機械排煙和細水霧對地下商場火災(zāi)控制作用的研究

鞠金亮

（山東省濰坊市消防救援支隊寒亭區(qū)大隊，山東 濰坊 261100）

在深入市場的研究中發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，與地上建筑相比，地下商場建筑更容易發(fā)生火災(zāi)等安全事故，大多數(shù)地下建筑具有通風(fēng)條件差的缺陷。因此，一旦地下商場建筑發(fā)生火災(zāi)，不僅會出現(xiàn)人員死傷慘重的現(xiàn)象，更容易對建筑造成巨大破壞。

地下商業(yè)建筑是一種特殊的地下建筑建設(shè)形式，其建設(shè)規(guī)模通常較大，建設(shè)地下商場對提高地下空間的利用率具有十分顯著的作用[1]。由于地下購物中心相對封閉，進出通道較少，因此消防負荷也比較高，在地下商場中的服裝店一旦發(fā)生火災(zāi)，就難以撲滅。根據(jù)已發(fā)生的火災(zāi)事例可知：在建筑物火災(zāi)事故中，煙霧中毒引起的室內(nèi)空氣污染是造成人員傷亡的重要因素。由于高溫?zé)煔饪焖倭鲃?，使火?zāi)規(guī)模不斷擴大。因此，在地下商業(yè)區(qū)的消防設(shè)計中必須設(shè)置防排煙設(shè)施，配合使用細水霧滅火系統(tǒng)，只有采用該方式才能達到有效控制火災(zāi)煙塵的目的[2]。為落實這方面工作，應(yīng)研究地下商場火災(zāi)中的煙氣流動規(guī)律，采用科學(xué)、合理的機械排煙和細水霧滅火系統(tǒng)的控制方案，最大限度地保障人身安全。

1 建立地下商場火災(zāi)模型

隨著地下購物中心規(guī)模不斷擴大，地下商場建筑數(shù)量、占地面積越來越大，這類建筑中一旦發(fā)生火災(zāi)事故，就會產(chǎn)生大量的濃煙，嚴重影響消防工作的順利開展。

地下商場建筑中的機械排煙系統(tǒng)可以較好地控制火災(zāi)現(xiàn)場的溫度和一氧化碳等煙氣的濃度。細水霧具有滅火速度快、耗水量少、不污染環(huán)境以及對被防護對象破壞少等優(yōu)點。但是綜合相關(guān)工程實踐可知，機械排煙會對細水霧的滅火效果產(chǎn)生一定的影響[3]。目前，對細水霧在受限空間內(nèi)的爆燃和巷道內(nèi)的作用已有大量研究，在有補充空氣的條件下，細水霧在地下商場建筑內(nèi)的滅火效能還鮮有報道[4]。該文將采用建立地下商場火災(zāi)模型的方式進行研究。

對地下商場建筑進行模擬，模擬的商場尺寸為92m×20m×5m（對應(yīng)長度×寬度×高度），當發(fā)生火災(zāi)事故時，火源為1m3的聚氨酯固體，將1m3的火源設(shè)置在地下商場建筑入口位置（距離入口大門30m即可），入口位置與地上建筑呈連通狀態(tài)。

將建筑中的細水霧噴頭安裝在商場墻壁消防區(qū)，模擬噴頭的安裝高度為4m，每個細水霧噴頭間的間距為2m，設(shè)計細水霧噴頭在火災(zāi)條件下的作業(yè)參數(shù)，見表1。

表1 細水霧噴頭在火災(zāi)條件下的作業(yè)參數(shù)

根據(jù)具體情況，將地下商場建筑劃分為2個區(qū)域，分別為區(qū)域一、區(qū)域二，對2個不同的區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，其中，區(qū)域一網(wǎng)格設(shè)計尺寸為0.5m×0.5m×0.5m，區(qū)域二網(wǎng)格設(shè)計尺寸為0.25m×0.25m×0.25m。

在計算機中錄入地下商場建筑相關(guān)參數(shù)，輔助BIM技術(shù)進行建模，構(gòu)建地下商場火災(zāi)模型[5]。

2 細水霧滅火系統(tǒng)作用于地下商場火災(zāi)

