懸空式格柵吊頂場所感煙火災(zāi)探測報警試驗研究

陳 南

（中國人民武裝警察部隊學(xué)院，河北 廊坊，065000）

0 引言

懸空式格柵吊頂場所火災(zāi)探測器的設(shè)計及安裝要求在現(xiàn)行《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50116－1998）［1］中未明確規(guī)定，工程實際中懸空式格柵吊頂場所感煙火災(zāi)探測器難以確定有效設(shè)計及安裝位置，同時使該類場所（如地鐵站區(qū)、大型商業(yè)及展覽建筑展區(qū)的格柵吊頂場所）火災(zāi)自動報警系統(tǒng)驗收無據(jù)可循［2］。因此，有必要對該類場所感煙火災(zāi)探測器的設(shè)置有效性進(jìn)行研究，探討懸空式格柵吊頂場所煙氣流動規(guī)律及感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)特性，科學(xué)合理確定該類場所感煙火災(zāi)探測器的設(shè)置原則，解決工程設(shè)計應(yīng)用問題。

1 試驗設(shè)計

在標(biāo)準(zhǔn) BS5839－2002［3］和 NFPA72－2007［4］中，懸空式格柵吊頂場所點型感煙火災(zāi)探測器的設(shè)置要求僅考慮了單一鏤空形式（直徑3mm圓孔，7%鏤空率）與非懸空式直接吊頂?shù)奶厥鈭鏊荒軡M足我國的實際工程需要。據(jù)此，試驗設(shè)計思路是采用美國NIST火災(zāi)模擬軟件FDS［5］，通過改變格柵吊頂參數(shù)進(jìn)行懸空式格柵吊頂場所火災(zāi)數(shù)值模擬，同時在標(biāo)準(zhǔn)燃燒實驗室中依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB4715－2005進(jìn)行實體火災(zāi)條件下感煙火災(zāi)探測器報警及時性試驗，分析探討懸空式格柵吊頂場所煙氣流動規(guī)律、感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)特性和相應(yīng)的工程設(shè)計應(yīng)用原則。

1.1 火災(zāi)數(shù)值模擬模型構(gòu)建

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB4715－2005［6］，用于火災(zāi)探測器性能檢測的標(biāo)準(zhǔn)燃燒試驗室規(guī)格要求是長9m～11m、寬6m～8m、高3.8m～4.2m，因而數(shù)值模擬實驗室模型尺寸選擇長10m×寬7m×高4m；具有代表性和普遍適用性的普通可燃物典型試驗火源為木材火或棉繩火，考慮到感煙火災(zāi)探測器木材火與棉繩火實體火災(zāi)試驗結(jié)果有明顯的關(guān)聯(lián)性，試驗火源選擇木材火且燃料木材為云杉，點火器置于地面中心并參照FDS常用數(shù)據(jù)庫參數(shù)對火源進(jìn)行設(shè)置；格柵吊頂懸于頂棚下方，吊裝高度按工程實際選取0.6m、0.8m和1.0m三種；模擬點設(shè)置按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)在以實驗室頂棚及吊頂所在平面中心為圓心、半徑為3m的圓周上，如圖1（a）所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)燃燒室模擬圖Fig.1 Simulated diagram of the standard combustion room

為提高計算效率，數(shù)值模擬時采用FDS提供的“復(fù)合計算區(qū)域”功能［7］，將模擬空間劃分為4個長方體形狀的計算區(qū)域并分別劃分網(wǎng)格，如圖1（b）所示。其中，區(qū)域1為火源所在區(qū)，網(wǎng)格設(shè)置為0.05m×0.05m×0.05m；區(qū)域2為格柵吊頂區(qū)，網(wǎng)格設(shè)置為0.01m×0.01m×0.01m；區(qū)域3、4為其他區(qū)，網(wǎng)格設(shè)置為0.1m×0.1m×0.1m。數(shù)值模擬時，分別考慮格柵吊頂三種吊裝高度和不同鏤空率情況，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性測試及時間步長調(diào)整，使網(wǎng)格方案能保證數(shù)值模擬過程的計算效率和精度。

1.2 實體試驗火源設(shè)置

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB4715－2005中火災(zāi)靈敏度試驗要求，感煙火災(zāi)探測器實體火災(zāi)性能試驗采用的火源木塊是10根長75mm×寬25mm×高20mm山毛櫸木材；木塊首先在60℃溫箱內(nèi)干燥60分鐘，然后均勻擺放在便攜式典型陰燃火發(fā)煙裝置上，通過溫控器使其達(dá)到定制溫度并發(fā)煙；木材發(fā)煙過程如圖2所示。便攜式陰燃火發(fā)煙裝置具有通用性，既可用作實驗室定量測試的發(fā)煙工具，也可用作工程現(xiàn)場定性驗證的發(fā)煙裝置。

