基于数值模拟的迷你仓消防设计研究

陈　全

(广东省公安消防总队 防火监督部，广东 广州 510640)

0　引言

迷你仓是指用于储存的小型仓库。仓库内可根据客户的不同需要，提供从小型衣物放置到大型物品储藏的各种型号的储藏室[1]。迷你仓在国外发展相对成熟，美国8.96%的家庭是迷你仓的用户，全球最大的迷你仓公司Public Storage在2014年营业收入达到22亿美元[2]，从2012年开始，“迷你仓”在中国大陆经过前期的摸索和市场尝试，已经在北京、上海、深圳、广州等大城市逐步发展并成熟起来，随着国内房价的飞速上涨，居住面积和使用面积的矛盾逐渐凸显，迷你仓在国内的需求也越来越高，由此看来，迷你仓产业作为新兴产业，在国内有高速发展的趋势。迷你仓在方便生活起居的同时，其带来的火灾隐患也不容忽视，香港是国内最早引入“迷你仓”这个概念的城市，但2016年6月21日香港工业大厦的迷你仓火灾事故为其消防安全敲响了警钟，“6.21”大火持续燃烧长达108 h，造成重大社会影响。

目前对仓储类火灾研究成果主要集中在大型仓库类建筑，余华等基于仓库火灾统计数据，总结了仓库火灾特点并提出防范对策措施[3]；蒋永清等通过数值模拟的方法，对高架仓库进行火灾烟气运动和控制方案研究[4]；王国栋等通过全尺寸实验，分析了消防设施对仓室火灾控制效果，实验结果表明：依规范设计的消防措施能够有效控制火灾[5]；刘涛等通过对比仓库火灾的实验和数值模拟结果，进一步验证了数值模拟技术在仓库火灾模拟中的有效性[6]。由此可见，目前对大型仓储火灾研究已经相对完善，但尚未对小型、种类复杂的迷你仓的火灾危险性以及防火措施等消防设计相关内容进行研究。本文对多地的迷你仓及其消防安全性进行了实地调研，采用数值模拟的方法对迷你仓的排烟系统、储柜间距等进行分析，旨在为迷你仓的消防设计及运行提出合理化建议，降低迷你仓火灾事故的风险，保障公众人身财产安全。

1　迷你仓火灾风险分析

通过对广东、北京、香港等地部分迷你仓现场调研发现，现有迷你仓中，大部分设置在民用住宅建筑或公共建筑的地下空间，且仓内可燃物数量多、种类多，其火灾荷载、火灾复杂性以及扑救难度均大于普通民用建筑以及同类的地上建筑，主要火灾风险总结如下：

1)由于迷你仓的业主为不同人群及个体，单个迷你仓可达上百个存储柜，因此仓库内所存放的物质种类较多，并且无法对全部存储物品的火灾危险性进行全面的判断。

2)迷你仓面对客户对象主要为城市居民以及企业组织等，目前迷你仓的服务对象中，家庭约占60%左右，企业和组织约占40%左右[7]。家庭用户主要存放家具、衣物及其外包装等物品。

3)企业用户主要存放纸张、办公用品等物品，因此其储存物质多属丙类固体，在空气中受到火焰和高温作用时能发生燃烧，即使移走火源，仍能继续燃烧，具有一定的火灾危险性[8]。

4)由于其多设置在经改造后的民用住宅建筑或公共建筑的地下空间，建筑内部仅配置灭火器，未设置机械排烟系统、自动喷水灭火系统等消防设施。

5)迷你仓的大小从几平米到几百平米不等，建筑面积小而体积较大，而消防部门出于便民利民考虑，对于300 m2以下的场所是不用进行消防设计审核和验收的，因此此类场所缺失源头审批、监管[8]，留下了先天隐患。

6)目前没有专门适用于迷你仓的设计防火规范和标准，只能参照丙类仓库的防火要求来设防，但是迷你仓建筑规模很多达不到规范要求的设置自动灭火系统标准，大多未设置自动灭火系统，这是香港“6.21”火灾难以扑救的原因之一。

7)设置分散，各种写字楼、工业园区、厂房、仓库内都可以设置，甚至违规设在违章既有建筑、住宅建筑内，既分散又隐蔽，难以监管，消防投入不足，多火灾隐患。

鉴于上述情况，除应在源头上确定审批制度、加强监管外，还应研究分析迷你仓火灾特点及消防技术要求，为建立相关标准提供支持。因此，本文选择影响火灾风险的重要因素—排烟系统、储柜间距进行研究，探索迷你仓的消防解决方案。

