机械式立体停车库中巷道防火分隔效果研究

2015-11-15刘长城

火灾科学 2015年2期

李力，李治，刘长城，陆松＊

（1.安徽省公安消防总队，合肥，230000；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

随着我国经济的快速增长和城市化进程的加速，日益增多的汽车与停车场不足的矛盾日益凸显。汽车数量的激增必然导致严重的停车难问题，发达城市的这一问题更加严重。高效率、高利用率、节约土地的停车库、停车设备应运而生，机械式立体停车库就是解决此难题的良好途径之一。机械式立体停车库在解决城市停车难问题的同时也带来了新的消防安全问题。

《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》（GB50067－97）［1］中对机械式立体停车库的防火分隔和排烟等问题进行了说明和规定：机械式立体汽车库的停车数量超过50辆时，应设防火墙或防火隔墙进行分隔。面积超过2000m2的地下汽车库应设置机械排烟系统。对类似于平面移动式立体停车库，根据其工作原理中间设置有一个供存取车的巷道，巷道两侧的车辆不可能进行防火分隔。在实际应用中，只能靠巷道的空间距离或是增设侧壁喷淋起到防火分隔作用，然而这并没有规范和理论依据作为指导。

针对上述问题，本文在大量文献调研和数值模拟基础上，对机械式立体停车库内的烟气运动规律以及车库内温度和热流密度分布规律进行了分析，重点研究了巷道在机械式立体停车库中的防火分隔作用，以及发生火灾时巷道顶部开设的排烟窗对烟气的控制情况，为机械式立体停车库的消防系统设计提供理论参考。

1 消防设计概况

某项目包括一栋机械式立体停车库及其配套设施（所需地下消防泵房、消防水池、设备管理间、公共卫生间及车辆道闸系统），其中机械式立体车库占地面积约为1708.6m2，高度不超过13.9m，采用平面移动式立体停车库设计，设计车位299个，共分为四层，每层一组横移台车和一部机械手取车器，设置6个出入口，6个升降井道。为了提高存取车效率，299车位为一个整体库，每个出入口都可以取任何一个车位车辆。图1是机械式立体停车场平面图（a）和剖视图（b）。本工程按II类汽车库、中危险II级进行消防设计，按照国家标准配置室内消火栓灭火系统、自动喷淋灭火系统及灭火器等。

图1 机械式立体停车场平面图和剖面图Fig.1 Plan and cross－section of the mechanical and stereo garage

2 火灾发生概率与热释放速率

2.1 火灾发生概率

结合国内外相关统计数据，并依据2008年～2012年的《消防统计年鉴》对机械式立体停车库内火灾发生的原因进行分析。在火灾事故统计中，我国常将火灾原因归纳为：放火、电气、生产作业、用火不慎、玩火、自燃、雷击、静电等因素。图2给出了我国2008年～2012年全国车辆火灾起火原因分布。

从图2中可以看出，电气引起的汽车火灾占比最大，其次是自燃、生产作业和放火，其中放火引起的车辆火灾不足3%，而电气和自燃导致的火灾却占到总数的一半以上。

图2 2008年～2012年汽车起火原因分布Fig.2 Distribution of reasons of the car fires

结合我国2008年～2012年全国机动车辆保有量情况，可以计算得出我国机动车辆的火灾发生频次，并依据汽车数量占机动车辆总数的百分比，给出我国2008年～2012年汽车火灾的发生频次，见表1。

表1 全国机动车保有量及车辆火灾频次Table 1 Quantity of vehicle in China and frequency of vehicle fires

以2008年～2012年汽车火灾平均发生频次计算，1辆汽车发生火灾的频次为0.0000263起／（辆·年）。假定本项目停车库满额存放299辆车，则按此汽车发生火灾频次，该车库发生火灾为0.00786起／年。

2.2 热释放速率

程［2，3］对一辆两厢式个人小汽车进行了系统的火灾试验研究，试验结果表明汽车火场最高温度1190℃，最大热释放速率为4.08MW。张［4］对该试验进行分析，认为小汽车火灾热释放速率的数学模型可简化为Q·＝0.0097t2（kW），保守地将火灾类型确定为t2快速火灾，同时确定自动喷水灭火系统失效情况下汽车火灾最大热释放速率介于4.0MW～4.5MW。王等人［5］经计算，认为自动喷水灭火系统有效的情况下汽车火灾最大热释放速率取为1.0MW较合适，本文保守取为1.5MW。NFPA 502在研究隧道火灾中建议小汽车的火源功率设为4.5MW，火灾为t2火，增长系数为0.01445kW／s2，给出的火灾HRR设计参数建议值基本与现有隧道火灾实体实验一致。

