正压送风和室外风综合作用对住宅建筑着火房间火灾发展的影响

胡绪鑫，李思成，刘 超，刘翔朋

(武警学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

随着社会经济与城市的快速发展，住宅建筑结构形式越来越复杂，建筑房间内火灾荷载大、装修材料多。一旦发生火灾，当有室外风作用时，大量高温、有毒烟气迅速蔓延，极易造成人员伤亡。同时，正压送风是住宅发生火灾时常用的排烟方式。因此，研究正压送风和室外风综合作用对住宅建筑着火房间火灾发展的影响具有极其重要的意义。

室外风对室内火灾的发展有一定的影响作用，田康达[1]利用FDS软件建立卧室火灾模型，通过设定不同的环境风速，研究其对火灾特性的影响，发现环境风对火场起到助燃和冷却作用，且风速越高流向下风向的热流量越大；高为刚[2]基于FDS模型对不同功率的池火灾在不同风速的迎风面和背风面作用下自然排烟效果进行数值模拟，发现迎面风对侧墙排烟口的自然排烟有一定抑制作用；黄村[3]利用FLUENT软件模拟分析不同风速对单室房间火灾发展和窗口溢出羽流的影响。正压送风对室内火灾发展的相关研究也有很多，Stephen[4]对装满家具的房间进行了一系列试验，发现正压送风可以略微降低室内温度；中佛罗里达大学[5-6]的研究者通过试验发现，正压送风排烟是一种有效的火灾扑救战术，它可以有效减小室内热量和有毒烟气浓度。对于单室火灾发展的研究大多针对室外风或正压送风某单一情形下的火灾发展的模拟和试验研究，而火场中，很可能需要对室外风影响下的着火房间进行正压送风排烟，排烟口可能是处在迎风面破碎的窗户，而对于正压送风和室外风综合作用时，住宅建筑着火房间火灾发展的模拟研究较少。

查阅相关资料发现，我国年平均风速在1.8～4.5 m·s-1之间，取室外风速2 m·s-1的情况下，依据一般住宅建筑单个房间的火灾荷载，建立着火房间的物理模型。模拟排烟口处于迎风风速2 m·s-1时，采用不同的正压送风风速对着火房间送风，通过对火灾热释放速率、门口和窗口处的温度、热流量等分析，得出不同送风速度对着火房间火灾发展的影响，为消防救援过程中，借助风机进行正压送风排烟行动提供一定的借鉴和参考。

1 模型建立

1.1 火灾荷载的设定

建筑火灾的发生与其中存在的可燃物有密切关系，可燃物的种类、数量及分布情况对火灾的发展蔓延有决定性作用，而火灾荷载是指室内可燃物完全燃烧释放出的总热量值[7]。因此，研究着火房间火灾发展，必须对其中的可燃物有一定把握。依据CIBW14中的数据[8]，以及中国建筑科学研究院和郑州大学对住宅建筑火灾荷载的调查研究，得出居民建筑火灾荷载密度平均值为780 MJ·m-2，95%分位数为970 MJ·m-2。

1.2 物理模型

该房间尺寸为8.8 m×6.5 m×3 m，房门宽为1 m，高1.8 m，窗户宽为3 m，高1.2 m，建筑内有双人床、沙发、衣柜、梳妆台等物品。图1为着火房间模型图。

图1 着火房间模型图

1.3 模拟设定

该着火房间在模拟时，设定网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，模拟时间1 200 s。室内外初始温度为20 ℃，墙壁材料为钢筋混凝土，导热系数为1.8 W·m-1·K-1。起火点位于枕头上，点火功率为60 kW，100 s时撤掉。房间中家具的热值、材料的燃点和单位面积火灾热释放速率均按照王金平[9]的文献资料设定。设定60 s时窗户破碎，窗口处于迎风面，风速为2 m·s-1。消防员到场后开启房门，放置风机，因此设置200 s时房门开启，李思成等[10-11]研究风机最佳设置位置距房门2.5～3 m，因此，风机放置在距房门2.5 m处，尺寸为0.8 m×0.8 m，距地面0.2 m，风速分别为0，5，10，15，20，25，30，35 m·s-1。具体工况如表1所示。

