陳　全

(廣東省公安消防總隊 防火監(jiān)督部，廣東 廣州 510640)

0　引言

迷你倉是指用于儲存的小型倉庫。倉庫內(nèi)可根據(jù)客戶的不同需要，提供從小型衣物放置到大型物品儲藏的各種型號的儲藏室[1]。迷你倉在國外發(fā)展相對成熟，美國8.96%的家庭是迷你倉的用戶，全球最大的迷你倉公司Public Storage在2014年營業(yè)收入達到22億美元[2]，從2012年開始，“迷你倉”在中國大陸經(jīng)過前期的摸索和市場嘗試，已經(jīng)在北京、上海、深圳、廣州等大城市逐步發(fā)展并成熟起來，隨著國內(nèi)房價的飛速上漲，居住面積和使用面積的矛盾逐漸凸顯，迷你倉在國內(nèi)的需求也越來越高，由此看來，迷你倉產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，在國內(nèi)有高速發(fā)展的趨勢。迷你倉在方便生活起居的同時，其帶來的火災隱患也不容忽視，香港是國內(nèi)最早引入“迷你倉”這個概念的城市，但2016年6月21日香港工業(yè)大廈的迷你倉火災事故為其消防安全敲響了警鐘，“6.21”大火持續(xù)燃燒長達108 h，造成重大社會影響。

目前對倉儲類火災研究成果主要集中在大型倉庫類建筑，余華等基于倉庫火災統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總結(jié)了倉庫火災特點并提出防范對策措施[3]；蔣永清等通過數(shù)值模擬的方法，對高架倉庫進行火災煙氣運動和控制方案研究[4]；王國棟等通過全尺寸實驗，分析了消防設(shè)施對倉室火災控制效果，實驗結(jié)果表明：依規(guī)范設(shè)計的消防措施能夠有效控制火災[5]；劉濤等通過對比倉庫火災的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果，進一步驗證了數(shù)值模擬技術(shù)在倉庫火災模擬中的有效性[6]。由此可見，目前對大型倉儲火災研究已經(jīng)相對完善，但尚未對小型、種類復雜的迷你倉的火災危險性以及防火措施等消防設(shè)計相關(guān)內(nèi)容進行研究。本文對多地的迷你倉及其消防安全性進行了實地調(diào)研，采用數(shù)值模擬的方法對迷你倉的排煙系統(tǒng)、儲柜間距等進行分析，旨在為迷你倉的消防設(shè)計及運行提出合理化建議，降低迷你倉火災事故的風險，保障公眾人身財產(chǎn)安全。

1　迷你倉火災風險分析

通過對廣東、北京、香港等地部分迷你倉現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有迷你倉中，大部分設(shè)置在民用住宅建筑或公共建筑的地下空間，且倉內(nèi)可燃物數(shù)量多、種類多，其火災荷載、火災復雜性以及撲救難度均大于普通民用建筑以及同類的地上建筑，主要火災風險總結(jié)如下：

1)由于迷你倉的業(yè)主為不同人群及個體，單個迷你倉可達上百個存儲柜，因此倉庫內(nèi)所存放的物質(zhì)種類較多，并且無法對全部存儲物品的火災危險性進行全面的判斷。

2)迷你倉面對客戶對象主要為城市居民以及企業(yè)組織等，目前迷你倉的服務對象中，家庭約占60%左右，企業(yè)和組織約占40%左右[7]。家庭用戶主要存放家具、衣物及其外包裝等物品。

3)企業(yè)用戶主要存放紙張、辦公用品等物品，因此其儲存物質(zhì)多屬丙類固體，在空氣中受到火焰和高溫作用時能發(fā)生燃燒，即使移走火源，仍能繼續(xù)燃燒，具有一定的火災危險性[8]。

4)由于其多設(shè)置在經(jīng)改造后的民用住宅建筑或公共建筑的地下空間，建筑內(nèi)部僅配置滅火器，未設(shè)置機械排煙系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)等消防設(shè)施。

5)迷你倉的大小從幾平米到幾百平米不等，建筑面積小而體積較大，而消防部門出于便民利民考慮，對于300 m2以下的場所是不用進行消防設(shè)計審核和驗收的，因此此類場所缺失源頭審批、監(jiān)管[8]，留下了先天隱患。

