高压细水雾灭火系统抑制古建筑轰燃的试验研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期灭火系统设计高压细水雾灭火系统抑制古建筑轰燃的试验研究余平伟1,2,王奕鑫2,田雅婷2,乔艺强3(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 451460;2.郑州大学 水利与土木工程学院,河南 郑州 450001;3.合肥科大立安安全技术有限责任公司,安徽 合肥 230088)摘要:为探明高压细水雾对古建筑火灾轰燃的抑制效果,通过 Pyrosim 软件模拟与搭建试验平台的方式进行试验,测定了火灾联动报警下细水雾的自启动时间,以及不同喷雾强度下古建筑火灾烟气层温度、火场热释放速率,并结合综合轰燃预测法分析了开启细水雾时古建筑内
2、轰燃发生状况。结果表明,当火灾发生后 103 s时开启细水雾,喷雾强度 1.3 L/(min.m2)的高压细水雾能抑制古建筑火灾轰燃,喷雾强度 2.0 L/(min.m2)的高压细水雾能熄灭古建筑火灾;试验证明了高压细水雾能够有效地抑制古建筑火灾轰燃,为高压细水雾灭火系统应用于古建筑消防设计提供参考。关键词:古建筑;轰燃;高压细水雾灭火系统;Pyrosim 软件模拟;实体火灾试验中图分类号:TU998.1;TU-87 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)10-1403-05轰燃是建筑火灾发展过程中的突变现象,一般发生在火灾增长阶段到完全发展阶段之间,表现为火势突然增大,火场
3、温度与热释放速率瞬间升高,火灾规模从局部燃烧转变为全面燃烧,具有很大危害。轰燃的发生与火场空间结构、通风面积以及火源功率有关1。中国的古建筑受屋顶结构形式以及通风条件的影响,发生火灾时,上层烟气层热量不容易散出,且建筑材料以木材为主,整体火灾荷载密度大,因此容易出现火灾轰燃现象。当古建筑发生轰燃时,火灾会进入全面燃烧阶段,产生重大损失,研究抑制古建筑轰燃的方法在古建筑消防保护领域具有重大意义。从轰燃现象发生原理来看,轰燃发生与火场上层烟气热量积累有直接关系,当烟气层温度达到一定值后,热量会通过辐射对流、热传导等形式同时引燃房间内大量可燃物,造成轰燃现象。高压细水雾灭火系统喷雾时能够生成大量直径
4、 10100 m 的雾滴,雾滴受热气化后能够吸收大量热量,稀释房间内可燃气体,有望能够抑制古建筑火灾轰燃。同时,由于高压细水雾灭火用水量较小,灭火后的水渍损失也更小,不容易对建筑物内部的木材以及各类文物产生二次损伤2。并且管道直径更小,管道自重更轻,不会对古建筑结构造成太多额外负荷,在建筑物内安装时更为隐蔽,不会破坏古建筑原本的建筑风貌,因此较为适合在古建筑中安装使用3。笔者以使用了高压细水雾进行消防改造的济源市济渎庙为例,验证高压细水雾灭火系统抑制古建筑轰燃的效果,首先通过 Pyrosim 软件模拟的方式确定了古建筑发生火灾时细水雾自启动的时间,然后通过实体试验确定抑制轰燃的细水雾雾通量,为
5、高压细水雾灭火系统在古建筑消防领域的安全应用提供参考。1数值模拟确定细水雾开启时间1.1建筑概况与参数设置济渎庙玉皇殿是国家重点文物保护单位,为单层砖木结构建筑,通面阔 16.6 m,进深 8.6 m,高约 8.1 m,三扇门窗开向南侧。使用 Pyrosim 对玉皇殿进行建模,殿内的梁柱、椽子、吊顶板等结构材料为杉木,建筑内的桌椅材料设定为松木,建筑物屋顶的瓦片及地板采用混凝土材质,墙体采用防火砖,所用材料热力学参数见表 14。1.2火源设定及设备布置(1)火源设定在玉皇殿香案处,香案处放置着燃烧的蜡烛和香炉,是建筑中存在着的火灾危险源见图 1。设置火源面积为 1.0 m2,火源规格为 2.0
6、 m0.5 m,火源增长模型采用 t火灾增长模型5,燃烧速度等级为快速火,系数 取值为 0.046 96。火源及切片设置位置见图 2。(2)设备布置包括测量设备布置以及消防设备布置。测量设备为两组热释放速率探测器,分别布置在火源处与古建筑室内,用于监测火灾时热释放速率变化;消防设备主要包括高压细水雾喷头、火灾感温探测器、火灾感烟探测器。高压细水雾喷头布置平面图见图 3,感温、感烟探测器见图 4。高压细水雾的喷雾强度为 1.5 L/(minm2),系统压力为 10 MPa,设置高度均为距离地面 3.2 m。在模型中设置细水雾的开启条件为 1 只烟雾报警器和 1只温度报警器同时报警才启动,水泵启动
