自然通风对火场特性的影响研究

孙 磊，孙楠楠，徐 晖，邵高耸，张 伟

(武警学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年来，随着社会经济和城市化进程的飞速发展，建筑类型不断增多，建筑形式日益复杂，火灾危害性增加，建筑火灾安全仍然是消防工作中的重中之重。初期火灾一旦无法控制，很短的时间内室内便聚集大量烟热，导致室内能见度下降以及有毒烟气浓度升高，特别是固定设施失效无法正常通风时，将严重影响着被困人员以及救援人员的生命安全。国内外很多学者相继对火场通风及不同工况下的火场特性进行了研究，Lin等[1]通过数值模拟，证实了火灾中正压通风对人员疏散的有效性。颜艳等[2]对大空间自然排烟的有效性进行了研究。Li等[3]通过FDS数值模拟，对走廊烟气层温度和能见度进行了分析，发现随排烟口位置的降低，能见度逐渐降低，温度逐渐升高。Yu等[4]对高层建筑烟气控制的策略进行了研究，利用FDS模拟分析了空调系统、排烟系统不同操作下的烟气控制效果。朱国庆等[5-9]对自然排烟过程中的特殊现象及影响因素进行了研究。但是，通过开展试验研究自然通风对火场特性的影响较少，为此本文在充分的文献分析以及基层中队调研的基础上，从灭火救援角度出发设定工况，通过改变不同的自然通风条件开展小室的火灾试验研究，分析不同自然通风条件下火灾现象、温度、CO浓度的变化，为灭火救援及人员疏散方案制定提供一定的理论指导。

1 全尺寸试验平台及试验设计

1.1 试验平台设计

试验平台示意图如图1所示，尺寸为3.6 m×2.8 m×2.8 m，从正面按照逆时针方向编号，分别为正面1号，右侧面2号，对面3号，左侧面4号，上面5号，下面6号。小室2号面设置一扇门，尺寸为2 m×0.8 m，位于墙壁居中。在小室4号面设置窗户，尺寸为0.8 m×1 m，开口面积可调。机械排烟口设置于房顶3号面与4号面夹角处，直径为40 cm。主体框架为中空的方形钢材，地面、顶棚以及各墙面全部采用铁板覆盖在框架之上，内部涂有防火漆进行防火处理。喷头设置在支管中央即房间水平方向的中央，使用的是口径为DN15的ZSTP-15标准型普通喷头，喷口直径为12.7 mm，流量系数K为80。

图1 试验平台设计图

1.2 试验设备及数据处理方法

火场温度通过布置热电偶树来进行测量，共布置3排热电偶树，每个热电偶树布置9个热电偶，每个热电偶距地面分别为0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7 m，编号依次为CH01、CH02、CH03、CH04、CH05、CH06、CH07、CH08、CH09。1号热电偶树位于靠近窗侧中央30 cm处；2号热电偶树位于房间中央木垛位置；3号热电偶树位于靠近门侧中央30 cm处，热电偶分布如图2所示。热电偶选用K型铠装热电偶，探针长度为30 cm，测温范围为0～1 100 ℃，数据采集仪为德维斯R50B采集记录仪，精度为1 ℃。CO测量采用MRU公司生产的增强型电化学烟气分析仪VARIO PLUS，该烟气分析仪能够测量O2、CO、NO、NO2、SO2和H2S烟气成分，还可以测量环境温度、烟气温度。烟气探头设置于左侧墙壁距离地面1.6 m处进行烟气采集。

图2 热电偶树布置图

试验过程中通过热电偶树对不同区域的温度进行实时采集，并通过数据采集仪配套软件“Data Management Software”导出。CO数据通过烟气分析仪实时监测，并通过配套软件导出。数据处理主要利用Origin软件进行绘图，从而分析温度、CO浓度随时间变化的趋势以及不同工况下的温度、CO浓度变化情况。

1.3 试验工况设计

选取木材为燃料，木垛摆放在尺寸为500 mm×500 mm×300 mm的角钢架上，木垛尺寸为500 mm×500 mm×320 mm，木垛由8层木条构成，每层木条6根(均匀排列)，木条尺寸为40 mm×40 mm×500 mm。用直径为30 cm的圆形油盘引燃，油类为汽油，油量为200 mL。为分析自然通风对火场环境的影响共开展两组试验，试验工况如表1所示。