综合以上文献，可以得出在研究汽车火灾中采用4.0MW～5.0MW作为汽车火灾的最大热释放速率是符合实际的。本机械式立体停车库中，同一存放单元最多可同时停放3辆汽车，相邻汽车被引燃的时间在起火汽车起火后约10min［3］。一个存放单元的火灾热释放速率则为三辆汽车热释放速率的平移叠加。考虑到引燃旁边车辆的顺序，故分如下两种情况：顺序依次间隔10min引燃一个存放单元的汽车，此时一个存放单元的火灾热释放速率曲线如图3（a），最大热释放速率为8.2MW；若存放单元中间车辆着火，此时将在着火10min后同时引燃两边的两辆车，则一个存放单元的火灾热释放速率曲线如图3（b），最大热释放速率为10.2MW［6］。

图3 三辆车同时起火时的热释放速率曲线图Fig.3 HRR of 3cars burning together

3 模拟分析

3.1 场景设计

由于车库内平时无人员进入，仅在存车系统发生故障时，有1～2名维修人员进入，因此仅考虑2人位于最顶层时的最不利情况，在模拟烟气运动的时候对人员疏散进行分析，同时在设置火灾场景时主要考虑发生火灾时温度及热辐射对巷道对侧车辆的影响及整个车库内的烟气输运［5］。根据车库结构特点设置如下两种工况分别对烟气及辐射情况进行研究。

工况一：对整个车库建立模型，研究烟气运动规律及排烟窗的设置，模型如图4所示。整个车库四周墙壁采用金属并开设自然排烟窗，车库顶部非巷道部位不设排烟窗，车库内部除防火隔墙外所有结构采用钢结构。

工况二：选取车库总长度约五分之一的部位，研究不同火源功率下起火车辆临近车辆受到的温度影响以及辐射影响，检验车库防火分隔措施的有效性，模型如图5所示。在起火车辆前后左右及上方设置一系列温度及辐射热流密度探测点。

图4 工况一模型示意图Fig.4 Model of condition 1

图5 工况二模型示意图Fig.5 Model of condition 2

针对第一个工况设置了3个火灾场景，编号为场景1～场景3，火源功率根据上一节的分析，设为4.5MW，增长方式为t2，增长速率α＝0.04689kW／s2。其中，场景1和场景2的火源分别位于一层和三层的中间位置，如图6所示。场景3火源位于三层中间位置且在巷道顶部开设了侧面自然排烟百叶，研究顶部排烟窗对于烟气的控制情况，如图7所示。

针对第二个工况设置了3个火灾场景，编号为场景4～场景6，火源功率根据上一节的分析，设为1.5MW～10.2MW不等。特别地，在场景6中，考虑到最不利情况，热释放速率直接达到最大。火源位置为二层中间位置，如图6所示，其中深色方框内为场景4～场景6模拟的区域示意。两种工况下火灾场景参数汇总如表2所示。

图6 场景1～场景6火源位置示意图Fig.6 Locations of fire sources of scene 1to scene 6

图7 屋顶侧开自然排烟窗示意图Fig.7 Smoke exhaust shutter up on the roof

表2 场景1～场景6参数汇总表Table 2 Parameters of scene 1to scene 6

火灾从起火停车单元向巷道另一侧停车单元汽车蔓延的方式主要有两种，一是飞火，二是辐射。而在汽车火灾过程中产生的飞火影响距离很小，只有在油箱破裂时飞火的影响较大［5］，因此只需要在停放车辆时将车头朝向巷道一侧即可避免由于油箱破裂产生的飞火引燃相对停车单元的车辆，然而，车辆起火形成的热辐射则有可能对巷道另一侧的车辆构成直接威胁。杨等［7］在文献中考虑到当前多数汽车在表面涂上了聚氨酯之类的热塑性材料，因此，引燃的临界热流量可取值为16kW／m2。保守考虑，本文以15kW／m2作为车辆被辐射引燃的判据。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 工况一：车库烟气运动情况

