大空间建筑内火灾的分区控制研究

孙 燕，黄 弘，李发强，于德勇，郝承明

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)数控刀具有限公司，四川 成都 610207)



大空间建筑内火灾的分区控制研究

孙 燕1，黄 弘2，李发强3，于德勇1，郝承明1

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)数控刀具有限公司，四川 成都 610207)

为了研究大空间建筑内火灾的分区控制，将空间划分为不同危险程度的区域，提出了用人均换气率L-PFR(P)因子作为划分区域的指标并经过计算确定了具体的指标值。通过与传统的火灾危险性评价指标的比较,证明了用L-PFR(P)作为划分不同危险程度区域指标的合理性。然后对比分析了不同排烟策略下大空间建筑内的烟气情况和人员疏散情况，得到了既能保证排烟效率又能尽量减少由于机械排烟投入造成能源消耗的排烟策略，实现了大空间建筑内火灾的分区控制。

大空间建筑；火灾；分区控制；人均换气率；评价指标

大空间建筑内发生火灾时，离火源距离不同的区域烟气层的温度、高度及有毒气体的浓度均不相同，且随着火灾的发展会不断变化；发生火灾后不同区域内人员的数量会随疏散过程而变化。因此，火灾对室内人员的危害程度随区域不同而不同，同一区域又随时间不同而不同。大空间建筑内火灾的分区控制就是在不同危险程度的区域内用不同的烟气控制策略，在保证烟气对人员产生危害尽可能小的同时节约部分由于运行不必要排烟设备造成的能源消耗。

笔者将火灾发生时的大空间建筑划分为不同危险程度的区域，确定了划分区域的指标值，利用火灾区域模拟程序和人员疏散程序计算分析不同排烟策略下大空间建筑内的烟气和人员疏散情况，得到了既能保证排烟效率又能尽量少地投入机械排烟的排烟策略，实现了火灾的分区控制。

1 计算方法及火灾场景设计

1.1 计算方法介绍

对火灾的模拟采用火灾区域模拟程序CFAST(consolidated model of fire and smoke transport)，将整个建筑空间划分为若干个子区域，再在每一个子区域内采用双层区域模拟的方法来预测上部烟气层和下部冷空气层的温度、烟气层界面高度及气体的浓度随时间的变化。

对人员疏散过程的模拟采用基于元胞自动机模型的、专门用于研究建筑物在一般情况及如火灾等紧急情况下行人疏散问题的STEPS(simulation of transient evacuation and pedestrian movements)程序。在模拟过程中，每个人员都具有根据自身和周围环境的判断分析而采取相应措施的能力[1]。

1.2 火灾场景设计

某大空间建筑长54.6 m，宽29.4 m，高2.667 m，内设13个独立的房间，其余为走廊。房间的顶棚、墙壁和地板材料均为石膏板。现场共有310人。现场示意图如图1所示。

将走廊划分为16个子区域，每个房间为独立的子区域，共29个子区域。火源位于第29区，主要成分为纤维素(C6H10O5)，总质量为4 500 kg。火源增长按近似t2发展。采用中速火[2]，具体参数如表1所示。

整个建筑共设有6个门，每个小房间顶部设有一个竖直开口的窗户，火灾模拟过程中，所有的门和窗户均处于完全开启状态。设有5个竖直开口的机械排烟口为O1～O5，分别位于第29区、第20区、第21区、第19区、第22区，其中O1～O2的排烟面积为1.0 m2，气流量为3 m3/s，O3～O5的排烟面积为0.5 m2，气流量为2 m3/s。初始时所有的机械排烟口均处于关闭状态。

图1 火灾模拟现场示意图

燃烧热/kJ/kg汽化热/kJ/kg汽化温度/℃火焰辐射系数火焰高/m最大释热率/kW上升时间/s稳定燃烧时间/s燃烧产物质量比CO/CO2C/CO21500016301200.31105401583000.100.01

假设火灾0 s时刻发生，探测到火灾需60 s，报警需6 s，人员反应需30 s，第97 s人员才开始从各小房间往各出口疏散。

1.3 传统火灾危险性评价指标

火灾对室内人员产生严重危害的条件有3个[3]：①当烟气层界面高于人眼特征高度时，上部烟气层温度超过180℃；②当烟气层界面低于人眼特征高度时，烟气层温度超过110℃；③当烟气层界面低于人眼特征高度时，CO浓度达到2.5%。采用3个条件中最先达到的条件为判断依据。人眼特征高度通常为1.2～1.8 m，笔者取1.6 m。