2　研究方法与参数设置

2.1　研究方法与研究对象

受条件限制，实体火灾实验难以实施，本文主要采用消防行业认可并经实体实验验证的FDS软件进行火灾烟气蔓延特点、辐射通量计算等分析。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，基本控制方程为质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程以及状态方程[9]。

研究对象为广东某地下迷你仓建筑：建筑内部尺寸为20.0 m×12.0 m×3.5 m；无外窗，在东西两侧设有2个外门；内部设置四横两纵的通道；储柜沿墙和建筑中部布置(中间区域设置6排储柜)，上下2层，单个储柜的规格为1.0 m×1.0 m×1.6 m；内部无火灾自动报警系统、无自动灭火系统和防排烟系统，只放置灭火器。该迷你仓的现场照片和数值计算模型如图1、图2所示。监测点布置如图2所示，A，B测点位于火源两侧横走道内部中间位置，主要监测参数为烟气层高度；C，D测点位于火源所在横走道与两侧纵向走道交叉位置，主要监测参数为能见度；E点位于火源对侧储柜外表面几何中心位置，主要监测参数为温度；F点位于火源上方储柜与着火储柜相接触表面的几何中心位置，主要监测参数为温度。

图1　迷你仓现场Fig.1　Photo of mini-storage

图2　迷你仓FDS模型Fig.2　FDS model of mini-storage

2.2　前提假设

结合迷你仓的特点和现场调研情况，进行数值模拟分析时做以下几点假设[10-11]：

1)储柜在锁闭状态下时，空气流通条件较差，故假设火源位置储物柜处于打开状态；火灾发展简化为快速t2火,并且忽略阴燃阶段。

2)迷你仓内部存储物质多为衣物等日常用品或档案等办公用品，假定此类物品的燃点与棉麻及纸张类物质类似，为130℃[12]。

3)储物柜材质一般为金属，设其比热为0.46 kJ/(kg·K)，导热率为45.8 W/(m·K)。

4)内部储柜的布置与研究对象一致，单个储柜规格为1 m×1 m×1.6 m。

5)迷你仓附设在建筑物地下，除2个门外，无其他开敞条件。

2.3　参数设置

该迷你仓内储存物质多为丙类固体，建模时按照实际情况设置可燃物荷载，并采用固体燃烧模型对迷你仓内的火灾荷载进行计算，如式(1)[13]。

Q=ρνpAΔHc

(1)

式中：ρ为可燃材料的密度，kg/m3；νp为燃烧线速度，m/s；A为可燃物与空气接触的表面积，m2；ΔHc为燃烧热，MJ/kg。

依据实地火灾荷载数量和相应物品燃烧速度估算，该迷你仓的火灾规模约1.0 MW；模拟时，采用计算火源特征直径的方法[14]，将网格划分为0.1 m×0.1 m×0.1 m的网格；火灾增长方式选择快速t2，主要参数如表1所示。

表1　基本参数设置Table 1　Basical parameter settings for simulated fire conditions

2.4　模拟工况

为分析排烟系统、储柜间距对迷你仓火灾发展的影响，主要设置不同的储物柜间距、不同的排烟量，以得到合理的储柜布置方式和排烟量大小。考虑到现场储柜可能的布置方式，模拟时设置1.0，1.5和2.0 m 3种布置间距。排烟系统主要考虑有排烟和无排烟2类工况。设置排烟系统时，依据规范要求[15]，排烟量设定为60 m3/(h·m2)，考虑到迷你仓内火灾荷载较高，且小空间的蓄烟能力有限，本文同时模拟了120 m3/(h·m2)的烟控效果，即为规范中同时负担2个防烟分区时排烟系统的排烟量。排烟口对称布置在走道上空。共设置5种工况，如表2所示。

