地下停车库火灾风险分析

1、肖防设计与评价地下停车库火灾风险分析张鸿鹤（天津市消防总队.天津300090）摘要:分析了地下停车库的火灾特点并从停车库的火灾规模、发生轰燃的烟气条件、释放辐射热的大小、相邻汽车 被引燃的临界条件和自动喷水系统的动作时间等几方面对停车库潜在的火灾危险性进行了探讨。以某地下一层停车 库为例.对其火灾风险进行了具体评价。尖键词:地下停车库;火灾风险;热释放速率;临界条件中图分类号：x913. 4,d631. 6 文献标识码：a 文章编号：10082077 （2（x）刀04 - 0029 - 041引言随着我国经济建设的迅速发展，地下空间的开发也紧跟 世界潮流。目前全国有近200个城市在不同程度上开

2、发了 地下空间、建成了各种用途的地下建筑。当前，我国地下 停车库的发展非常迅速、且地下停车库面积不断扩大，结构 也日趋复杂。例如仓储式（机械式）立体车库其投资费用 大，一旦发生火灾彳主往造成严重的经济损失和人员伤亡，国 内外地下停车库发生的一系列火灾事故充分证明了这一 点。地下停车库具有火灾类型多、燃烧速度快、高温浓烟、 能见度低等特点，造成地下停车库车辆疏散困难、灭火救援 难、较易出现"轰燃"现象并形成爆炸事故等不利后果。因 此,对地下停车库进行火灾风险评价具有十分重要的意义。 本文主要研究位于建筑物內部的地下停车库，因为这些停车 库发生火灾时烟气不易排出.并且容易发生轰

3、燃"现 象，从而造成更大的危害。2危险源辨识危险源辨识是发现、识别系统中的危险源.是评估危害 性、控制危险发生的基础。对于地下停车库危险源辨识要通 过对其设计图纸的分析，研究起火区域的火灾发展特性（主 要是由于汽车着火引起的火灾发展特性）和火灾蔓延特性， 得岀着火点的火灾热释放速率（heat release nne,简称hrr） 曲线及火灾蔓延情况，以此结果作为地下停车库内烟气控制 评估和火灾探测、扑救系统评估的依据。一般情况下，地下停车库内可能的起火区域包括以下几 个部位:汽车存放单元主要危险源为停放的汽车：控制间，主 要危险源为控制柜及线路、控制台等:弱电机房.主要危险源 为线路

4、、控制柜等;风机房，主要危险源为电气线路等。在上 述可能起火区域中,控制间、弱电机房和风机房的消防措施如 根据相应的国家规范进行实施，其起火可能性相对较小。另 外据国内外汽车库火灾统计结果显示，汽车库火灾多数是由 汽车引起的,2,o因此，本文在对地下停车库火灾危险性进行 分析时、主要研究汽车发生火灾后的车库消防安全。地下停车库中车辆除自身原因发生火灾外，最容易被车 库内传送及电路系统引燃起火。但是对于车库内电路、传送 机构等危险源，不考虑其发生火灾时的热释放速率问题（相 对汽车热释放速率、可忽賂）o因此，车库内的主要危险源为 停放在库内的汽车，而将电路、传送机构等作为引发车库火 灾的因素。3火

5、灾规模分析3. 1单个汽车热释放速率一般汽车由轮胎、燃油、座椅、仪表盘、控制线路等多种 可燃物组成.发生火灾时过程复杂.热释放速率较难确定。 德国卡尔斯鲁厄大学火灾防护研究所曾对普通轿车火灾进 行全尺寸实验.根据其实验研究结果，小汽车火灾热释放速 率随时间变化如图1所示。图i 1辆汽车火灾热释放速率变化曲线实验用小汽车的总质量为830kg.其中汽车质量为 80（）kg,油箱中汽油质量为30kg,可燃物质量为250kg即同类 型车辆总质量有很大不同，但其可燃部分的构成与质量大体收稿日期：2007 - 01-17作者简介:张鸿鹤（1974-），男，天津入工程师。类似）。点火部位为汽车前部发动机上表

