大空間中庭內(nèi)熱分層環(huán)境下環(huán)境溫度對煙氣上升高度的影響

于春雨，梅志斌，王卓甫

（公安部沈陽消防研究所，110034）

大空間中庭內(nèi)熱分層環(huán)境下環(huán)境溫度對煙氣上升高度的影響

于春雨，梅志斌，王卓甫

（公安部沈陽消防研究所，110034）

根據(jù)穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下羽流積分控制方程，分析了溫度因素對羽流中性浮力點(diǎn)高度和羽流最大上升高度的影響，在大空間實(shí)驗(yàn)室開展了一系列實(shí)驗(yàn)，采集環(huán)境溫度，計(jì)算豎向溫度梯度，利用攝像機(jī)拍攝并記錄煙氣層上升高度，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

火災(zāi)探測；熱分層；大空間中庭；火災(zāi)早期探測

0 引言

隨著建筑科技和水平的不斷進(jìn)步，建筑形式和功能日益升級，大空間建筑越來越多，如大型歌劇院、體育館、展覽館等，由于這類大型建筑內(nèi)部往往人員密集，火災(zāi)載荷大，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延迅速，勢必造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，產(chǎn)生惡劣的社會影響。

火災(zāi)自動探測報(bào)警系統(tǒng)作為早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的重要設(shè)備，在消防安全工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。早期報(bào)警，可以迅速組織人員安全疏散，聯(lián)動相關(guān)消防設(shè)施動作，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，這對于保證人員安全、減小火災(zāi)損失，具有重要的意義。

但是熱障效應(yīng)下，早期火災(zāi)煙氣通常無法迅速到達(dá)建筑物頂棚，造成常規(guī)點(diǎn)式探測器無法實(shí)現(xiàn)早期報(bào)警，國家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》已規(guī)定，點(diǎn)式感煙探測器不適用于內(nèi)部高度在12m以上的空間安裝使用。吸氣式探測器和紅外光束感煙探測器是目前大空間常用的兩種火災(zāi)探測器，它們的安裝高度和間距等工程參數(shù)是大空間內(nèi)消防設(shè)計(jì)亟待解決的關(guān)鍵問題。

因此，有必要開展大空間場所火災(zāi)早期煙氣特性和運(yùn)動規(guī)律研究，這是開展大空間火災(zāi)早期探測與應(yīng)用技術(shù)研究的前提條件和技術(shù)基礎(chǔ)，是國內(nèi)外火災(zāi)探測技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。熱分層環(huán)境是造成煙氣熱障效應(yīng)的必要條件，現(xiàn)行高大空間建筑都不同程度存在熱分層環(huán)境，早期火災(zāi)煙氣很難破壞熱分層環(huán)境，造成煙氣羽流可能懸浮在空間，其輸運(yùn)規(guī)律完全不同于均勻環(huán)境下或大規(guī)?；馂?zāi)煙氣后期的發(fā)展規(guī)律，很顯然均勻環(huán)境下煙氣羽流規(guī)律及區(qū)域模擬中均勻煙氣層或空氣層的假設(shè)在此不能適用，因此必須尋求新的理論或方法來闡述分析熱分層環(huán)境下早期火災(zāi)煙氣的上升發(fā)展過程。

2002年瑞典國家試驗(yàn)研究學(xué)院（SNTRI）對熱分層環(huán)境下煙氣羽流的輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行了一些探索［1］，他們采用SOFIE模擬軟件對溫度梯度分別為1℃／m和0.5℃／m的15m×20m×10m高大空間下的早期火災(zāi)煙氣運(yùn)動進(jìn)行了模擬分析，并得到羽流上升最大高度、溫度、速度等參數(shù)定量變化值。美國國家消防協(xié)會NFPA 92B［2］在考慮熱分層環(huán)境下早期火災(zāi)煙氣羽流最大高度時，將火災(zāi)熱釋放速率及熱分層環(huán)境相關(guān)聯(lián)，給出煙氣羽流最大高度計(jì)算方程。方?。?，4］推導(dǎo)了穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下湍浮力羽流無量綱積分方程，對線性熱分層環(huán)境下積分公式進(jìn)行了進(jìn)一步修正，并設(shè)計(jì)了小尺度煙氣羽流模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺。NFPA 92B和方俊的研究成果中給出了煙氣分層下中性浮力點(diǎn)及最大高度計(jì)算方程，但均將環(huán)境溫度設(shè)為300K近似處理，未考慮環(huán)境溫度的影響。

