灾荷载密度的调查结果（MJ/m2）Table 1 Survey results of fire load density of different places

虽然根据表1的数据能够方便、快捷地确定相应场合火灾荷载密度的大概范围，但是该方法所得的数据不够精确，有很大的缺陷，只能作为参考。

1.2.2 采用传统经验公式计算

根据火灾荷载的定义，可以采用如下公式计算不同场合内的火灾荷载密度［9］：

式中：q为指定场所的火灾荷载密度（MJ/m2）；mi为第i种可燃材料的质量（kg）；Hci为第i种可燃材料的燃烧热（MJ/kg）；A为指定场所的面积（m2）。

常见可燃材料的燃烧热见表2。

表2 常见可燃材料的燃烧热Table 2 Combustion heat value of common combustible materials

上述计算方法只是考虑理想状态下可燃物完全燃烧所释放的热量的累加，未对不同场所内可燃物的类型、分布特点和布置方式等因素进行全面的考虑。

1.2.3 模型化的火灾荷载计算方法

在建筑火灾中，将可燃物分为三类：固体可燃物、热塑性可燃物和液体性可燃物［6］。固体可燃物在燃烧过程中，其表面会有一个向内部缩进的过程，该缩进速度定义为燃烧线速度v，其燃烧热可以通过下面公式计算［10］：

上式中：m′为可燃物单位面积质量燃烧速率［kg/（s·m2）］；ρ为可燃物密度（kg/m3）；v为可燃物燃烧线速率（m/s）；A为暴露面积（m2）；q′为可燃物燃烧热释放率（MW）；m″为可燃物质量燃烧速率（kg/s）；Hc为可燃物的平均燃烧热（kJ/kg）；t为燃烧时间（s）；d为燃烧材料厚度（m）；β为可燃物的燃烧面，通常取1或2；Q为燃烧热（kJ）。

热塑性可燃物一般以圆形油类池火灾的燃烧过程为计算模型，该类可燃物的燃烧热释放率主要与其密度、燃烧热和燃烧尺寸等参数有关，其计算公式与固体可燃物类似，本文不再详细列出。此外，在地下车库中液体性可燃物主要为汽油，为了简化计算，直接取汽油的燃烧热与质量的乘积作为火灾荷载的一部分。

2 地下车库火灾荷载的计算模型

前已述及，地下车库内的汽车属于活动火灾荷载，主要可燃物为汽车的零部件，包括轮胎、塑料构件、燃油、座椅，因此要建立地下车库火灾荷载的计算模型，需要对各种可燃物的火灾荷载进行计算。

2.1 汽车轮胎火灾荷载的计算

汽车轮胎具有可燃性，且燃烧热值很高，大约为9.968×106kJ/m3。汽车轮胎火灾载荷的计算可采用固体可燃物计算模型。为了方便计算，首先将轮胎模型简化为具有一定厚度的环带，然后参考相关试验确定轮胎燃烧的热释放速率。

2.1.1 轮胎简化模型

本文以195/65R15型号汽车轮胎为例，根据轮胎的形状特点，将其简化为体积相同的环带，并采用3Dmax建模软件对轮胎模型进行简化处理，处理前、后的轮胎模型见图1和图2，其尺寸参数见表3。

2.1.2 轮胎燃烧的热释放速率

中国科学技术大学的徐亮等［9］和许彬等［10］分别进行了轮胎全尺寸的燃烧试验，并采用耗氧原理的方法在试验中测定了轮胎燃烧的热释放速率、质量燃烧损失速率、燃烧热和烟气产生量等重要参数，同时对试验所得的轮胎质量燃烧速率曲线（见图3）进行处理，得到了轮胎质量损失速率的拟合方程，即轮胎的质量燃烧速率m″（kg/s）随燃烧时间t的变化曲线拟合方程：

图1 实际轮胎的3D模型Fig.1 3Dmodel of an actual tyre

图2 简化的3D轮胎模型Fig.2 Simplified 3Dmodel of a tyre

表3 轮胎模型简化处理前后的尺寸参数（mm）Table 3 Size parameters of tyre model before and after the simplification

图3 燃烧试验中轮胎的质量燃烧速率随燃烧时间的变化曲线Fig.3 Variation curve of the line combustion rate in tyre combustion experiment

2.2 汽车塑料构件火灾荷载的计算

汽车构件中，保险杠、立柱、发动机盖、仪表组件、散热器格栅等均为塑料制品，塑料构件一般占汽车自重的7%～10%。根据相关统计，汽车零部件常用的塑料种类包括PP、PVC、PU、ABS、FRP、PA等。

多数汽车所用塑料属于热塑性可燃物，在火灾中先形成熔滴再进行燃烧，其火灾荷载的计算可采用油类池火灾计算模型。

由于汽车内部塑料构件较多，如果将同一种塑料看作一块截面积为0.1m×0.1m的长方体则会大大简化计算过程。但是此时需要考虑两方面的问题：一是实际燃烧过程中的暴露面积与理想化状态下的误差；二是实际燃烧过程中不连续塑料构件的火焰蔓延方式与理想状态下连续长方体塑料燃烧过程中的区别。根据对某一汽车的各个部件进行计算与统计分析的结果显示，可采取η这一修正系数使模型化的火灾荷载计算结果与实际较为接近。几种常见塑料在汽车中的用量及修正系数的取值范围见表4。