6、面,试验中的火场 最高温度为1 190弋.最大热释放速率为4. 08mw.间接计簷 得汽车可燃物的平均热值为25. 4mj kg1，最大质量损失进 率为 q 163kg . s' *0由图1可以看出，试验中汽车火灾的发展较f快速火出 发展相对缓慢。由于本次试验的起火部位在汽车的前部帀 汽车的油箱在后部，从起火到油箱爆裂经历的时间为2& 5min,致使热释放速率的峰值在32min时出现，如果起火咅i 位在汽车的后部，特别是在油箱附近，则热释放速率峰值出 现的时间将提前,火灾的发展速度也将要比试验中的情形迅 速得多。因此.在考虑车库内汽车火灾的发展速度时，认为火灰 按快速火发展（火

7、灾增长系数a二q 046 8916v - s'2 ）o即q二&式中,q 释放速率（刖）；t点火后的时间（s）;a一灾增长系数（阳 “）。另外,参考国家标准健筑设计防火规范cbj16& （2001版）修订编制专题报告集选取轿车的火灾规模公 相关参数如表1所示。表1轿车火灾规模及其参数汽车类型火灾规模火灾周长火灾增长系数辐射热比例mwm1av s 2%小轿车513. 24q 046 89303. 2连续成排摆放汽车热释放速率如图2所示，汽车成一字形连续停放，每个单元面积为2 5m x8mo汽车标准可乘坐4 5人的轿车）的平面投影 尺寸为1. 8m x4. 82m,如果按相邻

8、汽车的内表面测量.左右 间隔距离平均为0. 8m。图2汽车库典型的停放单元模型当某一停放单元的汽车开始燃烧，相邻的汽车很可能旻 到辐射热而着火，若燃烧车辆的hrr值为0,那么对相邻产 车表面的辐射热为：式中，/燃烧车辆对相邻汽车表面的辐射热；x火汽车中心到相邻车辆表面的距离。现代大多数汽车都在表面涂上了聚氨酯之类的热塑性材 料巴故一般汽车着火的临界热流量为16册血2,艮卩z =16kw -m-20由此可得燃烧汽车的临界热释放速率为：q = i2t; / = 12 x 3 14 x 1. 62 x 16 = 1543rw（3）利用公式（1）中的汽车放热模型,可得火焰传播到相邻 汽车的临界时间大致

9、为3mino假定起火点位于车库中部停 放单元a处.则火灾会沿前后和水平方向分别向四周蔓延。按汽车被引燃的先后顺序 将停放单元分组.则火焰蔓延的先后顺序如图3所示.表现 为abcdef。由此可以看出，火灾呈金字塔状向 前后方蔓延的同时，还向起火单元两侧蔓延,使得火灾蔓延 过程将逐步呈梯形向四周发展。当燃烧结束的汽车数与被 引燃起火的汽车数一致时，热释放速率达到最大值。根据文 献5,此时的最大值为28v1w。8nir 00显示.所发生的117次车库火灾中，一辆汽车燃烧的情况占 50%.两辆汽车燃烧的情况占3& 6%°当未设自动喷水灭火 系统时，平均每次烧毁车辆1. 9辆，间接损坏

10、车辆4 2辆；生 设有自动喷水灭火系统时.平均每次烧毁1辆，间接损坏车 辆q 1辆。因此,大多数情况下当车库内自动喷水灭火 系统正常工作以及外部救援工作开展时，火灾会受到有效地 控制，不会引燃相邻其它车辆。由于各车库内车辆停放形云 各异，且相邻存放单元的前后净距以及左右间隔距离各不框 同。因此，不同位叠处存放单元的车辆起火时，其火灾蔓起 的情形会略有不同，这里不再赘述。4停车库发生轰燃的临界条件车库内烟气层的辐射热可能引发轰燃，因此、避免由于 辐射热起火是十分必要的。目前车身表面多涂有油漆等热 塑性材料临界辐射热通量为16削-m °。从烟气层辐射到 汽车表面的热量可由下式计算，即：q

11、 =眄 4（4）式中，f, 辆表面烟气层形状因子；e烟气层的热辐射性；o 蒂芬-波尔兹曼常数；ts 气层的平均温度。为了保持热流q g6kw - nr2,那么烟气的温度不能超张鸿鹤:地下停车库火灾风险分析过，即:ts = (q/fq) ，/4按最保守的估计.取f, = 1.? = 1,则：tx = (q/m 1/4 a (qq) 1/4 = 729k(即 456°c丿 该结果为烟气层临界温度标准。另外，为避免车辆陷入 过热烟气中.烟气层要高于车辆的实际高度。考虑到一般轿 车的高度都小于1. 6g因此,烟气层的高度al. 6叫 综上,汽车库不会发生轰燃的临界条件为：t, < 45

