室内商业步行街可燃物阴燃特性的全尺寸试验研究_焦澳.pdf

2023 年第 06 期总第 300 期福 建 建 筑Fujian Architecture&ConstructionNo 062023Vol300室内商业步行街可燃物阴燃特性的全尺寸试验研究焦 澳1 范传刚1 肖剑仁2(1.中南大学 土木工程学院 湖南长沙 410075;2.福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)摘 要:室内商业步行街作为一种新兴的建筑形式,在给人们生活带来便利的同时,也带来严重的火灾隐患。其中衣物、货物、临时装饰材料的堆积、储藏,大大增加了阴燃火发生的概率和风险。通过在某室内商业步行街内开展的全尺寸棉绳阴燃火试验,研究可燃物阴燃燃烧过程、质量损失速率、烟气产生、扩散以及温度分布特征,对比分析不同火灾探测方法。结果表明,室内商业步行街棉绳火的阴燃过程主要有“明火燃烧-阴燃-熄灭”三个阶段,质量损失速率先增大后减小,并受到火源位置处通风状况的影响。烟气产生伴随于棉绳火的阴燃过程,在不同的火源位置处呈现出不同的扩散特征。相较于感温探测器,吸气式等感烟探测器更适用于阴燃火的探测。对于中庭等大空间,多类型感烟探测器的联合使用,能够提高对阴燃火探测报警的准确性。关键词:室内商业步行街;火源位置;棉绳火;阴燃特性;火灾探测中图分类号:TU998 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2023)06-0137-06Full-scale experimental study on smoldering combustion characteristics in an indoorcommercial pedestrian streetJIAO Ao1 FAN Chuangang1 XIAO Jianren2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075;2.Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research CO.,LTD.,Fuzhou 350001)Abstract:As a new building form,the indoor commercial pedestrian street not only brings convenience to peoples life,but also brings seri-ous fire hazards.The accumulation and storage of clothing,goods and temporary decorative materials greatly increase the probability andrisk of smouldering.Full-scale cotton rope smoldering tests were carried out in an indoor commercial pedestrian street and typical fire lo-cations of the room and atrium were selected to investigate the smoldering combustion process,mass loss rate,and characteristics of smokegeneration,diffusion and temperature distribution.In addition,different fire detection methods were compared and analyzed.The resultsshow that the smouldering process of cotton rope fire in indoor commercial pedestrian street mainly includes three stages:flaming,smoulde-ring,and extinguishing.The mass loss rate increases first and then decreases,and is affected by the ventilation