表4 几种常见塑料在汽车中的用量与修正系数Table 4 Dosage of several common plastics in the automobile and their correction coefficients

2.3 汽车燃油火灾荷载的计算

当前汽车用燃油绝大多数为汽油，汽车油箱盖一般都有泄压设计，油箱在火灾高温环境下会有汽油大量泄漏［11］。汽油的具体燃烧过程比较复杂，有时还会发生爆炸事故，本文在计算燃油中的火灾荷载时，只考虑汽油全部燃烧的热值，不对火灾场景进行讨论。为了简化计算，假设火灾过程中所有汽油完全燃烧，其火灾荷载为汽油燃烧热与质量的乘积。其中，汽油的燃烧热值可通过查阅表2确定，取44 MJ/kg；汽油质量则需要根据车辆油箱大小和充装水平确定。

2.4 汽车座椅火灾荷载的计算

汽车座椅主要由表层和衬里两部分构成，一般都经过阻燃处理，但在火灾环境下也可燃烧。表层材料一般为真皮、仿真皮或者纤维材质，衬里一般为泡沫。汽车座椅的火灾荷载一般采用传统经验公式计算，主要由座椅的表层材料及泡沫的燃烧热和质量确定。

3 实例应用

3.1 某地下车库介绍

本文以某地下停车场为例，对其火灾荷载进行计算分析。该地下车库所在的地下一层尺寸为236.4m×191.2m，总面积达45 200m2，其中车库所占面积为22 500m2，总计有936个车位，其平面图见4。

图4 某地下停车场平面图Fig.4 Plan of an underground garage

该地下车库有一对机动车辆出入口，两对非机动车辆出入口，共分12个防火分区，采用自动喷水灭火系统进行消防防护。

3.2 车辆统计

本文在对该地下车库火灾荷载进行计算时，首先统计了车库内的汽车类型与数量。经统计，最常见的汽车型号有14种，为了方便计算，假设车库内所停留车辆没有其他型号。14种汽车的型号与主要参数见表5。

表5 地下车库中最常见的汽车型号与主要参数Table 5 Main parameters and proportion of the most common types of cars in the underground garage

3.3 地下车库火灾荷载的计算

由于该地下车库处于市区繁华地段，所以在确定火灾荷载时，按车位停满的状态计算。根据前述的火灾荷载计算模型，首先确定4种可燃物的数量，再进行简化处理与计算。

3.3.1 汽车轮胎火灾荷载的计算

由表5可见，14种车型的轮胎型号不尽相同，因此可分别采用第2.1节中轮胎简化计算模型进行处理，得出汽车轮胎的火灾荷载为

式中：n为车辆总数，取936辆；yi为第i种车所占的比例（%）；Vi为第i种车轮胎模型化后的体积（m3）；¯Hc为轮胎平均燃烧热，取9.968×106kJ/m3。

3.3.2 汽车塑料构件火灾荷载的计算

经调查统计，14种车型中塑料构件的材质和用量见表4，因此塑料构件的火灾荷载为

式中：mj为第j种塑料的用量（kg）；ηi为第i种塑料的修正系数；¯H′c为塑料构件的平均燃烧热，取2.8×103kJ/kg。

3.3.3 汽车燃油火灾荷载的计算

根据汽车内燃油充装水平的调查结果，假设所有汽车的燃油充装水平均为60%，因此，汽车燃油的火灾荷载为

式中：V′i为第i种汽车的油箱容积（L）；Hc为汽油的燃烧热，取31.24MJ/L。

3.3.4 汽车座椅火灾荷载的计算

汽车座椅的材料由于经过阻燃处理，其燃烧热占总火灾荷载的比例较小。本文以奥迪A4汽车座椅为标准，每辆车座椅所含泡沫的质量为40kg，表层材料质量为12kg，对车库内936辆汽车的座椅燃烧热进行统一计算，得到该部分火灾荷载为

式中：m1和m2分别为汽车座椅泡沫和表层材料的质量（kg）；Hc1和Hc2分别为汽车座椅泡沫和表层材料的燃烧热（MJ/kg）。

3.3.5 地下车库总火灾荷载的计算

该地下车库总火灾荷载为

根据表1中不同场所火灾荷载密度的调查结果显示，车库的火灾荷载密度为300MJ/m2，而该车库面积为22 500m2，可参照以往调查结果直接评估，即得到该地下车库总火灾荷载为6.75×109kJ。这一数据与本文计算结果相差2.05×109kJ，分析原因认为，这一误差主要是由于汽车所用材料不断改进造成的，尤其是车厢内阻燃材料的使用显著地降低了火灾荷载值。