高大空间早期火灾探测试验环境建设研究

田晓艳

(咸阳市公安消防支队，陕西 咸阳 712000)

0 引言

室内净空高度超过12 m的建筑场所属于高大空间建筑[1]。此类建筑具有可燃物种类多、内部装修材料多、火灾探测难度大、易迅速蔓延形成大规模火灾等特点。《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116—2013)[2]对高度大于12 m的空间场所设置探测器作了一定规定，但其工程应用仍面临一些问题，如：火灾探测干扰源的影响及火灾探测灵敏度与可靠性的矛盾问题；线型光束感烟探测器和吸气式感烟探测器无相对全面的国家设计、施工及验收规范；如何设计布置多种类型火灾探测器以达到最佳性能的设计问题等[3]。笔者认为，尝试建设高大空间早期火灾探测试验环境，开展实体火灾试验研究确定适合高大空间火灾探测试验的火源种类、规模及标准化测量设备布置方案，进而形成评判高大空间建筑相关探测器响应的技术条件，具有现实意义。

1 拟建设高大空间早期火灾探测试验环境

1.1 建设思路

国家标准《点型感烟火灾探测器》(GB 4715—2005)[4]规定了点型感烟火灾探测器灵敏度试验(即检验探测器在模拟真实火灾条件下的响应性能)的方法和要求，其中附录F～J严格设置了标准试验环境。参考标准试验环境，建设高大空间早期火灾探测试验环境的思路是：首先，选取实验室、试验火源、标准测量设备和被测工程产品；接着，结合实验室建筑结构和高大空间早期火灾烟气特性，设计火源种类及规模，确定标准测量设备和被测工程产品的布置；然后，开展实体火灾试验，研究可评价高大空间早期火灾探测试验的火源种类、规模及标准化测量设备布置方案；最后，采用火灾动态模型软件FDS对拟建设环境开展数值模拟，对比实体试验，分析获取拟建设试验环境数值模拟的定性参数。

1.2 试验环境设置

参考GB 4715—2005，试验环境设置如下：(1)选取木材阴燃火、棉绳阴燃火、聚氨酯塑料火及正庚烷火4种国家标准火作为试验火源；规模采用标准火用量及其整数倍；位置选取中心、侧壁、墙角三个典型位置。(2)布置3个光学烟密度计(分设在10,12,26 m高度，测量值为减光系数m,单位dB·m-1)、1个离子烟浓度计(设在26 m高度,测量值为y)、1个热电偶树(距圆心7 m，由地面5～26 m，每1 m安装一个热电偶，测量值为烟气温度，单位℃)在高大空间内以地面中心为圆心、半径为7 m、圆心角为60°的圆弧上。(3)选取线型红外光束感烟探测器和主动吸气式感烟探测器为被测工程产品。(4)试验过程中门、窗关闭。综上所述，拟建设高大空间早期火灾探测试验环境如图1所示。

图1 拟建设高大空间早期火灾探测试验环境

2 高大空间早期火灾探测试验环境实体火灾试验

根据试验设计方案开展高大空间早期火灾探测试验环境实体火灾试验33次。基于篇幅所限，下文主要就中心位置的棉绳阴燃火(慢速火)和正庚烷明火(快速火)试验结果开展分析，对试验探测器响应特性及其评价参数暂不作探讨。

2.1 烟参量试验分析

图2中，不同倍数(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的曲线)规模棉绳阴燃火在26 m高度处m～y曲线，试验结果显示：1倍曲线非常杂乱，m和y值在三个轴线周围杂乱分布；2倍有两条轴线；3倍存在一条垂直于x轴的轴线；唯4倍沿某轴线两侧均匀分布，并呈一定斜率稳定增长，与标准试验室棉绳阴燃火m～y曲线有一致性。由此得，在该试验环境开展早期火灾探测试验时，选择棉绳阴燃火作为标准火，至少4倍及4倍以上规模能产生与标准试验室中标准量棉绳阴燃火同等烟气浓度效果，进而形成评判探测器响应性能的有效条件。

图3中，26 m高度处不同倍数规模正庚烷火m～y曲线拟合线与标准试验室正庚烷m～y曲线相较：两者有非常一致的趋势，均沿着某条轴线稳定均匀增长，说明无论何种倍数规模的正庚烷火烟气都能上升到光学烟密度计和离子烟浓度计所布置的26 m高度，形成稳定烟气层，达到与标准试验室中标准量正庚烷火同等烟气浓度效果，使得贴顶安装的探测器能取得理想探测效果。

(a)2倍

(b)4倍

图3 正庚烷火26 m高度m～y线性拟合线

结合图2、图3也得，基于点型感烟探测器标准试验环境建设的高大空间早期火灾探测试验环境方案是可行的，无论阴燃火还是有烟明火类火源都能产生稳定试验烟，测量烟雾密度的光学烟密度计和离子烟浓度计布设也是合理的，形成了高大空间早期火灾探测试验的有效支撑环境。

图4中，10 m、12 m高度处不同倍数规模棉绳阴燃火的m～t曲线趋势与标准试验室棉绳阴燃火m～t曲线有较高一致性，说明可能出现一种情况：10～12 m高度范围内，棉绳阴燃火会出现稳定烟气层，尝试找到一种适用于高大空间早期火灾探测，并在该高度范围内稳定聚集烟气的棉绳火源规模具有意义。笔者认为，在该试验环境10～12 m高度范围内增加安装离子烟浓度计，进一步开展实体火灾试验考察m～y曲线确定棉绳阴燃火规模，可获得评判安装高度在12 m附近探测器响应的技术条件。