condition at the fire loca-tion.The smoke production is associated with the smoldering process of cotton rope fire,and presents different diffusion characteristics atdifferent fire locations.The smoke temperature caused by the smoldering is low in the indoor commercial pedestrian street,which leads toa better performance of smoke detector,e.g.the inhaling smoke detector,than the temperature detector.For large spaces,such as atri-ums,the combined utilization of multiple types of smoke detectors can improve the detection accuracy of smouldering.Keywords:Indoor commercial pedestrian street;Fire location;Cotton rope fire;Smoldering characteristic;Fire detection基金项目:福建省科技计划项目“室内商业步行街火灾烟气蔓延特性及控制关键技术研究与应用”(2019Y3002)作者简介:焦澳(1996-),男。通讯作者:肖剑仁(1970-),男,教授级高级工程师。E-mail:xjr 收稿日期:2022-01-290 引言随着经济社会的发展,室内商业步行街作为一种新兴形式,在现代商业建筑设计中应用越来越广泛。其装潢美观精致,同时能承载观光、购物、餐饮等多种功能,极大地便利了人们的生活。相比于一般的商业建筑,室内商业步行街功能的多样性,导致了其内部可燃物种类和数量的激增,极大增加了火灾发生的概率和危险程度1-2。例如 2021 年安徽池州希望财富广场火灾事故,4 人死亡、2 人受伤,直接经济损失558.44 万元;2022 年内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区购物中心火灾,2 人死亡,过火面积约 1800 m2。室内商业步行街日益严重的火灾安全问题,引发了国内外学者的广泛关注,并开展了相关研究3-5。138 福 建 建 筑2023 年阴燃是固体燃烧的一种形式,其无可见光的缓慢燃烧,容易发生在通风不佳的堆积物内部。由于没有火焰、燃烧速率较慢,阴燃的发生往往更加隐蔽,不易被人察觉。在一定条件下,阴燃可以转换成明火燃烧、甚至是爆燃,因此具有极高的危险性6。室内商业步行街中储藏有大量的衣物、货物,其中含有大量的棉质物、纤维织物等;此外,为装点建筑、营造节日气氛,临时使用的装饰材料中往往含有大量的塑料、聚氨酯泡沫等,这些材料都具有易燃、易阴燃的特点,大大增加了火灾风险。然而,前人更多研究室内商业步行街明火燃烧火灾的发展特性、烟气蔓延特征、控制方法等7-10,尚未关注可燃物的阴燃特性。本文通过开展全尺寸火灾试验,研究了室内商业步行街可燃物阴燃质量损失速率、烟气传播机理、温度分布规律以及探测方法,研究结果可为室内商业步行街火灾防控和消防系统设计提供参考。1 试验1.1 试验布局如图 1 所示,此次全尺寸试验在福建省福州市某建筑综合体的室内商业步行街内开展,试验区域为包括中庭和回廊在内的步行街主街以及主街东侧的房间。本次试验所在室内商业步行街为直线型,沿南北方向延伸,共四层。主街部分长 154 m、宽 17 m,其中两侧回廊宽 4 m、吊顶下高度为 2.8 m;1 号、2 号和 3号中庭由南到北依次排布,三个中庭均长 32.4 m、宽8 m、高19.8 m。房间主要由一条沿东西方向长 35 m、宽4 m 的走道,和一条沿南北方向长 6.5 m、宽 3.1 m的走道 T 型交汇构成,吊顶下高度为 2.8 m;房间通过西侧两个宽分别为 1.6 m 和 2.6 m 的门洞,与主街回廊和 3 号中庭连通。1.2 工况设计如图1 和表1 所示,本次试验分别选取了房间和 2号中庭两个典型位置,各设置一组工况,以开展室内商业步行街可燃物阴燃特性研究。