7、时间参考 GB 50898-2013 细水雾灭火系统技术规范 第 3.4.8 条中的规定:开式系统的设计响应时间不应大于 30 s7。1.3模拟结果与分析模型中细水雾的开启需要经过火灾探测器报警,水泵启动,管道充水等一系列动作。模拟结果表明,感烟探测器发出报警信号的时间为 37 s,温度探测器发出报警信表 1所用材料热力学参数Table 1Thermodynamic parameters of the materials used样品杉木松木混凝土防火砖导热率/W/(mK)0.160.441.281.04密度/kg/m4105001 950750比热容/J/(kgK)2 8802 850970
8、1 040燃点/2504001403Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10号的时间为 73 s,设置管道充水时间为 30 s,高压细水雾喷头在 t=103 s时启动。感温探测器感温探测器 01感烟探测器 01感温探测器 02感温探测器 04感烟探测器感温探测器 03图 4模型中感温、感烟探测器平面布置图Fig.4Layout plan of temperature and smoke detectors in the model图 5、图 6分别为不开启和开启高压细水雾时,古建筑内热释放速率的变化曲线。根据模拟结果,不开启细水
9、雾时,在起火 229 s时发生轰燃;而在 103 s开启高压细水雾时,火源处火势在 t=250 s 时被扑灭,房间内总的热释放速率最终稳定在 9 MW 以内,并在 550 s内未发生轰燃现象,说明通过自动报警动作启动的高压细水雾能够抑制古建筑火灾轰燃。3实体试验及结果分析3.1试验目的与平台搭建前文通过软件模拟的方式测定了古建筑内的高压细水雾能够在火灾发生后的 103 s 启动,且喷雾强度为 1.5 L/(minm2)的高压细水雾灭火系统能够有效抑制古建筑轰燃。本节在此基础上探讨高压细水雾抑制古建筑轰燃的临界喷雾强度,试验在合肥科大立安有限公司大空间火灾试验室进行。参照玉皇殿建筑结构,以 1:
10、20 的比例搭建缩比例木屋模型,木屋模型的搭建材料选用杉木。木屋内部放置油盘及汽油作为火源,使用热电偶作为温度采集装置,并安装不同流量系数的高压细水雾喷头进行试验,试验平台见图 7。该试验采用的喷头是某公司生产的 XSWT 系列型号,高压细水雾发生系统采用的是合肥科大立安公司研发的移动式细水雾推车,推车可以为试验平台提供 210 MPa的细水雾,本次试验均采用 10 MPa压力的高压细水雾。温度采集使用直径 0.1 mm 的 K 型铠装热电偶,其量程范围为-1001 400,探针长度 20 cm,线材长度 10 m,热电偶探测误差在 0.76%0.88%。图 1玉皇殿香案Fig.1Yuhuan
11、g temple incense burner table火源位置图 2火源及切片设置位置Fig.2Fire source and 2D Slices location高压细水雾喷头图 3模型中高压细水雾喷头平面布置Fig.3High pressure water mist nozzles layout plan时间/s0 50 100 150 200 25020151050热释放速率/MW图 5不开启细水雾热释放速率变化曲线Fig.5No water mist on heat release rate时间/s0 50 100 150 200 250121086420热释放速率/MW开启高压细
12、水雾房间内总热释放速率火源处热释放速率图 6开启细水雾热释放速率变化曲线Fig.6Turn on water mist heat release rate3.2试验模型计算3.2.1燃料用量及通风孔大小计算为了保证试验模型内确实出现轰燃现象,现对模型通风口大小及所需要燃料进行计算8。其中,通风口大小按照玉皇殿实际窗口面积缩比例代换,已知玉皇殿实体建筑中窗户面积与墙面占比为 0.019 7,因此计算得木屋模型窗口面积应不小于 0.021 7 m2。根据前文内容,将火源功率 Q=2 MW 作为出现轰燃的临界条件,在试验中根据木屋与玉皇殿实体的体积之比,缩小后的火源功率 Q=0.316 kW。油盘火
13、的火源功率可以采用下列方法计算,见式(1)、式(2)。m=m(1-e-D)(1)Q=hcmA(2)式中:D 为油盘当量直径;为氧气与燃料质量比;m为燃烧速度参考值;A 为油盘面积;hc为液体燃料燃烧热值;Q为火源功率。当油盘为方形时,边长 a可按照式(3)进行代换。D=4a(3)假设方形油盘直径为 0.45 m时,计算得 D=0.51 m。汽油燃料性质见表 29。表 2典型燃料性质参数列表Table 2List of typical fuel property parameters此次试验在方形油盘中倒入汽油作为燃料,带入汽油的燃烧速度参考值,可以得出在边长为 0.45 m 的正方形油盘中,想