表2　各工况的参数设置Table 2　Parameter settings for simulated fire conditions

3　数值模拟分析

3.1　机械排烟对火灾发展的影响分析

3.1.1机械排烟对烟气层高度的影响

图3为不同机械排烟量下A，B测点位置的烟气层高度变化图。通过对比分析烟气层高度曲线可知：烟气层高度在前150 s内急剧下降，当未设置排烟设施时，A，B两测点的烟气层高度均在150 s内下降至2 m；A测点的烟气层高度明显高于B测点，在未设置排烟设施时，A测点的烟气层高度在1.8 m左右波动，B测点的烟气层高度在1.3 m左右波动；烟气层的高度随着排烟量的增大而升高，60 m3/(h·m2)的排烟方案能够将A，B两点的烟气层高度分别控制在2.2 m和1.6m左右，120 m3/(h·m2)的排烟方案能够将A，B两点的烟气层高度分别控制在2.5 m和2.0 m左右。原因在于火灾发生后，烟气向上蔓延并充满上部自由空间，随后在走道内快速沉降；由于A测点与门口距离较近，存在一定自然排烟条件，因此A测点的烟气层高度明显高于B测点；机械排烟系统启动后，部分高温烟气由室内排出，使得烟气层高度上升，随着机械排烟量的增大，烟气层高度升高越明显。

图3　排烟量不同时烟气层高度变化Fig.3　Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

3.1.2机械排烟量对火灾蔓延的影响

图4为排烟量不同时，火源上方储柜(F点)以及火源对侧储柜(E点)的温度变化曲线。由图4可知，3种工况下，火源上方储柜在120 s左右均被引燃；工况4对火源上方储柜温度影响较小，而工况5对火源上方储柜温度有明显影响，使其温度下降20%左右。原因在于火源上方储柜受到下部火源的加热，导致上部储柜快速升温，因此内部可燃物很容易被引燃。由图4可知，随着排烟量的增加，储柜温度明显降低，工况4的排烟方案可以有效地将储柜温度降低到自燃点130℃以下，工况5的排烟方案可以有效地将储柜温度降低到100℃以下。原因是与火源上方储柜相比，对侧储柜与火源间的距离较远，所受辐射能较少，同时，机械排烟将高温烟气快速排出，烟气层难以沉降，使得储柜与烟气层距离较大，降低了热烟气对火场内的热辐射作用，从而减少了高温烟气对储柜的热辐射作用。

图4　排烟量不同时火灾蔓延情况Fig.4　Changes of fire spread under different mechanical exhaust rate

3.1.3机械排烟对能见度的影响

图5为C，D两点在1.6 m高度处能见度变化的均值曲线，由该曲线可以看出，能见度在100～170 s迅速降至10 m以内，其中工况1的能见度在180 s左右下降至2 m以内，最终稳定在0.5 m左右，工况4的能见度在220 s左右下降至2 m以内，最终稳定在1.3 m左右，工况5的能见度未出现低于5 m的情况。能见度急剧下降的原因是火灾初起时，烟气在上部空间弥漫，待上部空间充满后逐渐向下沉降，由于室内下部自由空间减小以及火灾在142 s时开始达到全盛阶段，烟气在走道内快速沉降，从而降低能见度。由于以上特点以及排烟规律，当排烟量为60 m3/(h·m2)时，仅能排出顶部空间以及少量的走道区域的烟气，当排烟量为120 m3/(h·m2)时，排烟量足以排出顶部空间烟气，并能排出大部分走道区域烟气，因此排烟量的加大对能见度影响较大。

图5　排烟量不同时能见度变化Fig.5　Changes of visibility under different mechanical exhaust rate

3.1.4小结

从本节分析可以看出，由于迷你仓内部结构特点，使得烟气在室内顶部蓄积后迅速下降，降低室内能见度的同时引燃走道对侧储柜，因此危险性较大，需加设机械排烟设施，从而达到安全要求。结合不同排烟方案对烟气层高度的影响，120 m3/(h·m2)的排烟方案使得烟气层高度处于2 m以上，能见度维持在5 m以上，而60 m3/(h·m2)的排烟方案使得烟气层高度处于1.5 m左右，能见度维持在1.3 m以上，由此可以看出，机械排烟量的增加使得高温烟气得以快速排出，烟气层高度、能见度以及火灾蔓延情况得到明显改善。因此，地下迷你仓储建筑采用120 m3/(h·m2)的排烟方案可有效降低火灾规模扩大风险，保障人员安全疏散。

3.2　储柜间距对火灾蔓延的影响分析

如图6所示，走道对侧储柜的表面温度在120 s后增长迅速，当走道两侧储柜间距为1 m时，火灾发生260 s后，火源对侧E位置的储柜达到自燃点130℃；当储柜间间距加大至1.5 m后，E处储柜表面最高温度不超过100℃。原因在于火灾发生后，对侧储柜的热量交换主要受火焰以及火场内高温烟气热辐射作用的影响，火灾初期阶段，由于火势较小，储柜所接收的辐射能较少，在120 s时火源的热释放速率已经达到火灾规模的67%，随着储柜热量的积聚以及火灾规模的增大，储柜表面温度迅速增长。可见，走道两侧储柜间距的增大可显著降低辐射热强度，从而降低火灾蔓延风险。

