基于人员疏散的防护工程消防喷淋系统设计探讨

茅靳丰 余南田 周进 邓忠凯

陆军工程大学国防工程学院

0 引言

防护工程是指具有抗高强度精确打击能力的综合保障地下防御工程[1]，其内部结构与一般地下建筑不同。防护工程发生火灾时，相对于地面其他建筑，防护工程内部特殊的“口袋型”（单向通道）特点以及特有的通风形式使得防护工程内发生火灾时人员疏散较地面普通建筑更为困难，人员及财产安全更难保证。因此，深入研究防护工程火灾时烟气扩散规律，确定人员疏散最佳方案，对防护工程性能化防火及确定人员安全具有重要价值。目前火灾安全问题的研究方法主要有三种：全尺寸实验，缩尺寸实验以及计算机数值模拟[2]。火灾实验具有较大的破坏性与危险性，实验成本高，测量结果受到测点位置及仪器精度限制，一次实验只能得到有限的数据。因此，利用计算机软件对火灾疏散问题进行数值仿真研究成为了非常重要的研究手段，计算机仿真研究结果的正确性已经被国内外众多学者认可[3-6]。

笔者在计算机火灾模拟软件FDS平台上，基于大涡模拟算法采用Herbing社会力模型[7]对防护工程发生火灾时烟气特性及人员逃生进行了仿真分析。

1 软件介绍及建模

1.1 FDS软件介绍

FDS软件是美国国家标准研究所NIST建筑火灾研究实验室开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件[8]。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。软件中FDS+EVAC模型是基于FDS平台的火灾逃生模型，可以仿真模拟火灾中人员的逃生情况，它以Herbing社会力模型为基础，用网格计算每个人的运动方程，从而仿真人员疏散行为。

1.2 物理模型设定

模型是根据某防护工程中某一防火分区建立的，如图1。整个防火分区由一个长为40 m，宽2 m的走廊和走廊两边的房间组成，走廊的两端为防火卷帘门，房间的大小为5 m×5 m，墙厚为0.2 m，层高为3 m。火源的位置一般设置发生在最不利工况处，即火源发生在建筑物其中的一个安全出口处，设置火灾场景为靠近防火卷帘门的一房间内。在房间内设置一个测点位置，在走廊处布置四个测点位置，分别为距离火源房间10 m，20 m，30 m和40 m处，测点的高度选择人员低头掩口呼吸时口鼻处的高度1.6m，每个位置设置三个测点分别为二氧化碳含量测点C，氧气含量测点O和温度测点T，除了火源房间以外其余的房门全部为关闭状态，所选火源模型为t2火源模型，最大热释放率为Qmax=6 MW，火源增长系数为α=0.0469。

图1 防火分区示意图

1.3 人员模型设定

1）人员密度设定

人员密度一般指单位面积上的人员数量，单位为人/m2，主要用来确定进行模拟时参与疏散的人数。由于防护工程内部房间的功能不同，其人员密度不尽相同。通过调查及参考国内外相关资料，统一选取室内人员密度为0.3人/m2。

2）人员模型尺寸设定

EVAC中的疏散人员模型尺寸主要涉及人员的胸宽，胸厚及肩宽。此数据可参照《中国成年人人体尺寸》GB10000-88，该标准根据人类工效学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数值，适用于工业产品，建筑设计，军事工业以及工业的技术改造设备更新及劳动安全保护[9]。表1为18～60岁人员模型的基本尺寸。

表1 人员模型的基本尺寸

图2为EVAC中人员模型，参照上表选取99%人员所在的范围，即胸厚为261 mm，胸宽为331 mm，肩宽为 415 mm，则 Rt=130 mm，Rd=207 mm，Rs=77 mm。

图2 人体模型图

3）人员初始速度设定

当前版本的EVAC已经将烟气对人员行动速度的影响以及烟气的毒性影响考虑在内，因此此速度的设定是指人员在没有烟气的情况下行进的速度。国内外的研究表明，人员的行进速度与人员密度成一定的函数关系。在建筑物中，随着人员密度的增大，由于人员心理（盲从、恐慌等）、周围环境（通道的长短、门的宽窄）等因素影响人员疏散，导致散口处滞留、人与人的相互拥挤，使人员行进速度降低。国内学者吴春雨针对我国人员，以军校学员为测试对象，研究了人员行进速度与人员密度的关系，其结果如表2所示[10]。

表2 人员密度与行进速度之间的关系

由于防护工程内部人员多为军人，所以采用学者吴春雨的研究数据较为可靠，设定人员行走速度为v=1.21 m/s。

2 结果与分析

本文中仿真过程取火灾发生后最不利工况，即防护工程中火灾由电线短路引起，火灾自动报警系统失效时，人员在防火分区内的疏散情况。研究的方法为选取不同长度的走廊，分析对比人员在不同长度走廊中疏散情况，主要参考依据是烟气对人员的毒性作用有效剂量分数 FED（Fraction Effective Dose，FED）值[11]，该值越大表明人员受到的烟气毒害作用越大。火灾发生在紧挨防火卷帘旁的一个房间，人员向走廊另外一段的出口逃生，同时人员到达另一处的防火卷帘门时就可以认为人员安全疏散了，如图3。

