孫 磊，孫楠楠，徐 暉，邵高聳，張 偉

(武警學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟和城市化進程的飛速發(fā)展，建筑類型不斷增多，建筑形式日益復雜，火災危害性增加，建筑火災安全仍然是消防工作中的重中之重。初期火災一旦無法控制，很短的時間內(nèi)室內(nèi)便聚集大量煙熱，導致室內(nèi)能見度下降以及有毒煙氣濃度升高，特別是固定設施失效無法正常通風時，將嚴重影響著被困人員以及救援人員的生命安全。國內(nèi)外很多學者相繼對火場通風及不同工況下的火場特性進行了研究，Lin等[1]通過數(shù)值模擬，證實了火災中正壓通風對人員疏散的有效性。顏艷等[2]對大空間自然排煙的有效性進行了研究。Li等[3]通過FDS數(shù)值模擬，對走廊煙氣層溫度和能見度進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨排煙口位置的降低，能見度逐漸降低，溫度逐漸升高。Yu等[4]對高層建筑煙氣控制的策略進行了研究，利用FDS模擬分析了空調(diào)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)不同操作下的煙氣控制效果。朱國慶等[5-9]對自然排煙過程中的特殊現(xiàn)象及影響因素進行了研究。但是，通過開展試驗研究自然通風對火場特性的影響較少，為此本文在充分的文獻分析以及基層中隊調(diào)研的基礎上，從滅火救援角度出發(fā)設定工況，通過改變不同的自然通風條件開展小室的火災試驗研究，分析不同自然通風條件下火災現(xiàn)象、溫度、CO濃度的變化，為滅火救援及人員疏散方案制定提供一定的理論指導。

1 全尺寸試驗平臺及試驗設計

1.1 試驗平臺設計

試驗平臺示意圖如圖1所示，尺寸為3.6 m×2.8 m×2.8 m，從正面按照逆時針方向編號，分別為正面1號，右側(cè)面2號，對面3號，左側(cè)面4號，上面5號，下面6號。小室2號面設置一扇門，尺寸為2 m×0.8 m，位于墻壁居中。在小室4號面設置窗戶，尺寸為0.8 m×1 m，開口面積可調(diào)。機械排煙口設置于房頂3號面與4號面夾角處，直徑為40 cm。主體框架為中空的方形鋼材，地面、頂棚以及各墻面全部采用鐵板覆蓋在框架之上，內(nèi)部涂有防火漆進行防火處理。噴頭設置在支管中央即房間水平方向的中央，使用的是口徑為DN15的ZSTP-15標準型普通噴頭，噴口直徑為12.7 mm，流量系數(shù)K為80。

圖1 試驗平臺設計圖

1.2 試驗設備及數(shù)據(jù)處理方法

火場溫度通過布置熱電偶樹來進行測量，共布置3排熱電偶樹，每個熱電偶樹布置9個熱電偶，每個熱電偶距地面分別為0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7 m，編號依次為CH01、CH02、CH03、CH04、CH05、CH06、CH07、CH08、CH09。1號熱電偶樹位于靠近窗側(cè)中央30 cm處；2號熱電偶樹位于房間中央木垛位置；3號熱電偶樹位于靠近門側(cè)中央30 cm處，熱電偶分布如圖2所示。熱電偶選用K型鎧裝熱電偶，探針長度為30 cm，測溫范圍為0～1 100 ℃，數(shù)據(jù)采集儀為德維斯R50B采集記錄儀，精度為1 ℃。CO測量采用MRU公司生產(chǎn)的增強型電化學煙氣分析儀VARIO PLUS，該煙氣分析儀能夠測量O2、CO、NO、NO2、SO2和H2S煙氣成分，還可以測量環(huán)境溫度、煙氣溫度。煙氣探頭設置于左側(cè)墻壁距離地面1.6 m處進行煙氣采集。

圖2 熱電偶樹布置圖

試驗過程中通過熱電偶樹對不同區(qū)域的溫度進行實時采集，并通過數(shù)據(jù)采集儀配套軟件“Data Management Software”導出。CO數(shù)據(jù)通過煙氣分析儀實時監(jiān)測，并通過配套軟件導出。數(shù)據(jù)處理主要利用Origin軟件進行繪圖，從而分析溫度、CO濃度隨時間變化的趨勢以及不同工況下的溫度、CO濃度變化情況。

1.3 試驗工況設計

選取木材為燃料，木垛擺放在尺寸為500 mm×500 mm×300 mm的角鋼架上，木垛尺寸為500 mm×500 mm×320 mm，木垛由8層木條構(gòu)成，每層木條6根(均勻排列)，木條尺寸為40 mm×40 mm×500 mm。用直徑為30 cm的圓形油盤引燃，油類為汽油，油量為200 mL。為分析自然通風對火場環(huán)境的影響共開展兩組試驗，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況表

2 試驗分析與討論

結(jié)合試驗錄像并對溫度數(shù)據(jù)以及CO濃度數(shù)據(jù)進行處理，分析小室火災在無自然通風與自然通風情況下火場環(huán)境的改變。

