基于Pyrosim的老年人照料设施火灾模拟分析

林 熙

（河海大学，江苏 南京 211100）

0 引言

2015年5月25日，河南省鲁山县康乐园老年公寓失火，造成39人死亡、6人受伤，过火面积达745.8 m2，造成的直接经济损失达2 064.5万元［1］。2017年1月4日，吉林省辉南县朝阳镇一老年建筑发生火灾，造成7人死亡［2］。2022年1月8日，湖南省衡阳市石鼓区来雁医院有限责任公司三楼康养部发生火灾，造成6人死亡、8人受伤，过火面积约300 m2，造成的直接经济损失约779.5万元［3］。

由此可以看出，老年人照料设施一旦失火，造成的影响与损失都比较大。因此，住房和城乡建设部于2018年10月1日批准实施了新的《老年人照料设施建筑设计标准》（JGJ 450—2018），同时废除了《养老设施建筑设计规范》（GB 50867—2013）与《老年人居住建筑设计规范》（GB 50340—2016）。新的规范对老年人照料设施建筑防火设计与消防设施的设置有着更高的要求，表明国家对老年人照料设施火灾预防的重视。

2000年，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了火灾动态模拟软件（FDS），国内外诸多学者用该软件对火灾进行模拟研究。Hadjisophocleous等［4］用FDS对10层塔楼进行火灾模拟，得到的数据能够反映出火灾烟气的扩散程度、温度与烟气层的高度。之后NIST创建了Thunderhead Engineering Pyrosim。吴壮等［5］用Pyrosim对高校学生宿舍楼不同着火点火灾发展规律进行模拟，为高校学生宿舍楼的消防安全管理与火灾预防提供依据。唐莉青［6］用Pyrosim对高层住宅的火灾进行模拟，总结了高层住宅火灾烟气蔓延规律及发展特性，为高层住宅火灾预防提供建议和对策。本研究利用Pyrosim软件对东部沿海某城市某一老年人照料设施进行火灾模拟，在所有门窗都处于开启的前提下，分别研究消防设施处于有效状态与无效状态，着火层同一防烟分区在发生火灾后，获取其烟层高度（Smoke layer height）、温度（Temperture）和能见度（Visibility）。通过对仿真数据进行对比分析，为老年人照料设施的消防安全管理与人员疏散提供依据。

1 模型建立

1.1 老年人照料设施概况

本研究选取的老年人照料设施位于地上二层，建筑面积约为1 490 m2，框架结构，耐火等级为二级。一层有14个护理间，共有31张床位，在疏散走道的两侧布房，面积约为873.97 m2，层高约2.9 m，并用挡烟垂壁划分出3个防烟分区；二层也采用疏散走道两侧布房的方式，共有13个护理间、31张床位，面积约659.4 m2，层高约2.9 m，按照设计要求用挡烟垂壁划分为2个防烟分区，挡烟垂壁高0.8 m。按照《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084—2017）中的要求设置自动喷水灭火系统；按照《建筑防排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）中的要求在建筑内疏散走道，并设置有机械排烟系统。系统的设计参数详见表1。

表1 消防设施设计参数

该建筑内的机械排烟系统设有1台排烟风机，在Pyrosim中采用激活事件（Activation Events）来实现机械排烟系统的联动控制；自动喷水灭火系统为临高压给水系统，设有消防水池，发生火灾后，喷头受热爆破，管网压力迅速降低，喷淋泵启动，为喷淋管网输送灭火用的水。由于只研究发生火灾后烟层高度、温度、能见度，而自动消防设施中机械排烟与自动喷水灭火系统对这三个因素会产生较大的影响，而其他消防设施对这三个因素的直接影响较小，所以本研究忽略。

1.2 火灾场景的设置

采用Pyrosim软件对老年人照料设施按1∶1的比例进行简化建模，来模拟建筑内部护理间着火情况（见图1）。护理间内主要可燃物有生活用品、窗帘、木制家具等固体可燃物。墙面为0.013 m厚的石膏，天花板为不燃材料，地板为瓷砖。根据场所可燃物的种类，设置该场所热释放率为2 500 kW［7］。选取疏散相对为较困难的二层中部护理间（见图2）作为研究对象，假设该护理间内的老人躺在床上吸烟导致着火，着火面积为1.2 m×2 m=2.4 m2。

图1 老年人照料设施3D建模图

图2 二层着火房间

t2火灾热释放速率曲线见式（1）［8］。

式中：Q为热释放速率；α为火灾增长系数（本研究模拟场景中系数综合取值0.083 kW/s2）。

由式（1）可求出，达到稳定的2 500 kW的热释放速率的时间约为175 s。设定模拟时间为30 min，燃烧化学反应设为聚氨酯，相关参数设定如表2所示。

表2 网格参数表

网格大小为0.5 m×0.5 m×0.5 m，共有65 968个网格。

在人员疏散路径上安装有热电偶探测器、烟层高度探测器、能见度探测器和烟雾探测器。工况1为机械排烟设施与自动喷水灭火系统都无效的情况，工况2为机械排烟设施与自动喷水灭火系统都有效的情况。利用Pyrosim软件对两种工况进行模拟，得出两种工况下的温度、能见度、烟层高度等相关数据。火灾工况设定见表3。

表3 火灾工况设定表

2 模拟结果分析

2.1 温度

随着烟气层携带大量热到处扩散，当烟气层与人员接触时，存在对人的皮肤造成烧伤的可能，温度与人体耐受极限的关系式［9］见式（2）。

式中：t为极限忍受时间，min；T为空气温度，℃；B1和B2为常数，一般情况下B1=1.0、B2=0。考虑到空气湿度的影响及火灾中人体的实际情况，取安全系数为0.7，得到式（3）。

