2019消防工程师必背知识点四十：火灾场景设计

第五篇 消防安全评估

第四章 建筑性能化防火设计评估

第二节 火灾场景设计

本节介绍了什么是火灾场景，如何设定火灾场景，包括火源功率的设定，火灾增长分析等。

一、火灾场景

火灾场景是对一次火灾整个发展过程的定性描述，该描述确定了反映该次火灾特征并区别于其他可能火灾的关键事件。火灾场景通常要定义引燃、火灾增长阶段、完全发展阶段、衰退阶段以及影响火灾发展过程的各种消防措施和环境条件。

火灾、建筑和人员之间的相互作用会形成一种非常复杂的系统。因此，为了采用确定性评估大型复杂建筑的消防安全，需要做一些保守的简化。根据这一理论，有一些因素会对火灾场景做出贡献，而许多因素对火灾场景的贡献并不显著。通过仔细选择对火灾场景设计影响较大的因素，然后运用适当的计算技术，可以较容易地得到等效安全解决方案。火灾场景的确定应根据最不利的原则确定，选择火灾风险较大的火灾场景作为设定火灾场景，如：火灾发生在疏散出口附近并令该疏散出口不可利用、自动灭火系统或排烟系统由于某种原因失效等。火灾风险较大的火灾场景一般应包括发生概率高，但火灾危害不一定最大，或者火灾危害大，但发生概率低的火灾场景。

火灾场景必须能描述火灾引燃、增长和受控火灾的特征以及烟气和火势蔓延的可能途径、设置在建筑室内外的所有灭火设施的作用、每一个火灾场景的可能后果。在设计火灾场景时，应确定设定火源在建筑物内的位置及着火房间的空间几何特征，例如火源是在房间中央、墙边、墙角还是门边等以及空间高度、开间面积和几何形状等。

确定可能火灾场景可采用下述方法：故障类型和影响分析、故障分析、如果-怎么办分析、相关统计数据、工程核查表、危害指数、危害和操作性研究、初步危害分析、故障树分析、事件树分析、原因后果分析和可靠性分析等。

在进行火灾场景设计时，应该指定设定火源的位置及空间的几何形状，如有必要，还应指定房间内火源的位置，例如火是否在房间中央、墙边、墙角或门边。在消防队员到达现场开始扑救之前，建筑物内火灾的位置同样会造成扑救延迟。例如，消防队员扑救高层建筑中较高楼层的火灾的准备时间要比比单层建筑火灾要。

二、设定火灾

在设定火灾时，一般不考虑火灾的引燃阶段、衰退阶段，而主要考虑火灾的增长阶段及全面发展阶段。但在评价火灾探测系统时，不应忽略火灾的阴燃阶段;在评价建筑构件的耐火性能时，不应忽略火灾的衰退阶段。

在设定火灾时，可采用用热释放速率描述的火灾模型和用温度描述的火灾模型。在计算烟气温度、浓度、烟气毒性、能见度等火灾环境参数时，宜选用采用热释放速率描述的火灾模型，

在设定火灾时，需分析和确定建筑物的基本情况，包括：建筑物内的可燃物、建筑结构、平面布置、建筑物的自救能力与外部救援力量等。

在进行建筑物内可燃物的分析时，应着重分析以下因素：

①潜在的引火源;

②可燃物的种类及其燃烧性能;

③可燃物的分布情况;

④可燃物的火灾荷载密度。

在分析建筑的结构和平面布置时，应着重分析以下因素：

①起火房间的外形尺寸和内部空间情况;

②起火房间的通风口形状及分布、开启状态;

③房间与相邻房间、相邻楼层及疏散通道的相互关系;

④房间的围护结构构件和材料的燃烧性能、力学性能、隔热性能、毒性性能及发烟性能。

在分析和确定建筑物的自救能力与外部救援力量时，应分析以下因素：

①建筑物的消防供水情况和建筑物室内外的消火栓灭火系统;

②建筑内部的自动喷水灭火系统和其他自动灭火系统(包括各种气体灭火系统、干粉灭火系统等)的类型与设置场所;

③火灾报警系统的类型与设置场所;

④消防队的技术装备、到达火场的时间和灭火控火能力;

⑤烟气控制系统的设置情况。

在确定火灾发展模型时，应至少分析下列因素：

①初始可燃物对相邻可燃物的引燃特征值和蔓延过程;

②多个可燃物同时燃烧时热释放速率的叠加关系;

③火灾的发展时间和火灾达到轰燃所需时间;

④灭火系统和消防队对火灾发展的控制能力;

⑤通风情况对火灾发展的影响;

⑥烟气控制系统对火灾发展蔓延的影响;

⑦火灾发展对建筑构件的热作用。

对于建筑物内的初期火灾增长，可根据建筑物内的空间特征和可燃物特性采用下述方法之一确定：

①实验火灾模型;

②火灾模型;

③MRFC火灾模型;

④按叠加原理确定火灾增长的模型。

在有条件时，应尽量采用实验模型。但由于目前很多实验数据是在大空间条件下采用大型锥形量热计测量的结果，并没有考虑围护结构对实验结果的影响，因此在应用中应注意实验边界条件和通风条件与应用条件的差异。

对于面积较小的着火空间，判断达到轰燃时的临界热释放速率可采用公式5-4-1计算。对于面积较大的着火空间，可采用空间内热烟气层的温度达到500℃～600℃或单位地板面积接受的辐射热流量达到20kW作为着火房间达到轰燃的标志。

对于火灾从轰燃到较高热释放速率之间的增长阶段，可以假设当轰燃发生时，火灾的热释放速率同时增长到最大值，此时房间内可燃物的燃烧方式多为通风控制燃烧，热释放速率将保持最大值不变。