本文在前人研究基礎(chǔ)上對穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境積分方程進(jìn)行了修正，引入環(huán)境溫度變量。在大空間實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對推導(dǎo)的控制方程進(jìn)行了驗(yàn)證。最后根據(jù)大空間場所實(shí)際需求，結(jié)合本文研究，對大空間火災(zāi)探測器安裝和設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。

1 穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下羽流積分控制方程

假設(shè)某一大空間空氣溫度上高下低，存在一定溫度梯度且穩(wěn)定［5］，火災(zāi)煙氣羽流初始溫度一般大大超過室內(nèi)溫度，因此在熱浮力作用下不斷上升，在上升過程中，由于浮力羽流的空氣摻混卷吸作用，煙氣溫度逐漸降低，密度增大，而周圍環(huán)境空氣溫度逐漸上升，密度逐漸減小，造成煙氣浮力逐漸變小，直至減小到零，羽流浮力為零的高度為中性浮力點(diǎn)高度，由于慣性作用，煙氣會繼續(xù)上升，此時煙氣密度大于空氣密度，致使浮力方向反而向下，煙氣羽流最后終止在某一高度，并最終形成向下及兩邊擴(kuò)展的類似頂棚射流穩(wěn)定的擴(kuò)展層，擴(kuò)展層最高點(diǎn)高度稱為羽流最大高度。

前人研究［3，5］將大空間內(nèi)分為等溫空調(diào)區(qū)、對流主區(qū)域和頂部熱滯留區(qū)，已有研究結(jié)果表明［3，5，6］，大空間內(nèi)環(huán)境溫度在這三個區(qū)域垂向分布線性度較好，并呈分段線性分布。本文僅考慮煙氣上升最大高度在對流主區(qū)域內(nèi)的情況。

假設(shè)整個空間熱分層環(huán)境溫度呈線性分布，且熱分層強(qiáng)度為一定值。則根據(jù)Brunt［7］浮力頻率參數(shù)來表示線性熱分層強(qiáng)度N為：

ρa(bǔ)0為煙氣羽流出口處空氣密度，ρa(bǔ)為某高度處空氣密度，g為重力加速度，X表示高度。如果溫度梯度造成空氣密度分布不均勻，且空氣密度在垂向呈線性梯度關(guān)系，則N為定值，定義此環(huán)境為穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境。

煙氣羽流浮力通量B0和火源熱功率存在相關(guān)關(guān)系：

Ta0為火源起始處羽流周圍環(huán)境溫度，Qc為火源熱釋放速率轉(zhuǎn)化成的對流熱量部分，Cp為空氣定壓比熱。

由 Turner［8］及方俊［3，4］等的分析知，熱分層下煙氣羽流中性浮力點(diǎn)Hneu和羽流最高點(diǎn)位置Hmax可以分別表示為：

A1和A2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，按照Turner等人的分析A1為2.8，A2為3.8，方俊給出的數(shù)值為2.989和3.9317。這里采用Turner的分析結(jié)果。

將（1）和（2）代入到（3）和（4）中，得到

在大空間熱分層強(qiáng)度實(shí)際測量中，常常實(shí)測空氣的溫度而不是空氣的密度，因此需將空氣的溫度值轉(zhuǎn)化相應(yīng)的密度值，由氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律［3］可知空氣的密度計(jì)算公式：

P為空氣壓力，Ta為空氣絕對溫度，Ps為溫度T時飽和水蒸氣的分壓，φ為空氣相對濕度。括號中負(fù)值項(xiàng)在一般室內(nèi)條件下遠(yuǎn)小于1，因而可以忽略，（7）式簡化為：

假設(shè)大空間內(nèi)部空氣大氣壓不變，且為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即P＝101325Pa，對（8）兩邊取微分，得到

