考虑不同燃烧产物产率的复合功能体育馆烟气蔓延模拟分析
时间：2023-06-30 22:35:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李莹辉，潘海迅，崔家春
（1.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002;2.上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）
在性能化消防分析中，可用安全疏散时间ASET 指火灾从开始发展到威胁人员安全所经历的时间，主要通过火场温度、能见度、CO 浓度等指标的阈值来判定[1]。能见度主要由烟气的浓度、刺激性、物体及背景的亮度等因素决定。在火灾烟气模拟中，影响温度、烟气浓度、CO 浓度的主要因素是火灾规模大小以及可燃物的烟气产率ys、CO 产率yco[2]。在消防性能化分析中，火灾规模的大小（热释放速率）一般有规范依据[3-4]，而可燃物的烟气产率、CO 产率没有规范参考，很大程度上依赖于分析人员的工程背景和主观判断。
体育馆的复合化设计是以一种或几种竞技体育设施为主体，集成功能相关、以经营创收为主要目的的多种附属设施，形成能满足除比赛以外的文艺演出、会展、健身、娱乐等多种需要的功能复合体[5]。当体育馆具有复合功能时，其可燃物的种类就相应增加，不同使用功能下的火荷载也有一定差别。以某复合功能体育馆为例，在FDS 的烟气蔓延模拟计算中考虑了不同使用功能下的火灾规模、燃烧产物产率的不同，并通过定量分析可燃物的烟气产率、CO 产率对ASET 的影响。为提高消防性能化分析的可靠性及复合型体育馆的烟气蔓延分析提供参考。
2.1 火灾位置与规模
以某复合功能体育馆为研究对象，该体育馆平面尺寸108 m×126 m，主场馆空间高度23.4 m。综合分析复合功能体育馆的布局特点和其内可燃物品的类型及堆放场所，本文主要确定了3 个火源点，即比赛场地中心、演唱会时的舞台、三层看台区，位置如图1 中的A、B、C 所示。
图1 火源点位置
参考DG J08-88—2021《建筑防烟排烟系统设计标准》[3]中关于室内净高大于8 m 的公共场所火灾规模的规定，设定比赛场地火源A 的火灾热释放速率为8 MW。参考DG J08-88—2021《建筑防烟排烟系统设计标准》中关于商店、展览的火灾规模的规定，设定舞台火源B 的火灾热释放速率为10 MW。参考NFPA92B Standard for Smoke Management Syste ms in Malls,Atria,and Large Spaces 中座椅的火灾测试数据，看台火源C 火灾规模取3MW，相当于18 把座椅同时燃烧。
假设火灾增长模型均为t2火灾，考虑舞台的可燃物包括幕布、轻质道具、灯光设备等易燃物且分布较连续、集中，保守的将舞台火灾设计为超快速火，火灾增长因子为0.178，比赛场地和看台的火灾设计为快速火，火灾增长因子为0.044[3]。基于该体育场的防排烟设计，场馆上方均匀分布8 个机械排烟口，总排烟量为360 000 m3/h。
2.2 可燃物的燃烧产物产率
The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering（3rd edition）[6]提供了若干材料在通风良好时的CO 产率yco和烟气产率ys如表1 所示。体育馆为大空间，可燃物燃烧时氧气充足，可参考通风良好时的燃烧产物产率。楼书含[7]提到篮球场表面材料为丙烯酸聚合物，而有些篮球场可能采用木地板，因此，比赛场地可燃物燃烧产率参考丙烯酸塑料和松木的yco和ys，偏保守的分别取0.01 和0.022。舞台的可燃物燃烧产率参考丙纶、涤纶、尼龙和硅胶的yco和ys，偏保守的分别取0.038和0.091。体育场普通看台的硬质塑料座椅一般由聚乙烯或聚氯乙烯[7]吹塑而成，看台火源可燃物燃烧产率参考聚乙烯和聚氯乙烯的yco和ys，偏保守的分别取0.063 和0.172。
表1 常见材料燃烧产物产率 g/g
3.1 可用安全疏散时间ASET
根据烟气扩散和沉降过程，观众看台离地面位置越高的地方越易受到烟气的影响，因此，最高看台位置的观众的火灾危险性最高，但在紧急疏散时观众并不会在最高看台处逗留很久，反而在疏散口位置会聚集有较多观众排队等待离开。因此，以各疏散口2 m 高度处的烟气温度、能见度和CO 浓度是否到达阈值来确定各区域观众的可用安全疏散时间ASET，温度、能见度和CO 浓度的阈值分别取为60 ℃、10 m 和500 mg/L。
3.1.1 比赛场地火灾
在整个模拟时间内，三层看台疏散口的温度和CO 浓度均未超过相应阈值。三层看台6 个疏散口2 m 高度处的能见度随时间发展如图2 所示。6 个疏散口的能见度在669～762 s相继达到阈值，两边疏散口的能见度降低速率比中间疏散口更快，保守考虑，三层疏散口的ASET 为669 s。二层和底层疏散口比三层疏散口位置低，温度和CO 浓度更低，不影响观众疏散。二层疏散口的能见度最早在958 s 时降低到10 m，底层疏散口的能见度在整个模拟时间内均未降低到10 m。基于能见度的分析结果，二层和底层疏散口的ASET 分别为958 s 和大于1 200 s。