2 确定分区指标值

2.1 确定分区

根据火灾对人员的危害程度，将火灾发生时大空间建筑内的区域划分为危险区、过渡区和安全区3个区。危险区靠近火源，烟气温度、浓度都很高且人员数量较多，产生的危害很大，需要在火灾发生后立即进行机械排烟；过渡区的烟气温度、浓度都不是很高，人员数量较少，但后续烟气会蔓延到该区，或即将有大量人员疏散到该区，需要在火灾发生后根据烟气情况、人员疏散情况适时进行机械排烟；安全区烟气温度、浓度都较低，疏散过程中人员也较少，对人员产生的危害较小，因此整个过程都不需要排烟。

2.2 确定分区指标

评价火灾产生的危害离不开对室内人员的考虑。文献[4]～文献[8]提出了多种通风换气因子来衡量通风设备的效率，只有EF因子考虑了室内人员随时间变化的影响，但EF因子没有单位，没有明确的物理意义，只有在某个基准下才有意义。基于此，文献[9]提出了评价排烟效率的新因子：人均换气率L-PFR(P)(m3/(s·人))，通过计算分析表明了利用该因子评价排烟效率的合理可行性。因此笔者用L-PFR(P)因子作为火灾分区控制中划分区域的指标，即L-PFR(P)小的区域属于危险区，L-PFR(P)大的区域属于安全区，L-PFR(P)介于这两者之间的区域属于过渡区。根据文献[9]得到：

(1)

式中：L-PFR(P)i(t)表示第i区t时刻的人均换气率；L-PFRi(t)表示第i区t时刻的通风效率；ni(t)表示第i区t时刻的人数；Qp,i(t)表示第i区t时刻有毒气体产生率；Cdomain,i(t)表示第i区t时刻有毒气体的平均浓度。

由式(1)可知，L-PFR(P)i(t)(i=1,2,…,29)与有毒气体浓度Cdomain,i(t)成反比，因此与第i区的体积大小成正比。将L-PFRi(t)与第i区的体积Vi求商，得到换气回数AEREP(air exchange rate of each person)这个因子。对于体积不同的各个区域，AEREP的指标值一致。

2.3 确定分区指标值

《室内空气质量国家标准》规定，一般民用住宅新风量标准为30 m3/(h·人)[10]，即所需的换气速率为0.008 333 3 m3/(s·人)。此值是人正常呼吸产生CO2的速率为4.166 67×10-6m3/(s·人)时的值。在笔者模拟的火灾中，根据火源参数计算得到CO2的最大产生速率为0.484 5 m3/s，而火源发生区第29区正常情况下有15人，相当于CO2产生率为0.032 298 323 m3/(s·人)，为人正常呼出CO2速率的7 751.6倍，即64.596 m3/(s·人)，由于人的正常呼吸所需要的新风量远远小于该值，因此可以忽略。因此在29区内过渡区到安全区的L-PFR(P)值为64.596 m3/(s·人)，AEREP值为0.739次/(s·人)。

以AEREP值0.739次/(s·人)为标准，得到距离火源比较近的几个子区域从过渡区到安全区的L-PFR(P)标准值,如表2所示。

表2 过渡区到安全区的L-PFR(P)标准值

一般在工程上，危险区与安全区的指标差一个数量级，据此初步得到各个子区域从危险区到过渡区的L-PFR(P)标准值如表3所示。

表3 危险区到过渡区的L-PFR(P)标准值

由于计算中采用了火源的CO2最大产生率且整个空间内CO2的产生率均采用第29区的值，因此各区的L-PFR(P)指标值偏安全。表2和表3是以CO2为污染物时得到的指标值。经计算，以CO为污染物得到的L-PFR(P)值随时间的变化与以CO2为污染物得到的结果几乎完全一致，因此后续可以直接用表2和表3中的数据作为划分区域的L-PFR(P)指标值。

3 计算及结果分析

经计算，人员在160 s时全部疏散完毕，因此笔者设定模拟的时间为160 s。笔者重点研究了距离火源比较近的8个区的情况，共分析了5种不同的排烟策略V1～V5，不同排烟策略下启用机械排烟口的时刻如表4所示。根据传统的火灾危险性评价指标得到不同排烟策略下各区进入危险状态的时刻如表5所示，各区内人员所受的严重危害时长及危险程度划分如表6所示。

