大型建筑智能火灾防控系统设计

康洁萍

（青岛市消防救援支队崂山区大队，山东 青岛 266000）

随着经济建设的飞速发展，我国城市规模也不断扩大。目前，我国人口在500 万以上的城市仍然在增加，人口在1000 万及以上的超大规模城市也达到了近20 个[1]。在如此大规模的城市中，商用和民用建筑的规模也随之扩大，以满足人口承载的容量需求。但是，大型建筑不仅火灾安全隐患多，防火控制的难度也进一步增大[2]。一方面，大型建筑内楼层高、房间多、内部结构复杂，如果火情发生在隐蔽区域很难及时发现。另一方面，大型建筑内人员众多、角色构成复杂、生活习惯各异，也进一步增加了火灾可能发生的隐患。最危险的是，大型建筑的人员疏散也有很大难度，一旦发生火灾难以开展有效救援[3]。更令人担忧的是，大型建筑无法采用常规方法防控火灾。在该局面下，智能防火系统的设计和应用，成为解决大型建筑防火问题的关键。这里的智能化一方面体现为多类传感器的规模化使用，另一方面体现为多类传感器信息的继承和决策智能输出。该文以大型建筑火灾智能防控系统的设计为核心研究内容，开展具体的技术工作。

1 大型建筑整体及内部结构三维建模

对大型建筑的火灾防控来说，可以对防控对象进行三维建模进而对防控系统建模，形成准确的防控策略。为了模拟火灾现场，需要充分了解火灾发生时的物理和化学特征。火灾是一系列不同种类、不同属性的物质发生燃烧后形成的复杂的、综合性的化学反应，因为不同建筑物整体和内部结构的差异性，火灾的蔓延速度特征、燃烧生成物特征、火焰特征都会有所差异。因此，对不同建筑有针对性地设计火灾防控系统，进而通过仿真试验观察火灾可能达到的强度，对精准防控有重要意义。

对火灾防控系统的仿真设计来说，不仅要对大型建筑包括其内部结构进行准确建模，还应该准确地模拟火灾发生位置、火焰强度、烟雾浓度和环境温度等环境信息。该文以大型公寓式民用住宅为例，就应该对大型建筑整体、走廊、餐厅、厨房、卧室等内部结构都能进行建模，并分析可能导致火灾发生和蔓延的电气线路危险。

首先，在对大型建筑整体及内部结构进行建模时，应该遵循的3 个原则：质量守恒原则、动量守恒原则、能量守恒原则。

大型建筑发生火灾后，物质的总体质量在燃烧前后保持守恒，得到如下的质量守恒方程，也称连续性方程，如公式（1）所示。

式中：ρ为连续介质的密度，u为连续介质的运动速度。

大型建筑发生火灾后，物质发生燃烧、迸射等连续性运动过程中保持动量守恒，从而得到如下的动量守恒方程，如公式（2）所示。

式中：ρ为连续介质的密度，u为连续介质的运动速度，f为连续介质运动过程中发生碰撞时受到的力，P为连续介质运动过程中的应力张量。

大型建筑发生火灾后，在物质燃烧的过程中，总体能量保持不变，从而得到能量守恒方程，如公式（3）所示。

式中：ρ为连续介质的密度，U为单位质量物质所具有的内能，u为连续介质的运动速度，f为连续介质运动过程中发生碰撞时受到的力，P为连续介质运动过程中的应力张量，q为热辐射形成的单位质量大小、单位时间内传入的热量分布函数。

根据上述原则，对一个公寓式大型民用建筑进行三维建模，结果如图1 所示。

图1 中，这一公寓式大型民用建筑是一个整体为二层的建筑，总建筑面积达到了1800 m2。上下两层的建筑空间，单层高度统一为3.3 m。内部各种功能空间分隔成一个个独立的单元，包括居住单元、活动单元、餐饮单元和厨卫单元等，各个单元都可以通过连廊进行连接，形成建筑上的类总线型结构。对公寓式大型民用建筑进行实体结构的三维建模，一方面可以明确大型建筑内部的布局细节，另外，从三维空间给出了智能火灾防控系统的边界。也就是说，由多个传感器、传输线路、控制中心所构成的火灾防控系统，就安装在这个三维空间实体的内部。这样既圈定了火灾智能监控系统的总体边界，也基本划定了各个传感器所监控和检测的局部范围。这样就使火灾防控系统和所防控的真实场景之间形成了一一对应。

2 大型建筑火灾防控系统及模型参数设计

对图1 中的公寓式大型民用建筑来说，该文所设计的火灾防控系统其空间分布以建筑的绝对区域和有效空间为限制，进行独立的网格划分、危险货源的参数设计和传感器配置。

不同类型的传感器对可能发生的火灾参数有不同的检测方式和反应手段，但无论何种类型的传感器，其测量和覆盖范围都是有限的。在火灾防控系统的设计过程中，一方面需要传感器数量足够覆盖整个防控区间，另一方面又希望尽可能地减少传感器数量以减少系统设计成本。因此，将大型建筑的整个防控区间进行网格划分，形成不同传感器分布的合理区域。同时，从仿真建模的角度看，网格划分对仿真结果的准确性也至关重要。如果网格的尺寸空间配置过大，就会导致检测精度低、防控仿真的结果不到位；如果网格的尺寸空间配置过小，就会导致仿真过程速度变慢，影响的防控效率。该文介绍的仿真环境网格边长大小的计算方法如公式（4）所示。

