壁面材料對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣層影響的實(shí)驗(yàn)研究

李俊楠，付艷云

(1. 開封市消防救援支隊(duì)，河南 開封 475000；2. 北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市系統(tǒng)工程研究所，北京 100035)

0 引言

在室內(nèi)火災(zāi)雙區(qū)域模型中[1]，可燃物、熱煙氣層、壁面、地板和火焰等熱表面通過熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)等方式進(jìn)行熱量傳遞，其中熱輻射是室內(nèi)火災(zāi)中最主要的傳熱方式[2-3]?？扇嘉锝邮盏降臒彷椛浞答亖碜詿釤煔鈱?、壁面、地板和火焰等熱表面，但熱煙氣層對(duì)可燃物的熱輻射量所占的份額最大[4]，煙氣層的溫度和分界面高度又是決定轟燃發(fā)生的關(guān)鍵條件[5]，因此，壁面材料對(duì)室內(nèi)火災(zāi)過程的影響，甚至是對(duì)轟燃發(fā)生的影響，都與煙氣層的變化存在關(guān)聯(lián)。宋虎[6]、李洪文[7]等分別研究了室內(nèi)火災(zāi)壁面材料的導(dǎo)熱性和壁面材料的熱慣性對(duì)轟燃發(fā)生時(shí)間的影響；王伯牙等[8]指出熱輻射是導(dǎo)致轟燃發(fā)生的主要傳熱方式，墻面材料作為室內(nèi)火災(zāi)的輻射源之一，高熱慣性材料阻礙轟燃的發(fā)生從而減低火災(zāi)危險(xiǎn)性；趙學(xué)濤[9]通過實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)襯材料熱慣性對(duì)轟燃發(fā)生時(shí)間的影響。但是壁面材料對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣層影響的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，本文通過實(shí)驗(yàn)分析壁面材料的表面輻射率、熱慣性對(duì)室內(nèi)煙氣層分界面高度、溫度的影響，進(jìn)而為室內(nèi)壁面裝修材料的選用，抑制和延緩轟燃發(fā)生提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由小尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

1.1 小尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱

本文以ISO9705全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的1/4尺寸作為室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境，箱體外部尺寸為1.0×0.70×0.70 m，內(nèi)部有效尺寸為0.90×0.60×0.60 m；箱體材質(zhì)為不銹鋼，短期直接耐火溫度為1000℃；箱體四周和頂部均可打開，可方便快捷地更換壁面材料，添加保溫層，箱體開口邊緣設(shè)計(jì)有密封性措施；在箱體窄側(cè)預(yù)留開口，并且可根據(jù)研究目的改變尺寸；在箱體的長(zhǎng)側(cè)壁面中央裝有透明觀察窗，由4塊尺寸為0.3 m×0.2 m的耐高溫石英玻璃組成；箱體頂部預(yù)留有3個(gè)直徑為26.3 mm的孔洞，便于熱電偶伸進(jìn)箱體探測(cè)溫度和進(jìn)行其他數(shù)據(jù)的探測(cè)；實(shí)驗(yàn)箱底部也預(yù)留有孔洞，用于采集熱輻射通量數(shù)據(jù)。小尺寸實(shí)驗(yàn)箱體實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 小尺寸實(shí)驗(yàn)箱

1.2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)

本文采用的溫度檢測(cè)系統(tǒng)由多路火災(zāi)信號(hào)記錄儀和熱電偶組成。多路火災(zāi)信號(hào)采集儀用于溫度和熱流密度的采集，包含4個(gè)模塊，每個(gè)模塊有8個(gè)信道，其中兩個(gè)模塊用于溫度的輸入。多路火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)儀與計(jì)算機(jī)連接起來，通過配套的計(jì)算機(jī)軟件將采集到的火災(zāi)信號(hào)(溫度和熱流密度)每隔5 s實(shí)時(shí)記錄下來，以便直接讀取和處理數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)所用熱電偶類型為K型鎧裝熱電偶，測(cè)量范圍是分別是0～1300℃，誤差為±1℃。由于本文采用的是室內(nèi)火災(zāi)的經(jīng)典雙區(qū)域模型，在進(jìn)行溫度采集時(shí)，應(yīng)將熱電偶遵循一定的排列方式放在一定的位置。根據(jù)王超等學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)[10]，在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)放置10個(gè)探測(cè)點(diǎn)，呈兩列5個(gè)梯度(每個(gè)熱電偶簇含有5個(gè)熱電偶)排列，兩列熱電偶簇距頂部中心位置距離為0.30 m；每簇?zé)犭娕钾Q向均勻，任意兩個(gè)相鄰熱電偶相距0.10 m，頂部熱電偶與頂棚下邊緣處于同一高度，詳細(xì)位置如圖2和圖3所示。