房间火源设置在两走道交汇处中心位置,2 号中庭火源设置在地面中心位置。出于安全和环保的考虑,本次试验选用国家标准点型感烟火灾探测器(GB4715-2005)11中规定的试验火 SH2-棉绳阴燃火作为火源,并在此基础上,根据试验具体需要进行调整。每组工况中使用棉绳质量约为2 kg,采用堆放的方式放置在燃烧器中,通过明火引燃棉绳堆,模拟衣物、货物堆积的燃烧和阴燃过程。试验过程中,保持试验场地自然通风,不开启任何排烟设施,环境温度维持在18左右。图 1 试验场地布局表 1 试验工况编号火源位置 可燃物 可燃物初始质量 引燃方式通风状况工况 1房间工况 2 2 号中庭棉绳2023.5 g2022.5 g明火引燃自然通风1.3 数据采集和火灾探测系统本次试验,主要使用电子天平、热电偶阵列以及高清摄像机,对棉绳的质量损失、燃烧产生的烟气温度以及试验现象进行测量和采集。试验使用的电子天平型号为湘平 ES-30001TS,量程为 30 kg,测量精度为 0.1 g,采样间隔为 1 s。试验热电偶选用直径为0.4 mm、量程为 0 600 的 K 型热电偶,精度为0.1;房间内以火源正上方为中心、间隔1 m,沿两走道方向交叉布置 41 个热电偶。中庭位置则在火源正上方竖向 2.3 m 18.3 m 范围内,沿横向、竖向交叉布置 35 个热电偶,如图 1 所示。试验中,在房间内、外和中庭上、下位置,分别采用双机位记录试验现象。此外,试验共设置 Xtralis VESDA VLF-250 吸气式感烟火灾探测器、VFD/F-ZX518 高清图像型火灾2023 年 06 期 总第 300 期焦 澳,范传刚,肖剑仁室内商业步行街可燃物阴燃特性的全尺寸试验研究139 探测器和 OSID 双鉴式成像感烟探测器三种火灾探测设备,来比较不同类型的火灾探测器对阴燃火的响应情况。受试验场地限制,房间内仅在火源北侧设置吸气式感烟火灾探测器;中庭位置的图像型火灾探测器设置在二层;吸气式感烟火灾探测器和 OSID 双鉴式成像感烟探测器相邻、均设置在三层。2 结果与讨论2.1 可燃物阴燃过程与质量损失不同位置处棉绳火燃烧过程是一致的。棉绳被阴燃后,均会经历“明火燃烧-阴燃-熄灭”三个阶段,如图 2 所示。初始时刻,燃烧器中间位置的棉绳被点燃,之后快速引燃周围的棉绳、形成显著火焰,并不断引燃深层未燃烧的棉绳,此时火源进入明火燃烧阶段;当燃烧器内棉绳全部被引燃后,火焰开始逐渐衰退直至熄灭,此时火源进入阴燃阶段;之后棉绳长时间处于阴燃燃烧状态,没有明显的火焰,偶有火苗产生,但随即熄灭,燃烧器内棉绳体积不断减小;最终棉绳阴燃过程结束,此时燃烧器内仍存有大量灰烬,阴燃火难以自行完全熄灭。图 2 中庭位置棉绳阴燃火发展过程图 3 给出了房间和中庭两处火源位置棉绳燃烧过程的质量损失和质量损失速率随时间的变化。两处火源位置棉绳火的质量损失以及质量损失速率的变化趋势相似,棉绳被点燃后,质量不断减少,直至整个燃烧过程结束;棉绳火的质量损失速率均先快速增大而后不断减小;阴燃过程结束后,质量均未归零。这是由于相似的燃烧过程,导致了相似的质量损失和质量损失速率的变化规律:棉绳被点燃后,进入明火燃烧阶段,大量棉绳短时间内相继引燃,因此燃烧速率快速增大,质量快速减少;而当棉绳被全部引燃,燃烧速率达到峰值,之后明火逐渐熄灭并转入阴燃,燃烧速率不断降低,质量继续减少;至阴燃过程结束,燃烧器中仍存有灰烬,因此质量未归零。但是,两火源位置的燃烧过程也存在不同之处。房间和中庭棉绳火的明火燃烧阶段时长分别为 364 s和 398 s,阴燃阶段时长分别为 1862 s 和 1730 s,剩余灰烬质量分别为216 g 和121.5 g。可以看到,相较于房间位置,中庭棉绳火明火燃烧持续时间较长,阴燃持续时间较短,整体燃烧速率较高,灰烬剩余质量较少。这是由于中庭空间更加开阔、空气流动更强,有利于棉绳的明火燃烧和阴燃,其燃烧更快也更为充分,最终燃烧剩余的残留物更少。图 3 房间和中庭位置棉绳燃烧过程的质量损失速率变化为了更加清楚和准确表现两处火源位置棉绳火阴燃过程的质量损失,建立棉绳阴燃质量随时间变化的无量纲指数衰减模型,如式(1)所示:m/ms=eats(1)其中,m 为棉绳在 ts时刻的质量,g;ms为棉绳明火熄灭、进入阴燃时刻的质量,g;ts为棉绳明火熄灭、进入阴燃后的时间,s;a 为系数。图4 给出了无量纲棉绳阴燃质量 m/ms随棉绳火进入阴燃后的时间 ts之间的相关关系。