宋 波,楊丙杰,劉 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

高凈空場所自動噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭動作時間研究

宋 波,楊丙杰,劉 欣,李 毅

(公安部天津消防研究所,天津,300381)

為研究非倉庫類高大凈空場所自動噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭的動作性能,按照模擬真實場所的場景布置,采用單層標準燃燒物組合替代實際場所中的燃燒物,進行了單層標準燃燒物組合的熱量標定試驗。通過采用實體試驗、數(shù)值模擬和羽流模型計算相結(jié)合的方法,對18m高凈空場所在單層標準燃燒物組合布置情況下的噴頭動作性能進行了計算分析。計算結(jié)果顯示,噴頭預計會在8min～10min內(nèi)動作,動作時間處于火災穩(wěn)定增長階段范圍內(nèi)。對于此類場所設置的自動噴水滅火系統(tǒng),其功能應以保護建筑結(jié)構(gòu)為主,并為人員疏散和消防隊員撲救贏得時間。

高凈空場所;灑水噴頭;動作性能

0 引言

近年來,我國一些非倉庫類高大凈空場所逐漸興起,如會展中心、體育館、航站樓等,這些場所具有凈空高度高,可燃物荷載少且高度低等特點,國外一些研究機構(gòu)將該類場所定義為燃料堆垛儲存高度低于3m且凈空高度大于8m的場所(凈空高度指室內(nèi)地面到屋面板的垂直距離)[1,2]。目前,我國相關(guān)規(guī)范缺乏對于此類場所自動滅火設施設置方式的規(guī)定。常用的有以下5種滅火設施:1、擴大作用面積的自動噴水濕式系統(tǒng);2、雨淋系統(tǒng);3、采用ESFR噴頭的自動噴水滅火系統(tǒng);4、固定消防炮滅火系統(tǒng);5、自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)等,5種滅火設施的特點如表1所示。

表1 幾種滅火設施比較Table 1 Comparison of fire protection systems

3 E S F R自動噴水滅火系統(tǒng)系統(tǒng)動作時間快,噴水量大系統(tǒng)所需壓力高,主要用于倉庫場所4 自動消防炮系統(tǒng)噴射流量大、射程遠、滅火智能化與倉庫火災特點相似的場所與傳統(tǒng)的自動噴水滅火系統(tǒng)相同較好噴水方式為柱狀,保護區(qū)易出現(xiàn)噴水死角5 自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)動作靈敏、自動探測并實施滅火,適用范圍廣非倉庫類高凈空場所等可參照《自動消防炮滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》較好設計用水量大,經(jīng)濟性差非倉庫類高凈空場所和部分倉儲場所可參照《大空間智能型主動噴水滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》好

此類場所設置滅火設施時,涉及到的主要問題有:1、是否設置自動滅火系統(tǒng);2、采用何種自動滅火系統(tǒng);3、采用常規(guī)的自動噴水滅火系統(tǒng)系統(tǒng)能否及時動作和有效控滅火等[3]?，F(xiàn)行國家標準《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB50084-2001,2005年版)規(guī)定了凈空高度為8m～12m的非倉庫類高大凈空場所自動噴水滅火系統(tǒng)的設計基本參數(shù),條文說明中指出此參數(shù)是參照 FM Global的試驗總結(jié)而成[4]。從條文中可以看出,對于8m～12m的高度,仍可采用傳統(tǒng)的濕式系統(tǒng),但是增加了噴水強度和作用面積,如會展中心、多功能體育館、自選商場等一類場所,屬中Ⅱ危險級,高凈空場所(8m～12m)的噴水強度和作用面積較普通安裝高度(≤8m)分別增加了50%和87.5%。

為研究高凈空場所自動噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭的動作性能,本文按照模擬真實場所的場景布置,采用單層標準燃燒物組合替代實際場所中的燃燒物,進行了單層標準燃燒物組合火災熱釋放速率標定試驗。試驗目的是得出單層標準燃燒物組合的熱釋放速率發(fā)展曲線,確定低負荷火災荷載下的火災發(fā)展規(guī)律,提供高凈空場所設計火災所需的設計參數(shù)等。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗在公安部天津消防研究所燃燒實驗館大型量熱器(圖1)下進行,試驗裝置由管路、升降車、測量段、分析儀器、除塵器、風機和煙囪等組成。其中室內(nèi)管路由集煙罩、彎頭、孔板、圓筒形直管段、氣動閥門、熱補償器等組成,測試段內(nèi)設置有溫度、氧濃度、CO濃度和CO2濃度等測試儀器,最佳測量范圍為2MW～10MW。

