喷头加设集热板有效性的理论分析

刘今烁

(武警学院 研究生队，河北 廊坊　065000)



喷头加设集热板有效性的理论分析

刘今烁

(武警学院 研究生队，河北 廊坊065000)

判定集热板的集热效果如何，依据的是在其内部安装的喷头是否能够及时响应。从喷头响应时间公式和Alpert顶棚射流模型出发，研究了起火点与集热板相对位置不同时集热板的集热效果；同时对起火点所处位置不同时的概率进行了分析。结果表明：当起火点位于集热板正下方时，集热板才能发挥集热作用，其有效性仅为0.16%～2.52%，因此不建议在实际工程中推广使用。

集热板；顶棚射流；起火点概率；有效性

0　引言

自动喷水灭火系统被广泛的应用在一些大型公共建筑中，但在实际工程中，存在一个矛盾之处。以装设格栅类通透性吊顶的场所为例，如果将喷头直接安装在顶棚下方，喷头的洒水会受到其下方格栅吊顶的阻挡，不能均匀喷洒；如果将喷头安装在格栅吊顶的下方，虽然保证了均匀喷洒，可喷头却不能充分的与热烟气进行对流换热而无法及时响应。为解决这一难题，实际工程中大量采用将喷头的安装高度降低到通透性吊顶以下，在其上方加设集热板，目的是保证喷头均匀喷洒的同时使喷头及时响应。此外，一些高净空场所、地下车库和高层建筑设备层等场所也采用该做法。那么，集热板作用下的喷头是否能及时响应，即集热板的有效性究竟如何，值得进一步研究。

目前，薄立矗[1]、葛晓霞[2]和冯小军[3]等人分别利用数值模拟和实体实验的方法，对集热板的作用效果进行研究，得知仅当集热板位于起火点正上方时才可起到集热作用。本文通过对集热板的集热效果和起火点发生位置概率的理论分析，得到集热板有效性的具体结论。

1　集热板的集热效果分析

1.1基本原理

判定集热板的集热效果如何，依据的是在其内部安装的喷头是否能够及时响应，喷头响应时间越短，集热板的集热效果越好，反之越差。喷头的响应时间由顶棚射流的温度与速度、喷头的RTI以及喷头的启动温度决定，Gupta[4]、Bukowshi[5]和Budnick[6]等人通过研究，得到喷头热敏原件的热平衡方程式[6]：

(1)

稳定火源下，积分式(1)，可得响应时间t[7]：

(2)

式中，m为热敏元件质量(kg)；cp为热敏元件的比热(kJ·kg-1·℃-1)；h为对流换热系数(kW·m-2·K-1)；A为热敏元件传热表面积(m2)；Te为热敏元件动作温度值(℃)；Tg为顶棚射流的温度(℃)；T0为初始环境温度；dt为微元时间(s)；u为顶棚射流速度；RTI为响应时间指数。

对于给定的喷头，其响应时间指数和启动温度为定值，只需获得喷头附近顶棚射流的温度与速度，便可依据式(2)计算出喷头的响应时间。

1.1.1起火点位于集热板正下方

可燃物燃烧产生的烟羽流在浮力作用下迅速上升，到达喷头上方的集热板时如遇到一个小型“顶棚”，迅速转为沿水平方向蔓延扩散，经过集热板的弯边后再继续上升，这个最初由上升转为水平蔓延的过程可看做是顶棚射流形成的过程，如图1所示。

图1　起火点位于集热板正下方时示意图

根据Alpert[8]总结的稳态火源下的顶棚射流模型，可获得集热板下方“顶棚射流”的温度与速度，计算公式如下：

(3)

(4)

式中，r为喷头与火羽流中心的水平距离；H为顶棚高度(集热板安装高度)；Q为火源热释放速率。

将式(3)和式(4)带入式(2)，得到起火点位于集热板正下方时喷头的响应时间公式：

t=1.02RTI(H/Q)1/6ln{16.9Q2/3

(5)

由式知，顶棚射流的温度与速度随着顶棚高度的增大而减小，喷头的响应时间随着顶棚高度的增大而增大。所以，当起火点位于集热板正下方时，集热板具有集热效果，可提早其内部喷头的响应。