表1 试验工况表

2 试验分析与讨论

结合试验录像并对温度数据以及CO浓度数据进行处理，分析小室火灾在无自然通风与自然通风情况下火场环境的改变。

2.1 试验现象对比分析

试验1中，油盘点燃后，油品燃烧产生大量的烟气迅速上升，到达顶棚位置后开始水平移动并逐渐形成烟气层，且随着燃烧的继续烟气层的厚度不断增加。木垛被油火点燃，并随着时间的延长火势逐渐增大。由于汽油燃烧产生的烟气较多，小室的烟气溢出较少，因此在很短的时间内烟气便充满小室，如图3(a)所示。随着木垛燃烧的持续以及汽油燃烧的终止，烟气的颜色由黑色逐渐减淡。在整个燃烧的过程中，木垛的火焰较小，最大火焰高度约0.8 m，原因为随着燃烧的持续，O2的浓度逐渐降低，木垛并没有达到猛烈燃烧状态，最大火焰如图3(b)所示。这种关门关窗没有通风的工况下，木垛的燃烧时间长，燃烧不猛烈，烟气随着燃烧呈现先增加后减小的趋势。在木垛燃烧接近熄灭时开启喷淋灭火，此时由于不完全燃烧，瞬间产生大量烟气，导致室内的能见度下降。木垛最终形态完整，未出现坍塌。

试验2中，油盘点燃，木垛燃烧后，随着烟气层的积累，烟气层仍然持续增厚，但是与试验1的区别是烟气层下界面到达窗口上沿时，烟气开始从小室内向外溢出，到达门口上沿时，同时从门口向外溢出，从而使得室内烟气层厚度保持稳定，到达的最大烟气层厚度约为1.3 m，并随着产烟量的减少，烟气层的厚度又逐渐减小，最大烟气层如图3(c)所示。相比试验1，木垛的燃烧更快更剧烈，最大火焰高度约1.2 m，这是因为在自然通风的作用下，燃烧能够有充足的O2供给。达到最大高度时的火焰如图3(d)所示。木垛燃烧充分，最终坍塌。

通过试验现象可以得出，自然通风会在一定程度上促进燃烧，但是同样能够很好的排烟，提高室内的能见度。而密闭空间可以明显的抑制燃烧，甚至能够实现窒息灭火。

(a)

(b)

(c)

(d)

2.2 温度变化分析

试验总共布置了3个热电偶树，此处主要对靠近窗口的热电偶树的温度变化进行分析，对比分析通风对火场温度变化的影响，试验1与试验2的温度变化曲线如图4、图5所示。

图4 试验1温度变化曲线

图5 试验2温度变化曲线

分析试验1的温度曲线可以发现，自油盘点燃开始室内温度持续升高，在试验开始1 400 s时最高温度达到275 ℃，之后温度不再升高，保持至1 800 s左右由喷淋灭火而熄灭，温度迅速降低。通过分析不同高度的热电偶的温度可以发现室内不同高度的温度分层比较明显，由下至上温度均匀升高。试验2中在试验开始900 s时室内最高温度达到203 ℃，之后温度开始逐渐下降，直到逐渐熄灭。通过观察1.8 m以下区域的热电偶和1.8 m以上的热电偶温度可以发现，由于窗口与门口烟气的溢出，室内下部空间温度远低于顶棚附近的温度。对比试验1与试验2的温度变化可以发现，试验1中木垛燃烧的过程更加缓慢，但是室内整体温度更高，特别是1.8 m以下空间区别明显。试验2由于供氧充足，燃烧比较快，但是由于自然通风的作用，在整个燃烧的过程中，高温烟气能够及时的排出室内，因此虽然燃烧猛烈，但是室内温度明显低于试验1。

综上分析，自然通风对室内温度改变的影响明显，特别是对窗口上沿以下区域的温度改变更加明显，这有利于减少消防员灭火作战以及被困人员的高温伤害；同时，自然通风加速了火势发展，在实际灭火战斗中在通风的同时要考虑控火强度以及灭火力量的部署。

2.3 CO浓度变化分析

CO是火灾中主要有毒气体之一，严重威胁着火灾中人员的生命安全。通过开展火灾试验，分析不同通风工况下CO浓度的变化趋势，能够从数值上明显对比出不同通风工况的CO浓度变化，得到通风对CO浓度的影响规律，对火灾初期人员的逃生与疏散具有重要意义。两组试验所采集的CO浓度变化曲线如图6所示。

