谭双源
（衡阳市消防支队，湖南，衡阳，421000）
【摘 要】火灾探测报警系统是建筑防火体系中的重要组成部分，它的准确报警将直接影响到火灾的初期控制以及人员的有效疏散。开展对火灾探测的影响的研究对提高火灾探测水平，提高建筑物的防火能力都具有十分重要的意义[1]。本文利用FDS火灾模拟软件，假定有焰燃烧模拟模型，选取了四组不同的通风管道宽度、三组不同的通风管道高度以及三组不同的梁高进行火灾模拟。分析比较火灾模拟得到的温度数据，得到通风管道的设置对于感温火灾探测的影响规律。
【关键词】通风管道； 火灾探测； FDS； 数值模拟
1 当前存在的问题
在一些人员密集，通风状况较差的建筑物内，设计者为了满足通风要求，往往会设置很多大型通风管道，而他们在设置这些通风管道时往往忽视了上部安装的火灾探测器。倘若通风管道的体积过于庞大，或设置位置与火灾探测器过于接近，都可能会对火场烟气的流动蔓延和探测点温度的上升产生一定的影响[2]。
2 火灾烟气的数值模拟
2.1 模拟软件介绍
FDS模拟软件是由美国国家标准局建筑火灾研究实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件，该软件采用先进的大涡流模拟技术，在时间和空间的预测上具有二阶精度，得到众多实例的验证，在建筑结构和火灾安全工程领域应用十分广泛 [3]。
2.2 模拟模型的建立
在每部分模拟中，只对障碍物进行相关的数值变化，以保证模拟输出数值的可对比性，但空间结构的定义、网格的划分、模拟时间的设定、燃烧物和点火源的确定、以及描述的取值点都是不变的。
2.2.1 设置模拟的空间结构
模拟空间一个长为20米，宽为2米，高3米的狭长走廊，走廊表面为不燃烧的混凝土材料，并且在走廊的右端开一宽1.6米，高2.2米的通风口，用来描述实际过程中开启的走廊门。描述语句为：
&PDIM XBAR=20,YBAR=2,ZBAR=3 /
&MISC SURF_DEFAULT='CONCRETE'/
&VENT XB=20,20,0.2,1.8,0,2.2,SURF_ID='OPEN'/
2.2.2 定义栅格单元尺寸
栅格尺寸的设定是FDS计算过程中的一个重要环节。当栅格设置适当时，不但能提高计算结果的精确度，而且能缩短计算时间，提高计算效率，达到事半功倍的目的[4]。本模型选用的长、宽和高方向的网格数量分别为200、20、30，网格尺寸为0.1m，如图2.1所示。
图2.1 模拟空间栅格划分示意图
2.2.3 模拟时间的设定
本文中综合考虑在尽量减小模拟时间的同时又达到预期的温度值，最终确定感温探测模拟的时间为500秒，用语句&TIME TWFIN=500来描述。
2.2.4 燃烧物以及火源的确定
本文中考虑到感温探测的主要影响因素为火场温度，故在进行燃烧物和火源设定时，设置了特定的燃烧物和火源，下面对这种设定进行说明：
图2.2 感温火灾探测模拟燃烧物燃烧示意图
当着火建筑物内的温度达到报警温度阈值时感温火灾探测就会报警，故在此类火灾探测系统中，温度是主导因素。本文中引用FDS燃料数据库里的UPHOLSTERY作为燃烧物，其组成为100%的涤纶，易于燃烧，且发热量较大，能较好的反映地毯火灾实际延烧过程，如图2.2所示。
另外，在地毯的正中间描述一个点火源，名称为FIRE，热释放率为500kW/m2。程序中将其描述为：
&SURF ID='FIRE'，HRRPUA=500/
2.2.5 描述取值点
图2.3 探测点设置位置示意图
本模型设置了一个温度数据提取点，在沿X轴距离原点10米中点上,如图2.3所示。编程语句分别描述为：
&THCP XYZ=10,1,2.9,QUANTITY='temperature'/温度提取点
2.3 模拟变量的取值和模拟次数的确定
本文从无梁和有粱两种情况分别研究通风管道对于感温火灾探测的影响。
2.3.1 无梁情况下变量取值
图2.4 无梁情况下空间模型示意图
本文中选取的通风管道为建筑实例中最常用的矩形管道，将其安装在走廊上部中央位置，如图2.4所示。参照通风管道设计手册，本文中选取的不同规格的通风管道如表2.1所示。