图6　储柜间距不同时火灾蔓延影响Fig.6　Changes of fire spread under different distance between two lines of lockers

4　结论

1) 设置排烟系统可大大降低迷你仓火灾蔓延风险，当设置机械排烟系统时，120 m3/(h·m2)的排烟量对火灾蔓延及发展有明显抑制作用。

2) 为降低迷你仓内火势的蔓延风险，走道两侧储柜之间的距离不宜小于1.5 m。

3)受条件所限，目前仅采用消防行业认可的数值模拟软件及相关方法对迷你仓进行研究，下一步可通过实体实验进行相关验证。

[1]关博阳．基于RS-485总线的迷你仓温度和时间采集与控制系统的设计[D]．天津：天津大学，2014．

[2]王燕红，万鹏里．基于互联网+的物流迷你仓发展运营探索[J]．物流工程与管理，2016，38(5)：71-72.

WANG Yanhong, WAN Pengli. Based on the "Internet Plus" logistics mini warehouse operations to explore development[J]. Logistics Engineering and Management,2016,38(5):71-72.

[3]余华，何学秋．仓库火灾特点、原因及防范对策探讨[J]．中国安全生产科学技术，2005，1(5)：85-87.

YU Hua, HE Xueqiu. Discussion about characteristics, reasons and contermeasurs of warehouse fire[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2005,1(5):85-87.

[4]蒋永清，刘芳，马德仲．高架仓库火灾烟气运动和控制数值模拟研究[J]．中国安全科学学报，2010，20(2)：35-40.

JIANG Yongqing, LIU Fang, MA Dezhong. Numerical simulation on the movement and control of smoke in large high rack warehouse fire[J]. China Safety Science Journal,2010,20(2):35-40.

[5]王国栋，范志刚，史聪灵，等．机械排烟与水喷淋对仓室火灾控制效果的实验研究[J]．消防科学与技术，2005，24(5)：539-541.

WANG Guodong, FAN Zhigang, SHI Congling, et al. Experimental studies on efficiency of mechanical exhaust and water sprinkler system in compartment fire[J].Fire Science and Technology,2005,24(5):539-541.

[6]刘涛，杨培中，谈迅，等．某仓库火灾实验与数值模拟对比[J]．消防科学与技术，2010，29(2)：91-95.

LIU Tao, YANG Peizhong, TAN Xun, et al. Comparison of numerical simulation and a fire experiment in storehouse[J]. Fire Science and Technology,2010,29(2):91-95.

[7]安锦. 迷你仓——物流模式新探索[N]. 中国航空报,2013-09-19(T03).

[8]中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范: GB50016-2014[S].北京：中国计划出版社,2015.

[9]吕辰，吴宗之，王天瑜，等．中智地下车库火灾烟气流动规律数值模拟分析[J]．中国安全生产科学技术，2016，12(1)：107-110.

LYU Chen, WU Zongzhi, WANG Tianyu, et al. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):107-110.

[10]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator(Version 5)- User's Guide[R].USA:NIST, 2010.

[11]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator (Version 5)- Technical Reference Guide[R].USA:NIST, 2009.

[12]陈鹏. 典型木材表面火蔓延行为及传热机理研究[D]. 合肥：中国科学技术大学, 2006.

[13]卫文彬，刘松涛，刘文利．高层建筑典型房间及共享空间火灾温度场分布规律[J]．河南科技大学学报(自然科学版)，2015，36(5)：68-72.

WEI Wenbin, LIU Songtao, LIU Wenli. Fire temperature field distribution of typical rooms and shared spaces of high-rise buildings[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science,2015,36(5):68-72.

[14]余明高, 陈静, 苏冠锋. 不同防排烟方式下车厢火灾烟气运动的数值模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2017, 13(2):119-125.

YU Minggao, CHEN Jing, SU Guanfeng. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2017,13(2):119-125.

[15]公安部上海消防研究所,上海市消防局. 建筑防排烟技术规程: DGJ08-88-2006 [S] .上海：上海市新闻出版局,2006.