消防水炮對(duì)高鐵站候車廳火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律影響研究

顧 滿

(上海富士特消防安全咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

一般來講，大空間建筑是指空間高大、單層面積大、跨度大、缺少或無設(shè)置實(shí)體分隔的建筑[1]。近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口密度和流動(dòng)性不斷增加，城市之間的交往日益密切，高鐵站候車廳、機(jī)場航站樓等大空間建筑逐漸增多。但由于建筑結(jié)構(gòu)和使用功能的限制，傳統(tǒng)規(guī)范已經(jīng)不適用于劃分這類空間的防火、防煙分區(qū)。此外，高鐵站作為交通樞紐，建筑內(nèi)人流量大、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部設(shè)施多，存在大量易燃或可燃物，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成嚴(yán)重的人員傷害，對(duì)社會(huì)造成不良影響[2]。

消防水炮是指以水為噴射介質(zhì)，以射流形式噴射，流量大于16 L/s的滅火裝置[3]。按其固定方式，可以分為固定式消防水炮和移動(dòng)式消防水炮[4]。固定式消防水炮因其流量大、射程遠(yuǎn)、沖擊力大、定位準(zhǔn)等特點(diǎn)，多被用在保護(hù)面積大、火災(zāi)危險(xiǎn)性高、熱輻射強(qiáng)等重點(diǎn)防火區(qū)域[4]。

大空間建筑由于建筑結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，火災(zāi)往往具有難探測、快蔓延、難疏散等特點(diǎn)[5]，以往自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的噴水滅火效果不能滿足消防安全的需求，而流量大、射程遠(yuǎn)的消防水炮便成為大空間建筑的主要應(yīng)用設(shè)備。因此，對(duì)作為大空間建筑滅火重要工具的消防炮進(jìn)行研究，有著較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[6]。

1 水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水滅火系統(tǒng)主要包括室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)等。但由于高鐵站屬于大空間建筑，且建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員密集，常用水噴霧滅火系統(tǒng)無法滿足消防安全的需求，而消防炮滅火系統(tǒng)具有保護(hù)半徑大、管線簡單、火場穿透力強(qiáng)、不易霧化等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。因此，該高鐵站水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、固定消防水炮自動(dòng)滅火系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)情況如下。

1)室外消防管網(wǎng)與生活用水管網(wǎng)共用?；菊九_(tái)、站房周圍架空層和旅客活動(dòng)平臺(tái)布設(shè)消火栓，室內(nèi)采用臨時(shí)高壓制消火栓滅火給水系統(tǒng)，屋面設(shè)置消防水箱。

2)除了不能用水保護(hù)的設(shè)備用房、設(shè)置固定消防水炮的房間、面積小于5 m2的衛(wèi)生間外，其余場所均設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

3)對(duì)于房間凈高超過12 m的站房集散廳、商業(yè)夾層、二層候車室及旅客服務(wù)等場所，設(shè)置固定消防水炮系統(tǒng)。

2 FDS模型建立及場景設(shè)定

2.1 FDS軟件簡介

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于場模擬的火災(zāi)模擬軟件，主要采用先進(jìn)的大渦模擬技術(shù)或直接數(shù)值模擬兩種方法來模擬火災(zāi)場景中流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等基本問題。它主要是對(duì)描述一組低速流動(dòng)的煙霧和傳熱的Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)值求解。FDS不僅能模擬溫度場的分布，也能模擬碳煙粒子、一氧化碳和能見度等參數(shù)的變化情況。

2.2 FDS模型建立

依據(jù)該高鐵站站房工程的各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料、技術(shù)文件及平、剖面圖紙建立FDS全尺寸模型。其中，站房一層標(biāo)高+0.0 m，站房二層標(biāo)高+8.2 m。站房二層?xùn)|西兩側(cè)局部設(shè)置商業(yè)夾層，夾層底部標(biāo)高+13.20 m。圖1是站房FDS模擬仿真模型。

圖1 某高鐵站FDS全尺寸模型

2.3 場景設(shè)定

2.3.1 火災(zāi)場景設(shè)定

火災(zāi)場景的設(shè)置會(huì)直接影響火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣的蔓延[8]，本文模擬了消防水泡失效和消防水泡有效兩種工況，分析了兩種工況下煙氣流動(dòng)和環(huán)境參數(shù)變化情況，其中環(huán)境參數(shù)主要包括CO濃度、CO2濃度和能見度，通過觀察這些參數(shù)在某一指定平面上的變化情況來確定危險(xiǎn)區(qū)域的大小變化情況。

