通透性吊頂內(nèi)上下噴式噴頭設(shè)計有效性數(shù)值化驗證

通透性吊頂內(nèi)上下噴式噴頭設(shè)計有效性數(shù)值化驗證李厚強（徐州市消防支隊，江蘇徐州221000）摘要：針對目前設(shè)有通透性吊頂?shù)纳虉鍪袌鲋写罅渴褂玫纳舷聡娛絿婎^設(shè)計形式，采用了計算機數(shù)值模擬方法，建立實驗?zāi)Ｐ?，利用FDS5.5(FireDynamicsSimulator)軟件對自動噴水滅火系統(tǒng)中上下噴式噴頭設(shè)計的有效性進行了驗證。研究發(fā)現(xiàn)在上下噴式噴頭設(shè)計中，下層噴頭的啟動具有明顯的條件限制，設(shè)置的下層噴頭不能彌補通透性吊頂對降低直立型噴頭布水范圍、布水均勻性和噴水強度的影響，這種設(shè)計形式滅火成效不明顯，不經(jīng)濟。關(guān)鍵字：通透性吊頂；火災(zāi)數(shù)值模擬；自動噴水滅火系統(tǒng)；上下噴式噴頭設(shè)計1引言隨著建筑裝修設(shè)計的多元化和個性化，建筑吊頂?shù)脑O(shè)計形式也千變?nèi)f化，為了營造不同的購物環(huán)境，目前在大型商場、市場建筑內(nèi)大量采用網(wǎng)格吊頂、格柵吊頂?shù)韧ㄍ感缘蹴敚步袘铱帐絒1]吊頂，如圖1。然而，在自動噴水滅火系統(tǒng)中除開式系統(tǒng)外，所有閉式自動噴水滅火系統(tǒng)中的閉式噴頭的安裝均受到吊頂形式的影響，常規(guī)做法是采用實體面板的吊頂場所一般采用下垂型、吊頂型噴頭（即齊平式、嵌入式和隱蔽式噴頭），采用通透性吊頂?shù)膱鏊话悴捎弥绷⑿蛧婎^[2]。但是由于國家相關(guān)規(guī)范均未明確通透性吊頂?shù)母駯虐?、網(wǎng)格條等材料的寬高以及孔洞和空隙的大小尺寸，一些通透性吊頂嚴重影響了直立型噴頭的噴水強度和滅火效率，根據(jù)高兵等進行的格柵類通透性吊頂對自動噴水滅火系統(tǒng)水量分布影響的實驗研究可以看出，格柵會改變?yōu)⑺畤婎^的水量分布的均勻性，進而影響其滅火效果[3]。同時，一般商場、市場建筑的吊頂內(nèi)均布置有大量的空調(diào)風管、水管、電纜橋架等障礙物，也嚴重影響噴頭的布局和滅火效果，雖然《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50084-2001（2005年版）第5.0.3條規(guī)定：“裝設(shè)網(wǎng)格、柵板類通透性吊頂?shù)膱鏊?，系統(tǒng)的噴水強度應(yīng)按本規(guī)范表5.0.1規(guī)定值的1.3倍確定。”，但是仍有很多通透性吊頂即使噴水強度提高1.3倍，由于吊頂內(nèi)障礙物較多、格柵板較大、網(wǎng)格眼較小等因素，仍然無法滿足滅火需要，為此，有的設(shè)計人員采用了一種直立型和下垂型噴頭聯(lián)用設(shè)計形式（即上下噴式噴頭設(shè)計形式），如圖2。這種設(shè)計看似在吊頂平面又增設(shè)了一層下垂型噴頭，彌補了柵板、網(wǎng)格等障礙物對吊頂內(nèi)直立型噴頭灑水分布均勻性和噴水強度的影響，但是下層噴頭能否啟動或者何時啟動均不得而知，為此需要做進一步驗證。圖1通透性吊頂實例圖2上下噴式噴頭設(shè)計形式示意圖2實驗?zāi)Ｐ妥詈玫膰婎^設(shè)計形式有效性驗證方法是進行全尺寸實體火災(zāi)實驗，試驗所取得的數(shù)據(jù)最為可信，但是火災(zāi)實驗各項準備工作較為復(fù)雜，周期長，需要較多的經(jīng)濟投入。而采用計算機數(shù)值模擬方法與試驗研究相比，具有可靠性高、代價低、周期短、信息全的優(yōu)點，已受到廣泛重視。本文采用美國標準技術(shù)研究局（NIST）開發(fā)的FDS5.5(FireDynamicsSimulator)軟件建立實驗?zāi)Ｐ瓦M行模擬。2.1實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)對于通透性吊頂應(yīng)用比較廣泛的商場、市場建筑來講，這類建筑的柱距一般為8~9m，層高一般為3.9~4.5m，吊頂高度一般為3.0~3.3m，樓板厚度約為100mm，板下梁高度和寬度一般為550~650mm和250~300mm。本文實驗?zāi)Ｐ腿∩虉鲎畛Ｒ娮龇ǎㄖ痈邽?.2m，柱距為8.0m×8.0m，柱截面取600mm×600mm，樓板厚取100mm，梁高度和寬取0.7m×0.3m，吊頂高度為3.0m，吊頂?shù)母駯艦閁形鋼制格柵，寬高尺寸為5cm×10cm，格柵間距為15cm。模擬面積為商場中一個柱距大小取70.56m2，周邊設(shè)為敞開空間。上下噴頭選用標準直立型噴頭和下垂型噴頭，即ZSTZ15－68℃和ZSTX15－68℃，直立或下垂安裝，公稱口徑為15mm，公稱動作溫度為68℃的閉式噴頭，噴頭流量系數(shù)K=80，響應(yīng)時間指數(shù)RTI=150（m·s）0.5，噴頭傳導(dǎo)系數(shù)C取1.0（m/s）0.5的噴頭，指定噴頭流量為80L/min。噴頭的布置如圖3。圖3模型中噴頭布置示意圖3火災(zāi)場景和設(shè)計火災(zāi)3.1火災(zāi)場景為了驗證火災(zāi)發(fā)生時，格柵吊頂對噴頭滅火效率的影響以及上下噴頭設(shè)計能否有效啟動，本文設(shè)定了五個火災(zāi)場景，見表1。