通透性吊顶内上下喷式喷头设计有效性数值化验证

1、通透性吊顶内上下喷式喷头设计有效性数值化验证李厚强（徐州市消防支队，江苏 徐州 221000）摘要：针对目前设有通透性吊顶的商场市场中大量使用的上下喷式喷头设计形式， 采用了计算机数值模拟方法，建立实验模型，利用FDS 5.5（Fire Dynamics Simulator） 软件对自动喷水灭火系统中上下喷式喷头设计的有效性进行了验证。 研究发现在上下喷式喷头设计中， 下层 喷头的启动具有明显的条件限制， 设置的下层喷头不能弥补通透性吊顶对降低直立型喷头布 水范围、布水均匀性和喷水强度的影响，这种设计形式灭火成效不明显，不经济。 关键字：通透性吊顶； 火灾数值模拟； 自动喷水灭火系统； 上下喷

2、式喷头设计 1 引言随着建筑装修设计的多元化和个性化， 建筑吊顶的设计形式也千变万化， 为了营造不同 的购物环境，目前在大型商场、 市场建筑内大量采用网格吊顶、格栅吊顶等通透性吊顶，也 叫悬空式 1 吊顶，如图 1。然而，在自动喷水灭火系统中除开式系统外，所有闭式自动喷水 灭火系统中的闭式喷头的安装均受到吊顶形式的影响， 常规做法是采用实体面板的吊顶场所 一般采用下垂型、吊顶型喷头（即齐平式、嵌入式和隐蔽式喷头） ，采用通透性吊顶的场所 一般采用直立型喷头 2 。但是由于国家相关规范均未明确通透性吊顶的格栅板、网格条等材 料的宽高以及孔洞和空隙的大小尺寸， 一些通透性吊顶严重影响了直立型喷头的

3、喷水强度和 灭火效率，根据高兵等进行的格栅类通透性吊顶对自动喷水灭火系统水量分布影响的实验研 究可以看出，格栅会改变洒水喷头的水量分布的均匀性，进而影响其灭火效果 3 。同时，一 般商场、市场建筑的吊顶内均布置有大量的空调风管、水管、 电缆桥架等障碍物， 也严重影 响喷头的布局和灭火效果，虽然自动喷水灭火系统设计规范GB50084-2001（2005 年版）第 5.0.3 条规定：“装设网格、 栅板类通透性吊顶的场所， 系统的喷水强度应按本规范表 5.0.1 规定值的 1.3 倍确定。”，但是仍有很多通透性吊顶即使喷水强度提高 1.3 倍，由于吊顶内障 碍物较多、格栅板较大、网格眼较小等因素，

4、仍然无法满足灭火需要，为此，有的设计人员 采用了一种直立型和下垂型喷头联用设计形式（即上下喷式喷头设计形式） ，如图 2。这种 设计看似在吊顶平面又增设了一层下垂型喷头， 弥补了栅板、 网格等障碍物对吊顶内直立型 喷头洒水分布均匀性和喷水强度的影响，但是下层喷头能否启动或者何时启动均不得而知， 为此需要做进一步验证。2 实验模型最好的喷头设计形式有效性验证方法是进行全尺寸实体火灾实验， 试验所取得的数据最 为可信，但是火灾实验各项准备工作较为复杂，周期长， 需要较多的经济投入。而采用计算 机数值模拟方法与试验研究相比，具有可靠性高、代价低、周期短、信息全的优点，已受到 广泛重视。本文采用美国标

5、准技术研究局（ NIST ）开发的 FDS 5.5（Fire Dynamics Simulator） 软件建立实验模型进行模拟。2.1 实验模型参数 对于通透性吊顶应用比较广泛的商场、市场建筑来讲，这类建筑的柱距一般为 89 m， 层高一般为 3.94.5 m ，吊顶高度一般为 3.03.3 m ，楼板厚度约为 100 mm ，板下梁高度和 宽度一般为 550650 mm 和 250300 mm。本文实验模型取商场最常见做法， 建筑层高为 4.2 m，柱距为 8.0 m8.0 m，柱截面取 600 mm 600 mm ，楼板厚取 100mm，梁高度和宽取 0.7 m0.3 m，吊顶高度为 3.

