熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第一頁，共十八頁，2022年，8月28日

火災(zāi)能否在建筑物間蔓延與起火建筑通過窗口向外的輻射熱量有很大關(guān)系。木屋燃燒過程產(chǎn)生的熱量等于已燒掉可燃物質(zhì)量與木材低熱值的乘積，燒掉可燃物質(zhì)量等于可燃物總質(zhì)量與火災(zāi)熄滅后殘?jiān)|(zhì)量之差。為便于比較，通常采用單位面積釋放的熱量來表示木屋燃燒過程產(chǎn)生熱量的多少。木屋單位面積釋放的熱量約為340~500kcal/m2。需要指出的是，在起火燃燒的過程中始終存在熱輻射，且燃燒越猛烈，熱輻射越強(qiáng)。在起火建筑物對(duì)面設(shè)置豎向墻板可測(cè)得通過窗口向外的熱輻射強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，測(cè)得的總輻射熱量大約僅占燃燒總熱量的2.9~3.7%；磚混結(jié)構(gòu)建筑起火，由窗口向外輻射的熱量，遠(yuǎn)小于木屋火災(zāi)，大約為總發(fā)熱量的1.8%左右。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量*二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第二頁，共十八頁，2022年，8月28日

木材表面受輻射熱作用，溫度逐漸升高，直到發(fā)火自燃。

(一)木材受輻射熱作用起火的經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑物起火之后，其對(duì)面帶屋檐的木墻板接受到輻射熱，表面放出白煙，從木墻板的屋檐下呈旋渦狀流出。隨木墻板接受的熱量增多，熱解產(chǎn)生的煙氣量逐漸增多。大部分熱量被試件的上部接受，隨后在某一位置出現(xiàn)一些受輻射熱最大的點(diǎn)，稱為M點(diǎn)。此后，白煙減少（可能是水分蒸發(fā)完了），炭化加快，發(fā)出劈啪的爆裂聲。當(dāng)M點(diǎn)的溫度超過200oC以后，板上出現(xiàn)赤熱點(diǎn)，并迅速進(jìn)入無焰燃燒，且無焰燃燒多數(shù)先在木節(jié)的周圍及板的鋸口等處發(fā)生。在無焰燃燒的情況下，若用明火（如用燒著的引火紙），只要接觸0.3~0.5s，墻板便可被點(diǎn)燃。如果無明火，無焰燃燒仍將繼續(xù)下去，不會(huì)很快發(fā)火，燃燒面積在表面逐漸擴(kuò)大，且向縱深發(fā)展致使木板內(nèi)部也呈無焰燃燒狀態(tài)。當(dāng)表面的溫度達(dá)到400~500oC時(shí)，即使沒有明火引燃，試件也可起火自燃。試件一旦起火燃燒，整個(gè)墻面在1~3s內(nèi)將完全起火燃燒，并導(dǎo)致內(nèi)部也發(fā)生燃燒。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火*三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第三頁，共十八頁，2022年，8月28日

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有微風(fēng)（風(fēng)速小于2m/s）時(shí)，墻面的升溫速度明顯減小。試件從無焰燃燒到起火自燃所經(jīng)歷的時(shí)間也明顯延長。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于材料斷面的大小而言，建筑材料表面所接受的熱輻射強(qiáng)度對(duì)材料起火難易的作用更顯著。材料表面接受的輻射強(qiáng)度越大，起火所需時(shí)間就越短。例如，當(dāng)木板一面受到熱輻射時(shí)，受熱區(qū)域的溫度與木板的厚度無關(guān)。材料是否能被點(diǎn)燃主要取決于材料性質(zhì)、輻射強(qiáng)度和輻射持續(xù)時(shí)間。木材表面熱解可燃?xì)獾尼尫潘俣扰c熱輻射強(qiáng)度有關(guān)。若輻射強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值，熱解可燃?xì)馀c空氣混合后的濃度足夠大，氣體溫度足夠高，氣體將被點(diǎn)燃。

