周年勇， 陳夢(mèng)夢(mèng)，王　露，陳孚江

(常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

0　引言

根據(jù)世界各國(guó)高層火災(zāi)事故的調(diào)查，在火災(zāi)事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)瞬間受到傷害死亡的人員只占事故傷亡人數(shù)的極少部分，有相當(dāng)一部分人員都是因?yàn)樵诟邔咏ㄖ袩o(wú)法及時(shí)逃離高溫、有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致窒息或中毒死亡的[1-2]；另外由于消防云梯上升高度受限，也有相當(dāng)一部分人員即使逃離至陽(yáng)臺(tái)、天臺(tái)等地方，因得不到及時(shí)救援，被高溫烘烤致死。因此，高層建筑火災(zāi)救援問(wèn)題引起人們的廣泛關(guān)注[3-4]，國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始從事高層建筑防火救生艙的研究，其中火災(zāi)高溫下艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱保溫設(shè)計(jì)一直是救生艙研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)家用救生艙的研究處于初始階段，相關(guān)文獻(xiàn)較少。楊福芹[5]提出了家用救生艙的設(shè)計(jì)概念，主要對(duì)家用救生艙艙體的整體抗震性能進(jìn)行研究，利用Pro/E與AWE協(xié)同優(yōu)化技術(shù)對(duì)艙體進(jìn)行了優(yōu)化，提升了艙體強(qiáng)度和剛度；王吉利[6]對(duì)家用救生艙進(jìn)行較為系統(tǒng)的理論研究與設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了家用救生艙的整體及關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并分析了艙體的隔熱結(jié)構(gòu)，提出加強(qiáng)外置有利于艙體的隔熱設(shè)計(jì)。

礦用救生艙是一種用于礦井火災(zāi)、爆炸、塌方等事故后，為無(wú)法及時(shí)撤離的礦工提供一個(gè)安全的密閉空間，對(duì)外能抵御爆炸沖擊、高溫?zé)煔?、隔絕有毒有害氣體，對(duì)內(nèi)能為被困礦工提供氧氣、食物和水、去除有毒有害氣體，贏得較長(zhǎng)的生存時(shí)間[7]。家用救生艙的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從礦用救生艙中吸取經(jīng)驗(yàn)，目前關(guān)于礦用救生艙的研究成果較為豐富。例如，常德功[8]提出一種礦用救生艙保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層分別是3 mm和10 mm厚的Q345鋼板，并在內(nèi)外層鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)壁貼有1層氣凝膠，中間填充80 mm厚的聚氨酯發(fā)泡材料，研究表明該保溫結(jié)構(gòu)具有明顯的隔熱優(yōu)勢(shì)；劉寶[9]利用Fluent軟件對(duì)礦用救生艙隔熱層厚度為20 mm和60 mm進(jìn)行了隔熱性能分析，提出了改變隔熱性能救生艙思想，有效的提高了救生艙的隔熱降溫性能；李國(guó)星[10]通過(guò)Workbench對(duì)新、舊兩種類型艙體進(jìn)行了熱防護(hù)性能分析，并模擬了106 h的高溫試驗(yàn)，研究表明新型艙體結(jié)構(gòu)具有更好的熱防護(hù)性能；陶國(guó)銀[11]通過(guò)救生艙艙體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建艙體隔熱層填充材料隔熱性能測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定出復(fù)合硅酸鹽氈厚度為100 mm時(shí)，可移動(dòng)救生艙隔熱性能試驗(yàn)結(jié)果可行。

以上關(guān)于家用救生艙結(jié)構(gòu)的研究主要集中在艙體剛度和強(qiáng)度方面。防火型家用救生艙的工作條件為高層火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)——火災(zāi)發(fā)生初期，火勢(shì)較小；大約5～10 min之后，火災(zāi)進(jìn)入猛烈狀態(tài)，此時(shí)溫度會(huì)急劇上升，時(shí)間持續(xù)的長(zhǎng)久需考慮高層內(nèi)易燃物質(zhì)的多少；火災(zāi)后期，溫度會(huì)慢慢冷卻，直至火被熄滅。因此，防火型家用救生艙的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅需要考慮艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還需要考慮艙體的防火隔熱性能，其持續(xù)耐高溫能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦用救生艙的設(shè)計(jì)要求。本文擬對(duì)家用救生艙的防火隔熱性能展開(kāi)研究，建立家用救生艙的數(shù)值傳熱模型，提出適用于火災(zāi)工況的多重保溫結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。

1　防火型家用救生艙艙體物理模型

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，考慮救生艙在高層住宅內(nèi)部的安放位置，要求救生艙簡(jiǎn)潔、輕便。根據(jù)RCYF系列救生艙基本參數(shù)指標(biāo)，生存艙人均有效容積為0.8 m3，額定人數(shù)為3人，經(jīng)計(jì)算研究，救生艙的外形尺寸2 220 mm×728 mm×1 916 mm (長(zhǎng)×寬×高)，如圖1所示。