6、0 m，吊顶的格栅为 U 形钢制格栅，宽高尺寸为 5cm 10cm，格栅 间距为 15cm 。模拟面积为商场中一个柱距大小取70.56 m2，周边设为敞开空间。上下喷头选用标准直立型喷头和下垂型喷头，即ZSTZ15 68和 ZSTX15 68，直立或下垂安装， 公称口径为 15mm ，公称动作温度为 68 的闭式喷头， 喷头流量系数 K=80 ， 响应时间指数 RTI=150（ m s）0.5，喷头传导系数 C 取 1.0（m/s）0.5 的喷头，指定喷头流 量为 80 L/min 。喷头的布置如图 3。图 3 模型中喷头布置示意图3 火灾场景和设计火灾3.1 火灾场景为了验证火灾发生时，格栅

7、吊顶对喷头灭火效率的影响以及上下喷头设计能否有效启 动，本文设定了五个火灾场景，见表1。表 1 火灾场景设计火灾场景火源位置场景条件火源中心位于喷头的正下喷头布置采用常规设计， 选取直立型喷头， ，模拟区方不设吊顶火源中心位于喷头的正下喷头布置采用常规设计，选取直立型喷头，模拟区方设格栅吊顶火源中心位于喷头的正下喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊方，顶四火源中心位于四个喷头中喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊心位置，顶五火源中心位于沿着由 3 到喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊5 方向偏离 1.1 m 的位置顶。3.2 设计火灾根据相关研究，商场市场内火灾初期的

8、发展基本可以表述为t2 火灾模型，即 Q=at2，式中 Q为火源热释放速率， kW ； a为火灾发展系数， ；t为火灾发展时间， s。根据民用建筑 防排烟技术规程 DGJ08-88-2000 中第 4.2.1 条可知，设有喷淋的商场最大热释放速率一般 取为 5 MW ，商场市场的火灾一般按照快速火考虑，即 a火灾发展系数取为 0.04689 kW/s 2， 根据相关文献 5，商场市场每平米最大热释放速率为 500 kW/m 2，即HRR达到 5WM 时火源 面积为 10 m2，所需时间为 326.5s，因此本文取火灾模拟时间为 400 s。3.3 网格划分及边界条件 鉴于计算机计算能力的限制，

9、模拟区域内采用了多重网格，设定吊顶区采用0.05m 0.05m 0.05m 网格，顶部和下部采用 0.2m 0.2m 0.2m 网格，总网格数为 235200 个。 由于大型商场市场的防火分区较大，因此模拟区域四周边界均设为open，室内的初始风速为 0m/s，初始温度为 20。4模拟结果和分析4.1 格栅吊顶对喷头喷水效率的影响 火灾场景一：由图 4 可知 5 号喷头在 156.8s 启动喷水，假设火势未受到抑制，火灾仍按照 t2火灾发展，则 1 号喷头在 355.2s启动喷水，见图 5，直到 400s 时，其他喷头均未动 作。图 4 无吊顶喷头在 t=156.8s启动喷水 图5 无吊顶 1

10、号喷头在 t=355.2s喷水图6 带格栅吊顶喷头在 t=163.2s启动喷水 图 7 带格栅吊顶 2号喷头在 t=344.0s喷水 火灾场景二：由图 6 可知 5 号喷头在 163.2s 启动喷水。假设火势未受到抑制，火灾仍 按照 t2火灾发展，则 2号喷头在 344.0s启动喷水， 8号喷头 363.6s启动喷水， 4号喷头 383.6s 启动喷水。在 400.0s 内其他喷头未启动。在火灾场景一和二中， 分别取 t=199.2s时Z=1 m 的切片，见图 8和图 9。图中可以看出， 格栅吊顶明显降低了喷头的布水范围、布水均匀度和强度，且在垂直格栅方向影响最大。图8 带格栅吊顶的 Z=1m

