壁面材料对室内火灾烟气层影响的实验研究

李俊楠，付艳云

(1. 开封市消防救援支队，河南 开封 475000；2. 北京市科学技术研究院城市系统工程研究所，北京 100035)

0 引言

在室内火灾双区域模型中[1]，可燃物、热烟气层、壁面、地板和火焰等热表面通过热辐射、热对流、热传导等方式进行热量传递，其中热辐射是室内火灾中最主要的传热方式[2-3]。可燃物接收到的热辐射反馈来自热烟气层、壁面、地板和火焰等热表面，但热烟气层对可燃物的热辐射量所占的份额最大[4]，烟气层的温度和分界面高度又是决定轰燃发生的关键条件[5]，因此，壁面材料对室内火灾过程的影响，甚至是对轰燃发生的影响，都与烟气层的变化存在关联。宋虎[6]、李洪文[7]等分别研究了室内火灾壁面材料的导热性和壁面材料的热惯性对轰燃发生时间的影响；王伯牙等[8]指出热辐射是导致轰燃发生的主要传热方式，墙面材料作为室内火灾的辐射源之一，高热惯性材料阻碍轰燃的发生从而减低火灾危险性；赵学涛[9]通过实验分析内衬材料热惯性对轰燃发生时间的影响。但是壁面材料对室内火灾烟气层影响的实验研究相对较少，本文通过实验分析壁面材料的表面辐射率、热惯性对室内烟气层分界面高度、温度的影响，进而为室内壁面装修材料的选用，抑制和延缓轰燃发生提供理论支撑。

1 实验装置

实验装置由小尺寸火灾实验箱和数据采集系统组成。

1.1 小尺寸火灾实验箱

本文以ISO9705全尺寸火灾实验室的1/4尺寸作为室内火灾环境，箱体外部尺寸为1.0×0.70×0.70 m，内部有效尺寸为0.90×0.60×0.60 m；箱体材质为不锈钢，短期直接耐火温度为1000℃；箱体四周和顶部均可打开，可方便快捷地更换壁面材料，添加保温层，箱体开口边缘设计有密封性措施；在箱体窄侧预留开口，并且可根据研究目的改变尺寸；在箱体的长侧壁面中央装有透明观察窗，由4块尺寸为0.3 m×0.2 m的耐高温石英玻璃组成；箱体顶部预留有3个直径为26.3 mm的孔洞，便于热电偶伸进箱体探测温度和进行其他数据的探测；实验箱底部也预留有孔洞，用于采集热辐射通量数据。小尺寸实验箱体实物图如图1所示。

图1 小尺寸实验箱

1.2 温度检测系统

本文采用的温度检测系统由多路火灾信号记录仪和热电偶组成。多路火灾信号采集仪用于温度和热流密度的采集，包含4个模块，每个模块有8个信道，其中两个模块用于温度的输入。多路火灾信号检测仪与计算机连接起来，通过配套的计算机软件将采集到的火灾信号(温度和热流密度)每隔5 s实时记录下来，以便直接读取和处理数据。

实验所用热电偶类型为K型铠装热电偶，测量范围是分别是0～1300℃，误差为±1℃。由于本文采用的是室内火灾的经典双区域模型，在进行温度采集时，应将热电偶遵循一定的排列方式放在一定的位置。根据王超等学者的研究经验[10]，在实验箱体内放置10个探测点，呈两列5个梯度(每个热电偶簇含有5个热电偶)排列，两列热电偶簇距顶部中心位置距离为0.30 m；每簇热电偶竖向均匀，任意两个相邻热电偶相距0.10 m，顶部热电偶与顶棚下边缘处于同一高度，详细位置如图2和图3所示。

图2 顶部探测点

图3 箱体剖面

1.3 热辐射通量检测系统

该系统由多路火灾信号探测仪和一个热辐射探头组成，多路火灾信号检测仪与温度检测系统的多路火灾信号检测仪相同。热辐射探头测量范围为0～20 kW/m2，误差范围为±5%。在开展实验之前需要进行校准其灵敏度。为了采集室内火灾过程中地板接收到的热辐射通量，地板中心放置一个热辐射探头，其上表面与地板平面处在同一水平面上，如图4所示。

图4 热辐射探头位置

2 实验条件

2.1 火源设置

本实验选用接近真实火灾场景下的固体可燃物，聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，英文缩写为PMMA，其燃烧状态稳定且取材便捷，相关参数可以在文献中查找，燃料尺寸同燃料盘内部尺寸。

实验中将燃料盘放置于远离实验箱开口的地面墙角位置，易于轰燃的发生和分析实验结果，燃料盘位置如图5所示。共采用了5种燃料盘尺寸，底部形状均为正方形，燃料盘深度4 cm，材质为铸铁，内部直径分别为18 cm、21 cm、24 cm、27 cm、30 cm和33 cm。

图5 燃料盘位置

2.2 壁面材料

为了对比在室内火灾过程中，不同壁面材料对烟气层的影响，本研究选取3种不燃性板材，分别为石膏板、石棉板和铝板。考虑到经济性，并且铝板的表面辐射率和厚度关系不大，主要取决于其表面平整性度，抛光铝板用表面贴附有铝箔的石膏板代替。3种壁面材料的物理特性见表1。

