通透性吊顶内上下喷式喷头设计有效性数值化验证.doc

通透性吊顶内上下喷式喷头设计有效性数值化验证李厚强（徐州市消防支队，江苏 徐州 221000）摘要：针对目前设有通透性吊顶的商场市场中大量使用的上下喷式喷头设计形式，采用了计算机数值模拟方法，建立实验模型，利用FDS 5.5(Fire Dynamics Simulator)软件对自动喷水灭火系统中上下喷式喷头设计的有效性进行了验证。研究发现在上下喷式喷头设计中，下层喷头的启动具有明显的条件限制，设置的下层喷头不能弥补通透性吊顶对降低直立型喷头布水范围、布水均匀性和喷水强度的影响，这种设计形式灭火成效不明显，不经济。关键字：通透性吊顶； 火灾数值模拟； 自动喷水灭火系统； 上下喷式喷头设计1引言随着建筑装修设计的多元化和个性化，建筑吊顶的设计形式也千变万化，为了营造不同的购物环境，目前在大型商场、市场建筑内大量采用网格吊顶、格栅吊顶等通透性吊顶，也叫悬空式1吊顶，如图1。然而，在自动喷水灭火系统中除开式系统外，所有闭式自动喷水灭火系统中的闭式喷头的安装均受到吊顶形式的影响，常规做法是采用实体面板的吊顶场所一般采用下垂型、吊顶型喷头（即齐平式、嵌入式和隐蔽式喷头），采用通透性吊顶的场所一般采用直立型喷头2。但是由于国家相关规范均未明确通透性吊顶的格栅板、网格条等材料的宽高以及孔洞和空隙的大小尺寸，一些通透性吊顶严重影响了直立型喷头的喷水强度和灭火效率，根据高兵等进行的格栅类通透性吊顶对自动喷水灭火系统水量分布影响的实验研究可以看出，格栅会改变洒水喷头的水量分布的均匀性，进而影响其灭火效果3。同时，一般商场、市场建筑的吊顶内均布置有大量的空调风管、水管、电缆桥架等障碍物，也严重影响喷头的布局和灭火效果，虽然自动喷水灭火系统设计规范GB50084-2001（2005年版）第5.0.3条规定：“装设网格、栅板类通透性吊顶的场所，系统的喷水强度应按本规范表5.0.1规定值的1.3倍确定。”，但是仍有很多通透性吊顶即使喷水强度提高1.3倍，由于吊顶内障碍物较多、格栅板较大、网格眼较小等因素，仍然无法满足灭火需要，为此，有的设计人员采用了一种直立型和下垂型喷头联用设计形式（即上下喷式喷头设计形式），如图2。这种设计看似在吊顶平面又增设了一层下垂型喷头，弥补了栅板、网格等障碍物对吊顶内直立型喷头洒水分布均匀性和喷水强度的影响，但是下层喷头能否启动或者何时启动均不得而知，为此需要做进一步验证。图1 通透性吊顶实例图2 上下喷式喷头设计形式示意图2实验模型最好的喷头设计形式有效性验证方法是进行全尺寸实体火灾实验，试验所取得的数据最为可信，但是火灾实验各项准备工作较为复杂，周期长，需要较多的经济投入。而采用计算机数值模拟方法与试验研究相比，具有可靠性高、代价低、周期短、信息全的优点，已受到广泛重视。本文采用美国标准技术研究局（NIST）开发的 FDS 5.5(Fire Dynamics Simulator)软件建立实验模型进行模拟。2.1实验模型参数对于通透性吊顶应用比较广泛的商场、市场建筑来讲，这类建筑的柱距一般为89 m，层高一般为3.94.5 m，吊顶高度一般为3.03.3 m，楼板厚度约为100 mm，板下梁高度和宽度一般为550650 mm和250300 mm。本文实验模型取商场最常见做法，建筑层高为4.2 m，柱距为8.0 m8.0 m，柱截面取600 mm600 mm，楼板厚取100mm，梁高度和宽取0.7 m0.3 m，吊顶高度为3.0 m，吊顶的格栅为U形钢制格栅，宽高尺寸为5cm10cm，格栅间距为15cm。模拟面积为商场中一个柱距大小取70.56 m2，周边设为敞开空间。上下喷头选用标准直立型喷头和下垂型喷头，即ZSTZ1568和ZSTX1568，直立或下垂安装，公称口径为 15mm，公称动作温度为68 的闭式喷头，喷头流量系数K=80，响应时间指数RTI=150（ms）0.5，喷头传导系数C取 1.0（m/s）0.5 的喷头，指定喷头流量为80 L/min。喷头的布置如图3。 图3 模型中喷头布置示意图3火灾场景和设计火灾3.1火灾场景为了验证火灾发生时，格栅吊顶对喷头灭火效率的影响以及上下喷头设计能否有效启动，本文设定了五个火灾场景，见表1。表1 火灾场景设计火灾场景火源位置场景条件一火源中心位于喷头的正下方喷头布置采用常规设计，选取直立型喷头，模拟区不设吊顶二火源中心位于喷头的正下方喷头布置采用常规设计，选取直立型喷头，模拟区设格栅吊顶三火源中心位于喷头的正下方，喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶四火源中心位于四个喷头中心位置，喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶五火源中心位于沿着由3到5方向偏离1.1 m的位置喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶。3.2设计火灾根据相关研究，商场市场内火灾初期的发展基本可以表述为t2火灾模型，即Q=at2，式中Q为火源热释放速率，kW；a为火灾发展系数，；t为火灾发展时间，s。根据民用建筑防排烟技术规程DGJ08-88-2000中第4.2.1条可知，设有喷淋的商场最大热释放速率一般取为5 MW，商场市场的火灾一般按照快速火考虑，即a火灾发展系数取为0.04689 kW/s2，根据相关文献5，商场市场每平米最大热释放速率为500 kW/m2，即HRR达到5WM时火源面积为10 m2，所需时间为326.5s，因此本文取火灾模拟时间为400 s。