6)目前沒有專門適用于迷你倉的設(shè)計防火規(guī)范和標準，只能參照丙類倉庫的防火要求來設(shè)防，但是迷你倉建筑規(guī)模很多達不到規(guī)范要求的設(shè)置自動滅火系統(tǒng)標準，大多未設(shè)置自動滅火系統(tǒng)，這是香港“6.21”火災難以撲救的原因之一。

7)設(shè)置分散，各種寫字樓、工業(yè)園區(qū)、廠房、倉庫內(nèi)都可以設(shè)置，甚至違規(guī)設(shè)在違章既有建筑、住宅建筑內(nèi)，既分散又隱蔽，難以監(jiān)管，消防投入不足，多火災隱患。

鑒于上述情況，除應在源頭上確定審批制度、加強監(jiān)管外，還應研究分析迷你倉火災特點及消防技術(shù)要求，為建立相關(guān)標準提供支持。因此，本文選擇影響火災風險的重要因素—排煙系統(tǒng)、儲柜間距進行研究，探索迷你倉的消防解決方案。

2　研究方法與參數(shù)設(shè)置

2.1　研究方法與研究對象

受條件限制，實體火災實驗難以實施，本文主要采用消防行業(yè)認可并經(jīng)實體實驗驗證的FDS軟件進行火災煙氣蔓延特點、輻射通量計算等分析。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，基本控制方程為質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及狀態(tài)方程[9]。

研究對象為廣東某地下迷你倉建筑：建筑內(nèi)部尺寸為20.0 m×12.0 m×3.5 m；無外窗，在東西兩側(cè)設(shè)有2個外門；內(nèi)部設(shè)置四橫兩縱的通道；儲柜沿墻和建筑中部布置(中間區(qū)域設(shè)置6排儲柜)，上下2層，單個儲柜的規(guī)格為1.0 m×1.0 m×1.6 m；內(nèi)部無火災自動報警系統(tǒng)、無自動滅火系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)，只放置滅火器。該迷你倉的現(xiàn)場照片和數(shù)值計算模型如圖1、圖2所示。監(jiān)測點布置如圖2所示，A，B測點位于火源兩側(cè)橫走道內(nèi)部中間位置，主要監(jiān)測參數(shù)為煙氣層高度；C，D測點位于火源所在橫走道與兩側(cè)縱向走道交叉位置，主要監(jiān)測參數(shù)為能見度；E點位于火源對側(cè)儲柜外表面幾何中心位置，主要監(jiān)測參數(shù)為溫度；F點位于火源上方儲柜與著火儲柜相接觸表面的幾何中心位置，主要監(jiān)測參數(shù)為溫度。

圖1　迷你倉現(xiàn)場Fig.1　Photo of mini-storage

圖2　迷你倉FDS模型Fig.2　FDS model of mini-storage

2.2　前提假設(shè)

結(jié)合迷你倉的特點和現(xiàn)場調(diào)研情況，進行數(shù)值模擬分析時做以下幾點假設(shè)[10-11]：

1)儲柜在鎖閉狀態(tài)下時，空氣流通條件較差，故假設(shè)火源位置儲物柜處于打開狀態(tài)；火災發(fā)展簡化為快速t2火,并且忽略陰燃階段。

2)迷你倉內(nèi)部存儲物質(zhì)多為衣物等日常用品或檔案等辦公用品，假定此類物品的燃點與棉麻及紙張類物質(zhì)類似，為130℃[12]。

3)儲物柜材質(zhì)一般為金屬，設(shè)其比熱為0.46 kJ/(kg·K)，導熱率為45.8 W/(m·K)。

4)內(nèi)部儲柜的布置與研究對象一致，單個儲柜規(guī)格為1 m×1 m×1.6 m。

5)迷你倉附設(shè)在建筑物地下，除2個門外，無其他開敞條件。

2.3　參數(shù)設(shè)置

該迷你倉內(nèi)儲存物質(zhì)多為丙類固體，建模時按照實際情況設(shè)置可燃物荷載，并采用固體燃燒模型對迷你倉內(nèi)的火災荷載進行計算，如式(1)[13]。