2.3.2 火源功率

本模擬中，多功能候車座椅是模擬的火災(zāi)來源，布置在站房二層左右兩側(cè)候車廳，各4組，每組設(shè)置2排，每排12臺(tái)，共192臺(tái)。單個(gè)座椅著火時(shí)的最大熱釋放速率為156.02 kW，當(dāng)整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時(shí)，最大熱釋放速率為24×156.02 kW=3 754 kW，消防水炮有效時(shí)在180 s內(nèi)正常啟動(dòng)，并且及時(shí)有效地控制了火災(zāi)發(fā)展，共有11個(gè)座椅發(fā)生燃燒。

3 結(jié)果分析

3.1 煙氣流動(dòng)分析

圖2為消防水炮系統(tǒng)失效和有效時(shí)火災(zāi)發(fā)生后煙氣發(fā)展蔓延的過程?？梢钥闯觯馂?zāi)發(fā)生后，煙氣在浮力的作用下逐漸上升并不斷卷吸周圍的冷空氣，羽流向上運(yùn)動(dòng)總的質(zhì)量不斷增加。當(dāng)羽流受到房間頂棚的阻擋后，便以同心圓的形狀在頂棚下方向擴(kuò)散開來，在向外擴(kuò)展的過程中，也要不斷卷吸其下方的冷空氣，煙氣層厚度逐漸增加。隨著火源功率逐漸增加到最大，煙氣層的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的熱煙氣層在房間頂部。

圖2 消防水炮失效、有效時(shí)煙氣蔓延分布示意圖

對(duì)比消防水炮失效和有效兩種場景煙氣蔓延分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于消防水炮失效的場景，消防水炮有效時(shí)可顯著降低環(huán)境中煙氣的濃度。此外，消防水炮失效時(shí)，煙氣流動(dòng)由于不會(huì)受到水炮的制約，熱煙氣在空間內(nèi)可迅速傳播，上層煙氣層和下層空氣有明顯的界面，顯示了煙氣在空間內(nèi)呈分層狀態(tài)。

3.2 CO濃度分析

圖3為消防水炮失效、有效時(shí)，距站房二層地面3.0 m高度處與距商業(yè)夾層地面2.0 m處CO濃度分布。

圖3 消防水炮失效、有效時(shí)不同切片位置CO分布示意圖

觀察圖3可以看出，候車廳CO的濃度隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的增加，由最初的只在火源附近濃度較高發(fā)展到逐漸充滿整個(gè)候車廳，且建筑右側(cè)部分CO濃度高于左側(cè)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，消防水炮有效，可降低CO對(duì)人員安全疏散的影響；若消防水炮失效時(shí)，距站房二層地面3.0 m高度處在764.3 s時(shí)、距商業(yè)夾層地面2.0 m處在567.4 s時(shí)，CO濃度達(dá)到了影響人員安全疏散的設(shè)定條件(255 mg/L)。而當(dāng)水炮系統(tǒng)有效時(shí)，除著火的多功能候車座椅附近，上述兩處的CO在1 200 s內(nèi)始終保持在225 mg/L以下。

3.3 能見度分析

能見度是指視力正常的人能將目標(biāo)物從背景中識(shí)別出來的最遠(yuǎn)距離，由于高溫?zé)煔庵写嬖诖罅繎腋∥⒘＃@些微粒使環(huán)境中的能見度降低，從而影響人員的疏散[9]。圖4是消防水炮失效、有效時(shí)不同切片處能見度分布情況。

觀察圖4可以看到，總體上能見度隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的增加而逐漸降低，火災(zāi)發(fā)生初期，低能見度主要存在于火源附近和建筑內(nèi)某些角落中，且站房二層3.0 m處的能見度略高于商業(yè)夾層2.0 m處。對(duì)比兩種場景可以看出，水炮系統(tǒng)有效時(shí)，除火源附近區(qū)域外，整個(gè)候車廳的能見度始終處于較高水平，這表明水炮可有效改善火災(zāi)環(huán)境中人員的能見度。

4 結(jié)語

本文以某高鐵站候車廳為背景，采用FDS模擬的方法研究了消防水炮失效、有效兩種火災(zāi)場景下候車廳火災(zāi)煙氣流動(dòng)、CO濃度和能見度的變化情況。模擬結(jié)果表明：消防水炮系統(tǒng)有效時(shí)，環(huán)境中煙氣濃度、煙氣蔓延速度、CO濃度均降低，而能見度增加。

圖4 消防水炮失效、有效時(shí)不同切片位置能見度示意圖