12、6°c,且氐賤 2 l 6m5车库火灾热辐射分析车库內汽车燃烧时释放的辐射热包括：着火汽车本身務 放的辐射热和上部烟气层的辐射热。通过对两部分辐射幣 的计算，可得出邻近汽车不被引燃的临界条件。5. 1着火汽车释放的辐射热辐射面是由已经燃烧着的全部汽车组成的。因此，根拒 公式(2)可知:未燃邻近车辆受到的燃烧汽车的热辐射为：/cl/39 = 6 2,式中，0 第i辆已燃汽车的hrr值；七一第，辆已燃汽车中心到未燃目标车辆表面的距 离。5. 2汽车上部烟气层的辐射热把烟气层近似看作真实的热 辐射表面.烟气层热辐射可用类似于火焰热辐射的方法来计算。由式(4),则：:；6代式中，7；为烟气层

13、的平均温度。由于随着烟气层的蔓延扩散其蔓延辐射面积将远大于 目标车辆的投影面积。因此.目标车辆相对于烟气层的形状 因子近似等于1.即6 f严1。因此，可推出：1“ "、'(9 丿5.3相邻汽车不被引燃的临界条件当相邻汽车受到着火汽车及烟气层辐射热的总和不超 过临界热流量16kw m-2时,该汽车将不会被引燃，即:人,+【皿 < 】6kw -m 2(10)6实例分析某工程地下一层为停车库，建筑面积40 947m2.层高4. 8mo地下停车库可停放车辆约86()辆，为i类停车库。考虑 发展的需求,将来可能设计成双层机械式停车位，可增加停 车位达1 100余辆小型机动车.内安

14、装自动喷水灭火系统和 机械排烟系统。共设有三个分别为7m宽的双车道机动车出 入口直通室外疏散口间距不小于10m。利用前面的模型对该地下停车库的火灾风险进行分析。6 i烟气层高度和温度通过运用美国国家标准及技术研究 院开发的火灾动力学模拟软件fds(fire dynanics shiulafor)对本地下停车库的烟 气状态进行模拟预测得出在自动喷水灭火系统和机械排烟 系统正常工作的情况下.1800s内烟气层最高温度为=130 <456°c,烟气层高度hg =2 3 l如因此，轰燃是可以 避免的。62火灾蔓延性分析根据停车场的车位布置图，本文选择17-20轴线的部 分车位进行火灾蔓

15、延性分析.如图4所示。本车库内6辆车 为一个存放单元,相邻存放单元的前后净距为6 45m,左右 间距为2 02mo车辆的平面投影尺寸为i. 8m x4. 82m,同一 存放单元车与车的前后净距为q 5m,左右间距为q 79m。如图4所示，假设汽车a发生火灾，则起火车辆(a)中 心到左右两侧车辆(b1,b2)的距离为0 79 + 1. 8/2 = 1. 69m; 到同一存放单元相对车辆(b3)的距离为(1 5 +4. 82/2 =2 91m;到相邻存放单元临近车辆(b4)的距离为6 45 +4. 82/2 =& 86m。图4地下停车库车位布置示意图如前所述如果车辆a起火，则火焰蔓延的先后

16、顺序表 现为a - (b1,b2) - b3 - b4 - g因此.可从以下2种情况 对火灾蔓延情况进行分析：(1) 起火车辆a引燃相邻两侧车辆(bi,b2);(2) 起火车辆a引燃相对存放车辆(b3,b4)。首先.考虑第一种情况:起火车辆a引燃相邻两侧车辆 (b1,b2)。据公式(3),起火车辆a引燃相邻两侧车辆(b1,b2)的 临界热释放速率为：q = 13lv2 / = 12 x s 14 x 1. 692 x 16 = 1722rw代入公式(1),得到火焰传播到相邻汽车(b1,b2)的临 界时间大致为192$由于车库内设有自动喷水灭火系统，如果在短时间内能 够动作喷水.则可有效控制火灾