表4 排烟策略设置及启用时刻表 s

表5 进入危险状态的时刻 s

注：“—”表示模拟过程中未进入危险状态

表6 人员受严重危害时长及危险程度划分 s

注：“0”为安全区，其余部分为危险区

计算得到不同排烟策略下各区的最小L-PFR(P)值及根据L-PFR(P)指标得到的火灾对人员产生的危险程度分区，如表7所示。

通过对比表6和表7得到，由传统的火灾危险性评价指标得到的分区只有危险区和安全区，而没有过渡区；而由L-PFR(P)指标得到的分区有过渡区。原因是传统的火灾危险性评价指标是“非好即坏”的指标，达到危害指标就是危险区，否则就是安全区；而L-PFR(P)因子考虑了人员的因素，表征的是某个区内的人均换气量，人均换气量有一定范围，在该范围之内人员会受到一定危害，但不至于危及生命，在该范围以下，危害程度相当严重，而在该范围以上，几乎没有危害，该范围就是过渡区的范围。由此可知，用人均换气率L-PFR(P)因子作为不同危险程度区域的划分指标更为合理。

表7 各区在不同排烟策略下的最小L-PFR(P)值及据此得到的危险程度分区 m3/(s·人)

注： 分为危险区； 分为过渡区；分为安全区

在传统的火灾危险性评价指标没达到时，如果室内人员较多，则人均换气量较小，当该人均换气量在过渡区的人均换气量范围以下时，人员就会因换气量不足而受到严重危害，即属于危险区；当该人均换气量在过渡区的人均换气量范围之内时，就属于过渡区，这就是表6中的部分安全区在表7中属于危险区或者过渡区的原因。如果传统的火灾危险性评价指标已经达到，但此时室内人员较少，人均换气量较大，当该值在过渡区的人均换气量范围以内时，就属于过渡区，这就是表6中的部分危险区在表7中属于过渡区的原因。

通过对比V1～V4排烟策略可知，开启机械排烟能有效缩小危险区的范围，除了离火源很近的区之外，其他的区均属于过渡区或安全区；机械排烟的适当提早投入能有效降低人员在疏散过程中所受到的危害程度。

通过对比V4～V5排烟策略可知，在适当提早投入离火源较近区的机械排烟的条件下，撤出离火源较远区的机械排烟也能得到满意的排烟效果，尽管V5排烟策略下22区、4区和19区都由安全区进入了过渡区，但当这些区进入危险状态时，区内人员已经疏散完毕，不会对人员造成严重危害。

综合考虑， V5为更优的排烟策略，能够在保证排烟效率使火灾对人员产生的危害程度尽量低的同时，尽量少投入机械排烟口的数量和开启时间，减少不必要的能源消耗。这就是火灾的分区控制，按照各区的烟气情况合理投入机械排烟。

4 结论

(1)大空间建筑内发生火灾时，根据火灾对人员的危害程度将空间划分为危险区、过渡区和安全区，提出用人均换气率L-PFR(P)因子作为这3个区的划分指标，且通过计算确立了L-PFR(P)的分区指标值。

(2)分别用传统的火灾危险性评价指标和人均换气率L-PFR(P)因子作为指标，计算得到火灾不同危险程度区域的划分情况，对比分析了两者之间的差异及其产生的原因，得出用人均换气率L-PFR(P)因子作为划分指标更为合理的结论。

(3)研究了火灾时不同排烟策略下大空间建筑内危险区、过渡区和安全区的划分情况，得到了既能保证排烟效率使火灾对人员产生的危害程度尽量低、又能尽量少地投入机械排烟数量和时间的排烟策略，实现了大空间建筑内火灾的分区控制。

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SUN Yan:Engineer; Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China.

Research on Zoning Control of Fire in Large Space Building

SUNYan,HUANGHong,LIFaqiang,YUDeyong,HAOChengming

In order to study the zoning control of fire in large space building, different danger grade zones are divided and L-PFR(P)scale is proposed to act as the index to divide the zones. Compared with the traditional fire risk evaluation index, it is proved that L-PFR (P) is used as the regional rationale for different risk degree.Then, the paper analyzes the flue gas situation and personnel evacuation situation of the large space building under different smoke strategies, and obtains the smoke exhausting strategy which can guarantee the efficiency of the smoke exhaustion and minimize the energy consumption caused by the mechanical smoke extraction. It implements the partition control of the fire in the large space building.

large building; fire; zoning control; L-PFR(P); evaluation index

2095-3852(2017)02-0144-04

A

2016-10-27.

孙燕(1987-)，女，陕西榆林人，中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室工程师,主要研究方向为公共安全、核动装置设计.

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.005