騰龍公寓火災(zāi)模擬研究

何明禮，劉 娟，趙 浩

(湖北理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

近年來，高校學(xué)生公寓火災(zāi)事故時有發(fā)生，如2008年5月5日，中央民族大學(xué)28號宿舍樓6樓601女生寢室發(fā)生火災(zāi);2008年11月14日早晨，上海商學(xué)院徐匯校區(qū)某一學(xué)生公寓發(fā)生火災(zāi)［1］。高校學(xué)生公寓一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成十分嚴(yán)重的社會影響，因此，有必要對高校學(xué)生公寓進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險研究?；馂?zāi)研究的重點是建立火災(zāi)模型，早期的研究主要是建立實物模型，通過物模實驗研究火災(zāi)燃燒過程中溫度、煙氣等各種參數(shù)的變化規(guī)律。隨著計算機(jī)技術(shù)的興起與發(fā)展，火災(zāi)計算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)運而生［2］?；馂?zāi)計算機(jī)模擬技術(shù)與傳統(tǒng)的實驗研究相比，前者更加簡潔方便，而且花費更小。因此計算機(jī)火災(zāi)模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用［3－6］。火災(zāi)模擬技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前，已經(jīng)開發(fā)出較為完善的火災(zāi)模型有近70種，可分別適用于計算火災(zāi)發(fā)生時隨時間變化的環(huán)境溫度、火災(zāi)中的煙氣運動情況、人員疏散情況以及建筑和裝飾材料的耐火性、感煙感溫探測器和灑水噴頭的響應(yīng)時間等［7－9］。本文將利用場模擬軟件中的FDS軟件對騰龍公寓某宿舍進(jìn)行火災(zāi)模擬研究，以期為消防系統(tǒng)改造設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 騰龍公寓概況

1.1 騰龍公寓簡介

騰龍公寓位于湖北省黃石市，規(guī)劃建設(shè)A、B、C 3棟樓，又將其細(xì)分為8棟，每棟7層，A、C 2棟每層64間宿舍，B棟每層136間，總共規(guī)劃容納學(xué)生6 500人。每棟樓長60 m、寬16.5 m;每間宿舍長7.2 m，寬4.0 m，可入住4人，放有4個書桌、2個衣柜，床鋪位于書桌與衣柜的上方，并設(shè)有洗漱間和獨立衛(wèi)生間，設(shè)施齊全，生活方便。

1.2 騰龍公寓消防設(shè)施情況

騰龍公寓每棟樓左右各有一個1.8 m寬的人行樓道，在每層樓道轉(zhuǎn)角處配有2具干粉滅火器、1個室內(nèi)消防栓，每層樓配有2～3盞應(yīng)急燈。宿舍群中間有一條雙向主干道，每棟宿舍樓旁設(shè)有1～2個室外消防栓。

2 模擬對象選取與模型建立

2.1 模擬對象選取

騰龍公寓A、B、C 3棟樓中，B棟人口最為密集，而且它的防火設(shè)計很多未達(dá)到消防技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。故選擇B棟樓為模擬對象，而其中4，5棟發(fā)生火災(zāi)最容易傳播到其他樓棟，因此選擇B棟中4棟4層樓的415宿舍建立模型。

2.2 模型建立

2.2.1 模型設(shè)計

根據(jù)該宿舍的實際情況，對宿舍和走廊進(jìn)行1∶1建模。宿舍空間大小為7.2 m×4.0 m ×3.0 m，走廊空間大小為60 m×2.1 m×3.0 m。宿舍內(nèi)衛(wèi)生間空間大小為2.0 m×1.5 m× 3.0 m。洗漱池長1.6 m、寬0.6 m、高1.0 m。宿舍門寬1 m、高2 m、厚0.1 m，窗戶寬1.6 m、高2.1 m、厚0.1 m。宿舍內(nèi)有4張帶書架的書桌，2個大衣柜，4張床。書桌由長1.5 m、寬0.3 m、高0.8 m的書架和長1.5 m、寬0.5 m、高0.8 m的寫字臺組合而成，書桌上擺放有一排0.2 m長的書籍。2個書桌中間為長1.2 m、寬0.8 m、高1.6 m的衣柜。書桌和衣柜的上方為床鋪，床鋪所在高度為1.9 m，床長2 m、寬1 m，床上鋪有厚0.03 m的棉絮，并有一床疊好后長0.8 m、寬0.6 m、高0.3 m的棉被擺在床頭。床鋪、書桌和衣柜分別對稱緊靠著兩側(cè)的墻邊。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)FDS軟件要求，劃分網(wǎng)格時，單元數(shù)量最好為2，3，5的倍數(shù)，因此，模擬對象宿舍取長×寬×高3個方向的單元數(shù)量為50×30 ×20，網(wǎng)格為30 000個，模擬對象外的走廊取長×寬×高3個方向的單元數(shù)量為90×15× 20，網(wǎng)格為27 000個。