表1火災(zāi)場景設(shè)計火災(zāi)場景火源位置場景條件一火源中心位于噴頭的正下方噴頭布置采用常規(guī)設(shè)計，選取直立型噴頭，，模擬區(qū)不設(shè)吊頂二火源中心位于噴頭的正下方噴頭布置采用常規(guī)設(shè)計，選取直立型噴頭，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂三火源中心位于噴頭的正下方，噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂四火源中心位于四個噴頭中心位置，噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂五火源中心位于沿著由3到5方向偏離1.1m的位置噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂。3.2設(shè)計火災(zāi)根據(jù)相關(guān)研究，商場市場內(nèi)火災(zāi)初期的發(fā)展基本可以表述為t2火災(zāi)模型，即Q=at2，式中Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，；t為火災(zāi)發(fā)展時間，s。根據(jù)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》DGJ08-88-2000中第4.2.1條可知，設(shè)有噴淋的商場最大熱釋放速率一般取為5MW，商場市場的火災(zāi)一般按照快速火考慮，即a火災(zāi)發(fā)展系數(shù)取為0.04689kW/s2，根據(jù)相關(guān)文獻[5]，商場市場每平米最大熱釋放速率為500kW/m2，即HRR達到5WM時火源面積為10m2，所需時間為326.5s，因此本文取火災(zāi)模擬時間為400s。3.3網(wǎng)格劃分及邊界條件鑒于計算機計算能力的限制，模擬區(qū)域內(nèi)采用了多重網(wǎng)格，設(shè)定吊頂區(qū)采用0.05m×0.05m×0.05m網(wǎng)格，頂部和下部采用0.2m×0.2m×0.2m網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為235200個。由于大型商場市場的防火分區(qū)較大，因此模擬區(qū)域四周邊界均設(shè)為open，室內(nèi)的初始風速為0m/s，初始溫度為20℃。4模擬結(jié)果和分析4.1格柵吊頂對噴頭噴水效率的影響火災(zāi)場景一：由圖4可知5號噴頭在156.8s啟動噴水，假設(shè)火勢未受到抑制，火災(zāi)仍按照t2火災(zāi)發(fā)展，則1號噴頭在355.2s啟動噴水，見圖5，直到400s時，其他噴頭均未動作。圖4無吊頂噴頭在t=156.8s啟動噴水圖5無吊頂1號噴頭在t=355.2s噴水圖6帶格柵吊頂噴頭在t=163.2s啟動噴水圖7帶格柵吊頂2號噴頭在t=344.0s噴水火災(zāi)場景二：由圖6可知5號噴頭在163.2s啟動噴水。假設(shè)火勢未受到抑制，火災(zāi)仍按照t2火災(zāi)發(fā)展，則2號噴頭在344.0s啟動噴水，8號噴頭363.6s啟動噴水，4號噴頭383.6s啟動噴水。在400.0s內(nèi)其他噴頭未啟動。在火災(zāi)場景一和二中，分別取t=199.2s時Z=1m的切片，見圖8和圖9。圖中可以看出，格柵吊頂明顯降低了噴頭的布水范圍、布水均勻度和強度，且在垂直格柵方向影響最大。5號噴頭的溫度在200s時迅速由53℃降到20℃，并在20℃~30℃之間震蕩，直到290s時，溫度又迅速上升至68℃，并在328.8s啟動噴水。這主要是由于假設(shè)了火勢未受到抑制，隨著火源熱釋放速率的不斷增大，火源面積也不斷增大，在290s時，5’號噴頭的正下方的火焰和煙羽流對其的熱作用明顯增大，致使5號噴頭在328.8s也啟動噴水。而其他噴頭正下方無火源的下層噴頭均沒有啟動。圖15上層不同位置噴頭開始啟動和多數(shù)啟動噴水模擬效果圖16場景五上下層十八只噴頭溫度變化曲線5結(jié)論1、與無吊頂?shù)膱鏊啾?，格柵等通透性吊頂會減小吊頂內(nèi)直立型噴頭的保護面積，布水均勻度，明顯降低保護區(qū)自動噴水滅火系統(tǒng)的噴水強度。2、在通透性吊頂內(nèi)采用上下噴式噴頭布置設(shè)計的自動噴水滅火系統(tǒng)，其只有通透性吊頂處的噴頭（即下層噴頭）正好在起火點正上方時，下層噴頭才可以有效啟動，其他情況時下層噴頭不能啟動，下層噴頭啟動具有明顯的條件限制。當起火點不在噴頭的正下方時，在火災(zāi)持續(xù)時間內(nèi)，隨著高溫煙氣在頂部的不斷堆積，上層直立型噴頭總是先啟動噴水，下層噴頭即會被上層噴頭的噴水冷卻而不能啟動，保護區(qū)域的噴水強度仍然取決于上層直立型噴頭的布置，因此，在通透性吊頂處增設(shè)下層噴頭是無法彌補格柵等通透性吊頂對降低上層直立型噴頭噴水強度的狀況，這種上下噴式噴頭布置的設(shè)計形式滅火成效不明顯，不經(jīng)濟。參考文獻：[1]周鐵軍,熊洪俊.現(xiàn)代建筑室內(nèi)裝修的藝術(shù)