由于細水霧滅火系統(tǒng)具有滅火速度快、耗水量少以及不污染環(huán)境等優(yōu)勢，在市場中被廣泛應(yīng)用。但是，經(jīng)過深入研究，本次模擬的地下商場建筑中火源屬于固態(tài)火源，與油噴火相比，由于聚氨酯固體所導(dǎo)致的火災(zāi)事故更復(fù)雜[6]。當固態(tài)火燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧，在該過程中加入細水霧后，會加劇固態(tài)火源不完全燃燒時所釋放的毒性。因此，對細水霧滅火系統(tǒng)進行模擬研究，分析最佳的細水霧噴頭流量，對地下商場火災(zāi)事故的研究具有重要意義。

為滿足這方面內(nèi)容的研究，按照表2的內(nèi)容，模擬地下商場建筑火災(zāi)工況，見表2。

表2 地下商場建筑火災(zāi)工況模擬

當發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的能量守恒關(guān)系，模擬火災(zāi)控制過程，如公式（1）所示。

式中：ρ為空間中的流體密度；t為時刻點；Δ為能量守恒；u為固體可燃物在擴散過程中的速度分量。對理想狀態(tài)下的細水霧滅火狀態(tài)方程進行描述，如公式（2）所示。

式中：p為對理想狀態(tài)下的細水霧滅火狀態(tài)方程進行描述；R為動能守恒關(guān)系；T為組分守恒狀態(tài)；M為滅火過程中的環(huán)境熱力學(xué)系數(shù)。Δ為屬于未知條件，對其進行分解計算，如公式（3）所示。

式中：x、y、z為空間中的能量守恒分量。將計算后得到的Δ代入上述公式，并在地下商場火災(zāi)模型中模擬細水霧系統(tǒng)作用效果，模擬過程如公式（4）所示。

式中：δ為細水霧系統(tǒng)作用效果（量化后該參數(shù)的取值為常數(shù)）；τ為細水霧噴頭系統(tǒng)流量；γ為噴頭系統(tǒng)的作用時長。

模擬后，根據(jù)模型中溫度場的變化，明確在火源功率確定的條件下，細水霧噴頭系統(tǒng)單位時間流量τ·γ與地下商場建筑細水霧系統(tǒng)作用效果δ兩者呈正比例關(guān)系，即細水霧噴頭系統(tǒng)單位時間流量越大，地下商場建筑細水霧系統(tǒng)作用效果越好。反之，細水霧噴頭系統(tǒng)單位時間流量越小，地下商場建筑細水霧系統(tǒng)作用效果越差[7]。由此可見，工況四作用在地下商場中的滅火效果最好。

3 機械排煙和細水霧共同作用時的控制效果

選擇5MW的火源功率，首先，改變細水霧噴頭的流量，并對不同的細水霧流量對滅火效果的影響進行分析，最終保證用水量最小，達到最佳的滅火效果[8]。模擬工況見表3，對使用細水霧噴頭的工作壓力為10MPa，在90s內(nèi)開啟細水霧的情況進行模擬。

表3 模擬工況信息記錄表

結(jié)合上述6種不同工況條件，分別繪制溫度變化曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 工況1～工況3火源上方3m高度溫度變化圖

圖2 工況4～工況6火源上方3m高度溫度變化圖

從圖1和圖2中的6條溫度變化曲線可以看出，當細水霧噴頭流量控制為15L/min時，對火場的降溫效果良好。在補風(fēng)量為排煙量的80%工況條件下，當細水霧噴頭流量為10L/min時，此時能夠達到良好的降溫效果，降低的溫度平均數(shù)值與補風(fēng)量為排煙量的50%工況條件接近，平均溫度能夠控制在200℃左右。對工況1～工況3來說，細水霧噴頭的流量越大，對火場的降溫效果越不理想。對工況4～工況6來說，10L/min的細水霧噴頭流量條件下的降溫效果均達不到較大流量工況。在開啟機械排煙和補風(fēng)的模式運行中，煙氣的溫度下降速度會比細水霧滅火時更慢，通風(fēng)使火場內(nèi)的氧氣濃度增加，給維持燃燒和煙氣的產(chǎn)生帶來了有利條件。

