地下停车库实地全尺寸热烟测试试验研究
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摘 要：对地下停车库进行了全尺寸实地热烟测试试验，研究了火灾发生后地下车库内烟气的蔓延扩散的规律，并对防排烟系统实际排烟效果进行了评估。结果表明，在车库发生火灾后，通风排烟系统能控制烟气有序流动，能⒒鹪植生的有毒烟气控制在2m以上区域，同时风机开启后烟气温度下降很快，为车库内火灾发生初期疏散安全创造了条件。测试结果还为进行大规模火灾模拟分析研究模型的建立、参数的设定等提供了参考数据，从而为地下车库等建筑的防排烟系统优化设计、消防安全等提供更科学合理的数据支撑。
社会经济的发展促进了汽车保有量的快速增长，地下停车库已成为现代建筑，特别是城市公共建筑的必备配置。地下车库一般为地下较封闭的空间，多是单层面积很大的扁平大空间结构，其宽度和进深明显大于其高度，而且与外界的联系主要为通往地面的一两处出入口和楼梯，这类结构建筑的空气流动水平流动速度远低于垂直流动速度[1]，因此排除火灾产生的热量、烟气都十分困难，发生火灾后，空间内温度升高和火灾蔓延速率很快。空气流通条件差又导致燃烧物燃烧不完全从而产生更大量的烟气，且烟气中的有害成分浓度更高、能见度更差[2]，对人员疏散和消防扑救带来困难。据国外大多数火灾案例，火灾中直接由烟雾致死的人员比例约占70%[3]。因此，地下车库是否具有良好的防排烟系统是对人员安全疏散及创造有利灭火条件的关键因素。公共建筑的大型地下车库一般都按规范设置了独立的排烟系统，但这些系统能否在火灾发生后第一时间启动、以及排烟能达到什么样的效果不得而知，因此研究地下车库发生火灾后烟气蔓延机理、验证防排烟系统的实际运转效果有着重要的意义。赵涵玺[4]、翟波[5]等人对地下车库的火灾烟气扩散规律及通风效果进行了数值模拟研究，数值模拟作为一种研究手段，但模拟结果常常受对模拟软件的了解程度以及各参数的设定是否合理的影响，现场实验更能贴近现实。澳大利亚、新西兰、中国香港等地已广泛的采用实地热烟测试试验的方法对建筑烟气控制系统效果进行了评估和验证[6]，我国没有制定相关测试规范和标准。
实地全尺寸热烟测试是直接在建筑内现场设置受控的火源、烟源模拟火灾场景，通过观测有温度的热烟在建筑内的实际流动情况，评估排烟系统、各个消防子系统的实际效果及联动性能，测试对建筑物无破坏作用[7]。国内已有学者利用实地热烟测试手段对地铁车站、隧道的烟气控制系统进行研究[8，9]，取得了较好研究成果。
本研究利用地铁工程防灾安全热烟测试实验室（浙江省科技计划项目，计划编号：2014F10041）相关热烟设备设施，对浙江省某商贸中心地下停车库第5防火分区进行了实地热烟测试试验，对火灾发生后该车库的烟气流动规律进行了研究，对其机械排烟系统实际运行效果、烟雾控制情况等进行了评估。
1 试验对象概况及试验装置介绍
1.1 试验对象概况
试验对象为浙江省某商贸中心地下车库典型的一个防烟分区，该防烟分区长45m，宽20m，地下车库层高4.8m，其中梁部高度0.6m，防火分区的设置符合建筑设计防火规范要求。防烟分区设有独立的机械排烟装置，设计排烟量为45000m3/h，排烟口尺寸为0.8×0.8m，排烟口距离地面高度最低3.0m。车库设有补风系统，补风量不小于排烟量的50%。
1.2 火源与烟气发生装置
火源及烟气发生装置用于产生预设火灾功率的热烟气，包括燃烧器、烟气发生器和烟气发生箱和保护装置，按文献[10]进行设计制造。燃料采用95%工业甲醇，发烟材料采用烟饼。
根据文献[11]，一辆家用小汽车的最大热释放速率为3.6～5MW。基于本次实验所选地下车库结构、规模及安全考虑，确定本次试验火源功率为1.4MW，火源系统单个油盘燃烧的热释放速率约为0.34MW，那么设置四个油盘即可满足产生1.4MW稳定火源的要求。
1.3 测量系统
采用分布式光纤测温系统（DTS）用来测量火灾工况下空间温度场分布情况，本次实验以火源位置为中心，分布向左右两侧在垂直方向1.5m、2m、3.5m、4m、4.5m（顶棚）敷设5条测温光纤，形成10个测温通道，见图1所示。采用红外热像仪记录火源火焰、以及附近顶棚烟气温度。
2 试验结果分析与讨论
试验开始前记录车库内环境温度为20℃。实验开始后，火源在300s时达到稳定燃烧，图2为热像仪对火焰温度测量情况，火焰中心的最高温度为432.7℃，防护罩附近的烟气温度为176.1℃，说明火源的发展及温度符合预期设计的火源功率要求。
实验开始后，在火源前100s的缓慢燃烧阶段，烟气主要集中在火源附近并在梁部区域内聚集（图3）。在100～120s期间，烟气在顶棚向水平方向快速蔓延、并充满车库3.5m以上整个空间（图4）。
图5为试验期间光纤测温系统获取的空间内的烟气层温度，实验期间烟气层的最高温度为60.31℃，位于光纤的米标为118m处，与图1进行对照，可知该温度位于火源区域左侧4.5m高度处，高温烟气多集中在火源所在的区域附近，除此区域外，大部分烟气的温度低于45℃，整体温度接近环境温度。图6说明测试期间整个汽车库内2m以下区域内烟气的温度基本都处于30℃以下，与环境温度相差不大，也远低于影响人员安全的临界温度60℃，这说明热烟气层在排烟风机的控制下，并未下降到该高度。
试验过程对停车库内的风速进行测量，结果见图7所示，风机启动后风速有较大的升高，继而降到较稳定的数值，最终气流稳定后的风速介于2.7m/s～4.0m/s之间，说明该地下车库排烟风机系统运转良好，能够控制烟气有序流动。
试验过程发现该商贸中心各楼层之间串烟现象较为严重。虽试验位于地下车库，但地面一层、地上二层、地上三层的建筑均出现了不同程度的烟雾弥散现象并导致不同数量的烟感装置报警，其中地面一层烟感报警数量为16处、地上二层9处、地上三层5处。这是由于地下车库的水平排烟支管道与其他楼层之间的水平排烟支管道共同接入同一个竖向排烟主管道，但未做好各层排烟支管与主管道间的止回及密封措施，导致烟雾逸散至无关区域。