圖1　家用救生艙結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Schematic diagram of Home Rescue Cabin

根據(jù)不同的功能，家用救生艙劃分為2個(gè)區(qū)域，分別是保險(xiǎn)柜、生存艙。其主要功能如下所示：

1)保險(xiǎn)柜：用于存放用戶的貴重物品及有價(jià)證券。

2)生存艙：包含主艙門和生存艙，主艙門在避難人員進(jìn)入救生艙后可阻擋有害氣體進(jìn)入救生艙；生存艙是避難人員的主要生存空間，包含制冷系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、一氧化碳和二氧化碳凈化系統(tǒng)。其中，一氧化碳凈化系統(tǒng)主要依據(jù)貴金屬催化劑進(jìn)行催化氧化；供氧系統(tǒng)、二氧化碳凈化系統(tǒng)采用一定數(shù)量的壓縮空氣瓶，既能供氧又能洗滌艙內(nèi)二氧化碳等有害氣體；制冷系統(tǒng)是配備一定量的化學(xué)冰袋，用于人員負(fù)荷的去除。

在高溫階段的絕熱性能是家用救生艙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文擬采用多重組合絕熱手段進(jìn)行救生艙的絕熱設(shè)計(jì)，艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)由高溫防火涂層、結(jié)構(gòu)用鈦合金鋼板、NIP-1050型納米微孔隔熱板、NIP-950型納米微孔隔熱板、內(nèi)飾木板組成，具體如圖2所示。

1.高溫防火涂層；2.鈦合金鋼板；3. NIP-1050納米微孔隔熱板；4. NIP-950納米微孔隔熱板；5.內(nèi)飾木板。圖2　家用救生艙艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2　Cabin building envelope of Home Rescue Cabin

1.1　材料模型

家用救生艙采用多層絕熱設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)材料的特性參數(shù)如表1所示。

表1　結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)

家用救生艙的絕熱結(jié)構(gòu)最高使用溫度不低于1 000 ℃且具有阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、可塑性的特點(diǎn)。目前納米微孔隔熱材料是隔熱性能最好的高溫隔熱材料，其隔熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)纖維類的隔熱材料3～4倍。型號(hào)NIP-1050與NIP-950的納米微孔隔熱板能夠較好地滿足家用救生艙的設(shè)計(jì)需求，其中NIP-1050型的保溫材料能夠承受不低于1 000 ℃的高溫，但是導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大；NIP-950型的保溫材料具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)，但是不能承受800 ℃以上的高溫。2種絕熱材料[12-13]導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3　NIP-1050與NIP-950納米微孔隔熱板導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.3　Thermal conductivity of Nano microporous thermal insulation board varied with temperature

2　艙體熱環(huán)境

火災(zāi)溫度和持續(xù)時(shí)間是火災(zāi)的重要指標(biāo)。為了便于科學(xué)研究和制定防火規(guī)范，世界各國(guó)都依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定代表本國(guó)一般建筑火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)溫度——時(shí)間曲線。Pope[14]，Zehfuss[15]，Moss[16]等在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的曲線上擬合出適合住宅建筑的實(shí)際溫度曲線圖，如圖4所示。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與實(shí)驗(yàn)升溫曲線Fig.4　Standard heating curve and the experimental temperature curve

崔守金[17]等人調(diào)查得到了民宅、醫(yī)院、單身宿舍、會(huì)議室、辦公室、教室、圖書(shū)室、閱覽室、倉(cāng)庫(kù)的火災(zāi)荷載密度變化范圍，利用結(jié)果和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IS0834)[18]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度——時(shí)間曲線進(jìn)行火災(zāi)持續(xù)時(shí)間與溫度的估算，得出民宅建筑火災(zāi)持續(xù)時(shí)間在1 h左右。楊曉璐[19]等人在城市火災(zāi)救援工作提出最佳救援路線，在早高峰，火警車0.5 h左右也能到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。綜上所述，家用救生艙模擬實(shí)驗(yàn)采用1.5 h的設(shè)計(jì)是有余量且合理的。

火災(zāi)條件下，火焰不僅會(huì)造成周圍的空氣流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，還會(huì)由于火焰自身的高溫，對(duì)周圍物體造成強(qiáng)烈的輻射換熱[20]，外部發(fā)射率一般選取0.9[21]，外部輻射溫度參照ISO-834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線[15]，火災(zāi)下的綜合對(duì)流換熱系數(shù)具體如表2所示。

