工业仓库的排烟和消防安全 2.doc

工业仓库的排烟和消防安全 能源与环境学院 赵淘 312010080704205 摘要 本文的目的是证明一个解决方案的可行性，它就是为在工业仓库里工作的人们提供足够的安全保障，重点就是一个工业仓库的排烟系统性能的评价和出口分布情况。同时使用简单的计算和计算机建模技术来完成可用安全疏散时间和必须安全疏散时间的定量分析。这项研究包括灵敏度分析，以探讨在设计火灾中多个火灾场景的变化，通风条件和出口的数量。 在一个有适当大小屋脊通风口的工业仓库内，用计算机模拟火灾增长和烟雾扩散可以揭露一些令人关注的烟运动模式。我们探讨了确定可维持在通风良好的挑高空间的过程。这个研究的结果证明了对既定准则可替代方案的可接受性。还探讨了建模技术的局限和未来的研究方向。 关键词 评估 性能 烟囱效应 可持续 Smoke venting and fire safety in an industrial warehouse By Zhao Tao Abstract The intention of this paper is to demonstrate the feasibility of a performance-based solution for providing adequate life safety levels for the occupants of an industrial warehouse. Focus was given to the evaluation of the performance of a smoke venting system and the exit distribution in an industrial warehouse. Quantitative analyses of the available safe egress time and the required safe egress time were carried out using both a simple calculation and a computer modelling technique.The study included a sensitivity analysis to investigate multiple fire scenarios involving variations in design fires,ventilation conditions and number of exits. Computer simulations of fire growth and smoke spread in a large warehouse with a proportionally large ridge vent revealed somewhat interesting smoke movement patterns. The procedure for determining tenability in a well-ventilated high ceiling space is discussed. The result of the study demonstrated the acceptability of the alternative design solution against the established criterion. The limitations of the modelling technique and future research topics are also discussed. Keywords Assessment, Performance, Chimney effect, TenabilityXihua University School of energy and environment,Chengdu Sichuan Province Jinniu District Tu Qiao Jin ZhouRoad No. 9990 引言在1988年，中华人民共和国公安部和建设部制定了建筑消防安全设计国标(GBJ16-87),它是在中国建筑消防安全设计的标准。在过去的数年中, 它做出了重大的贡献对于消防工程和建筑行业，保证建筑工程的质量，还有生命和财产安全。无论怎样，它正面领着越来越多的来自建筑行业的改变。GBJ16-87 本质上是一个规范的代码。它缺乏灵活性，并将重点放在单个组件的防火安全要求的规格上而不是整个消防系统的性能。