室内步行街火灾烟气温度和蔓延速度的试验研究

蔡碧合,王 辉,焦 澳,郭筱莹,陈 健,张梅红,丘华生,郑春林,范传刚

(1.衍菓(厦门)科技有限公司,福建 厦门 361101;2.福建建工集团有限责任公司,福建 福州 350001;3.中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075;4.福建省建筑设计研究院有限公司,福建 福州 350001;5.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100020;6.厦门市消防救援支队,福建 厦门361012;7.中国建筑第四工程局有限公司,广东 广州 510665;8.海峡建工集团有限公司,福建 福州 350001)

近年来,随着社会经济和城市化建设的飞速发展以及人们对物质文化需求的日益增长,诸如大型购物商场、地下商业街等综合体建筑应运而生,而室内步行街则是综合体建筑中最具代表性的结构之一。室内步行街能够集购物、娱乐、休闲、观光等功能于一体,给人们的生活带来了便利和舒适。但与此同时,室内步行街内可燃物众多、人员密集,又存在特殊的狭长结构,且多与建筑中庭空间连通,一旦发生火灾,往往会导致建筑内局部温度急剧升高,同时火灾产生的高温烟气会快速在整个建筑内蔓延且难以排出,极易造成大规模的人员伤亡和财产损失。2010年,吉林市晖春街商业大厦发生重大火灾,由于“烟囱效应”使火灾烟气迅速蔓延至整个建筑,导致火灾迅速蔓延扩大,最终造成19人死亡、24人受伤;2012年,天津市蓟县莱德商厦空调超负荷工作形成电气火花引发大火,事故造成10人死亡、16人重伤。综合体建筑火灾的危险性不言而喻,其消防安全问题也引发了广大学者的高度关注[1-7]。

控制火灾烟气流动是室内步行街火灾研究的重要课题,设置合理的防烟分隔和机械排烟系统是限制室内步行街火灾烟气蔓延的重要方式[8-11]。田浩等[12]通过对某室内步行街火灾烟气蔓延途径进行数值模拟来评估其火灾危险性,提出了防排烟系统性能化设计解决方案,并验证了消防设计的可靠性;Huang等[13]通过火灾模拟软件FDS研究了地下商业步行街火灾的烟气流动和人员疏散状况,比较了必需疏散时间(REST)和可用疏散时间(AEST),并根据性能化设计的思想提出了疏散安全等级的评价方法;赵志远[14]通过FDS建立了某室内步行街模型,系统地研究了不同位置排烟口、火源功率、楼板开洞率以及回廊划分形式和长度对火灾烟气蔓延和控制的影响,提出了室内步行街火灾下机械排烟系统的开启方式,并得到了有利于提高排烟效果的防烟分隔设置形式;宗周文等[15]分析了不同工况下某商业综合体内火灾烟气中一氧化碳(CO)浓度、温度、能见度等参数的变化,得到了火灾初期烟气危险性主要为能见度下降的结论;薛伟等[16]采用数值模拟的方法研究了某地下商业街不同机械排烟模式下火灾烟气的控制效果,从排烟速率、非起火区排烟的开启状况等不同角度分析了排烟效率的变化,并提出适当增加补风口的面积能改善排烟效果的结论;胡浪等[17]采用实体火灾试验的方法研究了某室内商业步行街中庭火灾烟气的沉降速率和蔓延范围,并通过比较自然排烟模式和机械排烟模式对火灾烟气的控制效果,给出了实际消防应用中排烟系统开启模式的优化方案;张梅红等[18]通过热烟试验法研究了自然排烟模式和机械排烟模式中的三级排烟模式对室内商业步行街火灾烟气的限制效果,并指出回廊排烟在火灾烟气控制中的重要性。