火灾的最大热释放速率可根据火灾发展模型结合灭火系统的灭火效果来计算确定。灭火系统的灭火效果可以考虑以下三种情况：

①在灭火系统的作用下，火灾最终熄灭;

②火灾被控制到恒稳状态。在灭火系统的作用下，热释放速率的不再增长，而是以一个恒定热释放速率燃烧;

③火灾未受限制。这代表了灭火系统失效的情况。

灭火系统的有效控火时间可按下述方式考虑：

①对于自动喷水灭火系统，可采用顶棚射流的方法确定喷头的动作时间，再考虑一定安全系数(如1.5)后确定该系统的有效作用时间;

②对于智能控制水炮和自动定位灭火系统，水系统的有效作用时间可按火灾探测时间、水系统定位和动作时间之和乘以一定安全系数计算;

③对于消防队控火，可计算从火灾发生到消防队有效地控制火势的时间，一般按15min考虑。

三、火灾增长分析

(一)描述可燃物燃烧性能的主要参数

①可燃物的点火性能，通常采用单位面积可燃物在一定功率热辐射作用下的点火时间表示，s;

②可燃物的热值，kJ/kg;

③单位面积上的质量损失速率，kg/㎡.s;

④单位面积上的热释放速率，kJ/㎡.s;

⑤毒性气体的生成率，Kg/Kg;

⑥烟气的遮光性，一般采用减光系数表示，m-1。

(二)可燃物的状况及火灾荷载密度

可燃物的状况主要考虑可燃物的形状、分布、堆积密度、高度、含水率、可燃烧的类型或燃烧性能等。

建筑物内的火灾荷载密度用室内单位地板面积的燃烧热值表示

一个空间内的火灾荷载密度也可以参考同类型建筑内火灾荷载密度的统计数据确定，在进行此类统计时，应该至少对5个典型建筑取样。

在一定种类可燃物分布和相应的通风条件下，火灾发展的最大热释放速率主要受最大的火源面积控制。此外，用参数计算的方法确定火灾热释放速率随时间的变化，也需要最大火源面积这一参数。

火灾发展的面积可采用可燃物水平方向的火焰蔓延速度表示　　着火房间内烟气层的中性面位置，随热烟气温度和开口位置而变化。在中性面上方，着火房间内部的气体压力大于相邻房间或外部的气体压力;在中性面下方，着火房间内部的气体压力小于相邻房间或外部的气体压力。

通风口的形状、大小和分布影响着火房间内的燃烧类型、气体流动状态和火灾烟气及热的排放。

四、热释放速率

(一)实际火灾实验

通过实际的火灾实验，获得火灾的热释放速率曲线。但在应用中应注意实验的边界条件和通风条件与应用条件的差异。实验结果表明，在一个大约和ISO9705房间大小相当的房间内燃烧带座垫的椅子，当考虑从100kW～1000kW范围的火灾时，要比在敞开式大空间内的燃烧速率增加20%。

(二)类似实验

如果缺少分析对象的可燃组件的实验数据，可以采用具有类似的燃料类型、燃料布置及引燃场景的火灾实验数据。当然，实验条件与实际要考虑的情况越接近越好。

例如：在考虑会展中心中的一个展位发生火灾时，因缺少展位起火的实验数据，可以采用一个办公家具组合单元的火灾试验数据。实验中的办公家具组合单元包括两面办公单元的分隔板、组合书架、软垫塑料椅、高密度层压板办公桌以及一台电脑，还有98kg纸张和记事本等纸制品。该办公家具组合单元中包含了展览中较为常见的可燃物，物品的摆放形式也基本与展位的布置相同，且其尺寸与一个展位相当。因此，在缺少展位火灾实验数据的情况下，可以用这样一个办公家具组合单元的火灾试验数据来替代。

(三)稳态火灾

对于稳态火灾，在其整个发展过程中，火源的热释放速率始终保持一个定值。火灾发展过程中的充分发展阶段可以近似看成是稳态火灾。某些时候，为了简化计算，一般保守地设定火灾为稳态火灾，尤其是在进行排烟系统的计算时，这种方法可以为防排烟系统的设计提供相对保守的结果。

稳态火灾的热释放速率应该对应预期火灾增长的最大规模，因此稳态火灾的热释放速率也可以基于在自动喷水灭火系统的第一个洒水喷头启动时的火灾规模。当评估探测系统或感温灭火系统(如自动喷淋)的反应时间时，不应采用恒稳态设定火灾。

(四)与美国消防协会标准中示例材料的对应关系。

表5-4-1 火焰水平蔓延速度参数值

(五)MRFC模型

MRFC模型是火灾与烟气在建筑物内蔓延的多室区域模拟软件。该软件中运用可燃物火焰蔓延速度及其燃烧特性参数计算热释放速率

(六)热释放速率曲线叠加模型

当房间内某可燃物着火后，会因火源和热烟气层的热辐射作用，而在一定时间内引燃其周围可燃物，使热释放速率增长。此时的热释放速率应为原着火可燃物的热释放速率和被引燃可燃物热释放速率的叠加。距火源中心距离为R处所接收到的火源辐射热流量和火源热释放速率的关系

受热辐射作用引燃可燃物的最小热流量因可燃物不同而有所差异，如聚氨酯泡沫的最小引燃热流量约为7kW/㎡，木材的最小引燃热流量约为10～13kW/㎡，小汽车的最小引燃热流量约为16kW/㎡。当着火房间高度较高时，空间内的冷空气层较高、热烟气层温度较低，可忽略热烟气层的热辐射作用，而直接运用公式5-4-8判断相邻可燃物的引燃状况。反之，不能忽略热烟气层的热辐射作用。判断相邻可燃物的引燃状况时，除了用公式5-4-8计算火源的辐射热流外，还要计算热烟气层的辐射热流量。