2.1 試驗現(xiàn)象對比分析

試驗1中，油盤點燃后，油品燃燒產(chǎn)生大量的煙氣迅速上升，到達頂棚位置后開始水平移動并逐漸形成煙氣層，且隨著燃燒的繼續(xù)煙氣層的厚度不斷增加。木垛被油火點燃，并隨著時間的延長火勢逐漸增大。由于汽油燃燒產(chǎn)生的煙氣較多，小室的煙氣溢出較少，因此在很短的時間內(nèi)煙氣便充滿小室，如圖3(a)所示。隨著木垛燃燒的持續(xù)以及汽油燃燒的終止，煙氣的顏色由黑色逐漸減淡。在整個燃燒的過程中，木垛的火焰較小，最大火焰高度約0.8 m，原因為隨著燃燒的持續(xù)，O2的濃度逐漸降低，木垛并沒有達到猛烈燃燒狀態(tài)，最大火焰如圖3(b)所示。這種關(guān)門關(guān)窗沒有通風的工況下，木垛的燃燒時間長，燃燒不猛烈，煙氣隨著燃燒呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在木垛燃燒接近熄滅時開啟噴淋滅火，此時由于不完全燃燒，瞬間產(chǎn)生大量煙氣，導致室內(nèi)的能見度下降。木垛最終形態(tài)完整，未出現(xiàn)坍塌。

試驗2中，油盤點燃，木垛燃燒后，隨著煙氣層的積累，煙氣層仍然持續(xù)增厚，但是與試驗1的區(qū)別是煙氣層下界面到達窗口上沿時，煙氣開始從小室內(nèi)向外溢出，到達門口上沿時，同時從門口向外溢出，從而使得室內(nèi)煙氣層厚度保持穩(wěn)定，到達的最大煙氣層厚度約為1.3 m，并隨著產(chǎn)煙量的減少，煙氣層的厚度又逐漸減小，最大煙氣層如圖3(c)所示。相比試驗1，木垛的燃燒更快更劇烈，最大火焰高度約1.2 m，這是因為在自然通風的作用下，燃燒能夠有充足的O2供給。達到最大高度時的火焰如圖3(d)所示。木垛燃燒充分，最終坍塌。

通過試驗現(xiàn)象可以得出，自然通風會在一定程度上促進燃燒，但是同樣能夠很好的排煙，提高室內(nèi)的能見度。而密閉空間可以明顯的抑制燃燒，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)窒息滅火。

(a)

(b)

(c)

(d)

2.2 溫度變化分析

試驗總共布置了3個熱電偶樹，此處主要對靠近窗口的熱電偶樹的溫度變化進行分析，對比分析通風對火場溫度變化的影響，試驗1與試驗2的溫度變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 試驗1溫度變化曲線

圖5 試驗2溫度變化曲線

分析試驗1的溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，自油盤點燃開始室內(nèi)溫度持續(xù)升高，在試驗開始1 400 s時最高溫度達到275 ℃，之后溫度不再升高，保持至1 800 s左右由噴淋滅火而熄滅，溫度迅速降低。通過分析不同高度的熱電偶的溫度可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)不同高度的溫度分層比較明顯，由下至上溫度均勻升高。試驗2中在試驗開始900 s時室內(nèi)最高溫度達到203 ℃，之后溫度開始逐漸下降，直到逐漸熄滅。通過觀察1.8 m以下區(qū)域的熱電偶和1.8 m以上的熱電偶溫度可以發(fā)現(xiàn)，由于窗口與門口煙氣的溢出，室內(nèi)下部空間溫度遠低于頂棚附近的溫度。對比試驗1與試驗2的溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，試驗1中木垛燃燒的過程更加緩慢，但是室內(nèi)整體溫度更高，特別是1.8 m以下空間區(qū)別明顯。試驗2由于供氧充足，燃燒比較快，但是由于自然通風的作用，在整個燃燒的過程中，高溫煙氣能夠及時的排出室內(nèi)，因此雖然燃燒猛烈，但是室內(nèi)溫度明顯低于試驗1。

綜上分析，自然通風對室內(nèi)溫度改變的影響明顯，特別是對窗口上沿以下區(qū)域的溫度改變更加明顯，這有利于減少消防員滅火作戰(zhàn)以及被困人員的高溫傷害；同時，自然通風加速了火勢發(fā)展，在實際滅火戰(zhàn)斗中在通風的同時要考慮控火強度以及滅火力量的部署。

2.3 CO濃度變化分析

CO是火災中主要有毒氣體之一，嚴重威脅著火災中人員的生命安全。通過開展火災試驗，分析不同通風工況下CO濃度的變化趨勢，能夠從數(shù)值上明顯對比出不同通風工況的CO濃度變化，得到通風對CO濃度的影響規(guī)律，對火災初期人員的逃生與疏散具有重要意義。兩組試驗所采集的CO濃度變化曲線如圖6所示。