由于全尺寸火灾试验对人力、物力、场地的高要求,前人的工作中对室内步行街火灾烟气蔓延和控制的研究多依赖于数值模拟方法,但实体火灾试验能够更加真实地反映火灾发展和烟气流动状况。因此,本文开展了室内步行街全尺寸火灾试验,旨在研究不同排烟模式下火灾烟气温度和烟气蔓延速度的变化规律,探讨现有防烟和排烟设备的可靠性,为室内步行街火灾的发展态势和危险性评估以及为防排烟系统性能化设计提供依据。

1 全尺寸火灾试验

1.1 试验布局与工况设置

室内步行街是综合体建筑中的主要结构之一,如图1所示。此次室内步行街全尺寸火灾试验在某综合体建筑内开展(图2),步行街内试验区域涉及步行街主街(包括中庭和回廊)以及回廊东侧的一个房间,用来模拟室内步行街商铺的火灾烟气蔓延状况。步行街主街为直线型,整体长为154 m、宽为17 m;其中回廊宽度为4 m,吊顶下高度为2.8 m;1号、2号和3号中庭沿南北方向依次排布,高度均为19.8 m。房间由东西、南北方向的两条走道交汇构成,吊顶下净高度为2.8 m,如图3所示。其中,东西方向走道长为35 m、宽为4 m,东侧尽头为防火门,试验时保持关闭,走道西侧通过两个宽分别为1.6 m和2.6 m的门洞与步行街主街回廊连通,门洞高度均为2.6 m;南北方向走道长为6.5 m、宽为3.1 m,南侧与东西侧走道相通,北侧通向一个长为20 m、宽为9 m的空间。

图1 某室内步行街图(图片来源:作者自摄)Fig.1 Photo of an indoor pedestrian street (Taken by the author)

图2 步行街内试验区域Fig.2 Experimental region in the indoor pedestrian street

图3 房间内火灾试验布局Fig.3 Fire experimental layout in the room

室内步行街中通常设置机械排烟系统,并采用房间、回廊和中庭组合的三级排烟模式,因此本试验共设置4组工况,以火灾烟气自然蔓延工况为对照组,研究房间排烟模式、房间与中庭组合排烟模式以及房间与回廊组合排烟模式下的火灾烟气蔓延特征和控制效果,试验工况的详细信息见表1。

表1 试验工况设置

试验房间内东侧走道和北侧走道各设有一处挡烟垂壁,与西侧门洞所设计的防火防烟设施共同构成一个防烟分区(为了研究房间火灾烟气向步行街主街的蔓延情况,试验时西侧门洞保持敞开),试验主要在该防烟分区内展开。该防烟分区内设有两处排烟口(图3),房间排烟口1位于西侧门洞处,房间排烟口2位于北侧挡烟垂壁处,尺寸均为1 m×1 m,在工况2、3、4的试验中两个排烟口同时开启,设计排烟量为15 000 m3/h。在与该防烟分区相邻的回廊上设置有一个尺寸为0.8 m×1 m的排烟口,设计排烟量为15 000 m3/h,在工况4的试验中与回廊的活动式挡烟垂壁共同开启。与试验房间相邻的是3号中庭,其顶部南北两侧共安装有5个尺寸为1 m×0.8 m的机械排烟口,在工况3的试验中全部开启,设计排烟量为107 000 m3/h。系列试验期间,点火后随即启动机械排烟系统,环境温度始终维持在18 ℃左右,每两次试验间隔期间开启机械排烟系统排烟,待环境条件恢复到初始状态再进行下一组试验。

1.2 火源设置与数据采集系统

此次全尺寸火灾试验采用《防排烟系统性能现场验证方法 热烟试验法》(GA/T 999—2012)[19]中规定的标准热烟试验法,火源设置在东西、南北方向走道交叉口处,如图3所示。热烟试验装置包括置于承水盘中的燃烧盘和紧靠燃烧盘的发烟装置,其中燃烧盘选用A1规格,每次试验注入16 L 95%乙醇作为燃料,设计火源功率为0.34 MW;在承水盘中注入适量冷却水以确保试验安全性,同时保证燃烧盘不会飘浮;试验发烟材料选用烟饼,燃烧产生的烟气通过独立的发烟炉引导至火源上方。此外,由于试验房间较为狭小,在燃烧盘上方及四周墙壁处放置了防护板进行保护,以避免火焰高温对周围墙壁及天花板饰面材料造成损伤,而防护板的设置会对火灾烟气的初始上升阶段有所迟滞,但不会影响火灾烟气整体的蔓延发展过程。本次试验全部采取自然补风方式,为了减少环境风对试验的影响,仅开启步行街南侧远端大门作为补风口,其余位置的补风口均保持关闭。

