防火型家用救生舱舱体热环境与结构优化研究

周年勇， 陈梦梦，王　露，陈孚江

(常州大学 石油工程学院，江苏 常州 213016)

0　引言

根据世界各国高层火灾事故的调查，在火灾事故发生现场瞬间受到伤害死亡的人员只占事故伤亡人数的极少部分，有相当一部分人员都是因为在高层建筑中无法及时逃离高温、有毒有害气体现场，导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，也有相当一部分人员即使逃离至阳台、天台等地方，因得不到及时救援，被高温烘烤致死。因此，高层建筑火灾救援问题引起人们的广泛关注[3-4]，国内外部分企业及研究机构开始从事高层建筑防火救生舱的研究，其中火灾高温下舱体围护结构的绝热保温设计一直是救生舱研制过程中的关键技术。

目前国内对家用救生舱的研究处于初始阶段，相关文献较少。杨福芹[5]提出了家用救生舱的设计概念，主要对家用救生舱舱体的整体抗震性能进行研究，利用Pro/E与AWE协同优化技术对舱体进行了优化，提升了舱体强度和刚度；王吉利[6]对家用救生舱进行较为系统的理论研究与设计，重点研究了家用救生舱的整体及关键部件的结构设计与优化，并分析了舱体的隔热结构，提出加强外置有利于舱体的隔热设计。

矿用救生舱是一种用于矿井火灾、爆炸、塌方等事故后，为无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间，对外能抵御爆炸冲击、高温烟气、隔绝有毒有害气体，对内能为被困矿工提供氧气、食物和水、去除有毒有害气体，赢得较长的生存时间[7]。家用救生舱的围护结构设计可以从矿用救生舱中吸取经验，目前关于矿用救生舱的研究成果较为丰富。例如，常德功[8]提出一种矿用救生舱保温结构，内外层分别是3 mm和10 mm厚的Q345钢板，并在内外层钢结构内壁贴有1层气凝胶，中间填充80 mm厚的聚氨酯发泡材料，研究表明该保温结构具有明显的隔热优势；刘宝[9]利用Fluent软件对矿用救生舱隔热层厚度为20 mm和60 mm进行了隔热性能分析，提出了改变隔热性能救生舱思想，有效的提高了救生舱的隔热降温性能；李国星[10]通过Workbench对新、旧两种类型舱体进行了热防护性能分析，并模拟了106 h的高温试验，研究表明新型舱体结构具有更好的热防护性能；陶国银[11]通过救生舱舱体结构，构建舱体隔热层填充材料隔热性能测定系统，测定出复合硅酸盐毡厚度为100 mm时，可移动救生舱隔热性能试验结果可行。

以上关于家用救生舱结构的研究主要集中在舱体刚度和强度方面。防火型家用救生舱的工作条件为高层火灾现场——火灾发生初期，火势较小；大约5～10 min之后，火灾进入猛烈状态，此时温度会急剧上升，时间持续的长久需考虑高层内易燃物质的多少；火灾后期，温度会慢慢冷却，直至火被熄灭。因此，防火型家用救生舱的围护结构，不仅需要考虑舱体结构强度，还需要考虑舱体的防火隔热性能，其持续耐高温能力远远高于矿用救生舱的设计要求。本文拟对家用救生舱的防火隔热性能展开研究，建立家用救生舱的数值传热模型，提出适用于火灾工况的多重保温结构形式，并对此进行优化。

1　防火型家用救生舱舱体物理模型

在充分调研国内外研究成果的基础上，考虑救生舱在高层住宅内部的安放位置，要求救生舱简洁、轻便。根据RCYF系列救生舱基本参数指标，生存舱人均有效容积为0.8 m3，额定人数为3人，经计算研究，救生舱的外形尺寸2 220 mm×728 mm×1 916 mm (长×宽×高)，如图1所示。

图1　家用救生舱结构示意Fig.1　Schematic diagram of Home Rescue Cabin

根据不同的功能，家用救生舱划分为2个区域，分别是保险柜、生存舱。其主要功能如下所示：

1)保险柜：用于存放用户的贵重物品及有价证券。

2)生存舱：包含主舱门和生存舱，主舱门在避难人员进入救生舱后可阻挡有害气体进入救生舱；生存舱是避难人员的主要生存空间，包含制冷系统、供氧系统、一氧化碳和二氧化碳净化系统。其中，一氧化碳净化系统主要依据贵金属催化剂进行催化氧化；供氧系统、二氧化碳净化系统采用一定数量的压缩空气瓶，既能供氧又能洗涤舱内二氧化碳等有害气体；制冷系统是配备一定量的化学冰袋，用于人员负荷的去除。

在高温阶段的绝热性能是家用救生舱设计的关键技术之一。本文拟采用多重组合绝热手段进行救生舱的绝热设计，舱体围护结构由高温防火涂层、结构用钛合金钢板、NIP-1050型纳米微孔隔热板、NIP-950型纳米微孔隔热板、内饰木板组成，具体如图2所示。