Q=ρνpAΔHc

(1)

式中：ρ為可燃材料的密度，kg/m3；νp為燃燒線速度，m/s；A為可燃物與空氣接觸的表面積，m2；ΔHc為燃燒熱，MJ/kg。

依據(jù)實地火災荷載數(shù)量和相應物品燃燒速度估算，該迷你倉的火災規(guī)模約1.0 MW；模擬時，采用計算火源特征直徑的方法[14]，將網(wǎng)格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格；火災增長方式選擇快速t2，主要參數(shù)如表1所示。

表1　基本參數(shù)設(shè)置Table 1　Basical parameter settings for simulated fire conditions

2.4　模擬工況

為分析排煙系統(tǒng)、儲柜間距對迷你倉火災發(fā)展的影響，主要設(shè)置不同的儲物柜間距、不同的排煙量，以得到合理的儲柜布置方式和排煙量大小?？紤]到現(xiàn)場儲柜可能的布置方式，模擬時設(shè)置1.0，1.5和2.0 m 3種布置間距。排煙系統(tǒng)主要考慮有排煙和無排煙2類工況。設(shè)置排煙系統(tǒng)時，依據(jù)規(guī)范要求[15]，排煙量設(shè)定為60 m3/(h·m2)，考慮到迷你倉內(nèi)火災荷載較高，且小空間的蓄煙能力有限，本文同時模擬了120 m3/(h·m2)的煙控效果，即為規(guī)范中同時負擔2個防煙分區(qū)時排煙系統(tǒng)的排煙量。排煙口對稱布置在走道上空。共設(shè)置5種工況，如表2所示。

表2　各工況的參數(shù)設(shè)置Table 2　Parameter settings for simulated fire conditions

3　數(shù)值模擬分析

3.1　機械排煙對火災發(fā)展的影響分析

3.1.1機械排煙對煙氣層高度的影響

圖3為不同機械排煙量下A，B測點位置的煙氣層高度變化圖。通過對比分析煙氣層高度曲線可知：煙氣層高度在前150 s內(nèi)急劇下降，當未設(shè)置排煙設(shè)施時，A，B兩測點的煙氣層高度均在150 s內(nèi)下降至2 m；A測點的煙氣層高度明顯高于B測點，在未設(shè)置排煙設(shè)施時，A測點的煙氣層高度在1.8 m左右波動，B測點的煙氣層高度在1.3 m左右波動；煙氣層的高度隨著排煙量的增大而升高，60 m3/(h·m2)的排煙方案能夠?qū)，B兩點的煙氣層高度分別控制在2.2 m和1.6m左右，120 m3/(h·m2)的排煙方案能夠?qū)，B兩點的煙氣層高度分別控制在2.5 m和2.0 m左右。原因在于火災發(fā)生后，煙氣向上蔓延并充滿上部自由空間，隨后在走道內(nèi)快速沉降；由于A測點與門口距離較近，存在一定自然排煙條件，因此A測點的煙氣層高度明顯高于B測點；機械排煙系統(tǒng)啟動后，部分高溫煙氣由室內(nèi)排出，使得煙氣層高度上升，隨著機械排煙量的增大，煙氣層高度升高越明顯。

圖3　排煙量不同時煙氣層高度變化Fig.3　Changes of smoke layer height under different mechanical exhaust rate

3.1.2機械排煙量對火災蔓延的影響

圖4為排煙量不同時，火源上方儲柜(F點)以及火源對側(cè)儲柜(E點)的溫度變化曲線。由圖4可知，3種工況下，火源上方儲柜在120 s左右均被引燃；工況4對火源上方儲柜溫度影響較小，而工況5對火源上方儲柜溫度有明顯影響，使其溫度下降20%左右。原因在于火源上方儲柜受到下部火源的加熱，導致上部儲柜快速升溫，因此內(nèi)部可燃物很容易被引燃。由圖4可知，隨著排煙量的增加，儲柜溫度明顯降低，工況4的排煙方案可以有效地將儲柜溫度降低到自燃點130℃以下，工況5的排煙方案可以有效地將儲柜溫度降低到100℃以下。原因是與火源上方儲柜相比，對側(cè)儲柜與火源間的距離較遠，所受輻射能較少，同時，機械排煙將高溫煙氣快速排出，煙氣層難以沉降，使得儲柜與煙氣層距離較大，降低了熱煙氣對火場內(nèi)的熱輻射作用，從而減少了高溫煙氣對儲柜的熱輻射作用。