此次全尺寸火灾试验的温度测试系统采用0.4 mm K型热电偶与深华轩SH-64通道多路温度测试仪,41个热电偶以火源为中心沿东西、南北方向交叉布置在房间和回廊天花板下方2 cm处(图3),用于测量房间天花板下方烟气温度的变化。在南北方向走道上,沿走道中轴线在天花板下方共布置了16个热电偶,其中有5个热电偶安装在挡烟垂壁北侧;在东西方向走道上布置的26个热电偶贯通整个走道及西侧门洞外的回廊,其中有4个热电偶安装在挡烟垂壁东侧,热电偶之间的间距均为1 m。

2 试验结果与讨论

2.1 房间天花板下方火灾烟气温升变化

研究房间天花板下方火灾烟气温升的变化能够为建筑防火设计提供参考,同时也能够为火灾时人员安全疏散提供指导。房间内火灾先后经历了加速燃烧阶段、稳定燃烧阶段和熄灭阶段:示踪烟气在火灾热浮力的驱动下先上升,到达防护顶板后向天花板运动,火灾烟气在加速阶段不断蔓延积聚,发展至稳定燃烧阶段后形成稳定烟气层,但受南侧墙壁的限制,火灾烟气主要沿东侧走道、北侧走道及西侧门洞进行蔓延,火灾烟气蔓延出西侧门洞后向相邻的回廊空间和3号中庭扩散,如图4所示。

图4 在不同方向上火灾烟气的蔓延现象Fig.4 Fire smoke movement phenomena in different directions

图5和图6分别给出了不同工况下火源东西、南北方向上近火源、回廊、东侧走道、东侧挡烟垂壁后、北侧走道、北侧挡烟垂壁后等走道典型位置处火灾烟气温升随时间的变化曲线。

图5 不同工况下火源东西方向上走道典型位置处火灾烟气温升随时间的变化曲线Fig.5 Fire smoke temperature rise curves with time at typical positions of the channel in the east-west direction of the fire source under different conditions

图6 不同工况下火源南北方向上走道典型位置处火灾烟气温升随时间的变化曲线Fig.6 Fire smoke temperature rise curves with time at typical positions of the channel in the north-south direction of the fire source under different conditions

由图5和图6可以看出:

1) 在整个试验中,火灾烟气温升曲线的变化趋势是相似的,无论机械排烟系统是否开启,火灾烟气温升均先后经历了上升、在一定范围内波动以及降低3个阶段,与上文中所述火灾发展的3个阶段相一致。在火源的稳定燃烧阶段,火灾烟气温升在一定范围内波动变化,视为火灾烟气温升的稳定阶段;在不同机械排烟模式下,火灾烟气温升稳定阶段的状况也有所不同,主要体现在火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间以及烟气温升值的变化。