可以看到,所建立的模型,与两处火源位置棉绳火阴燃过程中质量随时间的变化趋势符合良好,房间和中庭棉绳火对应的衰减系数分别为-0.00103 和-0.00138,证明了中庭棉绳火阴燃过程的燃烧速率,明显高于房间棉绳火。图 4 房间和中庭位置阴燃阶段无量纲棉绳质量随时间的变化140 福 建 建 筑2023 年2.2 可燃物阴燃烟气发展过程与温度变化图 5、图 6 分别给出了房间和中庭位置棉绳阴燃火烟气发展过程。烟气的产生伴随于棉绳火的燃烧,因此不同位置处,棉绳阴燃火的产烟过程具有一致性,但受建筑结构和环境因素的影响,两位置火源烟气的扩散过程存在一定的差异。图 5 房间棉绳阴燃火烟气发展过程图 6 中庭棉绳阴燃火烟气发展过程对于房间内棉绳火,明火燃烧阶段内,棉绳的产烟量很少,房间内基本没有烟气;而随着明火逐渐熄灭,部分棉绳开始阴燃,火源发烟量不断增加,烟气开始沿东西北走道方向扩散,并蔓延至回廊区域;在明火熄灭、棉绳火完全进入阴燃状态后,火源大量发烟,房间和回廊能够观察到明显的烟气层,烟气不断扩散至 3 号中庭内部;随着阴燃过程的继续,棉绳质量减少,火源发烟量不断减少,房间和回廊的烟气浓度不断减小,烟气层逐渐稀薄。当棉绳火阴燃过程趋近结束,阴燃火难以完全熄灭,火源仍可少量发烟,但因烟气不断向周围环境扩散,房间内基本没有烟气聚集。对于中庭内棉绳火,产烟过程与房间内棉绳火相同。而对于烟气扩散过程,在明火燃烧阶段,难以观察到烟气的产生与扩散;随着明火逐渐熄灭,部分棉绳开始阴燃发烟,此时烟气能够在中庭内形成明显羽流,并不断向上扩散;在明火熄灭、棉绳火完全进入阴燃阶段且显著发烟后,烟气形成的羽流形态稳定且规模增大,烟气在向中庭顶部运动的同时,也不断向四层回廊扩散;在棉绳阴燃持续一段时间、发烟量明显降低后,中庭上部无法观察到明显的烟羽流,仅能在中庭下部观察到烟气的运动;当棉绳火阴燃过程接近尾声、仍有少量烟气产生,此时仅在火源上方观察到些许烟气,但会快速消散在环境中。总体来说,棉绳火的烟气产生主要集中在阴燃阶段,产烟量明显低于一般火灾8,10;且无论是房间还是中庭位置,烟气的浓度低、扩散快,导致烟气在步行街内的消散速度都很快,不易察觉和识别。但相比较而言,房间环境较为封闭,棉绳火阴燃过程的烟气积蓄和扩散过程更加稳定,能够观察到烟气的时间较长。中庭位置为典型的大空间,空气流动强,虽然此处棉绳火阴燃燃烧速率较高、发烟速度较快,但烟气扩散更加迅速、浓度更低,中庭上空能够观察到烟气的时间明显缩短,该位置的阴燃火更加不易监测。图 7 和图 8 分别给出了房间棉绳火东西方向不同水平位置处,以及中庭棉绳火距离地面不同高度处的烟气温度随时间变化的情况。两处位置棉绳火烟气温度随时间的变化,趋势相近,均先快速增大,在明火燃烧阶段内到达峰值后不断减小。可以看到,棉绳阴燃火的烟气温度整体较低,且仅在明火燃烧阶段有明显温升,即使是距离地面 2.3 m、与火源很近的位置,最高温度仅 52.3,尚低于常见的火灾感温探测器的动作下限 5412,其他位置烟气温度更是远低于这一数值;而在棉绳火阴燃阶段,各位置烟气温度均低于 25、温升基本不超过 5。室内商业步行街内阴燃火灾烟气温度较低的特点,决定了其难以通过一般的火灾感温探测器来识别报警。图 7 房间棉绳火不同水平位置处的烟气温度时变曲线2023 年 06 期 总第 300 期焦 澳,范传刚,肖剑仁室内商业步行街可燃物阴燃特性的全尺寸试验研究141 图 8 中庭棉绳火不同高度处的烟气温度时变曲线2.3不同类型的火灾探测器对可燃物阴燃火灾的响应试验选用的吸气式火灾探测器型号为 XtralisVESDA VLF-250,主要通过采样管网上的采样孔,不断采集空气样本,过滤后输送至探测腔,通过光散射技术,识别微量烟气进行火灾报警;选用的图像型火灾探测器型号为 VFD/F-ZX518,主要通过摄像机拍摄动态图像,经过高速图像处理识别火焰的光学特性、形状、跳动频率等,进行火灾报警(图 9);OSID 双鉴式成像感烟探测器采用 IR&UV 双鉴式烟气探测技术,能够区别不同的烟气颗粒尺寸,不受灰尘颗粒或其他固体侵入颗粒的影响,准确识别火灾烟气并进行报警(图 10)。其中,吸气式火灾探测器在房间和中庭内均有设置,根据图像型火灾探测器和 OSID 双鉴式成像感烟探测器,更适用于大空间内火灾探测报警的特点。在中庭位置配置这两种探测器,可以对不同类型的火灾探测器对可燃物阴燃火灾的响应进行对比。表 2 给出了三种类型的火灾探测器对房间和中庭棉绳阴燃火的响应时间。