表1 模拟工况设置表

2 模拟结果分析

2.1 不同风速对火灾热释放速率的影响

图2为不同风速下火灾热释放速率随时间变化图。通过图2上图可以发现，在前200 s，火灾发展状况基本相同，200 s后房门打开，风机开始加压送风，大量空气涌入房间，火灾热释放速率迅速上升，不同风速下的热释放速率发展趋势有所差别。

火灾热释放速率在260 s后基本稳定，为了便于观察，特选取180～260 s的数据放大绘图，如图2下图所示。

图2 不同风速下火灾热释放速率变化图

当风机风速为0 m·s-1时，火灾热释放速率会小幅度上升至13 MW左右并趋于稳定。上海市地方标准《民用建筑防排烟技术规程》(DGJ 08—88—2006)中规定的无喷淋的客房热释放量6 MW，田康达等人对环境风2 m·s-1的卧室火灾模拟时，火灾热释放速率在10 MW左右，火灾热释放速率不同的原因是：本文中着火房间面积、送风口和排烟口面积均较大，而且房间的火灾荷载大，因此，着火房间的火灾热释放速率大。当风机风速为5 m·s-1时，火灾热释放速率会小幅度上升至15 MW左右，然后趋于稳定，风机风速对房间内火灾影响不大，火灾热释放速率增大了15.3%；当风机风速为10 m·s-1以上时，发生轰燃，火灾热释放速率会迅速上升达到峰值，然后在260 s时均趋于稳定值30 MW左右，正压送风对火灾影响很大，火灾热释放速率增大了130.7%。由此可见，室外风和正压送风均会助长火势，但风机风速达到10 m·s-1以上时，火灾热释放速率最终均趋于定值30 MW左右。

2.2 不同风速对门口处温度及截面热流量的影响

2.2.1 不同风速对门口处温度的影响

图3为不同风速下门口处温度随时间的变化图。通过图3可以发现：风机送风可以明显降低门口处的温度，风速越大，门口处的温度越低；风机风速为0，5，10 m·s-1时，门口处的温度在450 ℃左右；风机风速为15，20，25 m·s-1时，门口处的温度在250 ℃左右，降低了44.4%；风机风速为30，35 m·s-1时，门口处的温度在150 ℃左右，比初始降低了66.7%。可见，风机送风产生的风压驱动热烟气向排烟口蔓延，送风口处温度明显降低。当风机风速为0 m·s-1时，因为室外风的作用，门口变为排烟口，此时门口处温度较高，有蔓延至走廊的危险，随着风机风速增加，门口处温度降低，火灾蔓延至走廊的危险性降低。

图3 不同风速下门口处温度随时间变化图

2.2.2 不同风速对门口截面热流量的影响

图4为不同风速下门口截面的热流量随时间变化图。图中热流量为负值，负号仅代表方向，说明房间中的热流量穿过门口截面到走廊。

图4 不同风速下通过门口截面的热流量随时间变化图

通过图4可以发现：当风机风速为0 m·s-1时，通过门口截面的热流量为800 kW左右；而风机风速为5 m·s-1时，通过门口截面的热流量为200 kW左右，减小了75%，说明此时风速可以有效阻止热烟气蔓延出房门；风机风速为10 m·s-1时，热流量为800 kW左右，和风机风速为0 m·s-1时通过门口截面的热流量相同；此后，随着风速增加，通过门口截面的热流量不断增加，风机风速35 m·s-1时，通过门口截面的热流量达到了1 400 kW。风机风速增加，使得大量热烟气随着风驱动向排烟口蔓延，但是排烟口处在迎风面，2 m·s-1的室外风吹向室内，使得风机送风驱动的一部分热烟气回流，因为风机送风产生的锥形面并未完全覆盖房门，因此，回流的热烟气通过房门上部蔓延至走廊。风速越大，通过房门上部蔓延至走廊的热烟气越多，风机风速15 m·s-1以下时，既可以驱动房间内部热烟气至排烟口，又能有效防止热烟气的回流。

2.3 不同风速对窗口处温度及截面热流量的影响

2.3.1 不同风速对窗口处温度的影响

图5为不同风速下窗口处温度随时间变化图。通过图5可以发现：200 s以后，风机风速在0和5 m·s-1时，风机作用不明显，由于窗口处于迎风面，室外风通过窗户向室内送入大量氧气，使得窗口处燃烧产生更多热量，导致温度升高，风速5 m·s-1时温度可达700 ℃；风机风速为10 m·s-1时，窗口中心温度骤升至900 ℃，此后持续上升至1 300 ℃左右；风机风速为15 m·s-1以上时，温度骤升至1 100 ℃，此后持续上升至1 500 ℃左右。