表2.1 无粱有通风管道的情况下，梁和通风管道的变量取值 mm
以上分析的是在无梁情况下，不同规格通风管道的取值。那么在实际模拟的过程中，为了研究通风管道对火灾探测的影响，还需要引进一个参照量，本文中将它描述为无梁情况下，不设通风管道的情形，如图2.5所示。
图2.5 无梁情况下参照量示意图
无梁情况下模拟的次数为：无梁情况下的火灾模拟次数=不同规格通风管道模拟12次+无通风管道模拟1次，总共13次。
2.3.2 有梁情况下变量取值
图2.6有梁情况下空间模型示意图
本文中取了三种不同规格的梁，梁高分别为200mm，400mm，600mm。这样选取梁高是因为规范中指出：感烟火灾探测器的安装在梁高不大于200mm时，可以忽略梁的影响；当梁高大于600mm时，必须考虑梁高的影响，故选200mm、600mm两个临界值和400mm这个中间值，来比较分析在不忽略梁影响的情况下通风管道对于火灾探测的影响。为了不使模拟的次数过于庞大，在有粱的情况下本文中不再考虑通风管道高度的影响（在做无梁情况下通风管道对于火灾探测的影响模拟时，发现通风管道的高度对于火灾探测的影响不大）。具体的变量组合如表2.2所示：
表2.2有粱有通风管道的情况下，梁和通风管道的变量取值 mm
以上分析的是在不同梁高的情况下，不同规格通风管道的取值。那么在实际模拟的过程中，为了研究在有粱情况下通风管道对火灾探测的影响，还需要引进三个参照量，本文中将它描述为有梁情况下，不设通风管道的情形：分别为梁高200mm，无通风管道；粱高400mm，无通风管道；梁高600mm，无通风管道，如图2.7～2.9所示。
图2.9梁高600mm时，模拟模型空间示意图
有梁情况下模拟的次数为：有梁情况下的火灾模拟次数＝不同梁高不同通风管道尺寸模拟12次＋不同梁高无通风管道模拟3次，总共15次。
综合有梁和无梁两种情况所述，火灾探测模拟的次数为28次。
3 模拟数据对比分析
3.1无梁情况下通风管道对感温探测的影响
在无梁情况下进行火灾模拟。
3.1.1通风管道的宽度变化对感温探测的影响
图3.1到图3.3是通风管道的高度分别为300mm、400mm、500mm时，无通风管道和四种不同宽度（500 mm、600 mm、800mm、1000mm）的通风管道设置情况下，探测点的温度随时间变化的曲线。
图3.3 高度为500mm时，无通风管道以及四种不同宽度的通风管道情况下，测试点温度随时间变化示意图
图例说明：
系列1表示在无梁情况下无通风管道时，探测点温度随时间的变化，
系列2表示在无梁情况下通风管道宽度为500mm时，探测点温度随时间的变化，
系列3表示在无梁情况下通风管道宽度为600mm时，探测点温度随时间的变化，
系列4表示在无梁情况下通风管道宽度为800mm时，探测点温度随时间的变化，
系列5表示在无梁情况下通风管道宽度为1000mm时，探测点温度随时间的变化。
3.1.2 通风管道的高度变化对感温探测的影响
图3.4到图3.7分别是通风管道的宽度分别为500mm、600mm、800mm和1000mm时，无通风管道和三种不同高度（300mm、400 mm、500 mm）的通风管道设置情况下，探测点的温度随时间变化的曲线。
图3.6 宽度为800mm时，无通风管道以及三种不同高度的通风管道情况下，测试点温度随时间变化示意图
图3.7 宽度为1000mm时，无通风管道以及三种不同高度的通风管道情况下，测试点温度随时间变化示意图
图例说明：
系列1表示在无梁情况下无通风管道时，探测点温度随时间的变化，
系列2表示在无梁情况下通风管道高度为300mm时，探测点温度随时间的变化，
系列3表示在无梁情况下通风管道高度为400mm时，探测点温度随时间的变化，
系列4表示在无梁情况下通风管道高度为500mm时，探测点温度随时间的变化。
3.2 有梁情况下通风管道对感温探测的影响
在有梁的情况下进行火灾模拟，梁的高度分别为200mm、400mm和600mm。
