通透性吊顶内上下喷式喷头设计有效性数值化验证

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FDS5.5(FireDynamicsSimulator)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，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。图1通透性吊顶实例图2上下喷式喷头设计形式示意图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。本文采用美国标准技术研究局（NIST）开发的FDS5.5(FireDynamicsSimulator)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8~9m，层高一般为3.9~4.5m，吊顶高度一般为3.0~3.3m，楼板厚度约为100mm，板下梁高度和宽度一般为550~650mm和250~300mm。本文实验模型取商场最常见做法，建筑层高为4.2m，柱距为8.0m×8.0m，柱截面取600mm×600mm，楼板厚取100mm，梁高度和宽取0.7m×0.3m，吊顶高度为3.0m，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70.56m2，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80L/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一火源中心位于喷头的正下方喷头布置采用常规设计，选取直立型喷头，，模拟区不设吊顶二火源中心位于喷头的正下方喷头布置采用常规设计，选取直立型喷头，模拟区设格栅吊顶三火源中心位于喷头的正下方，喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶四火源中心位于四个喷头中心位置，喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶五火源中心位于沿着由3到5方向偏离1.1m的位置喷头布置采用上下喷式喷头设计，模拟区设格栅吊顶。3.2设计火灾根据相关研究，商场市场内火灾初期的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5MW，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0.04689kW/s2，根据相关文献[5]，商场市场每平米最大热释放速率为500kW/m2，即HRR达到5WM时火源面积为10m2，所需时间为326.5s，因此本文取火灾模拟时间为400s。3.3网格划分及边界条件鉴于计算机计算能力的限制，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=1m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。5号喷头的温度在200s时迅速由53℃降到20℃，并在20℃~30℃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型喷头喷水强度的状况，这种上下喷式喷头布置的设计形式灭火成效不明显，不经济。参考文献：[1]周铁军,熊洪俊.现代建筑室内装修的艺术