(二)木材表面溫升與輻射強(qiáng)度的關(guān)系不同熱輻射強(qiáng)度條件下可燃材料表面溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖4-35所示。圖中○、●和×分別表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果、材料處于無焰燃燒狀態(tài)和材料起火自燃。在曲線A中，木材表面受的輻射強(qiáng)度約為14~23×104J/m2·s；在曲線B和曲線C中，這一輻射強(qiáng)度分別約為10~12×104J/m2·s和5~10×104J/m2·s。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火*三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第四頁，共十八頁，2022年，8月28日

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一輻射強(qiáng)度下，木材新舊程度對(duì)起火時(shí)間有很大影響。舊木材比新木材更易起火。舊木材到達(dá)無焰燃燒溫度時(shí)間僅為同類型新木材1/2~1/3，而舊木材無焰燃燒溫度比新木材約低20oC。圖4-35不同輻射強(qiáng)度下木材表面溫升與時(shí)間

(三)點(diǎn)燃材料的臨界輻射強(qiáng)度當(dāng)材料接受輻射后，其表面溫度升高，同時(shí)熱量也將以熱傳導(dǎo)的形式由表面向內(nèi)部傳導(dǎo)。輻射強(qiáng)度越高，材料升溫速度和材料起火速度越快。木材點(diǎn)燃時(shí)間和熱輻射強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖4-36所示。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火*三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第五頁，共十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D4-36木材點(diǎn)燃時(shí)間與熱輻射強(qiáng)度關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)所用惰性材料纖維板表面起火的自燃溫度是525oC，表面的點(diǎn)燃溫度是350oC。當(dāng)輻射強(qiáng)度確定之后，就可估計(jì)表面溫度升到燃點(diǎn)所需要的時(shí)間。顯然表面溫度是熱輻射強(qiáng)度、照射時(shí)間、材料表面熱量損失以及材料熱性能參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)輻射熱低于某一入射強(qiáng)度，材料表面溫度則不可能達(dá)到燃點(diǎn)，因而不可能被點(diǎn)燃。在一定條件下，若某種材料經(jīng)某一熱輻射強(qiáng)度照射無限長時(shí)間后剛好能被點(diǎn)燃，這一熱輻射強(qiáng)度值就定義為此材料在此條件下的臨界輻射強(qiáng)度。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火*三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第六頁，共十八頁，2022年，8月28日臨界輻射強(qiáng)度可根據(jù)實(shí)測(cè)若干輻射強(qiáng)度下的點(diǎn)燃時(shí)間，通過作圖求得。實(shí)際上，點(diǎn)燃材料所需的最小強(qiáng)度總是稍高于臨界強(qiáng)度，原因在于材料熱解可燃?xì)獾尼尫攀遣贿B續(xù)的。常見材料的臨界輻射強(qiáng)度如表4-7所列。表4-7常見材料的臨界輻射強(qiáng)度一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火*三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延材料名稱臨界輻射強(qiáng)度（×4.2×104J/m2·s）表面點(diǎn)燃引燃自燃木材0.10.350.7涂飾普通油漆的木版—0.40.55-1.2纖維絕緣板—0.150.6防火處理后的纖維絕緣板—0.2-1.0—硬木板0.10.25—紡織品——0.85大麻、黃麻和亞麻——1.0軟木—0.080.55涂有柏油瀝青的屋面0.07——表面鋁板保護(hù)的屋面0.8——注：引燃意指除明火外的小型點(diǎn)火源等引燃材料表面的著火方式。第七頁，共十八頁，2022年，8月28日根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律，絕對(duì)溫度為T的物體單位時(shí)間發(fā)射的能量為：

(4-80)式中，ε為輻射率，起火建筑物可接近黑體，計(jì)算過程中可視為常數(shù)；F為發(fā)射表面積。從輻射體表面微元dF1到被輻射物體表面微元dF2的熱通量為：(4-81)式中，r為dF1和dF2的間距；β1和β2為射線與微元面法線的夾角。若發(fā)射面為垂直的矩形平面，將上式對(duì)F1上積分，則求得dF2接受的發(fā)射表面F1的熱通量。(4-82)一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定*四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第八頁，共十八頁，2022年，8月28日式中，上式中x、y、z為坐標(biāo)；α、β、γ為被輻射微元法線與x、y、z坐標(biāo)軸間的夾角。式（4-82）也可以寫成：