圖4　排煙量不同時火災蔓延情況Fig.4　Changes of fire spread under different mechanical exhaust rate

3.1.3機械排煙對能見度的影響

圖5為C，D兩點在1.6 m高度處能見度變化的均值曲線，由該曲線可以看出，能見度在100～170 s迅速降至10 m以內(nèi)，其中工況1的能見度在180 s左右下降至2 m以內(nèi)，最終穩(wěn)定在0.5 m左右，工況4的能見度在220 s左右下降至2 m以內(nèi)，最終穩(wěn)定在1.3 m左右，工況5的能見度未出現(xiàn)低于5 m的情況。能見度急劇下降的原因是火災初起時，煙氣在上部空間彌漫，待上部空間充滿后逐漸向下沉降，由于室內(nèi)下部自由空間減小以及火災在142 s時開始達到全盛階段，煙氣在走道內(nèi)快速沉降，從而降低能見度。由于以上特點以及排煙規(guī)律，當排煙量為60 m3/(h·m2)時，僅能排出頂部空間以及少量的走道區(qū)域的煙氣，當排煙量為120 m3/(h·m2)時，排煙量足以排出頂部空間煙氣，并能排出大部分走道區(qū)域煙氣，因此排煙量的加大對能見度影響較大。

圖5　排煙量不同時能見度變化Fig.5　Changes of visibility under different mechanical exhaust rate

3.1.4小結(jié)

從本節(jié)分析可以看出，由于迷你倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，使得煙氣在室內(nèi)頂部蓄積后迅速下降，降低室內(nèi)能見度的同時引燃走道對側(cè)儲柜，因此危險性較大，需加設(shè)機械排煙設(shè)施，從而達到安全要求。結(jié)合不同排煙方案對煙氣層高度的影響，120 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于2 m以上，能見度維持在5 m以上，而60 m3/(h·m2)的排煙方案使得煙氣層高度處于1.5 m左右，能見度維持在1.3 m以上，由此可以看出，機械排煙量的增加使得高溫煙氣得以快速排出，煙氣層高度、能見度以及火災蔓延情況得到明顯改善。因此，地下迷你倉儲建筑采用120 m3/(h·m2)的排煙方案可有效降低火災規(guī)模擴大風險，保障人員安全疏散。

3.2　儲柜間距對火災蔓延的影響分析

如圖6所示，走道對側(cè)儲柜的表面溫度在120 s后增長迅速，當走道兩側(cè)儲柜間距為1 m時，火災發(fā)生260 s后，火源對側(cè)E位置的儲柜達到自燃點130℃；當儲柜間間距加大至1.5 m后，E處儲柜表面最高溫度不超過100℃。原因在于火災發(fā)生后，對側(cè)儲柜的熱量交換主要受火焰以及火場內(nèi)高溫煙氣熱輻射作用的影響，火災初期階段，由于火勢較小，儲柜所接收的輻射能較少，在120 s時火源的熱釋放速率已經(jīng)達到火災規(guī)模的67%，隨著儲柜熱量的積聚以及火災規(guī)模的增大，儲柜表面溫度迅速增長?？梢?，走道兩側(cè)儲柜間距的增大可顯著降低輻射熱強度，從而降低火災蔓延風險。

圖6　儲柜間距不同時火災蔓延影響Fig.6　Changes of fire spread under different distance between two lines of lockers

4　結(jié)論

1) 設(shè)置排煙系統(tǒng)可大大降低迷你倉火災蔓延風險，當設(shè)置機械排煙系統(tǒng)時，120 m3/(h·m2)的排煙量對火災蔓延及發(fā)展有明顯抑制作用。