(a)10 m高度

(b)12 m高度

图5中，26 m高度处各种规模正庚烷火烟气的m～t线性拟合线近似平行，与标准试验室正庚烷m～t曲线高度一致，说明该高大空间环境内，2倍及2倍以上规模正庚烷火燃烧可在顶棚下方稳定聚集烟气层，产生与标准试验室中标准规模正庚烷火同等烟气效果，进而形成顶棚下方探测器响应特性的检验条件。

图5 正庚烷火26 m高度m～t线性拟合线

2.2 温度参量试验分析

图6中，试验规模(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的数据)棉绳阴燃火不同高度处热电偶测量值随时间变化很小，最大变化幅度为1 ℃，说明该环境内热电偶布设位置离火源位置太远，不能有效衡量中心位置棉绳阴燃火温度场情况。图中烟气温度普遍集中在15 m高度处发生急剧变化，可能是该高度附近安装的数据采集设备硬件散热所致，获取已建设环境烟气温度参量时应寻找方法规避此问题。

(a)2倍

(b)4倍

图7中(限于篇幅，本文略去1倍和3倍的数据)，正庚烷火烟气从棚顶到地面的温度差相比棉绳阴燃火随火源规模有较大变化，温度急剧变化位置也是集中在15 m高度处。还可看出，2倍规模以上正庚烷火烟气均迅速上升到大空间顶部并横向蔓延，在顶棚下方形成烟气层，得到与图5相同结论。

(a)2倍

(b)4倍

3 拟建设试验环境数值模拟与实体试验对比分析

应用火灾模拟软件FDS对拟建设高大空间早期火灾探测环境开展数值模拟[5]，对比实体火灾试验，分析研究慢速火(木材阴燃火)和快速火(正庚烷火)的烟气运动规律。

3.1 烟参量对比分析

由图8，从趋势上看，高大空间内10 m、12 m、26 m高度处，不同倍数(限于篇幅，本文略去1倍、2倍和4倍的曲线)规模正庚烷火烟雾浓度的模拟结果与试验结果有较高一致性，且随火源倍数规模增加，结果差异性不断减小。由此得，FDS模拟能较好反映高大空间环境内正庚烷实际火灾发生时烟气浓度变化规律，两者有较高一致性。

(a)模拟结果

(b)试验结果

图9中，1倍木材阴燃火烟气浓度变化趋势的试验结果与模拟结果有很大差异：试验得10 m、12 m高度处烟气浓度在600 s之后迅速上升，并随时间不断变化，仅有少量烟漂移到26 m处，这是因为初始需要花费600 s用加热盘加热木材使其阴燃；模拟得烟气浓度在几十秒内迅速升至26 m。显然FDS不能真实反映高大空间环境内木材阴燃火实际火灾发生时烟气浓度变化规律。

(a)模拟结果

(b)试验结果

3.2 温度参量对比分析

图10与图7对比：模拟得不同高度处温度均自20 ℃随时间呈不同程度升高，火源规模越大，随时间开始产生剧烈变化的高度越低，总体温度分布比较规则，而试验测得温度分布却存在一定波动。分析原因之一是FDS模拟设初始环境温度为20 ℃，而实体试验过程中存在漏风、天气、环境温度变化等问题造成试验温度值较低且存在波动；也可能因为模拟设定稳定火源与实际正庚烷火热释放速率不符造成一定差异。但从烟气温度随时间随高度变化趋势及变化幅度上看，模拟结果与试验结果有较高一致性，FDS模拟从某种程度上能较好反映高大空间环境内真实正庚烷火烟气温度场变化情况。

(a)2倍

(b)4倍

图11中，1倍木材阴燃火模拟测得热电偶数值几乎随时间无变化，相较实体试验结果，相差很大，FDS模拟不能有效反映高大空间环境内木材阴燃火烟气温度场变化情况。

(a)模拟结果

(b)试验结果

4 结论

4.1 基于点型感烟探测器标准试验环境建设的高

大空间早期火灾探测试验环境的方案是可行的，火源种类及规模、标准化测量设备布置等应按如下要求确定：(1)4倍及4倍以上标准规模量的棉绳阴燃火和2倍及2倍以上标准规模量的正庚烷火能在顶棚下方形成稳定烟气层，可用于评判高大空间条件下相关探测器的响应特性。(2)测量烟雾浓度的离子烟浓度计、光学烟浓度计和测量温度的热电偶树布置在以地面中心为圆心、半径为7 m、圆心角为60°的圆弧上是合理的，热电偶布设位置不能有效衡量中心位置棉绳阴燃火温度场情况，在该试验环境10～12 m高度范围内增设1个离子烟浓度计。

4.2 高大空间早期火灾探测试验环境的正庚烷火数值模拟能较好地反映真实火灾烟气流动规律，数值模拟和实体试验之间具有较高的一致性；而FDS模拟不能真实反映该环境内木材阴燃火实际火灾发生时烟气流动规律。

[1] 朱立平.消防工程师手册[M].南京：南京大学出版社,2005.

[2] 公安部沈阳消防研究所.火灾自动报警系统设计规范:GB 50116—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.

[3] 本书编委会.北京奥运工程性能化防火设计与消防安全管理[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[4] 公安部沈阳消防研究所.点型感烟火灾探测器:GB 4715—2005[S].北京：中国计划出版社，2005．

[5] 张天巍.悬空式格栅吊顶场所感烟火灾探测器响应及时性影响因素试验研究[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院，2009.