2) 火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间受到机械排烟系统开启模式的影响,同时与火灾烟气蔓延方向以及距火源的距离有关。在自然蔓延条件下(工况1),不同方向上、距火源不同距离的火灾烟气温升具有相似的稳定阶段,距火源的距离对火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间的影响很小,但西侧门洞外远处较为特殊,由于回廊空间开阔,火灾烟气在回廊上蔓延时的热损失相对房间内较高,火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间略晚。对于不同机械排烟模式(工况2、3、4),火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间在相同的位置上是相似的,但在不同方向上、距火源不同距离处存在着一定的差异;火源正上方烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间与自然蔓延条件下保持一致,而火源两侧位置火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间相较自然蔓延条件下滞后,东侧和北侧走道火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间滞后程度相近,但低于西侧门洞内、高于西侧门洞外;挡烟垂壁后火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间与挡烟垂壁前保持一致,说明挡烟垂壁对其基本没有影响。机械排烟作用下火灾烟气温升稳定阶段在点火后的出现时间的变化与火灾烟气蔓延速度相关,相同方向上工况2、3、4中3种不同机械排烟模式下火灾烟气的蔓延速度相近,而在不同方向上东侧和北侧走道火灾烟气的蔓延速度相近,但西侧门洞方向上火灾烟气的蔓延速度较低,具体变化将在下节中详述。

3) 不同排烟模式下稳定阶段内火灾烟气温升值的变化同时体现在火灾烟气温升值随时间的波动以及总体烟气温升值的大小,这两方面的变化也与距火源的距离有关。在自然蔓延条件下,稳定阶段内火灾烟气温升值的波动幅度整体较小;当机械排烟系统开启时,整体上尤其是房间内火灾烟气温升值在稳定阶段内的波动幅度明显增大,这是由于房间内气流流动增强导致的;而在北侧和东侧挡烟垂壁后以及西侧门洞外火灾烟气温升值相对较低[图5(a)、5(f)和图6(d)],这些位置受到挡烟垂壁以及距离的限制,机械排烟系统的开启对上述位置处火灾烟气温升值的影响较小,因而这些位置处稳定阶段火灾烟气温升值的波动幅度增加较小。

4) 当机械排烟系统开启时,整体上尤其是房间内天花板下方火灾烟气温升值相较于自然蔓延条件下有所升高;而在北侧和东侧挡烟垂壁后以及西侧门洞外火灾烟气温升值相较于自然蔓延条件下有所降低。

对于此次试验中的典型位置,引起火灾烟气温升值变化的原因主要有两个方面:火源功率的变化和机械排烟系统的影响。火源功率的增大会使火灾烟气温升升高,而机械排烟系统的开启会使火灾烟气温升降低。前人的研究指出,可以通过火源的燃料/通风当量比φ来判断火源燃烧是受燃料控制还是通风控制,φ的计算公式如下[20-22]:

(1)

(2)

式中:a、b、c分别为燃料分子式CaHbOc中碳、氢、氧原子的个数。

(3)

(4)

此次试验区域房间的通风口主要为北侧走道开口和西侧门洞,面积分别为8.68 m2和10.92 m2,由上述公式可计算得到此试验火源的燃料/通风当量比φ= 6.95>1,由此判断此次试验火源燃烧是受通风控制的。需要说明的是,由于通风条件的限制,乙醇的燃烧效率可能会有所降低,但不影响最终的试验结果。按照开启房间机械排烟系统(工况2)、同时开启房间机械排烟系统和3号中庭机械排烟系统(工况3)、同时开启房间机械排烟系统和回廊机械排烟系统(工况4)的顺序,房间内气体流动强度不断增大,通风条件得到改善,因而其火源功率不断增强,导致房间内天花板下方火灾烟气温升不断升高;而在北侧和东侧挡烟垂壁后以及西侧门洞外,机械排烟系统对火灾烟气的冷却和限制作用要显著高于其对火源功率的提升作用,因此这两个位置处火灾烟气温升有所降低。

2.2 火灾烟气蔓延速度变化

图7给出了东、西、北三个方向上到火源不同距离处火灾烟气的蔓延速度。本研究中以热电偶温升发生突变的时间作为火灾烟气前锋到达该位置的时间,据此计算不同位置处火灾烟气的蔓延速度,并求取距火源不同距离处火灾烟气蔓延速度的平均值作为其整体的火灾烟气蔓延速度,如图7中实线部分所示。