圖2 木材發(fā)煙過程Fig.2 Process of wood fuming

1.3 格柵吊頂鏤空率構(gòu)造

經(jīng)不同類型格柵結(jié)構(gòu)對比和標(biāo)準(zhǔn)燃燒實驗室中吊頂鏤空率影響特性的摸索試驗，確定實體火災(zāi)試驗選用懸空式75mm×75mm方格格柵吊頂，吊頂距建筑頂棚高度1m，滿頂（10m×7m）鋪設(shè)并采用不同寬度膠帶進(jìn)行不同方式的粘貼來得到不同鏤空率吊頂，如表1所示。圖3所示為近似15%、30%和75%鏤空率條件的格柵吊頂，而100%鏤空率即無格柵吊頂。

表1 八種鏤空率格柵吊頂Table 1 Grid suspended ceilings in eight types of hollow rates

圖3 不同鏤空率試驗條件下格柵吊頂Fig.3 Grid suspended ceilings in different rates of hollow

圖4 測試點位置示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of the test points

1.4 測點設(shè)置

FDS數(shù)值模擬共設(shè)有17個測試點。在實驗室模型頂棚所在平面中心為圓心、半徑為3m的圓周上，均勻設(shè)置8個測試點，編號1～8；在頂棚下格柵吊頂所在平面對應(yīng)位置設(shè)置8個測試點，編號21～28；在頂棚中心位置設(shè)置1個測溫點，如圖4所示。數(shù)值模擬時，采用兩種輸出形式：一是SLCF（slice file）形式，以切片形式顯示計算結(jié)果；二是THCP（Thermocouples and Point Measurements）形式，其記錄測定參數(shù)的方式類似于熱電偶測溫，將結(jié)果記做空間某點上的時間函數(shù)。

進(jìn)行探測器響應(yīng)特性實體火災(zāi)試驗時，選用海灣安全技術(shù)有限公司燃燒實驗室，并以GST系列感煙火災(zāi)探測器作為試驗樣品，GST200火災(zāi)報警控制器作為報警時間記錄器。進(jìn)行每組鏤空率試驗時，首先將16只探測器試驗樣品的地址對應(yīng)設(shè)定為1～8、21～28并進(jìn)行報警靈敏度標(biāo)定，然后安裝在與數(shù)值模擬時頂棚和格柵吊頂測點位置的對應(yīng)點上，最后連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并打開火災(zāi)報警控制器，開始探測器注冊登記，調(diào)節(jié)確認(rèn)試驗樣品至正常監(jiān)控狀態(tài)并進(jìn)行模擬報警試驗。當(dāng)試驗探測器注冊地址和數(shù)量正確，模擬報警功能正常時，試驗即可開始。試驗時，便攜式陰燃火發(fā)煙裝置需首先進(jìn)行升溫并控溫；當(dāng)溫度達(dá)到300℃時，記錄GST200火災(zāi)報警控制器的對應(yīng)時間作為試驗開始時間（精確到秒）。

2 格柵吊頂不同鏤空率時的火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬

數(shù)值模擬時，實驗室模型的格柵吊頂鏤空率分別選取15%、30%、75%和100%四種情況，吊裝高度設(shè)有0.6m、0.8m和1.0m三種情況并選擇工程中常用的1m高度為例說明。

圖5、圖6為模擬開始60s和300s時不同鏤空率條件下的三維煙氣圖?？梢?，垂直向上的煙羽流受到格柵吊頂或頂棚的阻擋，形成貼附格柵吊頂或頂棚的“頂棚射流”。當(dāng)格柵吊頂15%鏤空率時，羽流在上升過程中遇到較大的阻礙，“頂棚射流”主要在格柵吊頂下方形成；30%鏤空率時，格柵吊頂僅能阻擋小部分煙羽流，且這部分煙羽流在格柵吊頂下方不能形成“頂棚射流”；75%鏤空率時，格柵吊頂對煙羽流的上升幾乎沒有影響，“頂棚射流”主要在頂棚形成；無格柵吊頂時即為真正的頂棚射流。