图8为场景1～场景2发生火灾100s、300s、600s、1200s时烟气蔓延情况。从图8中可以看出，火灾发生后热烟气迅速上升并在顶部积蓄，随着火灾的发展烟气层厚度逐渐稳定在三层顶棚高度处。图9为开设巷道顶部侧面排烟百叶的烟气蔓延情况。整个1200s计算时间内，烟气在车库两端并没有形成较厚的烟气层，只在车库中间部位有约3m厚的烟气层，相对于前2个场景，烟气蔓延至车库两端的时间也增加了近300s。少量烟气在起火单元内向下蔓延，但对能见度影响不大且温度较低。图10为500s时三个场景10m高度处烟气能见度分布，从图10中可以明显看出，巷道顶部的排烟窗能够有效地将烟气排出车库，将烟气控制在中间区域。由此得出，巷道顶部的排烟窗对于排烟的效率有很大提升，本场景顶部排烟窗采用两段式设计，开窗面积为首层面积的3%，若继续增大排烟窗面积，将两段贯通，排烟效果会进一步提升。

图8 场景1～场景2火灾发生后100s、300s、600s、1200s烟气蔓延情况Fig.8 Smoke movement at 100s，300s，600sand 1200s after the fire occurred of scene 1to scene 2

图9 场景3火灾发生后100s、300s、600s、1200s烟气蔓延情况Fig.9 Smoke movement at 100s，300s，600sand 1200s after the fire occurred of scene 3

图10 场景1～场景3火灾发生500s后10m高度处能见度分布Fig.10 Visibility 500safter the fire at 10mheight

3.2.2 工况二：起火车辆对巷道对侧车辆的影响

距离起火车辆火源中心为R处的汽车受到的火源辐射和火源热释放速率的关系可以用Modak辐射模型［8］表示为：

式中，q为汽车受到的辐射热流密度，kW／m2；C为辐射系数；R距火源中心的距离，m。

辐射系数C的取值在0.15到0.6之间，燃烧过程中产烟量越大其取值越大。由于汽车火灾包含各种类型可燃物，燃烧种类繁多，会产生大量烟气［3］，本研究保守取为0.5。公式与FDS模拟值对比如图11所示，在火源附近及相对较远的距离处模拟值与公式相差不大，在3m～7m之间比公式计算值略小。

由C＝0.5，式1可以写成：

式中，Rc为起火停车单元内的汽车引燃相对停车单元汽车的临界距离；qc为临界辐射热流密度，根据本章首节研究取为15kW／m2。

图11 火源为1.5MW情况下辐射热流密度FDS计算值与公式计算值对比Fig.11 Values of heat flux with a 1.5MW fire source，theoretically calculated and FDS simulated

由计算得出，最不利条件下，三辆车着火，临界距离为5.2m，而巷道两侧两个停车单元之间距离为6.0m，因此即使在最不利条件下，火源的辐射引燃汽车的影响范围小于相对停车单元的距离。上述所选用的辐射模型已经考虑了烟气对于结果的影响，其结果已反映在计算所得的临界引燃半径中。因此，经过上述分析，在三辆车着火的最不利情况下，火源不能通过辐射引燃巷道另一侧的车辆。各个火源功率下临界辐射引燃半径如表3所示。

表3 各个火源功率下临界辐射引燃半径Table 3 The critical radiation ignition radius

图12为场景4和场景5起火车辆前方后方上方及右方探测点温度及辐射热流密度值。从图12中可以看出，当喷淋系统有效时（场景4），巷道对侧辐射热流密度只有0.6kW／m2，温度为20.4℃，因此巷道对面单元的车辆不会因辐射作用被引燃，也不会因温度过高引起火势蔓延。同时，与起火车辆同处一个停车单元的左右两侧及前方车辆受到的辐射热流密度也不超过10kW／m2，温度在200℃以下，危险性较小。当喷淋系统失效时（场景5），巷道对面单元车辆在距离起火车辆超过6m的情况下，受到的辐射热流密度为1.6kW／m2，不会被辐射引燃，而左右两侧的车辆距离起火车辆较近，在149s时受到的辐射热流密度超过15kW／m2，会被辐射引燃。

图12 场景4、场景5起火车辆右方、后方、前方及上方探测点温度与辐射热流密度值Fig.12 Temperature and heat flux of sensing points of scene 4and scene 5

从图12中火源上方的温度及辐射热流密度曲线可以看出，该车库中设置的汽车托盘能够有效地抑制火灾在竖向的蔓延，因此在实际使用过程中要求每辆车的托盘都采用防火材料进行包裹封堵，防止火灾竖向快速蔓延。

图13为场景6车辆后方（巷道方向）温度及辐射热流密度值。该场景考虑三辆车起火的情况，并将热释放速率在火灾一开始就设为最大，研究这种最极端情况下对巷道另一侧车辆的影响。从图13中可以看出，巷道另一侧温度在25℃左右，受到的辐射热流密度约为2.0kW／m2，不会引燃巷道另一侧车辆，这说明利用巷道空间作为防火分隔措施是有效可行的。