1.高温防火涂层；2.钛合金钢板；3. NIP-1050纳米微孔隔热板；4. NIP-950纳米微孔隔热板；5.内饰木板。图2　家用救生舱舱体围护结构Fig.2　Cabin building envelope of Home Rescue Cabin

1.1　材料模型

家用救生舱采用多层绝热设计，其结构材料的特性参数如表1所示。

表1　结构材料特性参数

家用救生舱的绝热结构最高使用温度不低于1 000 ℃且具有阻燃、导热系数低、密度小、可塑性的特点。目前纳米微孔隔热材料是隔热性能最好的高温隔热材料，其隔热性能优于传统纤维类的隔热材料3～4倍。型号NIP-1050与NIP-950的纳米微孔隔热板能够较好地满足家用救生舱的设计需求，其中NIP-1050型的保温材料能够承受不低于1 000 ℃的高温，但是导热系数相对较大；NIP-950型的保温材料具有较小的导热系数，但是不能承受800 ℃以上的高温。2种绝热材料[12-13]导热系数随温度变化曲线如图3所示。

图3　NIP-1050与NIP-950纳米微孔隔热板导热系数随温度变化曲线Fig.3　Thermal conductivity of Nano microporous thermal insulation board varied with temperature

2　舱体热环境

火灾温度和持续时间是火灾的重要指标。为了便于科学研究和制定防火规范，世界各国都依据试验结果制定代表本国一般建筑火灾发展规律的标准温度——时间曲线。Pope[14]，Zehfuss[15]，Moss[16]等在国际标准规定的曲线上拟合出适合住宅建筑的实际温度曲线图，如图4所示。

图4　标准升温曲线与实验升温曲线Fig.4　Standard heating curve and the experimental temperature curve

崔守金[17]等人调查得到了民宅、医院、单身宿舍、会议室、办公室、教室、图书室、阅览室、仓库的火灾荷载密度变化范围，利用结果和国际标准(IS0834)[18]规定的标准火灾温度——时间曲线进行火灾持续时间与温度的估算，得出民宅建筑火灾持续时间在1 h左右。杨晓璐[19]等人在城市火灾救援工作提出最佳救援路线，在早高峰，火警车0.5 h左右也能到达火灾现场。综上所述，家用救生舱模拟实验采用1.5 h的设计是有余量且合理的。

火灾条件下，火焰不仅会造成周围的空气流动产生强烈的对流换热，还会由于火焰自身的高温，对周围物体造成强烈的辐射换热[20]，外部发射率一般选取0.9[21]，外部辐射温度参照ISO-834火灾标准升温曲线[15]，火灾下的综合对流换热系数具体如表2所示。

表2　火灾工况下综合对流换热系数表

考虑普通家庭火灾的持续时间，并结合城市消防救援能力，家用救生舱应能够承受最高温度1 000℃，且置于火灾中燃烧不少于1.5 h(标准火灾升温曲线0～90 min内)，期间舱内温度应不高于35℃[22-23]。另外，一般家用救生舱的额定救援人数为3人，人员总负荷与设备负荷相对较小，可以通过储备一定量的化学制冷冰袋进行去除，故本文在模拟计算中只考虑火灾负荷。

3　模拟结果分析

家用救生舱总体呈长方体结构。为了计算方便，本次计算将门板绝热部分等效成周围平板，不做特殊处理。门板做简化处理后，使得救生舱整体结构具有对称性，本次模拟计算取沿长度方向的1个二维截面进行计算。家用救生舱采用多重绝热的围护结构形式。为了获得多重绝热结构的最优厚度及材料之间的最优配比，本次模拟计算选取12种典型的计算工况展开分析，具体如表3所示。

3.1　最优围护结构厚度

Case1～4的保温材料NIP-1050板的厚度均为20 mm，NIP-950板厚度从25 mm逐渐增加至55 mm，其他材料厚度保持不变。通过观察舱内空气X，Y向的平均温度、内饰表面温度随时间的变化曲线分析家用救生舱的多重绝热性能。

表3　舱体模拟计算载荷工况

图7　家用救生舱在Case 3下不同时刻舱内空气温度变化云图Fig.7　The cabin air temperature changes at Case 3 different moments of the Home Rescue Cabin

图5　舱内空气沿X向平均温度随时间变化曲线(Case1～4)Fig.5 The air of cabin along the direction of X average temperature with time

图6　舱内空气沿Y向平均温度随时间变化曲线(Case1～4)Fig.6　The air of cabin along the direction of Y average temperature with time

如图5，6所示，舱内空气平均温度随时间的推移总体呈先平稳再逐渐增加的趋势；当NIP-1050板厚度保持不变时，随着NIP-950板厚度的增加，1.5 h后舱内空气平均温度逐渐降低，但是降幅逐渐减小。火灾1.5 h后，舱内空气沿X向平均温度分别为329.1，311.0，305.0，303.8K；舱内空气沿Y向平均温度分别为323.1，308.9，304.2，303.8K；其中Case 1与Case 2的舱内平均温度明显不满足舱内温度不高于308K的设计要求，Case 3与Case 4能够满足舱内温度的设计要求，但是Case 4比Case 3壁厚增加了10 mm，对于舱内空气X，Y向平均温度Case4比Case3分别降低了1.2K与0.4K。舱壁厚度的增加有利于舱体绝热性能的提升，但是到达临界值时，对于绝热性能的提升十分有限，考虑家用救生舱的有效容积及经济性，选择Case 3作为家用救生舱的最优围护结构厚度。