2.2.3 模擬場景設(shè)置

模擬對象宿舍長期使用大功率電器，由于線路老化短路發(fā)生火災(zāi)，將火源設(shè)置為點火源，長 0.4 m，寬 0.3 m，熱釋放功率設(shè)為1 500 kW/m2。發(fā)生火災(zāi)時宿舍內(nèi)無人，180 s時宿舍管理員發(fā)現(xiàn)該宿舍發(fā)生火災(zāi)，打開該宿舍門后試圖撲滅火災(zāi)。以宿舍的寬度方向為x軸，長度方向為y軸，高度方向為z軸，以宿舍的左下角為原點，建立坐標(biāo)系。在A(1.8，6.5，1.5)處設(shè)置感煙、感溫和熱流量探測器，在走廊上設(shè)置感煙探測器，坐標(biāo)分別為B(－35，7.2，1.5)，C(25，7.2，1.5)。模擬時間設(shè)為600 s。建立完成的模型如圖1～2所示。

圖1 樓層模型3D圖

圖2 樓層2D平面圖

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 安裝排煙和噴淋系統(tǒng)前的模擬分析

A點處的熱流量、溫度、濃度變化情況分別如圖3～5所示。從圖3～5中可以看出，火災(zāi)發(fā)展過程分為2個階段，200 s之前熱流量很低，溫度緩慢上升，而煙氣濃度快速上升，此時為陰燃階段;200 s以后，熱流量持續(xù)快速上升，溫度快速上升，此時為明火燃燒階段，在400 s時，探測點A溫度達(dá)到500℃。180 s左右A點處煙氣濃度達(dá)到最高煙氣濃度的80%，室內(nèi)溫度也上升到90℃，此時將嚴(yán)重影響人的活動，之后溫度快速上升到幾百攝氏度，煙氣濃度也繼續(xù)上升，人員無法疏散，對學(xué)生生命造成危險。

根據(jù)前面的場景設(shè)置，該寢室無人而線路短路發(fā)生火災(zāi)，180 s時宿舍管理員發(fā)現(xiàn)該宿舍發(fā)生火災(zāi)，打開該宿舍門試圖撲滅火災(zāi)，由于火勢過大無法撲滅大火，此時大量煙氣將進(jìn)入樓道，煙氣情況分別如圖6～7所示。從圖6～7中可以看出，當(dāng)180 s時宿舍門開啟后，樓道內(nèi)煙氣濃度將迅速上升，在400 s左右時走廊兩側(cè)上下樓梯處的煙氣濃度上升到了最高煙氣濃度的60%，過高的煙氣濃度將嚴(yán)重影響人員疏散，甚至?xí)θ藛T造成生命危險。

圖3 A點煙氣熱流量情況

圖4 A點溫度變化情況

圖5 A點煙氣濃度變化情況

圖6 B點煙氣情況

圖7 C點煙氣情況

3.2 安裝排煙和噴淋系統(tǒng)后的模擬分析

如果宿舍樓內(nèi)安裝了排煙系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，那么發(fā)生火災(zāi)后又會是怎樣的情況呢?在以上建?；A(chǔ)上在樓道兩端設(shè)置2個排風(fēng)扇，排風(fēng)扇風(fēng)速取3 m/s，然后重新進(jìn)行模擬。此時的煙氣情況分別如圖8～9所示，可以看到安裝了排煙系統(tǒng)后，在400 s左右時走廊兩側(cè)上下樓梯處的煙氣濃度約為最高煙氣濃度的45%，與之前未裝排風(fēng)扇的情況相比，煙氣濃度下降了約15%，這在一定程度上提高了走道內(nèi)通行的安全性，為人員疏散和逃生贏得時間。

