腾龙公寓火灾模拟研究

何明礼，刘 娟，赵 浩

(湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

近年来，高校学生公寓火灾事故时有发生，如2008年5月5日，中央民族大学28号宿舍楼6楼601女生寝室发生火灾;2008年11月14日早晨，上海商学院徐汇校区某一学生公寓发生火灾［1］。高校学生公寓一旦发生火灾，将会造成十分严重的社会影响，因此，有必要对高校学生公寓进行火灾风险研究。火灾研究的重点是建立火灾模型，早期的研究主要是建立实物模型，通过物模实验研究火灾燃烧过程中温度、烟气等各种参数的变化规律。随着计算机技术的兴起与发展，火灾计算机模拟技术应运而生［2］。火灾计算机模拟技术与传统的实验研究相比，前者更加简洁方便，而且花费更小。因此计算机火灾模拟技术得到了快速发展和广泛应用［3－6］。火灾模拟技术经过20多年的发展，目前，已经开发出较为完善的火灾模型有近70种，可分别适用于计算火灾发生时随时间变化的环境温度、火灾中的烟气运动情况、人员疏散情况以及建筑和装饰材料的耐火性、感烟感温探测器和洒水喷头的响应时间等［7－9］。本文将利用场模拟软件中的FDS软件对腾龙公寓某宿舍进行火灾模拟研究，以期为消防系统改造设计提供参考依据。

1 腾龙公寓概况

1.1 腾龙公寓简介

腾龙公寓位于湖北省黄石市，规划建设A、B、C 3栋楼，又将其细分为8栋，每栋7层，A、C 2栋每层64间宿舍，B栋每层136间，总共规划容纳学生6 500人。每栋楼长60 m、宽16.5 m;每间宿舍长7.2 m，宽4.0 m，可入住4人，放有4个书桌、2个衣柜，床铺位于书桌与衣柜的上方，并设有洗漱间和独立卫生间，设施齐全，生活方便。

1.2 腾龙公寓消防设施情况

腾龙公寓每栋楼左右各有一个1.8 m宽的人行楼道，在每层楼道转角处配有2具干粉灭火器、1个室内消防栓，每层楼配有2～3盏应急灯。宿舍群中间有一条双向主干道，每栋宿舍楼旁设有1～2个室外消防栓。

2 模拟对象选取与模型建立

2.1 模拟对象选取

腾龙公寓A、B、C 3栋楼中，B栋人口最为密集，而且它的防火设计很多未达到消防技术规范标准要求。故选择B栋楼为模拟对象，而其中4，5栋发生火灾最容易传播到其他楼栋，因此选择B栋中4栋4层楼的415宿舍建立模型。

2.2 模型建立

2.2.1 模型设计

根据该宿舍的实际情况，对宿舍和走廊进行1∶1建模。宿舍空间大小为7.2 m×4.0 m ×3.0 m，走廊空间大小为60 m×2.1 m×3.0 m。宿舍内卫生间空间大小为2.0 m×1.5 m× 3.0 m。洗漱池长1.6 m、宽0.6 m、高1.0 m。宿舍门宽1 m、高2 m、厚0.1 m，窗户宽1.6 m、高2.1 m、厚0.1 m。宿舍内有4张带书架的书桌，2个大衣柜，4张床。书桌由长1.5 m、宽0.3 m、高0.8 m的书架和长1.5 m、宽0.5 m、高0.8 m的写字台组合而成，书桌上摆放有一排0.2 m长的书籍。2个书桌中间为长1.2 m、宽0.8 m、高1.6 m的衣柜。书桌和衣柜的上方为床铺，床铺所在高度为1.9 m，床长2 m、宽1 m，床上铺有厚0.03 m的棉絮，并有一床叠好后长0.8 m、宽0.6 m、高0.3 m的棉被摆在床头。床铺、书桌和衣柜分别对称紧靠着两侧的墙边。

2.2.2 网格划分

根据FDS软件要求，划分网格时，单元数量最好为2，3，5的倍数，因此，模拟对象宿舍取长×宽×高3个方向的单元数量为50×30 ×20，网格为30 000个，模拟对象外的走廊取长×宽×高3个方向的单元数量为90×15× 20，网格为27 000个。

2.2.3 模拟场景设置

模拟对象宿舍长期使用大功率电器，由于线路老化短路发生火灾，将火源设置为点火源，长 0.4 m，宽 0.3 m，热释放功率设为1 500 kW/m2。发生火灾时宿舍内无人，180 s时宿舍管理员发现该宿舍发生火灾，打开该宿舍门后试图扑灭火灾。以宿舍的宽度方向为x轴，长度方向为y轴，高度方向为z轴，以宿舍的左下角为原点，建立坐标系。在A(1.8，6.5，1.5)处设置感烟、感温和热流量探测器，在走廊上设置感烟探测器，坐标分别为B(－35，7.2，1.5)，C(25，7.2，1.5)。模拟时间设为600 s。建立完成的模型如图1～2所示。

图1 楼层模型3D图

图2 楼层2D平面图

3 模拟结果与讨论

3.1 安装排烟和喷淋系统前的模拟分析

A点处的热流量、温度、浓度变化情况分别如图3～5所示。从图3～5中可以看出，火灾发展过程分为2个阶段，200 s之前热流量很低，温度缓慢上升，而烟气浓度快速上升，此时为阴燃阶段;200 s以后，热流量持续快速上升，温度快速上升，此时为明火燃烧阶段，在400 s时，探测点A温度达到500℃。180 s左右A点处烟气浓度达到最高烟气浓度的80%，室内温度也上升到90℃，此时将严重影响人的活动，之后温度快速上升到几百摄氏度，烟气浓度也继续上升，人员无法疏散，对学生生命造成危险。