圖7為模擬開始300s時不同鏤空率條件下火源中心面溫度云圖?？梢?，不同鏤空率的格柵吊頂對煙氣擴(kuò)散的影響明顯；當(dāng)鏤空率15%時，垂直上升的煙羽流受格柵吊頂阻擋并吸收部分熱量，煙羽流熱浮力減小，使煙羽流主要沿著格柵吊頂水平蔓延；鏤空率30%時，格柵吊頂對煙羽流的阻礙作用減小，使煙羽流更多地向頂棚蔓延；鏤空率75%時，格柵吊頂對煙氣的阻礙作用小且吸收煙羽流熱量少，煙羽流具有相對較高的溫度及浮力作用，使大量煙氣穿過格柵吊頂在頂棚蔓延。同時，煙羽流在上升過程中對周圍空氣產(chǎn)生的卷吸現(xiàn)象，遇格柵吊頂會形成不同的溫度變化特征；當(dāng)鏤空率15%時，格柵吊頂對煙羽流阻礙較大，格柵下方區(qū)域“頂棚射流”卷吸的是溫度較高的熱煙氣，因而格柵下方煙氣層溫度開始緩慢上升，溫度變化明顯；鏤空率30%時，通透面積相對增大，格柵吊頂對煙羽流的上升影響減?。荤U空率75%時，格柵吊頂對煙羽流的上升幾乎沒有影響，煙羽流在格柵上方卷吸溫度較高的熱煙氣，使格柵上方煙氣層溫度緩慢上升，而格柵下方煙氣較少，溫度接近環(huán)境溫度；無格柵吊頂時，上升的煙羽流不受阻擋且具有較高的溫度，能較快上升到頂棚并水平蔓延。

圖5 不同鏤空率條件下模擬60s時三維煙氣圖Fig.5 Three－dimensional smoke graph of different hollow rates at simulating 60s

圖6 不同鏤空率條件下模擬300s時三維煙氣圖Fig.6 Three－dimensional smoke graph of different hollow rates at simulating 300s

圖7 不同鏤空率條件下模擬300s時火源中心面溫度云圖Fig.7 Temperature of the central plane of fire source for different hollow rates at 300s

模擬表明，格柵吊頂鏤空率會影響試驗環(huán)境內(nèi)格柵吊頂上下煙氣層的發(fā)展；鏤空率≥30%的格柵吊頂下方基本不會形成煙氣層，而鏤空率≤15%的格柵吊頂下方會形成煙氣層。此外，0.6m和0.8m吊裝高度的格柵吊頂在不同鏤空率時數(shù)值模擬亦有相同結(jié)果。

3 懸空式格柵吊頂不同鏤空率時的木材火報警試驗

3.1 試驗過程

根據(jù)試驗設(shè)計，懸空式格柵吊頂不同鏤空率條件下的木材火報警試驗?zāi)康氖强疾斓蹴斏?、下煙氣蔓延及火?zāi)探測器響應(yīng)情況，下面對表1所示八種鏤空率吊頂中具有較明顯特征的15%、30%和75%鏤空率情況進(jìn)行分析。圖8是懸空式格柵吊頂在15%、30%與75%鏤空率條件下，試驗開始120s時吊頂上方和下方煙氣蔓延情況?？梢姡U空率75%和30%格柵吊頂下方幾乎沒有煙氣，煙氣能夠較順利通過柵格向?qū)嶒炇翼斉锫?，且隨著鏤空率減小，煙氣在上升過程中遇到一定的阻擋，一部分煙氣在格柵吊頂下方蔓延并逐漸形成煙氣層；鏤空率15%格柵吊頂下方的煙氣濃度較大，煙氣層明顯，而其格柵上方的煙氣濃度較小。因此，隨著鏤空率減小，在煙氣蔓延初期同一時刻格柵吊頂下方煙氣濃度逐漸增大、吊頂上方煙氣濃度逐漸減小，布置在吊頂上、下的火災(zāi)探測器將在設(shè)定閾值對煙霧濃度響應(yīng)并輸出報警信號。

圖9是懸空式格柵吊頂在15%、30%與75%鏤空率條件下，試驗開始300s時吊頂上方和下方煙氣蔓延情況?？梢姡U空率75%格柵吊頂下方幾乎沒有煙氣存在、上方煙氣濃度較大；鏤空率30%吊頂下方此時形成薄薄一層煙氣、上方煙氣濃度較大但較鏤空率75%吊頂上方煙氣濃度相應(yīng)減?。荤U空率15%吊頂下方煙氣濃度較大，煙氣層十分明顯，而其上方煙氣濃度較小。與120s時刻相比，顯然鏤空率對煙氣蔓延的影響越來越明顯，且300s附近時段是感煙火災(zāi)探測器報警相對集中階段。