图7 不同工况下东、西、北三个方向上到火源不同距 离处火灾烟气的蔓延速度Fig.7 Fire smoke movement velocities at different distances to the fire source in the estern, western and northern directions under different conditions

由图7可以看出:受火源上方防护板对火灾烟气运动延迟作用的影响,火灾烟气在各个方向上3 m范围内(以灰色区域进行标识)的蔓延速度计算值均偏小,因此在计算整体火灾烟气蔓延速度时未将在各个方向上3 m范围内的数据考虑在内。

试验中待火源燃烧稳定后,通过手持式热线风速仪每间隔1 min对东侧和北侧走道挡烟垂壁处的火灾烟气蔓延速度进行了测量,并将测量结果与通过火灾烟气温度变化计算得到的火灾烟气蔓延速度进行了对比,以验证上述计算方法的准确性,其结果如图8所示。

图8 不同工况下火灾烟气蔓延速度测量值与计算值的对比Fig.8 Comparison between measurement and calculation results of fire smoke movement velocity under different conditions

由图8可以看出:东侧和北侧走道挡烟垂壁两个位置处火灾烟气蔓延速度的测量值随时间均有一定程度的波动,但同时均与通过火灾烟气温度变化得到的计算值保持良好的一致性,说明本文所采用的计算方法是可靠的。

上述试验结果表明:在自然蔓延条件下,火灾烟气沿东侧走道的蔓延速度最高,北侧走道次之,而在西侧门洞方向最低,但绝对值差别不大;火灾烟气在越过西侧门洞边界进入相邻回廊后,火灾烟气蔓延速度显著降低。火灾烟气蔓延速度的变化与其蔓延方向上建筑的结构形式有关,火灾烟气蔓延为热浮力驱动,烟气的热能转换为前进的动能,其蔓延速度的大小取决于其在蔓延途径上的热量损失。分析认为:东侧走道相对密闭,火灾烟气在运动过程中的热量损失较低、温度较高,因此火灾烟气蔓延速度较高;而北侧走道空间相对开阔,且末端通向大空间,火灾烟气在运动过程中的热量损失升高、温度降低,因而火灾烟气蔓延速度降低;西侧门洞方向空间最为开阔,火灾烟气在进入回廊后在沿原方向蔓延的同时会发生水平扩散,与周围环境和空气进行大量的热量交换,因而火灾烟气沿西侧门洞方向的蔓延速度最低,且在进入回廊后火灾烟气蔓延速度发生了显著降低。但由于此时尚未有机械排烟系统的影响,火灾烟气与环境的热交换并不剧烈,因此火灾烟气在各个方向上的蔓延速度绝对值差别不大。

在开启机械排烟系统的工况下,火灾烟气蔓延速度的变化是机械排烟系统和火源功率共同作用的结果。一方面,机械排烟口的开启会诱导火灾烟气向其运动,并将烟气快速排出,限制烟气在房间内部以及向更大范围的蔓延,但对不同方向上火灾烟气蔓延的限制效果与排烟口与火源的相对位置有关;另一方面,由于房间火灾为通风控制火灾,机械排烟系统的开启会改善房间内通风状况,促进火源燃烧,提升火源功率,加快火灾烟气的蔓延速度。

房间排烟口1和2分别位于西侧及北侧远端(图3),因此在东侧走道方向上机械排烟系统对火灾烟气蔓延的限制效果最强,火灾烟气蔓延速度下降了约20%,但3种机械排烟模式下火灾烟气的蔓延速度非常接近。这是由于随着机械排烟模式的变化(工况2至工况4),机械排烟系统对火灾烟气蔓延的限制效果增强,但同时也导致了火源功率的不断升高,两者的综合作用表现为不同的机械排烟模式对火灾烟气蔓延的限制效果基本相同。

而在北侧走道方向,与火源距离较近的房间排烟口1对火灾烟气蔓延表现出较强的限制作用,北侧走道上房间排烟口2对火灾烟气蔓延表现为促进作用,通风条件的改善促进了火源燃烧,对火灾烟气蔓延同样表现为促进作用,在三者的综合作用下,3种机械排烟模式下的火灾烟气蔓延速度仍非常接近,但总体上相较自然蔓延条件下略有降低,下降了约6%。