在上述分析基礎(chǔ)上，再對煙氣層的高度進行詳細研究。圖3和圖4分別為工況1～工況3和工況4～工況6條件下煙氣層高度變化曲線圖。

圖3 工況1～工況3煙氣層高度變化曲線圖

圖4 工況4～工況6煙氣層高度變化曲線圖

通過對圖3和圖4曲線變化情況進行分析可知，當補風(fēng)量增加時，區(qū)域穩(wěn)定的煙氣層高度隨之增加。在補風(fēng)量為排煙量的80%的機械排煙條件下，煙氣層的平均高度控制在3.4m左右，在補風(fēng)量為排煙量的50%的機械排煙條件下，煙氣層高度始終在3m上下浮動。在工況4～工況6中，機械排煙與細水霧的共同作用下，隨著細水霧流量不斷增加，煙氣層的高度呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，當細水霧流量達到15L/min時，其煙氣層的高度達到最高水平。與工況4～工況6條件相比，在補風(fēng)量為排煙量的80%的條件下，隨著時間增加，細水霧流量逐漸增加，煙氣層的穩(wěn)定高度更集中，跳躍減輕。與小流量細水霧噴頭相比，增加幅度并不明顯。綜上所述，在實際應(yīng)用中，為了有效地控制商場的火災(zāi)，在機械排煙與細水霧的共同作用下，選擇相對小流量的細水霧噴頭也能夠發(fā)揮作用。

4 不同火源功率時機械排煙和細水霧共同作用時的控制效果

為了對不同火源功率時機械排煙和細水霧共同作用時的控制效果進行分析，在5MW功率的火源條件下，對不同的補風(fēng)量來說，最佳的細水霧噴頭流量設(shè)置參數(shù)不同。當補風(fēng)量為排煙量的50%時，此時細水霧噴頭的流量達到15L/min，可以起到良好的降溫作用，當補風(fēng)量設(shè)置為排煙量的50%時，將細水霧噴頭流量設(shè)置為10L/min，可以達到理想控制效果。將火源功率設(shè)置為2.5MW，分析不同工況條件下細水霧滅火系統(tǒng)對不同火源功率的降溫效果，見表4。

表4 模擬工況信息記錄表

按照表4中的參數(shù)條件，對不同工況條件進行設(shè)置，并記錄工況1和工況2條件下溫度隨時間的變化，見表5。

表5 工況1和工況2條件下溫度隨時間的變化統(tǒng)計表

分析表5中的數(shù)據(jù)可知，當通風(fēng)條件相同以及細水霧噴頭流量相同時，細水霧對大功率火災(zāi)的滅火效果更好，但最后平穩(wěn)的溫度控制在100℃左右。針對地下商場火災(zāi)中的可燃物質(zhì)來說，細水霧滅火系統(tǒng)作用下控制效果更理想，可以對上部煙氣進行降溫。同時，火源的功率越大，降溫的效果越理想。

5 結(jié)語

在城市快速發(fā)展的過程中，隨著各地人口不斷增長，出現(xiàn)了數(shù)量龐大的地下建筑，這些建筑已成為城市發(fā)展中的一項重要內(nèi)容。為保障地下建筑的安全，發(fā)揮地下建筑在城市發(fā)展中的價值，有關(guān)單位明確了對地下建筑進行火災(zāi)安全控制工作的重要性，為落實這項工作，國內(nèi)外學(xué)者對此進行大量研究。與地面建筑相比，地下建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面與其存在較大差異，更易引發(fā)火災(zāi)，且事故發(fā)生后，地下建筑不利于消防隊員的滅火和人員的安全撤離。為解決這方面問題，該文完成了這次研究。希望通過這次研究為地下建筑的火災(zāi)救援提供針對性指導(dǎo)與幫助。