因此，在某些情况下，为了遵守GBJ16-87，建筑在高成本下被建设。还有，指令性的建筑规范严格限制建筑设计。针对眼前的情况和建筑行业的要求，在1992年，中华人民共和国公安部和建设部颁布了一项对于GBJ16-87修正案。它是表示在这个修正案下，假如在建筑设计上有特殊要求或者在遵守GBJ16-87上有些许困难，基于专家组的评估可以给与特殊的考虑。这个修正案迈了一小步对与性能化建筑，虽然具体的性能化要求有待进一步发展。平行于规定的建筑规范的监管修正案，一般性论述和关于研究的讨论文章，性能化防火规范的发展和工程设计正亮相在中国建筑工程文学上，并且登上了国际论坛。这些研究从战略的角度强调在中国建筑规范改革的需求和消防安全工程实践指导方针的发展。 在本研究中，重点是通过对一个特定工程问题的分析来证明，工程解决方案作为规定设计的备选方案可以实现预定消防安全目标的某些方面。我们做了一个评估关于在工业厂房里的消防安全系统的性能，这个厂房的防火设计完全不符合建筑规范设计GBJ16-87。这个研究采取的方法符合澳大利亚的“消防工程设计指南”里的建议的。在本文中具体案例描述是从一个工业设计中提取的，但没有真实的反应初始的设计。它仅仅是一个例子为了讨论的目的。我们希望这个讨论的结果能有一个普遍的应用在基于性能的工程设计方面。1 研究的目的和评价的方法在本文中研究的工业厂房是在完全没有符合建筑规范GBJ16-87的情况被建设，尤其是仓库内的出口距离超过了建规的要求。仓库的设计用一个大屋脊通风口代替机械排烟系统。设计中另一个分配就是移除了自动喷水灭火系统。有关建筑特点的总体描述在2.1部分给出。接下来出现的问题就是这样的设计是否能提供足够的消防安全水平对使用这个建筑的人。当前研究的目的就是评估仓库的消防安全系统设计的性能中成问题的关于保护仓库使用者和仓库里人员的生命安全。的确，消防安全工程设计的目的覆盖设计广泛的问题，比如财产和环境保护。无论如何，我们不打算这个研究中去展现一个完整的满足建筑规范各个方面的设计。相反，焦点集中在建筑内人们的生命安全的保护在有火灾危险的情况下。我们进行了分析根据由消防规范改革中心出版的消防工程指南里明确的方法7。在这个研究中，由于涉及了很多个火灾隐患子项，所以我们认为系统性能评价方法是合适的对于建筑的火灾安全特性的分析。在这个方法中，我们采用了一个时间表的方法，我们将假使建筑里的火灾发展到人承受不了的时间（可用疏散时间ASET）和人们疏散所必需的疏散时间（必需疏散时间RSET）进行了比较。后面的这个包括探测时间，响应和预动时间，还有行走时间。这个分析的可接受准则为了有足够的保证可用疏散时间必须大于必需疏散时间，也就是： ASERRSET (1)在火灾紧急情况下仓库内人员的生命安全问题本质就是烟和热量通风以及人员疏散的问题。NFPA204 8提供的指导意见关于烟和热通风的计算。在防火工程师协会手册中可以找见一些评价人员在在火灾中的行为的方法，不管怎么样，这些指导意见和方法被限制应用在简单的几合模型和火灾情形下。讨论中的与厂房有关火灾场景将要涉及火灾传播，外风和多个出口的人员疏散。在论文中我们用计算机模型模拟火灾增长，烟气运动和人员疏散的过程来评价ASET和RSET。在确定在仓库里承受不了的起点时，因ASET的值，我们采用了下面的一些标准7。1）当边界层距离地板的高度下降到2.1m内时，上面烟气层的温度超过100，或者光密度超过m;2）在头高的地方（2.1m）集聚的一氧化碳气体浓度远超过最低的15000ppm;3）在火灾中的辐射热通量远大于2.5kw/(MW); 在本研究中保守的选择假设和选择参数是对与分析和模型计算根本的标准。更具体的说，在估计ASET时，所做的假设和选择的参数要使得小于期望的数值。相反的，那个使得有较长RSET的假设和参数是我们所希望看到的。2 仓库特性2.1 仓库总体描述这个仓库是一个橡胶轮胎制造工厂的部分，在包装和运输之前轮胎被临时的储存。这个单层的储存仓库有240米长和192米宽。它有一个4斜屋顶，总楼面面积为46080。仓库的基本结构就是钢框架与波纹板墙壁和屋顶，这个钢框架有一小时的耐火极限3。在仓库里有一个屋脊通风口，它的大小是240米厂和16米宽，并且从地板有16.4米高。沿着仓库墙的东西走向，有六个大的卷帘门，每个卷帘门有4米宽6米高，这些卷帘门保持开着为了给通风设备补充空气。仓库里配备了消防栓，便携式灭火器，烟雾探测器和报警系统。我们假设建筑构件有足够的抗火能力，并且在仓库里的任何火灾的初始阶段不能倒塌，例如三十分钟。根据建筑规范GBJ16-871，这个仓库是乙类建筑，储存在里面的物品属于乙类危险材料。