图6 CO浓度随时间变化曲线图

由图6可知，整个试验过程中出现两个峰值，第一个峰值是在燃烧开始之后，由于产烟量的逐渐增加，室内烟气积累，烟气的溢出远小于产烟量，因此CO浓度逐渐增大。之后随着木垛的燃烧，油品燃烧终止，CO浓度逐渐减小。之后随着燃烧的持续，CO的浓度保持在比较稳定的水平。之后在试验结束木垛燃烧终止或人为灭火时达到另一个峰值，是因为在燃烧结束，灭火时造成木垛不完全燃烧，产生大量CO。此峰值之后，CO浓度逐渐减小接近0。试验1中，关门关窗工况下，整个试验过程中烟气的溢出较少，燃烧产生的CO逐渐在室内积累，在试验开始237 s时，CO浓度即达到了1 000 ppm，之后继续增大，在428 s时达到最大浓度为1 990 ppm。试验2中，由于自然通风，燃烧进行的同时，烟气便从窗口与门口溢出，相比试验1，烟气溢出量更大，在试验开始216 s时，CO达到最大浓度为408 ppm，远小于试验1的CO浓度，而且由于通风作用下燃烧速度快，在更早的时间达到峰值，之后逐渐减小。在木垛坍塌时灭火，导致出现的第二个峰值也远小于无通风工况下的CO浓度。

综上分析，自然通风在加速燃烧的同时，能够更快的排出有毒有害气体，而且相比密闭无通风的工况，CO浓度更小。根据相关研究，当CO浓度达到1 000 ppm时，连续吸入2～3 min就会恶心呕吐，并失去意识，因此通过试验结果表明，自然通风对于初期无消防措施控制的火灾中有毒气体浓度变化影响大，早期的通风排烟能够保证被困人员的安全疏散，减少有毒气体对人身安全的威胁。

3 对灭火救援的影响及对策分析

小室火灾的特性变化与实际大空间火灾的变化存在一定的区别。建筑结构的复杂性，空间布局的多样性都会影响自然通风的作用。实际火灾中，可能会因为结构原因，固定设施的设置等原因，导致不同区域表现出不同的火灾特性，影响空间的温度分布及CO浓度分布。但是小室火灾的试验研究可以作为实际火灾的局部和基础，能够在一定程度上反映自然通风对火场环境带来的改变，指导分析其对灭火救援的影响，给灭火救援及人员疏散方案的制定提供一定的指导。

在火灾中，低能见度易造成被困人员的心理恐慌以及灭火作战行动受阻，高温有毒烟气易造成呼吸系统损伤，给人员疏散和灭火作战行动造成很大威胁。在灭火救援过程中，更低的温度、更高的能见度、更低的CO浓度对人员疏散和灭火救援工作更加有利。通过试验研究发现，自然通风条件下的火场燃烧更加猛烈，烟气对能见度的影响更小，CO浓度更低。因此，实施自然通风的火场，一方面能够减少高温给人体带来的热辐射，减小有毒烟气对人员生命安全的威胁，提高火场能见度，减少被困人员的心理恐慌，有利于人员疏散，提高消防员灭火作战的效率。另一方面，自然通风造成火势扩大的风险给灭火救援提出了更大挑战。这就要求灭火救援过程中，指挥人员及灭火作战人员要及时掌握火场的主要方面，统筹兼顾，在实施自然通风进行排烟时做好灭火的力量部署，在最大程度提高能见度，降低火场温度的同时控制火势扩大蔓延，高效率的完成灭火救援任务。

4 结论

从人员疏散与灭火救援角度出发，开展全尺寸试验，对比了有无自然通风对火场环境的影响，通过数据处理与分析，结合灭火作战与人员疏散的实际得到以下结论：(1)自然通风对火场能见度的影响较大，与无通风情况相比较，自然通风能够在燃烧同时排出烟气，提高室内能见度，有利于火灾初期的人员逃生以及灭火作战。(2)自然通风虽然会加快燃烧速度，导致火势蔓延扩大，但是火灾初期的自然通风能够迅速排出室内热量，特别是对室内下部空间降温作用明显，能够减小高温对被困人员以及救援人员生命的威胁。(3)自然通风能够在燃烧产烟同时排出大量有毒气体，降低室内CO浓度，减小有毒烟气对被困人员的伤害，减小伤亡。