11、的切片 图9 无吊顶的 Z=1m的切片 由图 4和图 6 可以看出，设置金属格栅吊顶的喷头的启动喷水时间比不设吊顶时喷头启 动喷水滞后 6.4s。究其原因应该是格栅吊顶影响了烟羽流的流动路径，烟羽流在上升过程中被格栅吊顶阻挡，部分在格栅处水平扩散。随着烟羽流的不断上升，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，在 400s 的实验时间内， 出现了场景二开启第二个喷头的时间比场景一短， 且开启的喷头总数比场景一多 了 2 个现象。这主要是因为格栅吊顶降低了水雾对高温烟羽流的冷却范围和延缓了顶部烟气 向室外扩散的速度。4.2 上下喷式设计喷头的启动情况 火灾场景三：喷头采用上下喷式喷头设计，模拟

12、开始后，下层 5 号喷头在 140s 启动， 假设火势未受到抑制，火灾仍按照 t2火灾发展，则上层 5 号喷头在 301.6s启动。在 400s的 模拟时间内，其他喷头均未动作，且其他喷头的温度均为超过60。上下层十八只喷头的温度变化曲线见图 10。图 10 场景三上下层十八只喷头温度变化曲线图 11 场景三吊顶处 5号喷头开启图 12 场景三顶板下 5 号喷头开启比较图 11和图 5 发现，火源中心位于喷头的正下方时，其他模拟条件相同的条件下， 喷头的安装高度对喷头开启时间影响较大， 随着喷头与火源距离的减小， 高温烟气对喷头的 热对流、热传导均相对变快，热辐射也明显变强，喷头开启时间明显提

13、前。灾场景四：火源中心位于四个喷头中心位置，模拟开始后， 2 号喷头在 232.0s 启动，假 设火势未受到抑制，火灾仍按照 t2火灾发展，则 6号喷头在 241.6s启动， 3号喷头 243.2s 启动， 5号喷头 244.8s启动；在 394.2s 时上层所有喷头全部启动，见图 13。图 13 上层不同位置喷头不同时间启动喷水模拟效果在模拟的 400s时间内， 下层九只喷头由于上层喷头喷水的冷却作用而没有一个启动。 上 下层十八只喷头的温度变化曲线见图14。图 14 场景四上下层十八只喷头温度变化曲线 火灾场景五：火源中心在四个喷头中心偏左位置，模拟开始后， 5 号喷头在 194.80s

14、启 动，假设火势未受到抑制，火灾仍按照t2火灾发展，则 2号喷头在 270.4s启动， 6 号喷头281.6s启动， 3号喷头 293.6s启动；在397.6s时除4号和 8号喷头外其他全部启动。 启动效 果见图 15。由图 16可见，在模拟的 400s时间内， 除5外，下层八只喷头由于上层喷头喷水的冷却作用而没有一个启动。由下层 5号喷头温度变化曲线可知，上层 5号喷头在 195.2s 动作后，5 号喷头的温度在 200s时迅速由 53降到 20，并在 2030之间震荡，直到 290s 时， 温度又迅速上升至 68，并在 328.8s 启动喷水。这主要是由于假设了火势未受到抑制，随 着火源热

15、释放速率的不断增大，火源面积也不断增大，在290s 时， 5号喷头的正下方的火焰和烟羽流对其的热作用明显增大，致使 5 号喷头在 328.8s 也启动喷水。而其他喷头正下 方无火源的下层喷头均没有启动。图 15 上层不同位置喷头开始启动和多数启动喷水模拟效果图 16 场景五上下层十八只喷头温度变化曲线5 结论1、与无吊顶的场所相比，格栅等通透性吊顶会减小吊顶内直立型喷头的保护面积，布 水均匀度，明显降低保护区自动喷水灭火系统的喷水强度。2、在通透性吊顶内采用上下喷式喷头布置设计的自动喷水灭火系统，其只有通透性吊 顶处的喷头 （即下层喷头）正好在起火点正上方时，下层喷头才可以有效启动，其他情况时 下层喷头不能启动， 下层喷头启动具有明显的条件限制。 当起火点不在喷头的正下方时， 在 火灾持续时间内， 随着高温烟气在顶部的不断堆积， 上层直立型喷头总是先启动喷水， 下层 喷头即会被上层喷头的喷水冷却而不能启动， 保护区域的喷水强度仍然取决于上层直立型喷 头的布置， 因此， 在通透性吊顶处增设下层喷头是无法弥补格栅等通透性吊顶对降低上层直 立