表2　火災(zāi)工況下綜合對(duì)流換熱系數(shù)表

考慮普通家庭火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間，并結(jié)合城市消防救援能力，家用救生艙應(yīng)能夠承受最高溫度1 000℃，且置于火災(zāi)中燃燒不少于1.5 h(標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線0～90 min內(nèi))，期間艙內(nèi)溫度應(yīng)不高于35℃[22-23]。另外，一般家用救生艙的額定救援人數(shù)為3人，人員總負(fù)荷與設(shè)備負(fù)荷相對(duì)較小，可以通過(guò)儲(chǔ)備一定量的化學(xué)制冷冰袋進(jìn)行去除，故本文在模擬計(jì)算中只考慮火災(zāi)負(fù)荷。

3　模擬結(jié)果分析

家用救生艙總體呈長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。為了計(jì)算方便，本次計(jì)算將門板絕熱部分等效成周圍平板，不做特殊處理。門板做簡(jiǎn)化處理后，使得救生艙整體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，本次模擬計(jì)算取沿長(zhǎng)度方向的1個(gè)二維截面進(jìn)行計(jì)算。家用救生艙采用多重絕熱的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。為了獲得多重絕熱結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度及材料之間的最優(yōu)配比，本次模擬計(jì)算選取12種典型的計(jì)算工況展開(kāi)分析，具體如表3所示。

3.1　最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度

Case1～4的保溫材料NIP-1050板的厚度均為20 mm，NIP-950板厚度從25 mm逐漸增加至55 mm，其他材料厚度保持不變。通過(guò)觀察艙內(nèi)空氣X，Y向的平均溫度、內(nèi)飾表面溫度隨時(shí)間的變化曲線分析家用救生艙的多重絕熱性能。

表3　艙體模擬計(jì)算載荷工況

圖7　家用救生艙在Case 3下不同時(shí)刻艙內(nèi)空氣溫度變化云圖Fig.7　The cabin air temperature changes at Case 3 different moments of the Home Rescue Cabin

圖5　艙內(nèi)空氣沿X向平均溫度隨時(shí)間變化曲線(Case1～4)Fig.5 The air of cabin along the direction of X average temperature with time

圖6　艙內(nèi)空氣沿Y向平均溫度隨時(shí)間變化曲線(Case1～4)Fig.6　The air of cabin along the direction of Y average temperature with time

如圖5，6所示，艙內(nèi)空氣平均溫度隨時(shí)間的推移總體呈先平穩(wěn)再逐漸增加的趨勢(shì)；當(dāng)NIP-1050板厚度保持不變時(shí)，隨著NIP-950板厚度的增加，1.5 h后艙內(nèi)空氣平均溫度逐漸降低，但是降幅逐漸減小?；馂?zāi)1.5 h后，艙內(nèi)空氣沿X向平均溫度分別為329.1，311.0，305.0，303.8K；艙內(nèi)空氣沿Y向平均溫度分別為323.1，308.9，304.2，303.8K；其中Case 1與Case 2的艙內(nèi)平均溫度明顯不滿足艙內(nèi)溫度不高于308K的設(shè)計(jì)要求，Case 3與Case 4能夠滿足艙內(nèi)溫度的設(shè)計(jì)要求，但是Case 4比Case 3壁厚增加了10 mm，對(duì)于艙內(nèi)空氣X，Y向平均溫度Case4比Case3分別降低了1.2K與0.4K。艙壁厚度的增加有利于艙體絕熱性能的提升，但是到達(dá)臨界值時(shí)，對(duì)于絕熱性能的提升十分有限，考慮家用救生艙的有效容積及經(jīng)濟(jì)性，選擇Case 3作為家用救生艙的最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度。

如圖7所示，火災(zāi)0.5 h后，艙內(nèi)空氣受內(nèi)壁初始溫度的影響，略有上升；火災(zāi)1 h后，救生艙內(nèi)壁溫度緩慢上升至303.5 K，也意味著接下來(lái)的時(shí)間內(nèi)，外部環(huán)境的火災(zāi)高溫逐漸導(dǎo)入救生艙內(nèi)；火災(zāi)1.5 h后，救生艙內(nèi)壁溫度上升至308 K，且在艙體邊角處溫度最高，最高溫度可達(dá)309 K，但艙內(nèi)空氣整體平均溫度低于305 K。模擬結(jié)果表明，Case 3總壁厚為80 mm的艙體結(jié)構(gòu)符合1.5 h內(nèi)家用救生艙艙內(nèi)溫度不高于35℃的設(shè)計(jì)要求。如果時(shí)間繼續(xù)推移，由于結(jié)構(gòu)熱容已被完全克服，艙內(nèi)平均溫度將快速升高。

3.2　絕熱材料的最優(yōu)配比

在工況Case5～12中，保持兩種絕熱材料總厚度65 mm不變，NIP-1050型納米微孔隔熱板厚度從0 mm逐漸增加至65 mm，通過(guò)觀察艙內(nèi)空氣X，Y向的平均溫度、內(nèi)飾表面溫度隨時(shí)間的變化曲線分析家用救生艙的多重絕熱性能，如圖8所示。