对于这样的建筑，规范GBJ16-87里表3.5.3指定出口距离不能超过80米。不管怎样，仓库现在的设计宽有192米，而且最大出口距离超过了96米。在图1里，阴影区处在仓库消防出口的80米半径之外。因此，一个违反规范的问题就出现了。 图1.仓库的平面图和剖面图（不按比例的）2.2 可燃物荷载和分布为了消防安全工程评估的目的，与仓库相关的危险需要确定。这个仓库的火灾危险主要是由于制造橡胶轮胎的材料，它们具有非常高的燃烧热7。橡胶轮胎被堆在一起，并且轮胎的堆积高度和面积分别被限制在2米和一百平方米。将轮胎放平，一个堆在另一个上面，每堆与相邻的堆要隔开至少1.0米，每个储存桩之间进出通道和储存桩与墙之间的进出通道为2米宽，还有相对于卷帘门主要的进出通道宽要超过3米5。我们将所有可燃物的质量估计为近似有300000kg，可燃物荷载的总热能为9.6xMJ。我们认为主要的点火源来自电故障，由机器和工具偶然产生的火花，并且假定在仓库内存在通过叉车发动或从照明设备降落的火花产生燃烧的可能。3 通过火灾模拟确定ASET3.1 模型应用我们用计算机模型FASTA4来模拟在预先确定的火灾情形下仓库内的物理条件，区域模型像FAST,是相对较简单的但能快速的应用和给出合理的对于隔离结构内的火灾危险的工程评估。不管怎样，由于区域假设的简单化，还有它们可以模拟房间的大小和形状，使得这些模型存在一些缺陷。该工厂仓库是一个非常大的空间，在这里我们可以非均匀分布的烟雾条件。我们看到对于区域模型应用在大空间比如中庭和飞机库的研究在杂志上已有报道。Duong对比了一些在一个超大飞机库（94x54x15m）里4MW和36MW火灾测试结果的预测,他得出这样的结论，对于4MW的火灾，区域模型可以对于烟层厚度和温度给出合适的预报；对于36MW的火灾，他发现FAST过度预报烟气充满速度和温度。这个观察保守地看待FAST预测大空间充满烟气的过程，但就消防安全而言是我们担忧的。为了减少FAST模型在预测大空间仓库时的不确定性，我们运用了多单元的概念。根据这个概念，我们将这个仓库划分为20个小单元或是空间，如图2所示。在图中，虚线表示相邻单元之间想象的界限和相邻空间之间指定的通风口。这区域1-8和13-20的地板面积是相同的且为60x40m，区域9-12的地板面大小是60x16m。由于FAST程序只能用矩形框作为建筑外壳，所以每个单元里倾斜天花板的平均高度是根据模型的规定9。图2b 显示了不同单元的高度。图2 根据模型仓库空间的划分在仓库的屋脊通风口被模拟为两个垂直的通风口（水平流），它是从仓库的一端到另一端。通风口有2m高,作为敏感性研究的部分在火灾模拟中它的大小是变化的（看3.1）。由卷帘门来提供补充空气，它的打开是能够居住的条件。为研究单元尺寸对预测结果的影响，我们模拟一个如图3所示的有30个网格的火灾情形。有人指出能够用FAST程序来模拟的区域或空间的数量限制在30个。图3 根据模型更精细的仓库空间的划分3.2 设计火灾火灾的发展是一个非常复杂现象，在这个过程中燃料荷载的性质和物理够性是两个重要的影响因素。在写这篇文章的时候，作者在文献里没有找到描述新生产轮胎在它们扎堆里火灾增长速率和热释放速率的实验数据4。对于两个独立的轮胎堆，Hansen给出了近似的热释放速率最大值，900-1000kw。在评估轮胎火灾的严重性和储存轮胎仓库抗火要求时，Yung and Mehaffey使用了木等价的方法。他们的方法适合与分析轰然后和稳定期的火灾分析。从生命安全的角度看，在建筑火灾中最重要的时间是第一个10或15分钟，在此期间人员可以安全疏散。因此为了确定可用疏散时间必须要有在仓库里的火灾增长速率。因为缺乏储存轮胎火灾的信息，我们用火表征在仓库里轰然前火灾增长的特性。对于宽泛的火灾，我们用一个二次方程来合理的描述火灾增长 根据增长时间的值，我们将燃烧的火灾分为慢速，中速，快速和超快速，实验数据揭露了超快速火灾（）与塑料燃烧有关，慢速火灾（）与棉或聚酯床垫的燃烧相关8。根据Hansen，一副轮胎的火灾的初始增长速率接近于中速设计火灾。依据我们的判断，轮胎堆的火灾的增长速率也许就在中速和超快速之间。在本研究中，设计火灾的增长速率从快速（）到超快速变化，并且我们对结果进行了研究。图4描述的是不同设计火灾的增长速率。考虑到仓库里有大量的燃料，一个偶然的火灾可能达到最高的热释放速率且为MW，并且将持续数小时或几天。在初始火灾的房间内对于整个最高的热释放速率FAST程序有90MW的限制2。何况这个限制是对房间内最高的热释放速率而不是初始火灾。即使有多个房间通道的或火灾蔓延到其他房间的帮助，这个程序规定的最高热释放速