如图7所示，火灾0.5 h后，舱内空气受内壁初始温度的影响，略有上升；火灾1 h后，救生舱内壁温度缓慢上升至303.5 K，也意味着接下来的时间内，外部环境的火灾高温逐渐导入救生舱内；火灾1.5 h后，救生舱内壁温度上升至308 K，且在舱体边角处温度最高，最高温度可达309 K，但舱内空气整体平均温度低于305 K。模拟结果表明，Case 3总壁厚为80 mm的舱体结构符合1.5 h内家用救生舱舱内温度不高于35℃的设计要求。如果时间继续推移，由于结构热容已被完全克服，舱内平均温度将快速升高。

3.2　绝热材料的最优配比

在工况Case5～12中，保持两种绝热材料总厚度65 mm不变，NIP-1050型纳米微孔隔热板厚度从0 mm逐渐增加至65 mm，通过观察舱内空气X，Y向的平均温度、内饰表面温度随时间的变化曲线分析家用救生舱的多重绝热性能，如图8所示。

图8　1.5 h后舱内空气与内饰表面温度随时间变化Fig.8　Air and interior surface temperature change with time after 1.5 hours

从图8可知，在家用救生舱额定救援时间1.5 h后，随着NIP-1050板厚度的增加，舱内空气X，Y向的平均温度、内饰表面温度都呈先减小再逐渐增大的趋势，其中当NIP-1050板厚度在0，5，10 mm点时下降速率较快。对上述现象进行如下解释：结合图9可知，NIP-1050板厚度在0，5，10 mm时，NIP-950板外侧温度都已经超过使用温度800℃，造成材料性能迅速劣化，使得舱内温度较高，随着NIP-1050板慢慢替代了失效部分的NIP-950板，舱内温度迅速下降，当NIP-950板进入使用温度时，降幅又缓慢下降直至最低点；继续增加NIP-1050板厚度，舱内温度又缓慢上升，这是因为NIP-1050板虽然具有较好的耐高温能力，但是相比NIP-950板的保温性能较差。综上所述，家用救生舱的多重绝热材料不仅存在最优厚度，还存在绝热材料的最优配比，本文当NIP-1050板厚度为20 mm，NIP-950板厚度为45 mm的情况下，救生舱舱体绝热保温效果最优。

图9　1.5 h后NIP-950板最高温度曲线(Case5～12)Fig.9　Maximum temperature curve of NIP-950 after 1.5 hours(Case5～12)

3.3　试验结果对比

为了验证模型的准确性，按照Case3的计算模型设计了家用救生舱的实物，并置于加热炉内进行模拟火灾试验，如图10～11所示，期间加热炉内的温度控制按照ISO-834标准火灾升温曲线0～90 min进行模拟。

图10　家用救生舱实验模拟Fig.10　Experiment simulation of Home Rescue Cabin

图11　试验后舱内部分Fig.11　Part picture of cabin after the test

如图12所示，将试验与Case3模拟的家用救生舱舱内空气温升曲线进行对比分析。

图12　家用救生舱舱内温度试验数据Fig.12　The test data of cabin temperature for Home Rescue Cabin

从图12可知，试验曲线在3 600 s之前上升幅度较大，而模拟曲线则上升幅度较为平缓；另外在1 200 s之后，试验曲线温度一直高于模拟曲线温度，1.5 h后试验舱内的温度达到315 K，Case3模拟温度为307 K，试验曲线与模拟结果的偏差在-0.016%～2.28%之间。造成计算误差主要原因为：①试验舱体的板材贴合不紧密，存在部分空气夹层；②试验舱体门框存在一定漏热；③舱体在焊接及装配时存在一定量的热桥。对于高出的温度，舱内配备应急制冷设备。因此在家用救生舱制冷系统的设计时，需要配备一定余量系数的化学冰袋确保抵消结构负荷。综上，本次计算中采用的模拟模型完全能够满足工程设计需求。

4　结论

1)针对防火型家用救生舱的隔热结构，本文提出了采用防火涂层、钛合金、1050型纳米微孔隔热板、950型纳米微孔隔热板和内饰木板的多重绝热结构形式。

2)防火型家用救生舱隔热结构采用多重绝热结构形式时，存在最优围护结构厚度，使得满足舱内隔热性能要求的同时，具有较高的舱内有效容积。

3)家用救生舱的多重绝热材料不仅存在最优厚度，还存在绝热材料的最优配比，本文当NIP-1050板厚度为20 mm、NIP-950板厚度为45 mm的情况下，救生舱舱体绝热保温效果最优。

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