根据式（3）可得人员忍受时间与温度的关系，当温度为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃时，人体的耐受时间分别为1 038 s、240 s、85 s、36 s、20 s。

另外，在7l℃时，皮肤仅在烟气中持续暴露60 s就会造成二级烧伤，82℃时仅30 s就能造成皮肤二级烧伤，100℃时仅15 s就能造成皮肤二级烧伤［10］。综上所述，在发生火灾后，环境温度的高低对人体健康造成的影响是不同的。

2.1.1 消防设施都无效。在工况1情况下，着火层疏散路径中不同地点的温度变化如图3所示。由图3可知，不同地方的温度会随时间变化而变化，着火房间内的温度在200 s左右达到最高，约为350℃，后续温度基本维持在350℃；西侧走道的温度在200 s左右达到最高，约为50℃，之后基本持平；西侧安全出口的温度在200 s左右达到65℃，往后基本无变化；以挡烟垂壁为界线，东侧走道与东侧安全出口的温度在200 s后基本在28℃左右。

图3 工况1下不同位置的温度变化曲线

2.1.2 消防设施都有效。在工况2情况下，着火层疏散路径中不同地点的温度变化如图4所示。由图4可知，在200 s时自动喷水灭火系统喷头的爆破与机械排烟的动作见图5，着火房间内的平均温度维持在140℃左右，而西侧走道与西侧安全出口的温度只上升5℃左右，随后立即恢复至初始环境温度。

图4 工况2下不同位置的温度变化曲线

图5 自动喷水灭火与机械排烟系统动作图

2.2 烟层高度

烟是材料在发生燃烧或热解时排放到空气中的颗粒物和气体的集合，以及夹带或以其他方式混合到空气质量中的量。本研究模拟聚氨酯燃烧物燃烧后产生的一氧化碳、氰化氢等有毒物质，利用Pyrosim软件对燃烧后各位置烟层高度进行测量。

2.2.1 消防设施失效的情况。图6是工况1情况下，各部位烟层的高度对比。着火房间的烟层高度在着火50 s后开始急剧下降，200 s时高度基本稳定，约为1.25 m；着火房间疏散门处的烟层在200 s时下降到1.8 m左右，而离着火房间相对较远的西侧疏散三走道烟层的高度维持在2.6 m左右。在被挡烟垂壁分割的东侧防烟分区，烟层高度随时间的变化程度不是很大。

图6 工况1下不同位置的烟层高度

2.2.2 消防设施有效的情况。图7是工况2情况下，着火层疏散路径上不同位置的烟层高度。从Pyrosim模拟结果来看，随着时间的推移，烟层高度变化不明显，除着火房间烟层有轻微下降外，其余位置烟层高度基本无变化。

图7 工况2下不同位置的烟层高度

2.3 能见度

烟尘扩散会导致楼层内的能见度迅速降低，这是因为碳氢化合物不完全燃烧会产生不纯碳颗粒。本研究选取楼层2 m处的能见度低于5 m为临界值，当能见度低于临界值时就会影响人员的疏散，且能见度降低可能会引发踩踏事件，从而造成二次伤害［5］。

2.3.1 消防设施无效的情况。图8是工况1情况下，着火层不同部位的能见度。从图8可以看出，从着火25 s开始到50 s左右，着火房间内的能见度急剧下降，最后能见度维持在0.5 m左右；从95 s开始到125 s，西侧安全出口的能见度急剧下降，最后维持在0.3 m左右；从95 s开始到160 s左右，西侧走道的能见度急剧下降，最后维持在0.5 m左右；以挡烟垂壁为界的东侧走道与东侧安全出口的能见度，从170 s开始到255 s左右，能见度急剧下降，最后维持在0.5 m左右。

图8 工况1下不同位置能见度趋势图

2.3.2 消防设施有效的情况。工况2情况下不同位置能见度随时间变化见图9。在0～200 s，着火房间、西侧安全出口、西侧走道这三个位置能见度会急剧下降至0 m，而以挡烟垂壁为界限的东侧走道与东侧安全出口能见度没有受到影响。200 s以后，除着火房间外，西侧安全出口与西侧走道的能见度随时间慢慢上升，在500 s后，西侧走道能见度达到5 m的安全疏散临界值［11］，在800 s时，西侧安全出口的能见度达到5 m的安全疏散临界值。

图9 工况2下不同位置能见度趋势图

3 结语

本研究用Pyrosim仿真软件对两种工况进行模拟，得出温度、烟层高度、能见度的对比图，通过对其进行分析可知，湿式自动喷水灭火系统与机械排烟系统的有效与否，对温度、烟层高度、能见度的影响较大。其中，在消防设施有效的情况下，着火房间的温度是无效时的40%，其余位置的温度更是几乎没有变化；着火房间的烟层高度比消防设施无效时上升了1 m，其余位置烟层高度也几乎无变化；东侧走道与东侧安全出口能见度在消防设施的影响下没有出现下降的趋势，着火房间、西侧走道与西侧安全出口的能见度在200 s后有上升的趋势，而相比消防设施无效时能见度在200 s后，各位置的能见度都降为0 m。着火后，消防设施的有效工作对着火后降低温度、提高能见度、控制烟层高度起着很好的作用。所以，对建筑内部的消防设施进行维护，保持消防设施运行良好，可减少人员伤亡和财产损失。