若再在宿舍內(nèi)安設(shè)噴淋系統(tǒng)［10］，噴淋設(shè)備選擇常規(guī)型號，噴頭動作溫度為74℃，噴淋流量為6.0 L/min，噴頭位于室內(nèi)頂部前后，坐標(biāo)分別為(2.0，3.0，3.0)和(2.0，6.0，3.0)，然后重新運行模型，得到安裝噴淋系統(tǒng)后A點處的熱流量、溫度、濃度變化情況分別如圖10～12所示。從圖10～12中可以看出，180 s時A點熱流量約為12 kW，煙氣濃度約為最高煙氣濃度的30%，與未裝噴淋系統(tǒng)相比，A點熱流量下降超過90%，煙氣濃度降低約50%，400 s時A點溫度約為55℃，與未裝噴淋系統(tǒng)相比，溫度降低接近90%。火災(zāi)前期是撲滅火災(zāi)的最佳時期，安裝噴淋系統(tǒng)可以有效控制火災(zāi)的發(fā)展、遏制發(fā)生大火災(zāi)、保障學(xué)生生命和財產(chǎn)安全。

圖8 安裝排風(fēng)扇后B點煙氣情況

圖9 安裝排風(fēng)扇后C點煙氣情況

圖10 安裝噴淋系統(tǒng)后A點煙氣熱流量變化情況

圖11 安裝噴淋系統(tǒng)后A點溫度變化情況

圖12 安裝噴淋系統(tǒng)后A點煙氣濃度變化情況

4 結(jié)論與措施建議

4.1 結(jié)論

1)宿舍發(fā)生火災(zāi)后，前200 s內(nèi)火災(zāi)處于陰燃階段，熱量釋放、溫度上升均較慢，煙氣積聚，煙氣濃度逐步升高;在180 s時宿舍門打開后，走廊內(nèi)煙氣濃度迅速攀升，200 s內(nèi)樓梯附近的煙氣濃度可達(dá)到最高煙氣濃度的60%，嚴(yán)重影響人員的安全疏散。

2)如果在走廊兩端安裝排煙風(fēng)扇，可使走廊煙氣濃度降低約15%，如果在宿舍內(nèi)安裝了自動噴淋系統(tǒng)，在180 s時可使室內(nèi)監(jiān)控點熱流量下降超過90%，煙氣濃度降低約50%，400 s時監(jiān)控點溫度降低接近90%，可有效控制火災(zāi)的發(fā)展，保障學(xué)生生命和財產(chǎn)安全。

4.2 措施建議

1)硬件方面:騰龍公寓的滅火器數(shù)量配備不足，單個滅火器放置點應(yīng)增加2具干粉滅火器。火災(zāi)發(fā)生時溫度和煙氣情況會變得比較突出，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，及時排出煙氣，防止煙氣快速聚集，危害學(xué)生的財產(chǎn)和生命安全。如有條件最好能建立噴淋系統(tǒng)，這樣可以更好、更及時地遏制火災(zāi)發(fā)生。

2)管理方面:完善各種安全設(shè)施，制定完善的宿舍管理規(guī)章制度，加強(qiáng)學(xué)生管理，定期檢查寢室，檢修電路情況，限制學(xué)生用火用電，杜絕亂用明火，做好宿舍公共衛(wèi)生，保持安全通道暢通。定期檢查防火安全設(shè)施。加強(qiáng)安全意識，加強(qiáng)學(xué)生的逃生、安全自救能力。

［1］ 張啟滔.校園電氣火災(zāi)成因及預(yù)防措施分析［J］.江蘇安全生產(chǎn)，2010:27－28.

［2］ 李關(guān)林.淺析我國火災(zāi)形勢與消防技術(shù)的發(fā)展［J］.廣東科技，2013(2):147－148.

［3］ 朋延，賀兆華.淺談火災(zāi)模擬技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2005，24:6－7.

［4］ 耿鵬.室內(nèi)火災(zāi)數(shù)值模擬［D］.太原:中北大學(xué)，2008.

［5］ 李華軍，程曉舫.建筑火災(zāi)模擬模型設(shè)計［J］.火災(zāi)科學(xué)，1994，3(2):21－25.

［6］ 常虹.某高校宿舍樓火災(zāi)再現(xiàn)模擬研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2008.

［7］ 李鈴.基于FDS的室內(nèi)火災(zāi)動力學(xué)研究［J］.科學(xué)信息，2011(36):67－75.

［8］ 譚斌.基于軟件FDS的建筑火災(zāi)模擬研究［D］.衡陽:南華大學(xué)，2010.

［9］ 徐幼平，周彪，張騰.FDS在工業(yè)火災(zāi)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(5):60－61.

［10］ 何明禮，李寧，劉娟.某高校學(xué)生宿舍樓消防系統(tǒng)改造設(shè)計［J］.湖北理工學(xué)院學(xué)報，2013，29 (4):32－35.