1.1.2起火点不在集热板正下方

该情况下，集热板已经不能看作小型“顶棚”，可燃物燃烧产生的烟羽流在顶棚处形成顶棚射流后，沿水平方向蔓延并经过集热板正上方的部位，随着火灾的发展，顶棚射流不断变厚，才慢慢接近集热板，如图2所示。

Alpert[8]定义顶棚射流厚度lT为烟气与环境温差降到最大值的1/e的地方与顶棚间的距离，计算公式如下：

(6)

0.26≤r/H≤2.0

由上式知，顶棚射流的厚度非常有限，一般为顶棚高度的5%～12%[9]。笔者通过对实际工程的调研发现，集热板的上方存在大量的梁、管道和钢架等

图2　起火点不在集热板正下方时示意图

结构，这些结构占据了顶棚下方的大部分空间，集热板与顶棚间的距离依这部分空间高度而定，一般不小于0.5 m。综合式(6)知，顶棚射流需较长时间或根本不能下降到集热板的安装高度，集热板很难起到集热作用，喷头的响应时间得不到保证。

1.2实例分析

选取一工程实例，利用上文阐述的集热板集热效果基本原理进行实例分析。该房间的顶棚高度H为4 m，环境温度T0为21 ℃，喷头的热敏元件动作温度Te为68 ℃，响应时间指数RTI值为70，集热板的安装高度为3.5 m，火源功率为160 kW。

1.2.1起火点位于集热板的正下方

根据式(3)、(4)和(5)，计算喷头加设集热板和直接安装在顶棚处两种情况下，其附近烟气的温度和速度以及响应时间，结果如表1。由表1可知，与直接安装在顶棚处相比，喷头加设集热板时其周围的烟气温度较高、速度较大，响应时间缩短了一半左右，说明此种情况下集热板的集热效果理想。

表1　喷头附近的烟气温度、速度和响应时间

1.2.2起火点不在集热板的正下方

若集热板与起火点中心水平间距r为2 m，通过式(6)计算，得到此种情况下顶棚射流厚度为0.3 m左右，而集热板距离顶棚0.5 m，火灾初期时顶棚射流很难降低到集热板的安装高度，集热板无热可集，喷头不可能响应。随着火灾的发展，热烟气不断地在顶棚下方累积，逐渐降低到集热板和喷头处，喷头才接触到热烟气，但此时热烟气的温度较低，不足以使喷头响应，且早已过了扑灭初期火灾的最佳时机。所以，此种情况下，集热板根本起不到集热的作用。

2　起火点发生位置的概率分析

火灾的发生受到各种环境因素的影响，没有固定的地点，假定只有一处起火点，位于图3中的粗线框内，简称区域A，发生火灾时最先启动该区域内的喷头。由上文得知，起火点发生的位置可能有两种，一种在集热板正下方，另外一种不在集热板的正下方(一般位置)，分别为区域A中圆形图案(集热板)的内部和外部，如图3所示。在区域A内划分单位为0.1 m×0.1 m的网格，每个网格线交叉点代表一个可能的起火点，如图4所示。

图3　起火点发生位置示意图

图4　网格图

起火点发生位置概率的计算公式如下：

(7)

式中，P为起火点发生位置的概率；n为该情况下可能的起火点个数；N为所有可能的起火点个数总数。

以中Ⅱ危险级场所为例，按正方形布置喷头，根据《自动喷水灭火系统设计规范》[10]第7.1.2条得到区域A的大小为3.4 m×3.4 m，在喷头上方采用直径为600 mm的圆形集热板。在区域A内划分网格后，获得可能的起火点个数总计1 225个。当起火点位于集热板正下方时，共有29个起火点，如图5中的圆点标记，经式(7)计算，得到发生该情况的概率仅为2.37%。当起火点处于一般位置时，可能的起火点个数共计1 196个，经计算，发生该情况的概率为97.63%。计算结果显示，在中Ⅱ危险级场所中采用直径为600 mm的圆形集热板时，如果发生火灾，起火点位于集热板正下方的概率极低，仅有2.37%，绝大多数情况起火点处于一般位置。