17、规模，降低火源的辐射强度 和火场温度,避免火灾进一步蔓延扩散。自动喷水灭火系统的动作时间可以运用美国国家标准及技术研究院幵发的计算机应用软件detectqs模型进 行计算.如表乙从表2可以看岀，车库内自动喷水灭火系统的动作时间 为190*'于火焰传播到相邻汽车(b1,b2)的临界时间192s 因此.如果自动喷水灭火系统能正常启动，则可以把火灾控制 在1辆车的范围内，其它相邻车辆不被引燃。表2 detect-qs计算条件及结果顶棚高度4. 8m洒水喷头的时间响应指数(rti)150m'/2严(标准响应喷头)洒水喷头的动作温度68 °c洒水喷头距火源中轴线的距离2m环境温

18、度23 °c火灾初期发展规律f快速发展火灾自动喷水灭火系统启动时间190s其次.考虑第二种情况:起火车辆a引燃相对存放车辆(b3,b4)。车辆(b3,b4)受到火焰及烟气层热辐射之和分别为:=i. +j okes 2_砥2+眄“=12 2+ 1. 5=b 7< 16kw mq. /3l4=lr +一砥2+昵=1. 35+ 1. 5=2 85< i6kw m因此,对面存放车辆(b3.b4)均不会被引燃。虽然起火 单元(a)通过辐射不会引燃对面存放的车辆(b3,b4)，但汽车火灾过程中产生的飞火影响距离较大，才 其是油箱爆裂时飞火的影响距离更大。因此.建议在停放车 辆时使车头

19、向内,这样可避免由于油箱爆裂产生的飞火引燃 同一组存放单元的对面车辆(b3)。由此可见，影响车库内火灾蔓延的两个主要因素为：汽 车间的距离和自动喷水灭火系统的动作时间。综上所述，若车库内设有自动喷水灭火系统且能正常 动作喷水.即在192s内喷水可避免引燃其它相邻车辆，把 火灾控制在1辆车的范围内。因此，建议地下停车库自动喷 水系统采用快速响应喷头保证较短时间内启动喷水灭火， 从而避免火灾进一步蔓延。7结论7. 1车库内的主要危险源为停放在库内的汽车，汽车火灰 按f快速火发展(火灾增长系数a = ( ()46 89iw s'),巨 单辆汽车火灾最大热释放速率为5mw。7. 2 一般汽车着

20、火的临界热流量为16刖-m'2.据此，对 于典型的汽车库,可计算出火焰传播到相邻汽车的临界时间 为3m in左右。7. 3当车库内汽车连续成排摆放时，火灾呈梯形向四周蔓 延扩散发展。当燃烧结束的汽车数与被引燃起火的汽车数 一致时、热释放速率达到最大值。7. 4地下停车库不会发生轰燃的烟气层临界条件是：ts < 456°c.且hg » 1.相邻汽车不被引燃的临界条件是：心+ 1 皿< 16册-m 7. 5影响地下停车库内部火灾蔓延的两个主要因素为：车 库内停放汽车的间距和自动喷水灭火系统的动作时间。i* 此，地f停车库宜采用快速响应喷头，保证较短时间内启动

21、 喷水灭火从而避免火灾进一步蔓延扩散。7. 6以上是针对地下停车阵得出的结论。对于室外敞开停 车场而言由于火灾时烟气能够自由扩散火灾热量损失落 大因此，室外敞开停车场的火灾危险性相对较低。参考文献：11范维澄，孙金华,陆守香.等火灾风险评估方法学im .北京:科 学出版社.2004.2 john r. gutachten ueber die beinniesung und w irksankait von rauch - und w aeimeabzugsanlagen fuer unterindische gaiugen r j. forschungsstelle fuer b randsc

22、hutztechnik an der universitaet karlsruhe (th). dezanbcr 1986: 1 - 37.3 r john.程远平小汽车火灾试验研究j j.中国矿业大学学报， 2002.31 (6):557 - 560.4j程远平，张孟君，陈亮地下汽车库火灾与烟气发展过程研究 j中国矿业大学学报.2003,32(1):12 - 17.5 shunsukc dainatsu, akihikohokugi a japanese case studies! a j. in: pioceedings of the 4ih international conference on perlbimance -based code s and fire safety design methods c australia, march, 2002: 20 - 226 tanaka t, hokugo a, hagkvara l et al a case study using dieper2 to nn ancc ba sed fire safe ly de sign system in japan ia . in: piocced? ings o