圖10是懸空式格柵吊頂在15%、30%與75%鏤空率條件下，試驗開始480s時吊頂上方和下方煙氣蔓延情況?？梢姡駯诺蹴斏?、下方煙氣濃度都隨時間增長而增大；鏤空率75%格柵吊頂下方煙氣濃度較小且煙氣柱明顯，鏤空率30%格柵吊頂下方煙氣層明顯；鏤空率75%和30%格柵吊頂上方煙氣濃度幾乎達(dá)到飽和；鏤空率15%格柵吊頂下方煙氣幾近飽和，看不到煙氣柱的存在，而其上方也有較明顯的煙氣。

圖8 三種鏤空率條件下120s時格柵吊頂下方和上方煙氣情況Fig.8 Smoke graph for three hollow rates at 120s（under and above grid ceilings）

圖9 三種鏤空率條件下300s時格柵吊頂下方和上方煙氣情況Fig.9 Smoke graph for three hollow rates at 300s（under and above grid ceilings）

圖11所示為無格柵吊頂條件下煙氣在燃燒室頂棚的蔓延情況。試驗時，首先對實驗室頂棚位置1～8探測器測試，然后更換上述試驗中格柵吊頂下方21～28探測器再次試驗?？梢?，煙氣以較為規(guī)則的柱狀向頂棚運(yùn)動且上升迅速，在頂棚上逐漸擴(kuò)散并向各方向均勻水平蔓延。

3.2 數(shù)據(jù)處理

試驗過程以每種鏤空率條件下全部探測器報警完畢作為試驗結(jié)束條件，隨后查詢GST200火災(zāi)報警控制器記錄的每種鏤空率條件下各探測器的報警時間并填入記錄表，如表2至表5所示。

圖10 三種鏤空率條件下480s時格柵吊頂下方和上方煙氣情況Fig.10 Smoke graph for three hollow rates at 480s（under and above grid ceilings）

圖11 無格柵吊頂條件下燃燒室頂棚煙氣情況Fig.11 Smoke graph in the case of no grid ceilings

表2 鏤空率15%格柵吊頂報警試驗記錄表Table 2 Record of grid ceiling in 15%of hollow rate

表3 鏤空率30%格柵吊頂報警試驗記錄表Table 3 Record of grid ceiling in 30%of hollow rate

表4 鏤空率75%格柵吊頂報警試驗記錄表Table 4 Record of grid ceiling in 75%of hollow rate

4 結(jié)論

在海灣安全技術(shù)有限公司標(biāo)準(zhǔn)燃燒實驗室及GST系列火災(zāi)報警設(shè)備支持下，通過選擇懸空式75mm×75mm格柵吊頂并采用不同遮擋方式形成不同鏤空率，開展了等尺寸不同鏤空率條件下格柵吊頂上方及下方的火災(zāi)煙氣模擬和感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)特性試驗與數(shù)據(jù)分析，得到可用于指導(dǎo)火災(zāi)探測器工程設(shè)計安裝的應(yīng)用指導(dǎo)原則。試驗表明，懸空式格柵吊頂?shù)溺U空率是影響該類場所火災(zāi)初期煙氣分布的主要因素；當(dāng)懸空式格柵吊頂鏤空率小于15%時，煙氣主要在格柵吊頂下方蔓延并形成煙氣層，感煙火災(zāi)探測器宜在吊頂下設(shè)置；當(dāng)鏤空率大于30%時，煙氣主要在格柵吊頂上方蔓延并形成煙氣層，格柵吊頂下方幾乎不能形成煙氣層，感煙火災(zāi)探測器宜在吊頂上部平實頂棚設(shè)置；當(dāng)鏤空率介于15%～30%時，需進(jìn)一步開展相應(yīng)的火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬和實體火災(zāi)試驗來確定感煙火災(zāi)探測器的工程設(shè)計及應(yīng)用要求。

表5 無格柵吊頂報警試驗記錄表Table 5 Record with no grid ceiling

［1］GB50116－1998，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］李引擎.建筑防火工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］BS 5839.1－2002，F(xiàn)ire detection and fire alarm systems for buildings－Part 1：Code of practice for system design，installation，commissioning and maintenance［S］.

［4］NFPA72－2007，National Fire Alarm Code［S］.

［5］劉軍，劉敏，智會強(qiáng)，路世昌.FDS火災(zāi)模擬基本理論探析與應(yīng)用技巧［J］.安全科學(xué)與技術(shù)，2006（1）：6－10.

［6］GB4715－2005，點型感煙火災(zāi)探測器［S］.

［7］鄧玲.FDS場模擬計算中的網(wǎng)格分析［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2006，25（2）：207－209.