图2 比赛场地火灾下三层看台疏散口能见度变化曲线
3.1.2 舞台火灾
在整个模拟时间内，三层看台疏散口的温度和CO 浓度仍未超过相应阈值。三层看台6 个疏散口2 m 高度处能见度随时间发展如图3 所示。6 个疏散口的能见度在181～230 s 相继达到阈值，与比赛场地火灾一样，两边疏散口的能见度降低速率比中间疏散口更快，保守考虑，三层疏散口的ASET 为181 s。二层和底层疏散口比三层疏散口位置低，温度和CO 浓度更低，不影响观众疏散。二层疏散口的能见度最早在364 s时降低到10 m，底层疏散口的能见度在819 s 时降低到10 m。基于能见度的分析结果，二层和底层疏散口的ASET 分别为364 s 和819 s。
图3 舞台火灾下三层看台疏散口能见度变化曲线
3.1.3 看台火灾
虽然该火灾下燃烧产物的CO 产率和烟气产率较大，但火源功率相对较低，在整个模拟时间内，温度、能见度和CO浓度均未超过相应阈值，该火灾工况下各层疏散口的ASET均大于1 200 s。
3.2 燃烧产物产率的影响
为研究不同燃烧产物产率对可用安全疏散时间ASET 的影响，参考表1 中所列常见材料燃烧产物的产率，假设演出舞台火灾的可燃物烟气产率ys分别为0.015 g/g、0.022 g/g、0.060 g/g、0.091 g/g 和0.172 g/g，CO 产率yco分别为0.005 g/g、0.01 g/g、0.024 g/g、0.038 g/g、0.063 g/g，分别计算各工况下的烟气蔓延及可用安全疏散时间。
燃烧产物产率取值不同时，舞台火灾下各层最不利疏散口的烟气能见度和CO 浓度随时间变化如图4～图6 所示。可以看出，烟气产率ys取值不同对各层疏散口能见度计算结果的影响均较大，且ys越大，能见度的下降速率越大，能见度下降到阈值的时间也越早。CO 产率yco取值不同对各层疏散口CO 浓度计算结果的影响均较大，且yco越大，CO浓度的增长速率越大。针对本文所研究的复合功能体育馆，CO 浓度均未达到阈值，因此，yco不影响本体育馆的可用安全疏散时间。
图4 三层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线
图5 二层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线
图6 一层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线
三层疏散口分别在600 s、800 s、1 000 s 和1 200 s 时的烟气能见度和CO 浓度随燃烧产物产率的变化如图7 所示，不同时刻的烟气能见度均随ys的增加而降低，能见度降低的幅度在ys值较低时更为明显。不同时刻CO 浓度均随yco的增加而增加，且CO 浓度增加的幅度在yco值较大时更为明显。
图7 燃烧产物产率对能见度、CO浓度的影响
各层疏散口可用安全疏散时间ASET 随烟气产率ys的变化如图8 所示，当ys从0.015 g/g 增加至0.172 g/g 时，三层疏散口的ASET 从699 s 减少至174 s，二层疏散口的ASET 从1 096 s 减少至360 s，首层疏散口的ASET 从大于1 200 s 减少至805 s。各层疏散口的ASET 随ys增加而减小的幅度随着ys的增加而降低。而当ys从0.091 g/g 增加至0.172 g/g 时，各层疏散口的ASET 仅减小了不到10 s。
图8 各层疏散口的ASET
通过对某复合功能体育馆不同火灾工况下的FDS 烟气蔓延模拟，考虑了不同燃烧产物的产率对烟气蔓延的影响，通过参数分析得到了不同火灾工况及不同燃烧产物下的可用安全疏散时间。结论如下：
1）对于大空间的复合功能体育馆建筑，不同火灾工况下，在整个烟气模拟过程中烟气温度和CO 浓度均未超过阈值，因此，对于疏散安全影响不大，而烟气能见度是决定可用安全疏散时间的主要因素。
2）对于本文研究的复合功能体育馆，舞台火灾引起的烟气蔓延对人员疏散的影响最大，三层、二层和首层疏散口的可用安全疏散时间ASET 分别为181 s、364 s 和819 s；
比赛场地火灾时三层、二层和首层疏散口的ASET 分别为669 s、958 s 和大于1 200 s；
看台火灾时各层疏散口的ASET 均大于1 200 s。
3）可燃物的燃烧产物产率对烟气蔓延模拟结果有较大影响。烟气能见度均随烟气产率ys的增加而降低，能见度降低的幅度在ys值较低时更为明显。CO 浓度均随CO 产率yco的增加而增加，且CO 浓度增加的幅度在yco值较大时更为明显。各层疏散口可用安全时间ASET 随ys的增加而减小，幅度随着ys的增加而降低。
4）对于大空间的复合功能体育馆，烟气产率ys对可用安全疏散时间ASET 的影响较大，消防性能化分析时建议针对不同可燃物类型设置不同的燃烧产物产率，当对火灾可燃物的燃烧特性不明确时，建议ys保守的取不小于0.09的值。
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