单元式住宅楼火灾扑救中射流效率的探讨

曹 永 生

(大同市消防救援支队作战指挥中心，山西 大同 037000)

单元式住宅是指在多层、高层楼房中的一种住宅建筑形式。通常每层楼面只有一个楼梯，住户由楼梯平台直接进入分户门，一般多层住宅每个楼梯可以安排2户～4户(大进深住宅每层一梯可服务于5户～8户)。所以每个楼梯的控制面积又称为一个居住单元。

1 FDS模型基本参数及实验数据

1)(模型1)建筑为二梯6户单元式住宅楼，东西长28 m南北宽20 m，每层高3 m。南北各3个单元完全对称，因此以南面为起火点设置3个起火点A1，B3，火源3。分别为卧室、客厅和厨房。其计算区域为36 m×25 m×6 m,模拟时间20 min，起火物质分别A1为被褥、衣物和木质衣柜，B3为电器和木质家具，火源3为油锅起火和煤气泄漏起火。其中A1和B3热释放速率取4 Mw,火源3取3 Mw(见图1)。

通过模拟实验可得A,B,C房间及周边建筑在火灾发生后200 s～400 s时温度上升的数值，总体来说客厅和卧室由于火灾载荷大温度上升至700 ℃以上，厨房温度可上升至300 ℃，其周边建筑由近及远温度可达200 ℃～40 ℃。

2)(模型2)选择控制体尺寸为6 m×6 m×6 m，网格数量216 000个，应用预混燃烧模型，并采用液体燃料蒸发燃烧模式定义可燃物，碳氢比取轻质柴油的质量分数11∶24。油池尺寸采用当量矩形区域面积2 m×2 m,火焰燃烧20 s后开始灭火动作，消防水枪流量300 L/min,灭火点距离火焰1 400 mm/2 800 mm,水滴尺寸按1 200正态分布，通过热释放速率的变化模拟灭火过程。

对距离油池1 400 mm和2 800 mm两种条件下，立姿1 700 mm和半蹲姿态900 mm的常见灭火姿态进行数值仿真，其水枪射流为喷雾，角度为俯角10°、平射和仰角10°,25°。通过实验分析可以看出，近距离平射和小角度俯射能够迅速压制火势，但灭火效率不高，火焰熄灭时间较长；而近距离小角度仰射能够较好地控制火势，用时较短。远距离喷水灭火受喷射角度影响不大，但平射和小角度仰射灭火效率明显优于俯射。

2 实际案例分析

2.1 着火建筑及事故处置情况

基本情况：钢筋混凝土浇筑商住混合楼共18层，两梯四户东西横向布置的单元式住宅楼，北面毗邻城市道路，南面为小区6号楼，西面为小区北大门，东面为2号楼。室内消火栓系统因冬季防冻无水，气象条件：-15 ℃，北风4级，湿度41%。

事故经过：由于天然气使用不当，3单元16层东侧住户引发爆燃，致使16层及其楼上两层住宅受到爆炸波及且有不同程度的损坏，17层,18层住户北侧和南侧房间被引燃，事故造成着火房间住户一人受伤(见图2)。

处置过程：接警时间当日下午17时许，调集力量14辆消防车72名指战员到场处置分别采取外围控火和内攻灭火的战术在40 min内扑灭大火，19时许火场清理完毕(见图3)。

2.2 火灾相关条件的分析

这是一起典型的单元式住宅楼火灾事故，结合FDS模型1和模型2场景设置对火场环境做如下分析。

2.2.1 火场温度

根据现场痕迹和高温下各类物质的变化从火场燃烧残留物可以看出，木质家具发生炭化层且有规则的龟裂纹； 铝制品有融化痕迹；铁铜制品状态完好；室内玻璃均已破裂但无流淌；墙壁部分混凝土呈灰白色且有少部分脱落(见图4)，具体物质融点对比见图5。在明火扑灭后的第一时间使用红外测温仪和热像仪测得客厅电视墙温度约为280 ℃，据此可以推断从爆炸起火到明火扑灭，火场瞬间温度可达1 000 ℃以上，之后迅速下降到800 ℃左右并维持了一定时间，最终火场温度在700 ℃以下400 ℃以上的区间内维持了较长时间直至明火扑灭。

2.2.2 火灾荷载及热量

根据以下公式QP=mp,Q=∑QP可燃物质量和释放热量。着火房屋为出租屋，面积80 m2，所设家具为基本生活用品，种类齐全，但室内装修较为简单，根据现场主要燃烧产物估算全面燃烧热值(如表1所示)由此可得出该房屋平均火灾荷载90.23 MJ/m2，为三级火灾荷载。

2.2.3 火场用水量

1 L水在20 ℃时升温至100 ℃需要335 kJ/L的热量，在转化成100 ℃水蒸气需2 260 kJ/L热量，水蒸气再次升温至300 ℃需416 kJ/L,理论每升水完全变成300 ℃的蒸汽可以从火场带走大约3 MJ热量，此次火灾事故在全面燃烧的情况下理论灭火用水量为2 406 L，考虑大部分水未变为蒸汽则水的利用率为11%，则灭火用水量为21 873 L，而火场实际用水量约为55 000 L(不含高喷车外围控火用水)。

表1 着火房间主要可燃物热值表

2.2.4 供水压力

火场采用一台中低压消防车向16层沿楼梯蜿蜒铺设水带方式供水，由消防车到一楼楼梯处2盘80水带，一楼楼梯处至15层楼梯口使用80水带5盘并接分水器，分水器前至16层火场为1盘65水带，根据供水压力损失公式hd=SQ2(水平)和hd=2SQ2+H(80水带沿楼梯)，hd=1.5SQ2+H(65水带沿楼梯)，具体数据见表2。