图5　起火点位于集热板正下方可能的位置

实际工程中，除了中Ⅱ危险级场所以外，在轻和中Ⅰ危险级场所中也存在大量使用集热板的情况，集热板的规格有很多，包括直径为200 mm、400 mm和600 mm的圆形集热板以及边长为180 mm、350 mm和530 mm的正方形集热板。

由式(7)知，影响起火点发生位置的概率有两个因素，一是场所危险级，不同危险级场所的系统设计喷水强度不同，对应的喷头布置间距也就不同，喷头布置间距决定N的个数；二是集热板规格，集热板形状和大小的不同直接影响它在地面投影内n的个数。为保证理论分析的准确性，本文对场所危险级与集热板规格不同情况下起火点发生位置的概率都进行了计算，结果如表2。

由表2可看出，场所危险级越严重或集热板尺寸越大，起火点位于集热板正下方的概率越大，但最大值仅为2.52%。说明无论在何种危险级的场所采用什么规格的集热板，起火点位于集热板正下方的概率都很小，绝大多数情况处于一般位置。因此，集热板的有效性是很低的，建议在其替代方法方面展开研究，指导实际工程的应用。

3　结论

本文以喷头响应时间和顶棚射流模型相关理论为基础，分析起火点位于不同位置时集热板集热效果，研究了起火点发生位置的概率，得到如下结论：(1)当起火点位于集热板的正下方时，集热板内的喷头启动时间早于直接安装在顶棚处的喷头，集热板的集热效果理想；当起火点不在集热板的正下方时，顶棚射流很难降低至集热板的安装高度，集热板起不到集热作用。(2)场所危险级越严重或集热板尺寸越大，起火点位于集热板正下方的概率越大。(3)集热板的有效性很低，仅为0.16%～2.52%，不建议在实际工程中推广应用。

表2　起火点发生位置的概率(%)

[1] 薄立矗.集热罩对喷头启动时间影响的数值模拟研究[J].武警学院学报,2011,27(6):5-7.

[2] 葛晓霞.集热挡水板应用效果的试验研究[J].消防科学与技术,2014,33(11):1294-1297.

[3] 冯小军,张文华,孔祥欣,等.集热板在大空间场所作用效果的讨论[J].消防科学与技术,2008,27(2):86-90.

[4] GUPTA A K. Modeling the Response of Sprinklers Incompartment Fires[J].Fire and Materials,2001,25:117-121.

[5] BUKOWSHI R W．Fire Hazard Analysis[M]// Fire Protection Handbook. 19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003: Section 3 Chapter 7.

[6] BUDNICK E K, EVANS D D, NELSON H E. Simplified Fire Growth Calculations[M]// Fire Protection Handbook.19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003:Section 3 Chapter 9.

[7] CHOW W K. Performance of Sprinkler in Atrium[J]. Journal of Fire Science,1996,14:467-488.

[8] KLEIN R A. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering(1995)[J]. Fire Safety Journal,1997,291.

[9] 杜兰萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大学,2007.

[10] 中华人民共和国公安部.自动喷水灭火系统设计规范:GB 50084—2001[S].2005年版.北京：中国计划出版社,2005.

(责任编辑、校对马龙)

An Analysis of the Effectiveness of a Heat-collection Plate

LIU Jinshuo

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The heat-collection effect of a heat-collection plate is determined by the responding time of nozzle. Based on the formula of the responding time of a nozzle and Alpert model of a ceiling jet, this paper analyzes the heat-collecting effectiveness with different locations of a fire and a heat-collection plate. The results show that when the origin of a fire is under a heat-collection plate, the heat-collecting effect is ideal but this probability is low about only 0.16%～2.52%. Therefore, the effectiveness of a heat-collection plate is low and it is hard to be effective.

heat-collection plate; ceiling jet; position probability of fire; effectiveness

2016-01-12

武警学院优秀硕士学位论文培育工程项目(YP201510)

刘今烁(1992—)，男，山东菏泽人，防火工程专业在读硕士研究生。

TU892

A

1008-2077(2016)04-0023-04