对于西侧门洞方向,由于房间排烟口1位置的特殊性,机械排烟系统对火灾烟气蔓延更多地表现为促进作用,尤其在相邻中庭排烟口(工况3)和相邻回廊排烟口(工况4)与房间内排烟口同时开启工况下,火灾烟气更多地被引入回廊区域,结合火源功率的提升,火灾烟气蔓延速度表现出一定程度的升高;但由于3号中庭排烟口位置较高,对回廊上火灾烟气蔓延的影响较弱,回廊排烟口对附近火灾烟气蔓延的影响较强,却受到活动式挡烟垂壁的限制,因此这两种机械排烟模式下火灾烟气蔓延速度相近,相较于自然蔓延条件下升高了约19%。

需要注意的是,在任意方向和任意机械排烟模式下,火灾烟气均能越过挡烟垂壁继续向防烟分区外蔓延,且挡烟垂壁的存在均未对火灾烟气蔓延速度产生进一步的限制作用[图7(a)和(b)],但机械排烟系统的作用使外溢火灾烟气量和浓度明显降低。如图9所示,在自然蔓延条件下,房间内火灾烟气层厚度较大,火灾烟气在蔓延至挡烟垂壁后发生了绕流,火灾烟气绕流现象明显并不断向远端蔓延,挡烟垂壁未能对火灾烟气蔓延形成限制,基本没有改变火灾烟气的蔓延速度;当机械排烟系统开启时,大量火灾烟气通过排烟口被排出,火灾烟气蔓延受限,但房间内火灾烟气层仍存在一定的厚度,火灾烟气在运动至挡烟垂壁时仍可越过挡烟垂壁继续蔓延,此时挡烟垂壁仍未对火灾烟气蔓延速度产生影响,但火灾烟气绕流现象明显减弱,火灾烟气浓度明显降低。由此可见,挡烟垂壁和机械排烟系统的协同作用未对防烟分区外火灾烟气的蔓延速度体现出进一步的限制作用,两者对火灾烟气的控制效果更多体现为降低火灾烟气的浓度。

图9 不同机械排烟模式下北侧走道处火灾烟气越过挡 烟垂壁的现象Fig.9 Phenomena of fire smoke flow around the smoke barrier in the northern channel under different mechanical smoke exhaust modes

3 结 论

本文通过开展一系列全尺寸火灾试验,研究了不同机械排烟模式下室内步行街火灾烟气温度和蔓延速度的变化规律。本试验中共设置了4种机械排烟模式,分别为火灾烟气自然蔓延、开启房间机械排烟口、同时开启房间机械排烟口和中庭机械排烟口以及同时开启房间机械排烟口和回廊机械排烟口。主要的研究结论如下:

1) 房间内天花板下方火灾烟气温升随时间的变化存在明显的稳定阶段,开启机械排烟系统会使其稳定阶段在点火后的出现时间延后,从而得到更多的可用疏散时间。

2) 房间内火灾燃烧模式可以通过计算燃料/通风当量比φ来判断,本试验中火源为通风控制,当机械排烟系统开启时,房间内通风条件改善使得火源功率增大,导致房间内天花板下方火灾烟气温升总体升高。

3) 火灾烟气在狭长密闭空间的蔓延速度要明显高于开阔空间,机械排烟系统对火灾烟气蔓延速度的限制作用应综合考虑机械排烟模式、排烟口与火源的相对位置以及火源功率的变化。

4) 现有挡烟垂壁和机械排烟系统协同作用可有效降低火灾烟气浓度,但难以进一步限制火灾烟气向防烟分区外蔓延的速度,因此在进行防排烟设计时需要改进防烟分隔设施,以提高其限制火灾烟气蔓延的可靠性。