2) 為降低迷你倉內(nèi)火勢的蔓延風險，走道兩側(cè)儲柜之間的距離不宜小于1.5 m。

3)受條件所限，目前僅采用消防行業(yè)認可的數(shù)值模擬軟件及相關(guān)方法對迷你倉進行研究，下一步可通過實體實驗進行相關(guān)驗證。

[1]關(guān)博陽．基于RS-485總線的迷你倉溫度和時間采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計[D]．天津：天津大學，2014．

[2]王燕紅，萬鵬里．基于互聯(lián)網(wǎng)+的物流迷你倉發(fā)展運營探索[J]．物流工程與管理，2016，38(5)：71-72.

WANG Yanhong, WAN Pengli. Based on the "Internet Plus" logistics mini warehouse operations to explore development[J]. Logistics Engineering and Management,2016,38(5):71-72.

[3]余華，何學秋．倉庫火災特點、原因及防范對策探討[J]．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2005，1(5)：85-87.

YU Hua, HE Xueqiu. Discussion about characteristics, reasons and contermeasurs of warehouse fire[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2005,1(5):85-87.

[4]蔣永清，劉芳，馬德仲．高架倉庫火災煙氣運動和控制數(shù)值模擬研究[J]．中國安全科學學報，2010，20(2)：35-40.

JIANG Yongqing, LIU Fang, MA Dezhong. Numerical simulation on the movement and control of smoke in large high rack warehouse fire[J]. China Safety Science Journal,2010,20(2):35-40.

[5]王國棟，范志剛，史聰靈，等．機械排煙與水噴淋對倉室火災控制效果的實驗研究[J]．消防科學與技術(shù)，2005，24(5)：539-541.

WANG Guodong, FAN Zhigang, SHI Congling, et al. Experimental studies on efficiency of mechanical exhaust and water sprinkler system in compartment fire[J].Fire Science and Technology,2005,24(5):539-541.

[6]劉濤，楊培中，談迅，等．某倉庫火災實驗與數(shù)值模擬對比[J]．消防科學與技術(shù)，2010，29(2)：91-95.

LIU Tao, YANG Peizhong, TAN Xun, et al. Comparison of numerical simulation and a fire experiment in storehouse[J]. Fire Science and Technology,2010,29(2):91-95.

[7]安錦. 迷你倉——物流模式新探索[N]. 中國航空報,2013-09-19(T03).

[8]中華人民共和國公安部.建筑設(shè)計防火規(guī)范: GB50016-2014[S].北京：中國計劃出版社,2015.

[9]呂辰，吳宗之，王天瑜，等．中智地下車庫火災煙氣流動規(guī)律數(shù)值模擬分析[J]．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2016，12(1)：107-110.

LYU Chen, WU Zongzhi, WANG Tianyu, et al. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):107-110.

[10]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator(Version 5)- User's Guide[R].USA:NIST, 2010.

[11]National Institute of Standards and Technology.Fire Dynamics Simulator (Version 5)- Technical Reference Guide[R].USA:NIST, 2009.

[12]陳鵬. 典型木材表面火蔓延行為及傳熱機理研究[D]. 合肥：中國科學技術(shù)大學, 2006.

[13]衛(wèi)文彬，劉松濤，劉文利．高層建筑典型房間及共享空間火災溫度場分布規(guī)律[J]．河南科技大學學報(自然科學版)，2015，36(5)：68-72.

WEI Wenbin, LIU Songtao, LIU Wenli. Fire temperature field distribution of typical rooms and shared spaces of high-rise buildings[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science,2015,36(5):68-72.

[14]余明高, 陳靜, 蘇冠鋒. 不同防排煙方式下車廂火災煙氣運動的數(shù)值模擬研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2017, 13(2):119-125.

YU Minggao, CHEN Jing, SU Guanfeng. Study on numerical simulation of fire-induced smoke movement under different smoke control methods in train compartment[J]. China Journal of Safety Science and Technology, 2017,13(2):119-125.

[15]公安部上海消防研究所,上海市消防局. 建筑防排煙技術(shù)規(guī)程: DGJ08-88-2006 [S] .上海：上海市新聞出版局,2006.