將（8）和（9）代入到（5）和（6）中，得到：

這里dTa／dX為空氣溫度垂向變化率，Ta為某高度環(huán)境空氣溫度，空氣定壓比熱Cp取1.042kW／kg·K，Qc的單位為kW，Ta單位為 K。根據(jù)式（10）和（11），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由環(huán)境溫度、火源功率及空間溫度分布即可估算線性熱分層環(huán)境下煙氣羽流上升的中性浮力點(diǎn)及最大高度方程。由式（10）和（11）也可以看出，羽流中性浮力點(diǎn)和最大高度與火源起始處羽流周圍環(huán)境溫度的3／8次冪成正比，而和空氣溫度垂向變化率的3／8次冪成反比。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證第1節(jié)中推導(dǎo)的穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下羽流積分控制方程，在大空間開展實(shí)驗(yàn)，以測量大空間自上而下溫度分布。

（1）實(shí)驗(yàn)場景

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在秦皇島海灣公司大空間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室南北方向長38m，東西方向?qū)?5m，高27m。實(shí)驗(yàn)室東墻和西墻上四個不同高度設(shè)有窗戶，距離地面高度分別為7m、12m、18m和24m，試驗(yàn)期間窗戶關(guān)閉。沿四周墻壁設(shè)有三條1m寬的人行走廊，高度依次在5m，10m及26m，高度15m、20m處墻壁面裝設(shè)有線路橋架。大空間實(shí)驗(yàn)室場景圖如圖1所示：

圖1 大空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部場景圖Fig.1 Interior of the large atrium test hall

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室在10m、12m、26m三個高度距離側(cè)壁中心線4.5m，離開墻壁1.8m處安裝有三臺光學(xué)煙密度計(jì)，從地面以上5m到26m高度設(shè)有熱電偶樹，每米分布1根熱電偶，共22根，熱電偶樹距離側(cè)壁中心線4.2m，離開墻壁1.3m。各設(shè)備安裝位置如圖2所示：

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)火源參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB4715-2005《點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器》中有關(guān)木材陰燃標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)火的設(shè)置方式。取10根75mm×25mm×20mm的山毛櫸木棍（含水量約等于5%），放置在圓形加熱盤上，加熱盤直徑為220mm，加熱功率為2kW（額定功率），如圖3所示，加熱盤加熱最高溫度控制在500℃。給加熱盤通電后實(shí)驗(yàn)開始，燃料耗盡后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 大空間實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置圖Fig.2 Equipment arrangement in the large atrium test hall

圖3 加熱爐盤及木塊擺放示意圖Fig.3 Sketch map of the heating stove and wood blocks

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）煙氣層高度

共進(jìn)行了6組木材陰燃標(biāo)準(zhǔn)火試驗(yàn)。選取其中比較有代表性的兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照分析，通過攝像機(jī)拍攝觀察煙氣層高度，實(shí)驗(yàn)1煙氣聚集高度約為7m-12m，實(shí)驗(yàn)2聚集高度約為11m-15m。

圖4 實(shí)驗(yàn)1光學(xué)煙密度計(jì)響應(yīng)曲線Fig.4 MIC data of test 1

圖4為實(shí)驗(yàn)1，10m、12m、26m三個高度光學(xué)煙密度計(jì)測量到的煙霧濃度曲線，可以看出，木材陰燃產(chǎn)生煙霧由于熱障效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)前期未到達(dá)頂棚，后期極少量煙霧擴(kuò)散到頂棚。10m、12m兩個位置光學(xué)煙密度計(jì)顯示煙霧濃度相差不明顯，說明煙氣層在10m到12m高度之間均有分布。

圖中煙霧濃度曲線上升時間較晚是由于實(shí)驗(yàn)以加熱盤插電記為開始時間，而加熱盤表面從室溫開始上升到一定溫度，木塊才開始熱解。

實(shí)驗(yàn)1木材陰燃實(shí)驗(yàn)熱電偶測量得到的溫度曲線如圖5所示：

圖5 實(shí)驗(yàn)1熱電偶溫度曲線圖Fig.5 Temperature data in test 1

由于大空間實(shí)驗(yàn)間底部沒有設(shè)置空調(diào)，而屋頂為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且實(shí)驗(yàn)期間室外環(huán)境溫度較低（10℃左右），屋頂熱負(fù)荷作用不明顯，且實(shí)驗(yàn)過程中無燈照，可認(rèn)為熱源主要來自于實(shí)驗(yàn)間兩側(cè)窗戶透入的太陽光輻射。本文研究未考慮對流主區(qū)域和頂部熱滯留區(qū)分界線的高度，且熱電偶測量溫度也未明顯體現(xiàn)出兩個區(qū)域溫度分布的差別，因此這里近似認(rèn)為5m到26m環(huán)境溫度為線性分布，且假設(shè)5m以下等溫空調(diào)區(qū)，垂向環(huán)境溫度呈均勻分布。由于熱電偶測量誤差和以上近似處理帶來較大誤差，因此最終得到的結(jié)果只能作為估算值近似考慮。