可以看到,对于不同的火源位置,吸气式火灾探测器棉绳阴燃火的响应时间均超过了 280 s。这是由于棉绳在明火燃烧阶段的后期,部分棉绳开始阴燃后才产生烟气,烟气扩散至探测器位置,才能触发探测器报警。此外,房间内吸气式火灾探测器,对棉绳阴燃火的响应时间明显早于中庭位置,其原因有二:一是房间内空间狭小,相较中庭大空间,烟气更容易聚集而被探测到;二是房间内火灾探测器安装位置到火源的距离相较中庭更近,烟气更早蔓延至探测器位置而被探测到。总的来说,吸气式火灾探测器能够有效应用于室内商业步行街内阴燃火的探测。图 9 图像型火灾探测器在不同时刻的记录图 10 OSID 双鉴式成像感烟探测器 IR&UV衰减率随时间的变化表 2 不同类型的火灾探测器对棉绳阴燃火的响应时间吸气式火灾探测器图像型火灾探测器OSID 双鉴式成像感烟探测器房间283 sNANA中庭337 s56 s393s 但对于不同类型的火灾探测器,其对棉绳阴燃火的响应时间的差异较为显著。三者之中,图像型火灾探测器的响应时间最早,仅需 56 s,这是由于图像型火灾探测器主要识别火焰而非烟气,在棉绳明火燃烧阶段的前期即触发报警,因此响应时间显著早于其他两种探测器;但由于图像型火灾探测器识别了棉绳燃烧过程早期的明火,其能否直接识别中庭等大空间内的阴燃火报警,还有待进一步研究。而对于另外两种感烟探测器,其安装高度基本一致,但 OSID 双鉴式成像感烟探测器的响应时间要明显滞后于吸气式火灾探测器。这是由于 OSID 双鉴式142 福 建 建 筑2023 年成像感烟探测器的工作原理是,识别烟气颗粒对 IR和 UV 两种光的遮挡造成的衰减,这对烟气浓度有一定的要求。棉绳火阴燃产烟发展至一定程度后,才能在中庭形成较为稳定的烟羽流,而被 OSID 双鉴式成像感烟探测器识别,直接导致其响应时间与棉绳完全进入阴燃燃烧的时间比较接近。相比之下,吸气式火灾探测器对微量烟气的识别更为敏感,但有容易误报的缺点。将两者结合应用于室内商业步行街中庭等大空间的火灾探测,可使报警结果更加准确。3 结论通过某室内商业步行街内房间和中庭典型位置处开展的全尺寸棉绳阴燃火试验,研究了室内商业步行街可燃物阴燃燃烧过程、质量损失速率、烟气产生过程、烟气扩散特征以及温度变化规律,对比分析了不同类型火灾探测器的响应时间,得到了以下结论:(1)室内商业步行街不同位置处,棉绳火的阴燃过程具有一致性,主要存在“明火燃烧-阴燃-熄灭”三个阶段。质量损失速率在明火燃烧阶段快速增长,至峰值后不断降低,空气流动较强的中庭等大空间位置,棉绳阴燃的质量损失速率更高。(2)室内商业步行街棉绳火阴燃过程中,质量随时间的变化呈指数衰减,并建立了相应的无量纲表征模型。(3)棉绳火烟气的产生伴随于阴燃过程,在明火燃烧前期基本不产生烟雾。产烟量在棉绳全部进入阴燃状态后达到峰值,并随阴燃过程的发展不断减少。(4)棉绳阴燃火在室内商业步行街所处的位置,会显著影响烟气的扩散过程。空间相对狭小位置发生的阴燃火由于局部烟气浓度较高,更容易被探测到。(5)室内商业步行街内可燃物阴燃产生的烟气温度较低,难以被一般的感温探测器探测到。吸气式等感烟探测器更适用于阴燃火的探测。(6)对于室内商业步行街中庭等大空间,联合使用吸气式感烟探测器、OSID 双鉴式成像感烟探测器等感烟探测器,能够提高对阴燃火报警的准确性。参 考 文 献1 宗周文,李建华.某商业综合体室内步行街火灾初期烟气危险性数值模拟J.武警学院学报,2015,31(12):58-64.2薛伟,杨德.某地下商业街火灾时机械排烟模式研究J.武警学院学报,2017,33(10):42-46.3HUANG L,ZHU G,ZHANG G,et al.Research the occu-pants safe egress of underground pedestrian street based onthe analysis of fire smoke movementJ.Procedia Engineer-ing,2013,52 158-164.4 ZHENG W.Fire safety design of indoor pedestrian streets oflarge commercial buildingJ.Procedia Engineering,2013,52:652-656.5 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