3.3网格划分及边界条件鉴于计算机计算能力的限制，模拟区域内采用了多重网格，设定吊顶区采用0.05m0.05m0.05m网格，顶部和下部采用0.2m0.2m0.2m网格，总网格数为235200 个。由于大型商场市场的防火分区较大，因此模拟区域四周边界均设为open，室内的初始风速为0m/s，初始温度为20。4模拟结果和分析4.1格栅吊顶对喷头喷水效率的影响火灾场景一：由图4可知5号喷头在156.8s启动喷水，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则1号喷头在355.2s启动喷水，见图5，直到400s时，其他喷头均未动作。图4 无吊顶喷头在t=156.8s启动喷水 图5 无吊顶1号喷头在t=355.2s喷水图6 带格栅吊顶喷头在t=163.2s启动喷水 图7 带格栅吊顶2号喷头在t=344.0s喷水火灾场景二：由图6可知5号喷头在163.2s启动喷水。假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则2号喷头在344.0s启动喷水，8号喷头363.6s启动喷水，4号喷头383.6s启动喷水。在400.0s内其他喷头未启动。在火灾场景一和二中，分别取t=199.2s时Z=1 m的切片，见图8和图9。图中可以看出，格栅吊顶明显降低了喷头的布水范围、布水均匀度和强度，且在垂直格栅方向影响最大。图8 带格栅吊顶的Z=1m的切片 图9 无吊顶的Z=1m的切片由图4和图6可以看出，设置金属格栅吊顶的喷头的启动喷水时间比不设吊顶时喷头启动喷水滞后6.4s。究其原因应该是格栅吊顶影响了烟羽流的流动路径，烟羽流在上升过程中被格栅吊顶阻挡，部分在格栅处水平扩散。随着烟羽流的不断上升，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，在400s的实验时间内，出现了场景二开启第二个喷头的时间比场景一短，且开启的喷头总数比场景一多了2个现象。这主要是因为格栅吊顶降低了水雾对高温烟羽流的冷却范围和延缓了顶部烟气向室外扩散的速度。 4.2上下喷式设计喷头的启动情况火灾场景三：喷头采用上下喷式喷头设计，模拟开始后，下层5号喷头在140s启动，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则上层5号喷头在301.6s启动。在400s的模拟时间内，其他喷头均未动作，且其他喷头的温度均为超过60。上下层十八只喷头的温度变化曲线见图10。图10 场景三上下层十八只喷头温度变化曲线图11 场景三吊顶处5号喷头开启 图12 场景三顶板下5号喷头开启比较图11和图5发现，火源中心位于喷头的正下方时，其他模拟条件相同的条件下，喷头的安装高度对喷头开启时间影响较大，随着喷头与火源距离的减小，高温烟气对喷头的热对流、热传导均相对变快，热辐射也明显变强，喷头开启时间明显提前。灾场景四：火源中心位于四个喷头中心位置，模拟开始后，2号喷头在232.0s启动，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则6号喷头在241.6s启动，3号喷头243.2s启动，5号喷头244.8s启动；在394.2s时上层所有喷头全部启动，见图13。图13 上层不同位置喷头不同时间启动喷水模拟效果在模拟的400s时间内，下层九只喷头由于上层喷头喷水的冷却作用而没有一个启动。上下层十八只喷头的温度变化曲线见图14。图14 场景四上下层十八只喷头温度变化曲线火灾场景五：火源中心在四个喷头中心偏左位置，模拟开始后，5号喷头在194.80s启动，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则2号喷头在270.4s启动，6号喷头281.6s启动，3号喷头293.6s启动；在397.6s时除4号和8号喷头外其他全部启动。启动效果见图15。由图16可见，在模拟的400s时间内，除5外，下层八只喷头由于上层喷头喷水的冷却作用而没有一个启动。由下层5号喷头温度变化曲线可知，上层5号喷头在195.2s动作后，5号喷头的温度在200s时迅速由53降到20，并在2030之间震荡，直到290s时，温度又迅速上升至68，并在328.8s启动喷水。这主要是由于假设了火势未受到抑制，随着火源热释放速率的不断增大，火源面积也不断增大，在290s时，5号喷头的正下方的火焰和烟羽流对其的热作用明显增大，致使5号喷头在328.8s也启动喷水。而其他喷头正下方无火源的下层喷头均没有启动。图15 上层不同位置喷头开始启动和多数启动喷水模拟效果图16 场景五上下层十八只喷头温度变化曲线5结论1、与无吊顶的场所相比，格栅等通透性吊顶会减小吊顶内直立型喷头的保护面积，布水均匀度，明显降低保护区自动喷水灭火系统的喷水强度。2、在通透性吊顶内采用上下喷式喷头布置设计的自动喷水灭火系统，其只有通透性吊顶处的喷头（即下层喷头）正好在起火点正上方时，下层喷头才可以有效启动，其他情况时下层喷头不能启动，下层喷头启动具有明显的条件限制。当起火点不在喷头的正下方时，在火灾持续时间内，随着高温烟气在顶部的不断堆积，上层直立型喷头总是先启动喷水，下层喷头即会被上层喷头的喷水冷却而不能启动，保护区域的喷水强度仍然取决于上层直立型喷头的布置，因此，在通透性吊顶处增设下层喷头是无法弥补格栅等通透性吊顶对降低上层直立型