根據(jù)熱電偶測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到空氣溫度垂向變化率dTa／dX＝0.24℃／m，木材陰燃標(biāo)準(zhǔn)火的燃燒功率為5kW，而一般轉(zhuǎn)化為對流熱部分占到40%到80%，這里取70%，即對流熱部分Qc＝3.5kW。環(huán)境溫度取為284K，則根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算式（10）和（11）得 Hneu＝9.3m，Hmax＝12.7m。

實(shí)驗(yàn)1中由攝像機(jī)拍攝到了較清晰的煙氣層，如圖6所示。

圖6中，煙氣層聚集在10m人行走廊附近，根據(jù)觀察，煙氣層大部分聚集在7m到9m之間，最高點(diǎn)在12m到13m之間，與估算值吻合較好。

圖7為實(shí)驗(yàn)2，10m、12m、26m三個高度光學(xué)煙密度計(jì)測量到的煙霧濃度曲線，可以看出，煙氣仍未到達(dá)頂棚。12m光學(xué)煙密度計(jì)顯示煙霧濃度明顯高于10m，說明煙氣層主要分布在12m高度附近。

圖6 實(shí)驗(yàn)1木材陰燃火煙氣層Fig.6 Smoke layer of smouldering wood fire in test 1

圖7 實(shí)驗(yàn)2光學(xué)煙密度計(jì)響應(yīng)曲線Fig.7 MIC data of test 2

圖8 實(shí)驗(yàn)2熱電偶溫度曲線Fig.8 Temperature data in test 2

實(shí)驗(yàn)2熱電偶測量溫度曲線如圖8所示，根據(jù)熱電偶測量數(shù)據(jù)知空氣溫度垂向變化率dTa／dX＝0.15℃／m，木材陰燃標(biāo)準(zhǔn)火的燃燒功率為3.5kW，環(huán)境溫度取為287K，則將以上數(shù)據(jù)帶入到式（10）和（11）得 Hneu＝11.2m，Hmax＝15.2m。

圖9中，煙氣層聚集在10m人行走廊以上，走廊以下沒有形成煙氣聚集層，根據(jù)觀察，煙氣層大部分聚集在10m到15m之間，最高點(diǎn)略高于15m，與估算值吻合較好。

圖9 實(shí)驗(yàn)2木材陰燃火煙氣層Fig.9 Smoke layer of smouldering wood fire in test 2

4 討論

線型紅外光束感煙探測器和吸氣式感煙探測器為目前大空間場所常用的兩種火災(zāi)探測器。對于線型紅外光束感煙探測器在大空間場所的安裝位置，在GB50166《火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定，不大于20m時，線型紅外光束感煙火災(zāi)探測器光束軸線距離頂棚的垂直距離為0.3m到1.0m，當(dāng)探測高度大于20m時，光束軸線距離探測區(qū)域的地面高度不宜超過20m，相鄰兩組探測器光束軸線的水平距離不應(yīng)大于14m，探測器至側(cè)墻水平距離不應(yīng)大于7m，且不應(yīng)小于0.5m。但是，相關(guān)規(guī)范中沒有明確規(guī)定大空間中對于保護(hù)熱障效應(yīng)下煙氣分層，線型紅外光束感煙探測器應(yīng)安裝的高度。

對于吸氣式感煙探測器，GB50116《火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定非高靈敏度的吸氣式感煙火災(zāi)探測器不宜安裝在天棚高度大于16m的場所；高靈敏度吸氣式感煙火災(zāi)探測器在設(shè)為高靈敏度時可安裝在天棚高度大于16m的場所，并保證至少有2個采樣孔低于16m，但是并沒有明確這2個采樣孔具體的安裝位置。