14、要汽油燃烧时间大于 10 min时,需要一次加注汽油 6.21 L,此时计算得到火源功率 Q=0.316 kW。轰燃预测公式见式(4)10。F=(Kc)-0.032(W0H1.50)-0.215Q0.488A-0.312T(4)式中:K 为材料的导热率,W/(mK);为材料的密度,kg/m3;c 为材料的比热容,J/(kgK);Q 为燃料的热释放速率,kJ/s;AT为房间内表面总表面积,m2。根据判定值 F 的计算结果,可以预测室内是否会发生轰燃,即:F1,不轰燃;F1,轰燃临界状态;F1,轰燃。3.2.2喷头流量系数计算由于细水雾灭火技术规范并未给出古建筑喷雾强度,消防设计时通常参考图书馆、
15、档案馆喷雾强度在 1.02.0 L/(minm2)区间内取值,本试验以此为前提计算喷头流量系数。喷头流量系数应按照式(5)计算。q=K10p(5)式中:q为喷头的设计流量,L/min;K 为喷头的流量系数,L/(minMPa2);p为喷头的设计工作压力,MPa。计算得到试验喷头的流量系数应在 0.41.0区间,因此选择流量系数 K=0.4、0.6、0.8、1.0的喷头进行试验,喷头规格参数见表 3。3.3试验结果与分析设置不开启细水雾的工况作为对照组。试验发现,不添加细水雾时,木屋会发生轰燃现象,这一过程如图 8所示。点燃木屋内放置的油盘后,木屋窗口出现暗红色火光,同时窗口会冒出大量白色浓烟。
16、当燃烧时间到达87 s时,木屋内部的火焰从木屋右侧窗户窜出,引燃木屋房檐;当木屋燃烧到 330 s时,木屋正面火势最为严重,右侧窗户处火势相对较小;当木屋燃烧到 347 s 时,木屋出现轰燃现象,木屋燃烧的火势明显增大,且右侧窗户处有大量火焰喷出,10 s 后木屋屋顶开始垮塌;木屋燃烧到700 s时,木屋已经被完全烧毁,火势逐渐熄灭。如图 9所示,4只不同流量系数的喷头依次进行试验,喷头流量系数为 0.8、1.0 的高压细水雾能够抑制轰燃现象,流量系数为 0.4的高压细水雾无法抑制轰燃。从图 9 可知,K=0.4 的高压细水雾抑制轰燃失败,窗口处依然会喷出火焰。但与不添加细水雾的工况相比,轰燃
17、现象有明显减小。分析两种工况下发生轰燃的时间发现,添加 K=0.4的高压细水雾会导致轰燃提前发生,这是由于施加细水雾后,把上部的热烟气打压到底部,从而底部的热量急剧升高,而由于细水雾流量系数较小,无法使温度降低到轰燃临界温度以下,因此导致了轰燃提前。添加流量系数足够大的高压细水雾后,木屋内部会出现大量水蒸气,木屋的火势瞬间减小,火焰不再从窗口处冒出,开启流量系数 K=0.6的细水雾时,虽然后续未出现轰燃现象,但开启细水雾的瞬间,木屋内的火焰出现了强化燃烧现象,如图 9(b)所示。造成这一现象的主要原因可1234567M89101-水箱;2-高压柱塞泵;3-304不锈钢管道;4-高压细水雾喷头;
18、5-古建筑模型;6-热电偶树;7-油盘;8-7018温度采集模块;9-计算机;10-相机图 7试验平台示意图Fig.7Diagram of the experimental platform表 3试验喷头技术参数及尺寸Table 3Technical parameters and dimensions of the experimental nozzle1404消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期3.2试验模型计算3.2.1燃料用量及通风孔大小计算为了保证试验模型内确实出现轰燃现象,现对模型通风口大小及所需要燃料进行计算8。其中,通风口大小按照玉皇殿实际窗口面积缩比例代换
19、,已知玉皇殿实体建筑中窗户面积与墙面占比为 0.019 7,因此计算得木屋模型窗口面积应不小于 0.021 7 m2。根据前文内容,将火源功率 Q=2 MW 作为出现轰燃的临界条件,在试验中根据木屋与玉皇殿实体的体积之比,缩小后的火源功率 Q=0.316 kW。油盘火的火源功率可以采用下列方法计算,见式(1)、式(2)。m=m(1-e-D)(1)Q=hcmA(2)式中:D 为油盘当量直径;为氧气与燃料质量比;m为燃烧速度参考值;A 为油盘面积;hc为液体燃料燃烧热值;Q为火源功率。当油盘为方形时,边长 a可按照式(3)进行代换。D=4a(3)假设方形油盘直径为 0.45 m时,计算得 D=0.
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