从3.1.2中的分析结果可以得出，无梁情况下通风管道的高度对于温度变化的影响并不是特别大，因此在本节中，对于有梁情况下通风管道对感温探测的影响中，只对通风管道的宽度对于感温探测的影响做了探讨。
图3.10 粱高600mm，高度为300mm时，无通风管道以及三种不同高度的通风管道情况下，测试点温度随时间变化示意图
图例说明：
系列1表示在有梁情况下无通风管道时，探测点温度随时间的变化。
系列2表示在有梁情况下通风管道宽度为300mm时，探测点温度随时间的变化，
系列3表示在有梁情况下通风管道宽度为600mm时，探测点温度随时间的变化，
系列4表示在有梁情况下通风管道宽度为800mm时，探测点温度随时间的变化，
系列5表示在有梁情况下通风管道宽度为1000mm时，探测点温度随时间的变化。
4 结论与建议
本文中利用FDS模拟软件，对感温火灾探测类型进行火灾模拟，利用数值模拟得到的相关数据，分析了无梁情况下不同通风管道宽度和高度以及有梁情况下不同通风管道宽度对于探测点温度的影响规律。
4.1本文的主要结论
通过对相关数据的分析与讨论，得到下面的结论:
（1）无论在有梁还是在无粱的情况下，通风管道的设置都会对感温探测点的温度产生阻滞作用。
（2）在无梁情况下，当通风管道的高度较小（如300mm）时，通风管道对感温探测点温度的滞后随着通风管道的宽度增加而增加。当通风管道的高度较大（如400mm或500mm）时，介于中间宽度（如800mm）的通风管道与其他宽度的通风管道相比，对感温探测点的温度滞后最大。
（3）在有梁情况下，梁高越高，通风管道的宽度对于感温探测点的温度的影响减小。
（4）随着通风管道宽度的增加，通风管道的高度对感温探测点温度的影响减小。但是，总的来说，在同一通风管道宽度下，通风管道的高度对温度变化的影响不大。
4.2 相关的建议
通过本文中进行模拟和数据分析，可以看出通风管道的设置对于火灾探测会产生一定的影响，在进行点型火灾探测器的安装和布置时，应该要考虑到通风管道的具体情况进行布置，需要在以下几个方面加以注意：
（1）工程设计人员在设置感温探测器时，应尽量不要安装在通风管道的上方，特别要避免安装在宽度介于中间规格的通风管道之上。一般说来，通风管道的宽度越宽，对火灾探测的影响越大。
（2）工程设计人员在设置感温探测器时，只要考虑通风管道的宽度对火灾探测的影响，不需要考虑通风管道的高度对火灾探测的影响。
（3）工程设计人员如果不能避免的要将感温探测器设置在通风管道之上时，应该选择有利于烟气积聚的障碍物分割空间作为探测器的次佳安装点。特别是那些有裸露梁的狭长走廊在安装探测器时，应该将探测器安装在较高梁形成的储烟空间里。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部.火灾自动报警系统设计规范GB 50116 -2013[S]. 北京:中国计划出版社,2013.
[2]伍作鹏.消防燃烧学.中国建筑工业出版社,1994.
[3]Kevin McGrattan, Bryan Klein, Simo Hostikka, Jason Floyd Dynamics Simulator（Version 5）User’s Guide[M], NIST Special Publication 1019-5 2007.
[4]J. Y. Richard Liew, M. ASCE, L.K.Tang, and Y. S. Choo, M. ASCE. Advanced analysis for performance-based design of steel structures exposed to fires[J]. Joural of Structural Engineer-ing, 2002, 9:1584-1592.
论文作者:谭双源
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：通风管道论文; 情况下论文; 火灾论文; 温度论文; 宽度论文; 高度论文; 感温论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;