圖2 頂部探測(cè)點(diǎn)

圖3 箱體剖面

1.3 熱輻射通量檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由多路火災(zāi)信號(hào)探測(cè)儀和一個(gè)熱輻射探頭組成，多路火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)儀與溫度檢測(cè)系統(tǒng)的多路火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)儀相同。熱輻射探頭測(cè)量范圍為0～20 kW/m2，誤差范圍為±5%。在開展實(shí)驗(yàn)之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)其靈敏度。為了采集室內(nèi)火災(zāi)過程中地板接收到的熱輻射通量，地板中心放置一個(gè)熱輻射探頭，其上表面與地板平面處在同一水平面上，如圖4所示。

圖4 熱輻射探頭位置

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 火源設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)選用接近真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景下的固體可燃物，聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機(jī)玻璃，英文縮寫為PMMA，其燃燒狀態(tài)穩(wěn)定且取材便捷，相關(guān)參數(shù)可以在文獻(xiàn)中查找，燃料尺寸同燃料盤內(nèi)部尺寸。

實(shí)驗(yàn)中將燃料盤放置于遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)箱開口的地面墻角位置，易于轟燃的發(fā)生和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，燃料盤位置如圖5所示。共采用了5種燃料盤尺寸，底部形狀均為正方形，燃料盤深度4 cm，材質(zhì)為鑄鐵，內(nèi)部直徑分別為18 cm、21 cm、24 cm、27 cm、30 cm和33 cm。

圖5 燃料盤位置

2.2 壁面材料

為了對(duì)比在室內(nèi)火災(zāi)過程中，不同壁面材料對(duì)煙氣層的影響，本研究選取3種不燃性板材，分別為石膏板、石棉板和鋁板?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，并且鋁板的表面輻射率和厚度關(guān)系不大，主要取決于其表面平整性度，拋光鋁板用表面貼附有鋁箔的石膏板代替。3種壁面材料的物理特性見表1。

表1 壁面材料的物理特性

3 實(shí)驗(yàn)工況

本文實(shí)驗(yàn)裝置開口大小和所用燃料類型不變，分別改變?nèi)剂媳P尺寸和壁面材料類型兩個(gè)變量，共設(shè)定18組工況，見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 壁面材料對(duì)煙氣層分界面高度的影響

假設(shè)同一熱電偶簇任意兩個(gè)相鄰熱電偶之間的溫度是隨高度線性變化的，每個(gè)高度水平面的煙氣溫度取平均值。令每個(gè)工況第一次采集到輻射通量大于1 kW/m2的時(shí)刻作為該工況的起始時(shí)刻。利用積分比值法[11]計(jì)算出煙氣層分界面高度隨時(shí)間變化，將同一燃料尺寸、不同壁面材料工況進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

從圖6中可以看出，火災(zāi)發(fā)展起初階段煙氣層分界面較高，隨著火災(zāi)進(jìn)入全面發(fā)展階段煙氣層分界面降低，當(dāng)進(jìn)入衰減階段后，又開始升高；相同壁面材料火源尺寸越大，煙氣層分界面能夠達(dá)到的最低高度值越小，這是因?yàn)榛鹪丛酱笙嗤沫h(huán)境下產(chǎn)煙量越多，在受限空間下積累得越厚。

相同火源尺寸下壁面材料表面輻射率越小，煙氣層分界面能夠達(dá)到的最低高度值越小，鋁箔作壁面材料時(shí)分界面最低高度值最小。這是因?yàn)楸诿娌牧陷椛渎试降?，吸收的熱量越少，更多熱量反饋給了火源，燃燒更加猛烈產(chǎn)煙速率越快，煙氣來不及排除室外導(dǎo)致；當(dāng)火源尺寸達(dá)到一定程度(0.33 m)時(shí)，不同壁面材料煙氣層分界面能夠達(dá)到的最低高度差別不再明顯。

圖6 煙氣層高度的變化

此外，石膏和石棉表面輻射率接近，石棉熱慣性較石膏小，在相同火源尺寸下石棉能夠達(dá)到的煙氣層分界面越低，因此可得出當(dāng)表面輻射率相差不大時(shí)，熱慣性越小，煙氣層分界面能夠到達(dá)的最低高度值越小。這主要是因?yàn)闊釕T性低的材料具有較好的隔熱功能，可以減少室內(nèi)熱量從壁面的散失，增大了對(duì)燃料的熱反饋[4]。