表2 消防水带压力损失和水枪压力

3 综合分析

从着火建筑的火灾荷载密度、燃烧残留物以及其他现场痕迹可以看出，虽然火灾中有建筑结构、自然环境等影响，但对火场温度上升的过程影响不大，仅是由建筑中火灾荷载大小去影响火场温度的高低。消防用水取决于火场放热的程度，水的比热、各类物质的比热是恒定的，火场可燃物的数量及其燃烧程度，燃烧越充分其散发的热量越多，灭火所需的水也就越多。模型2的结论与实际灭火行动中的基本战术动作没有太大差距，只是在实际应用中由于射流的影响导致空气流动加剧，使火场迅速由燃料控制型燃烧变为通风控制型燃烧，从而改变火场小环境。由于建筑性质的局限，单元式住宅楼的面积不会太大，建筑的火灾荷载、火场温度、火场供水、战术动作都对其火灾扑救影响是恒定的，模拟数据与实际灭火的差别在于消防射流在扑救火灾时的选择。

消防员灭火的方法是让水尽可能接触到燃烧物带走热量，离开水枪的水滴在穿过热烟气层时，一部分液滴会蒸发掉。如果水滴粒径过小，就会在接触明火前蒸发。这种情况下，可燃物表面温度不会降低，热分解也不会停止。因此，在进行表面冷却灭火时，液滴粒径应足够大以确保大部分液滴在可燃物表面蒸发吸热。在灭火过程中，整个可燃物表面都需要冷却，否则会出现部分火焰被扑灭而相邻位置仍存在明火的现象，辐射热将导致已冷却的表面再次升温。随后，热解释放的可燃气体受高温作用会被点燃，使得火灾扑救回到原点。当大量液滴与可燃物接触导致其表面温度下降，热解不久便会停止。这之后，所有液滴会撞击可燃物表面的相同位置，造成水渍损失。

4 单元式住宅楼火灾如何正确选择射流形态

1)蒸汽灭火，为完全扑灭火灾，需要中止可燃物的热解过程,水要尽可能接触到燃烧物表面产生最大量的蒸汽。当室内存在蒸汽时，房间内氧气浓度会下降，明火将会消失。理想状态下，使用开花水枪，将水喷射到墙壁和天花板处。并关闭相邻房间的门，以此来保证着火空间内一定的蒸汽浓度。但这并不意味着火已经被扑灭，只是暂时受到抑制，随着蒸汽逐渐从室内排出，新鲜空气会进入到房间内，出现复燃现象。所以，这种方法也可通过局部破拆建筑构件的孔洞，利用水枪来产生室内蒸汽并减少新鲜空气的流通。

消防员通过开口射水灭火时，需要注意的是，要留有一个开口将多余蒸汽排到外部空间。防止多余的蒸汽沿门向外扩散时经过火场内消防员所在位置，对其造成伤害。

2)烟气冷却，初起火灾产生的热烟气会在天花板下方积聚，烟气的温度和密度逐渐增加，某个时间点，烟气层被点燃，烟气产生辐射热会急剧增加，轰燃随之而来。这时，可采用在烟气层中射入适量的水避免这种情况的发生，冷却烟气时，水枪需要高压力低流量，快速打开产生较小的水滴。一方面，水会蒸发并吸收烟气层热量；另一方面，水蒸发形成的蒸汽(部分)会保留在烟气层内，改变烟气的燃烧极限，使其难以被点燃。液滴最佳尺寸为300 μm，该尺寸下液滴比较厚重足以进入到烟气层内部。

3)火点扑救(点射、扫射)消防员向着火点进行推进的同时，会在烟雾中持续冷却高温烟气。发现火点后将水枪设置为直流水，接着慢慢打开水枪，当水接触到火点后，就缓慢关闭水枪，形成相对大而厚的水滴。理想状态下，水将沿着燃烧物缓慢地流下，这样能够最大可能地冷却燃烧物表面。此时水枪仍为直流水，但开关仅稍微打开以低压射出1 m左右的直射水柱，这将进一步降低燃烧物的温度。

当可燃物大量集中燃烧时，点射就不再适用了，在这种情况下，水枪缓慢打开，水流的压力和流量范围设置为水刚好以小弧度到达起火点为止。这样，厚水滴将再次形成，持续打开水枪，来回摆动形成扫射，晃动水流把水喷洒到可燃物的整个表面，持续此动作，直到火焰熄灭。

4)建筑外部进攻，如火场已经处于全面燃烧阶段，且火焰突破建筑外壳，消防员无法内攻。在这种情况下，结合建筑高度、水枪(炮)射程和视线范围，可以用直流水进行直接进攻，将水从地面或居高车平台射向着火建筑的天花板，天花板的水将会溅射并下落，这样，部分水将落到房间内的燃烧物上。可以降低火灾荷载的温度并为消防员内攻创造条件。因此，这类射流应在统一指挥下进行，且每次出水时间控制在10 s以下，在达成内攻条件后，应立即停止。

5 结语

随着城市化进程的推进，单元式住宅楼将成为城市人群的主要居住建筑，现有的消防装备也能够满足灭火救援时的技术需求，所要注意的是消防员与装备的最佳结合，发挥装备的最大效能，不能过度依赖装备而忽视火场实际情况，改变过去大水漫灌的理念，选用正确的水枪射流，提高水的灭火效能，减小附带损失。