1.2 試驗燃料的確定

圖1 量熱器測量系統(tǒng)Fig.1 Calorimetric test system

實體火試驗中,由于不可能選取所有實際場所的燃燒物進行試驗,且選取的燃燒物缺乏可重復性和可比性,因此目前國際上普遍采用等效替代的方法,即用標準燃燒物替代實際場所的燃燒物,通過采用標準燃燒物組合來模擬實物,如果采用標準燃燒物組合的火災熱釋放速率增長曲線能夠與實物火基本吻合,則可認為所選定的標準燃燒物組合能夠替代實物火[5]。

根據(jù)前期課題試驗研究結(jié)果,本次試驗選定的標準燃燒物單體由瓦垅紙箱、聚苯乙烯塑料杯、紙隔板和木托盤等組成(圖2),其中瓦垅紙箱規(guī)格為500mm×500mm×500mm,瓦垅紙箱內(nèi)裝有聚苯乙烯塑料杯,塑料杯用厚度為4mm的紙隔板隔離,按5×5×5布置,標準燃燒物單體總重6.39kg[6]。

圖2 標準燃燒物單體Fig.2 Standard plastic commodity

圖3 試驗燃料布置平面圖Fig.3 Plan view of test fuel arrangement

1.3 試驗燃料布置

標準燃燒物組合共4組,每組4個單體,放置在木托盤上,組間距 0.15m,按 2×2布置,面積約4m2,如圖3所示。

1.4 點火方式

點火源采用浸有0.11L汽油的纖維棉棒,直徑和高度均為7.6cm。將纖維棉棒用聚乙烯袋包裹[7]。試驗時將4個聚乙烯包裹的纖維棉棒放置在標準燃燒物組合中心四個對角位置,使用浸有汽油的火炬點燃聚乙烯包。

1.5 試驗過程及結(jié)論

點火后約150s時間內(nèi),火勢燃燒平穩(wěn),火災熱釋放速率一直維持在 30kW～70kW,較為穩(wěn)定。150s后開始加速燃燒,火勢處于快速增長階段,燃燒較為充分。400s時,火災熱釋放速率達到第一個峰值,約3MW,630s時達到最大值,為3.67MW,火勢在這一規(guī)模下持續(xù)燃燒,火災熱釋放速率一直維持在3000kW～3600kW,為全面燃燒階段,維持了約600s,試驗過程如圖4所示。

圖4 試驗過程Fig.4 Test course

試驗期間煙氣全部收集在集煙罩內(nèi),單層標準燃燒物組合火災熱釋放速率隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知,單層標準燃燒物組合在火災增長階段的發(fā)展規(guī)律與火災增長系數(shù)α=0.02056的t2火較為相近。因此,可認為單層標準燃燒物組合的火災熱釋放速率可表示為Q=αt2=0.02056t2(kW)。

圖5 單層標準燃燒物火災熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.5 HRRcurve of single layer standard plastic commodities with time

2 噴頭動作時間計算

國內(nèi)外有不少專家學者開展了噴頭動作時間的計算研究,并開發(fā)了一些用于預測噴頭或感溫探測器動作時間的半物理模型計算程序和軟件,如美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的計算機應用軟件 DETECT-QS、DETQCT-T2 和 L EVENT 等 ,國內(nèi)劉文利等人也開發(fā)了不同火災狀況下灑水噴頭響應時間預測軟件[8]。這些模型通常以灑水噴頭或探測器RTI、公稱動作溫度、安裝高度以及噴頭距離火源的半徑等作為輸入?yún)?shù),以此計算暴露于火災環(huán)境下的灑水噴頭或探測器的響應時間[9]。本文通過采用數(shù)值模擬和羽流模型2種不同的計算方法,對比計算高凈空場所噴頭的動作時間。

2.1 數(shù)值模擬計算

數(shù)值模擬計算采用DETECT-QS模型,該模型可用于計算無側(cè)限頂棚下熱敏元件的動作時間。經(jīng)計算,噴頭動作時間為595.2s,試驗條件及結(jié)果見表2。

表2 DETECT-QS計算條件及結(jié)果Table 2 Computation condition and result for DETECT-QS

2.2 羽流模型計算

采用羽流模型計算時,首先應對噴頭周圍羽流的溫度,對流熱釋放速率以及流速進行計算,羽流的對流熱釋放速率可通過羽流中心線上噴頭周圍溫度計算確定,如式(1)所示[10]:

其中:

ΔT0——中心線羽流溫度變化(K);

T∞——環(huán)境溫度(K);

g——重力加速度(m/s2);

Cp——空氣的等壓比熱(kJ/kg·K);

ρ∞——環(huán)境密度(kg/m3);

z——距羽流原點的高度(m,距離燃料頂部的高度);

z0——虛源高度(m),可由式(2)計算:

噴頭的動作時間即為從試驗點火開始到噴頭感溫元件達到其動作溫度所用的時間,該時間可以通過對能量守恒方程進行積分獲得,見式(5)。將測量到的噴頭周圍環(huán)境溫度 Tg擬合成為時間函數(shù)Tg=f(t)。本文采用4階龍格-庫塔(Runge-Kutta)格式對式(5)進行積分。

其中:

Te——噴頭熱敏元件溫度(K)

t——時間(s)

u——噴頭周圍羽流速度 (m/s)

Tg——噴頭周圍環(huán)境熱空氣溫度(K)

RTI——響應時間指數(shù)((m·s)1/2)

圖6為通過羽流模型計算得到的單層標準燃燒物組合和火災增長系數(shù)α=0.02056時的燃燒物在18m高度下噴頭感溫元件處的溫度隨時間變化的曲線,計算條件見表3。由圖6可知,單層標準燃燒物下噴頭在點火后640s時達到最高溫度67.4℃,無法驅(qū)動噴頭動作,而按α=0.02056增長的燃燒物在477s時達到公稱動作溫度,此時火災熱釋放速率約為4.7MW。因此可以推測,如果單層標準燃燒物組合按6×6布置 ,則噴頭不僅能夠動作,而且動作時間會提前,且過火面積不會超過1只噴頭的保護面積。

表3 計算條件Table 3 Computation condition

圖6 噴頭感溫元件處的溫度隨時間變化曲線Fig.6 Temperature curve of sprinkler thermal element with time

3 結(jié)果分析及結(jié)論

(1)由圖5可知,單層標準燃燒物組合在點火后400s～1000s的時間段內(nèi)熱釋放速率達到峰值后能夠一直穩(wěn)定燃燒,持續(xù)時間約600s左右。因此,如果單層標準燃燒物組合按照6×6布置,則點火后1000s內(nèi)火災熱釋放速率應一直處于穩(wěn)定增長階段。因此,本文假定火災增長系數(shù)為α=0.02056是合適且保守的。

(2)通過數(shù)值模擬和羽流模型計算2種方法計算得到噴頭的動作時間分別為595.2s和477s,分別約為10min和8min,結(jié)果相差較大,這是由于兩種計算方法的邊界條件不同造成的,但無論采用哪種計算方法,所得的結(jié)果均在火災增長階段范圍內(nèi)。因此,可認定在18m凈空高度下,噴頭會在8min～10min動作。

(3)高凈空場所設置自動噴水滅火系統(tǒng)應考慮到可能潛在的火災荷載,尤其當這些臨時火災荷載與固定火災荷載相近時,設置自動噴水滅火系統(tǒng)就顯得十分有必要。此類場所設置的自動噴水滅火系統(tǒng),其功能應以保護建筑結(jié)構(gòu)為主,并為人員疏散和消防隊員撲救贏得時間。

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Actuation time of auto sprinklers at high ceiling clearance facilities

SONG Bo,YANG Bing-jie,LIU Xin,LI Yi

(Tianjin Fire Research Institute of MPS,Tianjin,300381,China)

Calorimetric test of single layer TFRI Standard Plastic Commodities used to represent combustibles in real scenarios was conducted to investigate the actuation performance of auto sprinkler in non-storage high-ceiling-clearance occupancies.Full scale fire test,numerical simulation and fire plume computation were performed to examine the sprinkler actuation performance under the 18-meter clearance height.Computation results show that the sprinkler is estimated to start up at the 8th to 10th minute,which is in the stable fire growth stage.Installing auto sprinkler system in this kind of facilities is mainly for protecting the building structures and saving time for evacuation and fire fightings.

High ceiling clearance facilities;Sprinkler;Actuation performance

TU2

A

1004-5309(2011)-0161-06

2011-02-18;修改日期:2011-04-21

國家“十一五”科技支撐計劃課題(2006BAK06B03);公安部天津消防研究所所級項目“自動噴水滅火系統(tǒng)作用效能的研究”

宋波(1967-),男,天津人,公安部天津消防研究所黨委書記,研究員,工程碩士,主要從事固定滅火系統(tǒng)應用技術(shù)研究。