通過前文的分析可以看出，對于內(nèi)部高度大于20m，低于27m的大空間場所，兩組實(shí)驗(yàn)中煙氣層分別聚集在7m-9m和10m-15m兩個高度范圍，與公式預(yù)測結(jié)果相近。而如果在夏季，環(huán)境溫度和頂棚空氣溫度較高時，煙氣羽流受熱障效應(yīng)影響更大，根據(jù)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度為19.3℃，溫度遞增梯度為1℃／m，假設(shè)火源功率仍為3.5kW，則由前文分析可預(yù)測出煙氣層主要聚集在5.5m。因此，線型紅外光束感煙探測器宜在7m和12m附近間各安裝一組探測器，以對冬季和夏季的不同季節(jié)溫度環(huán)境下聚集在不同高度的陰燃煙都能快速響應(yīng)。

同樣，對于吸氣式感煙火災(zāi)探測器，應(yīng)在7m和12m附近各開一個采樣孔。而相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，高度大于16m垂直采樣的采樣管道，每2℃溫差間隔或3m間隔（取最小者）應(yīng)設(shè)置一個采樣孔，通常選擇3m間隔。若考慮在16m以下開孔也根據(jù)此項(xiàng)規(guī)定，則應(yīng)在7m、10m、13m附近各開一個采樣空。如僅在10m、13m各開一孔，則在夏季環(huán)境溫度及溫度梯度較高的條件下，煙氣層聚集在10m以下，吸氣式探測器報(bào)警時間勢必會延遲。

5 結(jié)語

推導(dǎo)了穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下羽流積分控制方程，獲得了羽流中性浮力點(diǎn)的高度和羽流最大上升高度的與環(huán)境溫度、火源功率及空間溫度分布的關(guān)系，羽流中性浮力點(diǎn)和最大高度與火源起始處羽流周圍環(huán)境溫度的3／8次冪成正比，而和空氣溫度垂向變化率的3／8次冪成反比。

根據(jù)大空間木材陰燃標(biāo)準(zhǔn)火實(shí)驗(yàn)測量的垂向溫度數(shù)據(jù)以及攝像機(jī)拍攝觀察煙氣層聚集高度，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。研究結(jié)果為高大空間煙氣輸運(yùn)規(guī)律研究提供了理論依據(jù)。

［1］NFPA92B-2005，Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Spaces［S］.

［2］Frederic Conte.CFD simulations of smoke detection in rooms with high ceilings［R］.Swedish National Testing and Research Institute，2002.

［3］方俊.高大空間熱分層環(huán)境下早期火災(zāi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律與探測方法研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文，2004.

［4］方俊，疏學(xué)明，袁宏永，鄭昕.穩(wěn)定線性熱分層環(huán)境下火災(zāi)煙氣羽流積分解及實(shí)驗(yàn)分析［J］.中國工程科學(xué)，2004，6（1）：37-43.

［5］黃晨.大空間建筑室內(nèi)空氣垂直溫度分布的研究［D］.上海：上海理工大學(xué)博士論文，2001.

［6］范存養(yǎng)，龍惟定，黃晨.上海體育建筑的大空間空調(diào)設(shè)計(jì)［A］.98內(nèi)地香港空調(diào)技術(shù)及研討會論文集［C］，1998，3.

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［8］John Stewart Turner.Buoyancy effects in fluids［M］.Cambridge University Press.1973.

Effect of environment temperature on the smoke height in thermally stratified environments of large atriums

YU Chun-yu，MEI Zhi-bin，WANG Zhuo-fu

（Ministry of Public Security of the Shenyang Fire Research Institute，110034，China）

In this work，a series of tests were conducted in a large test hall，and the data of environment temperature and vertical temperature gradients of smoke were collected for calculations.Based on the smoke plume integral equations in the linearly thermally stratified environment，the effect of temperature on the heights of neutral buoyancy point and maximum rising point of smoke plume was theoretically analyzed，which was verified by the test results.

Fire detection；Thermally stratified environments；Large atriums；Early fire detection

X932

A

1004-5309（2011）-0179-06

2011-08-16；修改日期：2011-09-02

于春雨（1982-），男，博士，助理研究員，現(xiàn)就職于公安部沈陽消防研究所，主要從事火災(zāi)探測基礎(chǔ)理論研究。