煙氣層分界面高度極大地影響視線范圍，直接影響被困人員逃生和滅火救援行動(dòng)，煙氣層分界面高度越低，越不利于室內(nèi)被困人員逃生，且消防救援人員內(nèi)攻撲救難度越大，因此室內(nèi)裝修應(yīng)盡量選用表面輻射率、熱慣性都相對(duì)較大的不燃性壁面材料。

4.2 壁面材料對(duì)煙氣層溫度的影響

若要運(yùn)用室內(nèi)火災(zāi)雙區(qū)域模型解決問題，就必須確定煙氣層的平均溫度，煙氣層的平均溫度的確定以煙氣層分界面高度為基礎(chǔ)，對(duì)特定時(shí)刻煙氣層分界面高度以上的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到。He等[12]提出了一種在非穩(wěn)態(tài)條件下確定煙氣層平均溫度值的方法，本文采用該方法計(jì)算得到煙氣層平均溫度，如圖7所示。

圖7 煙氣層溫度的變化

從煙氣層平均溫度曲線圖可以看出，火源尺寸越大煙氣層平均溫度峰值越高；當(dāng)火源尺寸相同時(shí)，壁面材料表面輻射率越小，煙氣層溫度平均值的峰值越高；當(dāng)表面輻射率相差不大時(shí)，熱慣性越小，煙氣層溫度平均值的峰值越高，但煙氣層平均溫度受壁面材料的影響較煙氣層分界面高度受到的影響略小。煙氣層的溫度同樣影響被困人員逃生自救和消防救援人員內(nèi)攻撲救，從煙氣層溫度角度出發(fā)，室內(nèi)裝修也應(yīng)盡量選用表面輻射率、熱慣性都相對(duì)較大的不燃性壁面材料。

4.3 壁面材料對(duì)轟燃發(fā)生可能性的影響

本文采用地板中心處接收到的熱輻射通量達(dá)到20 kW/m2為轟燃發(fā)生的判斷依據(jù)[13]。在不同工況條件下，地板中心接收到的輻射通量隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。從曲線圖中可以看出，1-5、1-6、2-5、2-6、3-4、3-5、3-6七種工況地板中心接收到的熱輻射通量峰值均超過20 kW/m2，發(fā)生了轟燃現(xiàn)象；2-4、3-3兩種工況地板中心接收到的熱輻射通量峰值接近20 kW/m2，僅發(fā)生了弱轟燃現(xiàn)象。

對(duì)比同火源尺寸不同壁面材料地板中心接收到的熱輻射通量變化規(guī)律，可以看出，壁面材料輻射率越低，越容易發(fā)生轟燃現(xiàn)象；當(dāng)表面輻射率相差不大時(shí)，熱慣性越小，越容易發(fā)生轟燃現(xiàn)象。因此，避免轟燃的發(fā)生應(yīng)選用輻射率和熱慣性大的壁面裝修材料。小尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱轟燃和弱轟燃現(xiàn)象，如圖9所示。

圖8 地板中心接收到的熱輻射通量變化

圖9 小尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱轟燃和弱轟燃現(xiàn)象

5 結(jié)論

(1) 壁面材料表面輻射率越小，煙氣層分界面能夠達(dá)到的最低高度值越小；當(dāng)表面輻射率相差不大時(shí)，熱慣性越小，煙氣層分界面能夠到達(dá)的最低高度值越小。

(2) 壁面材料表面輻射率越小，煙氣層溫度平均值的峰值越高；當(dāng)表面輻射率相差不大時(shí)，熱慣性越小，煙氣層溫度平均值的峰值越高。并且煙氣層平均溫度受壁面材料的影響較煙氣層分界面高度受到的影響小。

(3) 室內(nèi)裝修應(yīng)選用表面輻射率和熱慣性都相對(duì)較大的不燃性壁面材料，降低轟燃發(fā)生的可能性，減少室內(nèi)火災(zāi)中對(duì)被困人員逃生和消防救援人員內(nèi)攻撲救的難度。

(4) 為了延緩火勢(shì)的發(fā)展特別是避免轟燃的發(fā)生，在火災(zāi)發(fā)展階段要防止可燃物接收到的熱輻射通量達(dá)到20 kW/m2，預(yù)先設(shè)計(jì)安裝排煙設(shè)施和自動(dòng)滅火系統(tǒng)極為重要，能在火災(zāi)初期及時(shí)降低煙氣層溫度和排走形成聚集的煙氣。