式中：ρ为环境中的气体密度大小，c为环境中的空气热比率，T为建筑内的环境温度，g为中立加速度的大小，Q为火源的释放速率大小。

按照上述计算，最终确定该文中网格大小的每个边长约0.1 m。

从上述公式传递的信息可以看出，仿真环境网络中每个立体单元格边长的大小设置，与火源有密切的联系。只有确定火源的相关信息，才能得到网络中每个网格中的边长配置合理值。所以，在火灾防控的实际仿真过程中，都需要先对火源的信息进行准确地刻画。同时，仿真网格边长的配置与环境中的气体密度、燃烧发生后的空气热比率、环境温度以及中立加速度等信息有关。

因为火源信息是影响网格边界设定最重要的因素，所以进一步提出火源释放速率的计算方法，其数学公式如公式（5）所示。

式中：Q为火源的释放速率大小；a为火灾发生以后的蔓延系数；t为火灾发生以后的蔓延时间。

从公式（5）可以看出，火源大小和影响程度受到了释放速度的影响，并且其与火源燃烧的强弱、波及的范围、持续的时间有关。火源的燃烧作用越强，蔓延范围就越大，而火源物质种类的特殊性，也会直接影响火源燃烧的持续时间。

为了使公寓式大型建筑内部的火灾防控更智能，该文采用了4 种传感器。感烟型传感器可以对火灾发生或悬浮在环境空间中的粉尘小颗粒即烟雾进行检测，此处采用的是离子型感烟传感器。感光型传感器可以对火灾发生时物质因燃烧产生的光辐射进行检测。感温型传感器可以对火灾发生时物质因燃烧产生的热量即对应温度范围进行检测。气体型传感器可以对火灾发生时产生的气体进行检测，如CO 等。

3 大型建筑火灾防控系统的测试试验

为了验证公寓式大型建筑火灾防控系统设计结果的有效性，对具有智能反馈意义的传感器进行火灾性能测试试验。试验过程在高度消防安全保障且无人的情况下进行，以避免试验可能带来的负面影响。

在试验过程中主要针对感烟型传感器进行，具体分为2 种情况：第一种情况，选取建筑内的卧室空间单元，内置火源可持续燃烧30 min 并产生烟雾，室内配置感烟型传感器。感烟型传感器一般在浓度为15%以上会发出报警，如果室内烟雾浓度持续升高，感烟型传感器将会在100%的示数位置达到饱和。对卧室空间单元内的火灾防控测试试验结果如图2 所示。

图2 中，横轴为火源发生燃烧后的时间，时间间隔为50 s，一共测试到300 s 的位置；纵轴为感烟型传感器测得的烟雾浓度的变化，最低值为0，最高值为100%。图中黑色粗实线代表火源发生燃烧后，感烟型传感器测得的烟雾浓度变化曲线。从图3 中可以看出，随着火源的持续燃烧，卧室空间单元室内的烟雾浓度持续升高，感烟型传感器的检测结果比较灵敏，大约在10 s 后，烟雾浓度变化曲线即开始迅速拉升，在2 s～3 s 达到15%的报警临界值，感烟型传感器即发出报警。随着测量时间进一步增加，在火源燃烧后的60s 左右，烟雾浓度变化曲线达到峰值的100%。在其后的时间内，烟雾浓度变化曲线一直处于100%的饱和状态。

图2 卧室空间单元内的火灾防控测试试验

测试过程的第二种情况，选取各个空间单元的连接部，即走廊的位置。为了缩小试验测试的影响范围，截取了长度为10 m 的一段走廊，走廊两侧共有6 个建筑单元，包括居住空间单元、活动空间单元和厨卫空间单元等。在这6 个建筑单元中的4 个单元内，设置火源点燃，并敞开与连廊连接的门，以保证烟雾的流通。走廊空间单元内的火灾防控测试试验，结果如图4所示。

图3 中，横轴为火源发生燃烧后的时间，时间间隔为50 s，一共测试到300 s 的位置；纵轴为感烟型传感器测得的烟雾浓度的变化，最低值为0，最高值为100%。图中黑色粗实线，火源发生燃烧后，感烟型传感器测得的烟雾浓度变化曲线。从图3 中可以看出，随着走廊两侧4个空间单元内火源的持续燃烧，走廊内烟雾浓度变化曲线也不断升高，反映也出现在10 s 后，其后先是相对快速拉升，然后逐渐变得平滑，到230 s 以后再次迅速拉升，直至达到100%，并在其后维持饱和状态。与卧室空间单元的烟雾浓度曲线变化相比，走廊空间单元烟雾浓度达到100%的过程要慢的多，这与走廊空间单元内空气体量更大、流通性更好有关。这也说明，当大型建筑火灾发生时，如果火情发生在一个隐蔽的房间单元并且这个单元没有配置监控传感器，等其影响到走廊后获得火情预警，其速度会明显滞后。

图3 走廊空间单元内的火灾防控测试试验

4 结论

大型建筑的火灾智能防控对小区乃至城市总体消防安全具有十分重要的意义。该文以公寓式大型民用建筑为例，进行了智能火灾防控系统的相关研究。首先，在质量守恒原则、动量守恒原则、能量守恒原则的基础上，对大型建筑进行三维建模，勾勒出这次火灾防控系统的建筑实体边界和内部区域结构。其次，对建筑整体进行网格化处理，并给出火源烟雾浓度释放测算公式，在火灾防控关键点位配置了四类传感器，以达到火灾防控的智能性。最后，以系统中感烟型传感器为对象展开性能测试试验，试验结果表明：卧室空间单元和走廊空间单元的传感器都可以有效地检测到火灾的发生并完成报警，相对来说，走廊空间单元的烟雾浓度变化更慢一些。