表1 壁面材料的物理特性

3 实验工况

本文实验装置开口大小和所用燃料类型不变，分别改变燃料盘尺寸和壁面材料类型两个变量，共设定18组工况，见表2。

表2 实验工况

4 实验结果及分析

4.1 壁面材料对烟气层分界面高度的影响

假设同一热电偶簇任意两个相邻热电偶之间的温度是随高度线性变化的，每个高度水平面的烟气温度取平均值。令每个工况第一次采集到辐射通量大于1 kW/m2的时刻作为该工况的起始时刻。利用积分比值法[11]计算出烟气层分界面高度随时间变化，将同一燃料尺寸、不同壁面材料工况进行对比，如图6所示。

从图6中可以看出，火灾发展起初阶段烟气层分界面较高，随着火灾进入全面发展阶段烟气层分界面降低，当进入衰减阶段后，又开始升高；相同壁面材料火源尺寸越大，烟气层分界面能够达到的最低高度值越小，这是因为火源越大相同的环境下产烟量越多，在受限空间下积累得越厚。

相同火源尺寸下壁面材料表面辐射率越小，烟气层分界面能够达到的最低高度值越小，铝箔作壁面材料时分界面最低高度值最小。这是因为壁面材料辐射率越低，吸收的热量越少，更多热量反馈给了火源，燃烧更加猛烈产烟速率越快，烟气来不及排除室外导致；当火源尺寸达到一定程度(0.33 m)时，不同壁面材料烟气层分界面能够达到的最低高度差别不再明显。

图6 烟气层高度的变化

此外，石膏和石棉表面辐射率接近，石棉热惯性较石膏小，在相同火源尺寸下石棉能够达到的烟气层分界面越低，因此可得出当表面辐射率相差不大时，热惯性越小，烟气层分界面能够到达的最低高度值越小。这主要是因为热惯性低的材料具有较好的隔热功能，可以减少室内热量从壁面的散失，增大了对燃料的热反馈[4]。

烟气层分界面高度极大地影响视线范围，直接影响被困人员逃生和灭火救援行动，烟气层分界面高度越低，越不利于室内被困人员逃生，且消防救援人员内攻扑救难度越大，因此室内装修应尽量选用表面辐射率、热惯性都相对较大的不燃性壁面材料。

4.2 壁面材料对烟气层温度的影响

若要运用室内火灾双区域模型解决问题，就必须确定烟气层的平均温度，烟气层的平均温度的确定以烟气层分界面高度为基础，对特定时刻烟气层分界面高度以上的温度数据进行处理得到。He等[12]提出了一种在非稳态条件下确定烟气层平均温度值的方法，本文采用该方法计算得到烟气层平均温度，如图7所示。

图7 烟气层温度的变化

从烟气层平均温度曲线图可以看出，火源尺寸越大烟气层平均温度峰值越高；当火源尺寸相同时，壁面材料表面辐射率越小，烟气层温度平均值的峰值越高；当表面辐射率相差不大时，热惯性越小，烟气层温度平均值的峰值越高，但烟气层平均温度受壁面材料的影响较烟气层分界面高度受到的影响略小。烟气层的温度同样影响被困人员逃生自救和消防救援人员内攻扑救，从烟气层温度角度出发，室内装修也应尽量选用表面辐射率、热惯性都相对较大的不燃性壁面材料。

4.3 壁面材料对轰燃发生可能性的影响

本文采用地板中心处接收到的热辐射通量达到20 kW/m2为轰燃发生的判断依据[13]。在不同工况条件下，地板中心接收到的辐射通量随时间变化曲线如图8所示。从曲线图中可以看出，1-5、1-6、2-5、2-6、3-4、3-5、3-6七种工况地板中心接收到的热辐射通量峰值均超过20 kW/m2，发生了轰燃现象；2-4、3-3两种工况地板中心接收到的热辐射通量峰值接近20 kW/m2，仅发生了弱轰燃现象。

对比同火源尺寸不同壁面材料地板中心接收到的热辐射通量变化规律，可以看出，壁面材料辐射率越低，越容易发生轰燃现象；当表面辐射率相差不大时，热惯性越小，越容易发生轰燃现象。因此，避免轰燃的发生应选用辐射率和热惯性大的壁面装修材料。小尺寸火灾实验箱轰燃和弱轰燃现象，如图9所示。

图8 地板中心接收到的热辐射通量变化

图9 小尺寸火灾实验箱轰燃和弱轰燃现象

5 结论

(1) 壁面材料表面辐射率越小，烟气层分界面能够达到的最低高度值越小；当表面辐射率相差不大时，热惯性越小，烟气层分界面能够到达的最低高度值越小。

(2) 壁面材料表面辐射率越小，烟气层温度平均值的峰值越高；当表面辐射率相差不大时，热惯性越小，烟气层温度平均值的峰值越高。并且烟气层平均温度受壁面材料的影响较烟气层分界面高度受到的影响小。

(3) 室内装修应选用表面辐射率和热惯性都相对较大的不燃性壁面材料，降低轰燃发生的可能性，减少室内火灾中对被困人员逃生和消防救援人员内攻扑救的难度。

(4) 为了延缓火势的发展特别是避免轰燃的发生，在火灾发展阶段要防止可燃物接收到的热辐射通量达到20 kW/m2，预先设计安装排烟设施和自动灭火系统极为重要，能在火灾初期及时降低烟气层温度和排走形成聚集的烟气。