圖8　1.5 h后艙內(nèi)空氣與內(nèi)飾表面溫度隨時(shí)間變化Fig.8　Air and interior surface temperature change with time after 1.5 hours

從圖8可知，在家用救生艙額定救援時(shí)間1.5 h后，隨著NIP-1050板厚度的增加，艙內(nèi)空氣X，Y向的平均溫度、內(nèi)飾表面溫度都呈先減小再逐漸增大的趨勢(shì)，其中當(dāng)NIP-1050板厚度在0，5，10 mm點(diǎn)時(shí)下降速率較快。對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行如下解釋：結(jié)合圖9可知，NIP-1050板厚度在0，5，10 mm時(shí)，NIP-950板外側(cè)溫度都已經(jīng)超過(guò)使用溫度800℃，造成材料性能迅速劣化，使得艙內(nèi)溫度較高，隨著NIP-1050板慢慢替代了失效部分的NIP-950板，艙內(nèi)溫度迅速下降，當(dāng)NIP-950板進(jìn)入使用溫度時(shí)，降幅又緩慢下降直至最低點(diǎn)；繼續(xù)增加NIP-1050板厚度，艙內(nèi)溫度又緩慢上升，這是因?yàn)镹IP-1050板雖然具有較好的耐高溫能力，但是相比NIP-950板的保溫性能較差。綜上所述，家用救生艙的多重絕熱材料不僅存在最優(yōu)厚度，還存在絕熱材料的最優(yōu)配比，本文當(dāng)NIP-1050板厚度為20 mm，NIP-950板厚度為45 mm的情況下，救生艙艙體絕熱保溫效果最優(yōu)。

圖9　1.5 h后NIP-950板最高溫度曲線(Case5～12)Fig.9　Maximum temperature curve of NIP-950 after 1.5 hours(Case5～12)

3.3　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，按照Case3的計(jì)算模型設(shè)計(jì)了家用救生艙的實(shí)物，并置于加熱爐內(nèi)進(jìn)行模擬火災(zāi)試驗(yàn)，如圖10～11所示，期間加熱爐內(nèi)的溫度控制按照ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線0～90 min進(jìn)行模擬。

圖10　家用救生艙實(shí)驗(yàn)?zāi)MFig.10　Experiment simulation of Home Rescue Cabin

圖11　試驗(yàn)后艙內(nèi)部分Fig.11　Part picture of cabin after the test

如圖12所示，將試驗(yàn)與Case3模擬的家用救生艙艙內(nèi)空氣溫升曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

圖12　家用救生艙艙內(nèi)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.12　The test data of cabin temperature for Home Rescue Cabin

從圖12可知，試驗(yàn)曲線在3 600 s之前上升幅度較大，而模擬曲線則上升幅度較為平緩；另外在1 200 s之后，試驗(yàn)曲線溫度一直高于模擬曲線溫度，1.5 h后試驗(yàn)艙內(nèi)的溫度達(dá)到315 K，Case3模擬溫度為307 K，試驗(yàn)曲線與模擬結(jié)果的偏差在-0.016%～2.28%之間。造成計(jì)算誤差主要原因?yàn)椋孩僭囼?yàn)艙體的板材貼合不緊密，存在部分空氣夾層；②試驗(yàn)艙體門框存在一定漏熱；③艙體在焊接及裝配時(shí)存在一定量的熱橋。對(duì)于高出的溫度，艙內(nèi)配備應(yīng)急制冷設(shè)備。因此在家用救生艙制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要配備一定余量系數(shù)的化學(xué)冰袋確保抵消結(jié)構(gòu)負(fù)荷。綜上，本次計(jì)算中采用的模擬模型完全能夠滿足工程設(shè)計(jì)需求。

4　結(jié)論

1)針對(duì)防火型家用救生艙的隔熱結(jié)構(gòu)，本文提出了采用防火涂層、鈦合金、1050型納米微孔隔熱板、950型納米微孔隔熱板和內(nèi)飾木板的多重絕熱結(jié)構(gòu)形式。

2)防火型家用救生艙隔熱結(jié)構(gòu)采用多重絕熱結(jié)構(gòu)形式時(shí)，存在最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，使得滿足艙內(nèi)隔熱性能要求的同時(shí)，具有較高的艙內(nèi)有效容積。

3)家用救生艙的多重絕熱材料不僅存在最優(yōu)厚度，還存在絕熱材料的最優(yōu)配比，本文當(dāng)NIP-1050板厚度為20 mm、NIP-950板厚度為45 mm的情況下，救生艙艙體絕熱保溫效果最優(yōu)。

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