图3 人员疏散示意图

2.1 未安装消防喷淋系统的情况

模拟未安装消防喷淋系统的防护工程发生火灾时，自动报警系统失效情况下的人员疏散情况。因防护工程内火灾自动报警系统失效，无火灾自动报警则无法判断人员开始疏散的时间，所以考虑其最不利工况，即人员在烟气浓度最大时疏散。图4为40 m，50 m和60 m走廊中人员在最大烟气浓度时疏散，疏散人员的FED值随时间的变化。

图4 人员FED值随时间的变化曲线

从图4中可以看出随着走廊长度的增加，最大FED值随之增加，这是因为随着走廊长度的增加，人员在烟气中待的时间增加。对比不同走廊长度的最大FED值可以发现，逃生过程中人员最大FED值与走廊长度并不是成一次函数关系，走廊长度增加FED值会随着迅速上升，人员逃生危险性会急剧增加。从人员安全疏散角度来讲，两防火卷帘门之间的距离越近越好，一般人防工程的防火规范中防护门间距不能大于40 m[12]。

从图中还可以看到，不同长度走廊的FED值上升趋势基本一致，这主要是因为，走廊内没有消防喷淋系统，烟气在走廊内蔓延没有受到阻碍，这对人员疏散极为不利。人员在40 m走廊中疏散用时71 s，在50 m走廊中疏散用时83 s，在60 m走廊中廊中疏散用时107 s，其行走速度都小于设定的人员初始速度1.21 m/s，这说明发生火灾后，疏散时人员相互拥挤以及烟气蔓延带来的能见度降低和毒性作用会使得人员心理和生理上受到影响，降低疏散速度。

2.2 安装消防喷淋系统的情况

当防护工程中装有自动喷水系统时，对火灾的热释放率，产烟量以及火灾烟气的蔓延都会产生较大的影响，同时对火灾熄灭时氧气，二氧化碳和一氧化碳最终浓度也会产生很大的影响。一些国家的防火设计规范对设有自动喷水系统建筑内的安全疏散距离有所增加，如新加坡防火法规规定：对于未设自动喷水系统的建筑物内最大安全疏散距离是45 m，有自动喷水系统时可增大到60 m。

模拟安装了消防喷淋系统的防护工程发生火灾时，自动报警系统失效情况下的人员疏散情况。同样由于自动报警系统失效，无法确定其开始疏散时间，考虑其最不利工况，即人员在烟气浓度最大时疏散。图5为60 m，80 m，100 m和120 m走廊中人员在最大烟气浓度时，疏散人员的FED值随时间的变化，从图中可以看出人员最大FED值随走廊长度增加而增加。与未装消防喷淋系统相似，最大FED值与走廊长度也不是成一次函数关系，走廊长度增加，人员危险性会迅速上升。对比两种情况下的最大FED值可以发现，装了消防喷淋系统的走廊FED值远远小于未装消防喷淋系统的走廊内最大FED值。对比不同长度走廊FED值上升趋势，可以看到，在人员疏散前期，60 m走廊中人员的FED值上升最慢，80 m走廊其次，而100 m走廊和120 m走廊上升速度最快，这五种工况的上升速度均小于未安装消防喷淋系统情况下的上升速度，这是因为消防喷淋系统降低了烟气前锋速度，阻碍了烟气蔓延。在人员疏散后期，五种工况人员的FED值上升速度相差不大，且都小于各自前期疏散时的FED值上升速度，利于人员疏散逃生。

图5 人员FED值随时间的变化曲线图

3 结论

本文在基于大涡模拟算法的FDS平台上，采用以网格为计算方法的Herbing社会力模型对防护工程火灾烟气特性及人员疏散进行了仿真，得到如下结论：

1）防护工程单室发生火灾时，烟气会蔓延至走廊，所带来的能见度降低及毒性作用会使人员逃生速度减慢，人员逃生威胁变大，因此单室发生火灾时，应尽快关闭单室房门，防止烟气蔓延至走廊。

2）消防喷淋系统对防护工程火灾时人员疏散极为重要。防护工程中的消防喷淋系统能减缓烟气扩散速度和烟气毒性作用，提高了人员疏散安全性，同时在确保安全的情况下加大走廊相邻防火门之间的距离，提高了经济效益。

3）烟气毒性作用随着走廊相邻防火门之间距离的增大而上升，在设置防火分区时，应将防火分区与每个防护分区单元综合考虑，使得防护工程在设计上更加合理。