圖6 CO濃度隨時間變化曲線圖

由圖6可知，整個試驗過程中出現(xiàn)兩個峰值，第一個峰值是在燃燒開始之后，由于產(chǎn)煙量的逐漸增加，室內(nèi)煙氣積累，煙氣的溢出遠小于產(chǎn)煙量，因此CO濃度逐漸增大。之后隨著木垛的燃燒，油品燃燒終止，CO濃度逐漸減小。之后隨著燃燒的持續(xù)，CO的濃度保持在比較穩(wěn)定的水平。之后在試驗結(jié)束木垛燃燒終止或人為滅火時達到另一個峰值，是因為在燃燒結(jié)束，滅火時造成木垛不完全燃燒，產(chǎn)生大量CO。此峰值之后，CO濃度逐漸減小接近0。試驗1中，關(guān)門關(guān)窗工況下，整個試驗過程中煙氣的溢出較少，燃燒產(chǎn)生的CO逐漸在室內(nèi)積累，在試驗開始237 s時，CO濃度即達到了1 000 ppm，之后繼續(xù)增大，在428 s時達到最大濃度為1 990 ppm。試驗2中，由于自然通風，燃燒進行的同時，煙氣便從窗口與門口溢出，相比試驗1，煙氣溢出量更大，在試驗開始216 s時，CO達到最大濃度為408 ppm，遠小于試驗1的CO濃度，而且由于通風作用下燃燒速度快，在更早的時間達到峰值，之后逐漸減小。在木垛坍塌時滅火，導致出現(xiàn)的第二個峰值也遠小于無通風工況下的CO濃度。

綜上分析，自然通風在加速燃燒的同時，能夠更快的排出有毒有害氣體，而且相比密閉無通風的工況，CO濃度更小。根據(jù)相關(guān)研究，當CO濃度達到1 000 ppm時，連續(xù)吸入2～3 min就會惡心嘔吐，并失去意識，因此通過試驗結(jié)果表明，自然通風對于初期無消防措施控制的火災中有毒氣體濃度變化影響大，早期的通風排煙能夠保證被困人員的安全疏散，減少有毒氣體對人身安全的威脅。

3 對滅火救援的影響及對策分析

小室火災的特性變化與實際大空間火災的變化存在一定的區(qū)別。建筑結(jié)構(gòu)的復雜性，空間布局的多樣性都會影響自然通風的作用。實際火災中，可能會因為結(jié)構(gòu)原因，固定設施的設置等原因，導致不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的火災特性，影響空間的溫度分布及CO濃度分布。但是小室火災的試驗研究可以作為實際火災的局部和基礎，能夠在一定程度上反映自然通風對火場環(huán)境帶來的改變，指導分析其對滅火救援的影響，給滅火救援及人員疏散方案的制定提供一定的指導。

在火災中，低能見度易造成被困人員的心理恐慌以及滅火作戰(zhàn)行動受阻，高溫有毒煙氣易造成呼吸系統(tǒng)損傷，給人員疏散和滅火作戰(zhàn)行動造成很大威脅。在滅火救援過程中，更低的溫度、更高的能見度、更低的CO濃度對人員疏散和滅火救援工作更加有利。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，自然通風條件下的火場燃燒更加猛烈，煙氣對能見度的影響更小，CO濃度更低。因此，實施自然通風的火場，一方面能夠減少高溫給人體帶來的熱輻射，減小有毒煙氣對人員生命安全的威脅，提高火場能見度，減少被困人員的心理恐慌，有利于人員疏散，提高消防員滅火作戰(zhàn)的效率。另一方面，自然通風造成火勢擴大的風險給滅火救援提出了更大挑戰(zhàn)。這就要求滅火救援過程中，指揮人員及滅火作戰(zhàn)人員要及時掌握火場的主要方面，統(tǒng)籌兼顧，在實施自然通風進行排煙時做好滅火的力量部署，在最大程度提高能見度，降低火場溫度的同時控制火勢擴大蔓延，高效率的完成滅火救援任務。

4 結(jié)論

從人員疏散與滅火救援角度出發(fā)，開展全尺寸試驗，對比了有無自然通風對火場環(huán)境的影響，通過數(shù)據(jù)處理與分析，結(jié)合滅火作戰(zhàn)與人員疏散的實際得到以下結(jié)論：(1)自然通風對火場能見度的影響較大，與無通風情況相比較，自然通風能夠在燃燒同時排出煙氣，提高室內(nèi)能見度，有利于火災初期的人員逃生以及滅火作戰(zhàn)。(2)自然通風雖然會加快燃燒速度，導致火勢蔓延擴大，但是火災初期的自然通風能夠迅速排出室內(nèi)熱量，特別是對室內(nèi)下部空間降溫作用明顯，能夠減小高溫對被困人員以及救援人員生命的威脅。(3)自然通風能夠在燃燒產(chǎn)煙同時排出大量有毒氣體，降低室內(nèi)CO濃度，減小有毒煙氣對被困人員的傷害，減小傷亡。