根据前面的场景设置，该寝室无人而线路短路发生火灾，180 s时宿舍管理员发现该宿舍发生火灾，打开该宿舍门试图扑灭火灾，由于火势过大无法扑灭大火，此时大量烟气将进入楼道，烟气情况分别如图6～7所示。从图6～7中可以看出，当180 s时宿舍门开启后，楼道内烟气浓度将迅速上升，在400 s左右时走廊两侧上下楼梯处的烟气浓度上升到了最高烟气浓度的60%，过高的烟气浓度将严重影响人员疏散，甚至会对人员造成生命危险。

图3 A点烟气热流量情况

图4 A点温度变化情况

图5 A点烟气浓度变化情况

图6 B点烟气情况

图7 C点烟气情况

3.2 安装排烟和喷淋系统后的模拟分析

如果宿舍楼内安装了排烟系统和喷淋系统，那么发生火灾后又会是怎样的情况呢?在以上建模基础上在楼道两端设置2个排风扇，排风扇风速取3 m/s，然后重新进行模拟。此时的烟气情况分别如图8～9所示，可以看到安装了排烟系统后，在400 s左右时走廊两侧上下楼梯处的烟气浓度约为最高烟气浓度的45%，与之前未装排风扇的情况相比，烟气浓度下降了约15%，这在一定程度上提高了走道内通行的安全性，为人员疏散和逃生赢得时间。

若再在宿舍内安设喷淋系统［10］，喷淋设备选择常规型号，喷头动作温度为74℃，喷淋流量为6.0 L/min，喷头位于室内顶部前后，坐标分别为(2.0，3.0，3.0)和(2.0，6.0，3.0)，然后重新运行模型，得到安装喷淋系统后A点处的热流量、温度、浓度变化情况分别如图10～12所示。从图10～12中可以看出，180 s时A点热流量约为12 kW，烟气浓度约为最高烟气浓度的30%，与未装喷淋系统相比，A点热流量下降超过90%，烟气浓度降低约50%，400 s时A点温度约为55℃，与未装喷淋系统相比，温度降低接近90%。火灾前期是扑灭火灾的最佳时期，安装喷淋系统可以有效控制火灾的发展、遏制发生大火灾、保障学生生命和财产安全。

图8 安装排风扇后B点烟气情况

图9 安装排风扇后C点烟气情况

图10 安装喷淋系统后A点烟气热流量变化情况

图11 安装喷淋系统后A点温度变化情况

图12 安装喷淋系统后A点烟气浓度变化情况

4 结论与措施建议

4.1 结论

1)宿舍发生火灾后，前200 s内火灾处于阴燃阶段，热量释放、温度上升均较慢，烟气积聚，烟气浓度逐步升高;在180 s时宿舍门打开后，走廊内烟气浓度迅速攀升，200 s内楼梯附近的烟气浓度可达到最高烟气浓度的60%，严重影响人员的安全疏散。

2)如果在走廊两端安装排烟风扇，可使走廊烟气浓度降低约15%，如果在宿舍内安装了自动喷淋系统，在180 s时可使室内监控点热流量下降超过90%，烟气浓度降低约50%，400 s时监控点温度降低接近90%，可有效控制火灾的发展，保障学生生命和财产安全。

4.2 措施建议

1)硬件方面:腾龙公寓的灭火器数量配备不足，单个灭火器放置点应增加2具干粉灭火器。火灾发生时温度和烟气情况会变得比较突出，应加强通风，及时排出烟气，防止烟气快速聚集，危害学生的财产和生命安全。如有条件最好能建立喷淋系统，这样可以更好、更及时地遏制火灾发生。

2)管理方面:完善各种安全设施，制定完善的宿舍管理规章制度，加强学生管理，定期检查寝室，检修电路情况，限制学生用火用电，杜绝乱用明火，做好宿舍公共卫生，保持安全通道畅通。定期检查防火安全设施。加强安全意识，加强学生的逃生、安全自救能力。

［1］ 张启滔.校园电气火灾成因及预防措施分析［J］.江苏安全生产，2010:27－28.

［2］ 李关林.浅析我国火灾形势与消防技术的发展［J］.广东科技，2013(2):147－148.

［3］ 朋延，贺兆华.浅谈火灾模拟技术的应用与发展［J］.消防科学与技术，2005，24:6－7.

［4］ 耿鹏.室内火灾数值模拟［D］.太原:中北大学，2008.

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［6］ 常虹.某高校宿舍楼火灾再现模拟研究［D］.西安:西安科技大学，2008.

［7］ 李铃.基于FDS的室内火灾动力学研究［J］.科学信息，2011(36):67－75.

［8］ 谭斌.基于软件FDS的建筑火灾模拟研究［D］.衡阳:南华大学，2010.

［9］ 徐幼平，周彪，张腾.FDS在工业火灾中的应用［J］.工业安全与环保，2008，34(5):60－61.

［10］ 何明礼，李宁，刘娟.某高校学生宿舍楼消防系统改造设计［J］.湖北理工学院学报，2013，29 (4):32－35.