图5 不同风速下窗户中心温度随时间变化图

可见，室外风的进入和风机送风使得窗口中心温度上升，风机风速10 m·s-1以上时，温度剧增，说明风机送风产生风压驱动热烟气向窗口蔓延并形成高温，且风速越大，驱动力越强，使得房间的火灾发展蔓延速度加快，甚至有可能将高温火焰推至窗外，造成更加严重的后果。

2.3.2 不同风速对窗口截面热流量的影响

图6为不同风速下窗口截面的热流量随时间变化图。通过图6可以发现：随着风机风速的增加，通过窗口的热流量不断增加。风机风速为5 m·s-1时，由于室外风是2 m·s-1，所以通过窗口的热流量很小，几乎可以忽略不计；风机风速为10 m·s-1，通过窗口的热流量为5 000 kW左右；风机风速为35 m·s-1时，通过窗口的热流量为15 000 kW左右，是风机风速10 m·s-1时热流量的3倍。

图6 不同风速下通过窗口截面的热流量随时间变化图

可见，风机送风使得热烟气向排烟口蔓延，而热烟气蔓延的方向一般认为是火灾发展蔓延的方向。因此，风机风速越大，通过窗口热流量越多，火灾发展蔓延越迅速，而且大量高温烟气蔓延至窗口，会加热窗口周围的可燃物，促使火灾进一步发展。火场排烟时，应当选择合适的正压送风风速，应以10 m·s-1为宜。

2.4 不同风速对顶棚温度的影响

图7为不同风速下顶棚(高2.8 m)800～1 000 s的等温线图。通过图7可以发现：风机风速越大，房间内温度越高，窗户外温度也越来越高，而门口外温度越来越低。

(a) 风机风速0 m·s-1

(b) 风机风速5 m·s-1

(c) 风机风速10 m·s-1

(d) 风机风速15 m·s-1

(e) 风机风速20 m·s-1

(f) 风机风速25 m·s-1

(g) 风机风速30 m·s-1

(h) 风机风速35 m·s-1

可见，室外风作用下，使得房间火灾不断发展，温度不断升高，当风机风速为0 m·s-1时，房门成为排烟口，使得大量烟气蔓延至走廊，顶棚温度达到了950 ℃，非常不利于人员疏散逃生。随着风机风速的增大，造成室内火灾快速发展蔓延，温度升高，而处在迎风面的窗口成为排烟口，窗外烟气温度增至1 200 ℃左右，而房门外因为风机送风作用，烟气量减少，温度为100 ℃左右，可有效保证走廊的安全，利于人员疏散和灭火救援行动。因此，火场中使用正压送风控制烟气流动非常关键。

3 结论

3.1 室外风和正压送风均可以助长火势发展。室外风2 m·s-1影响下，风机风速为0 m·s-1时，火灾热释放速率为13 MW左右，风机风速为5 m·s-1时，火灾热释放速率为15 MW左右，增大了15.3%；当风机风速达到10 m·s-1以上时，火灾热释放速率会骤增而后下降并最终趋于定值30 MW左右，增大了130.7%。

3.2 对迎风面着火房间正压送风，风速越大，风机产生的风压驱动热烟气向排烟口蔓延，使得送风口处温度越低；由于2 m·s-1的室外风的存在，加之风机送风产生的锥形面不能完全覆盖送风口，因此造成部分热烟气通过房门上部流出，风机风速越大，通过门口的热流量越多。

3.3 对迎风面着火房间正压送风，风速越大，排烟口处温度越高，通过排烟口的热流量越多，风机风速为35 m·s-1时，通过窗口截面的热流量为15 000 kW，是风机风速10 m·s-1时热流量的3倍，热烟气蔓延出着火房间的可能性越大，有可能引燃窗外可燃物。

因此，当排烟口处于迎风面且室外风速为2 m·s-1时，对着火房间正压送风，宜选择10 m·s-1左右的风机风速。这样，既可以有效进行火场排烟，又能防止火灾蔓延出着火房间，有利于人员的疏散逃生和消防员的灭火救援。

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