(4-83)一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定*四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第九頁，共十八頁，2022年，8月28日或(4-84)式中，φ就是相對(duì)位置系數(shù)；Q12/dF2是受輻射體接受的輻射強(qiáng)度；σT4是從輻射物體表面發(fā)射出來的輻射強(qiáng)度。由此可見，相對(duì)位置系數(shù)是接受體獲得熱輻射強(qiáng)度和發(fā)射表面發(fā)射強(qiáng)度之比。因此，如果起火建筑物的輻射強(qiáng)度和被照射建筑物允許最大的輻射強(qiáng)度，就可依據(jù)上式求出最大的允許相對(duì)位置系數(shù)。通常的熱輻射總是由建筑物的窗口射出來，故而被照射體接收到的輻射強(qiáng)度也隨建筑物窗口面積而變化。窗口面積的輻射強(qiáng)度通常用起火建筑物發(fā)出的熱通量乘以系數(shù)P的形式來表示。而系數(shù)P，等于窗口面積與建筑物相對(duì)立面面積之比。這樣，被照射物體獲得的熱通量可寫成：(4-85)

相對(duì)位置系數(shù)的近似公式推導(dǎo)如下：一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定*四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十頁，共十八頁，2022年，8月28日當(dāng)被照射物體的單元dF2平行于發(fā)射面，且位于發(fā)射面中心線上時(shí)，依據(jù)以上公式，微元面dF2獲得的熱通量Q12可簡化為：(4-86)式中，h為輻射平面高度；b為輻射平面寬度；d為受輻射微元體與輻射表面間距離。由式（4-84）得：(4-87)式中，B=d/(hb)1/2，S=h/b或b/h中較大的數(shù)值。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定*四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十一頁，共十八頁，2022年，8月28日

實(shí)際上，當(dāng)B接近0時(shí)，式（4-87）可簡化為：(4-88)

其中，q=πRφ/P；R=(S+1/S)/2，當(dāng)q小于0.15時(shí)，與精確的方程式一致。當(dāng)S趨于無限大時(shí)，方程式也可進(jìn)一步簡化為：(4-89)

當(dāng)q值大于3.6時(shí)，與精確的方程式一致。當(dāng)q大于0.75，但小于3.6時(shí)，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式為：(4-90)公式表明，當(dāng)φ/P≤0.4時(shí)，計(jì)算所得間距與精確解偏差很小。例如一起火建筑b=60m，h=3m，間距d=10m，利用式（4-84）可得φ=0.1464。如果利用近似公式反求安全間距d=10.23m，偏差很小。主要原因在于，當(dāng)φ/P≤0.4時(shí)，計(jì)算得到的間距本身較小，與精確數(shù)值相比，僅僅相差很小的距離，一般在1.5m以下。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定*四、受輻射照射物體安全位置的確定小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十二頁，共十八頁，2022年，8月28日

計(jì)算火災(zāi)中受輻射物體的安全距離，必須知道受輻射物體被點(diǎn)燃的臨界輻射強(qiáng)度和起火建筑物的最大輻射強(qiáng)度。各種材料受熱被點(diǎn)燃的臨界輻射強(qiáng)度差別較大，在建筑物中，經(jīng)常采用木質(zhì)或類似木質(zhì)的可燃構(gòu)件、裝修材料和家具等，因此木材是建筑物中的主要火災(zāi)荷災(zāi)。世界各國都特別注意對(duì)木材火災(zāi)的研究。工業(yè)發(fā)達(dá)國家把12.6Kw/m2作為木材點(diǎn)燃的臨界輻射強(qiáng)度。在這一輻射強(qiáng)度下烘烤20min，無論是在室內(nèi)還是在室外，火場(chǎng)飛散的火星足以引起新的起火點(diǎn)。起火建筑物發(fā)射的最大輻射強(qiáng)度取決于火災(zāi)的最高溫度，而火災(zāi)的最高溫度是隨火災(zāi)荷重、建筑面積、墻體材料熱性能和窗口大小而不斷變化。建筑物內(nèi)的可燃物不僅種類繁多，而且燃燒發(fā)熱量也不同。為了研究方便，一般將實(shí)際存在的可燃物重量換算成等同發(fā)熱量的木材重量，定義為等效可燃物量。單位面積上的等效可燃物量稱為火災(zāi)荷載。(4-91)一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定*小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十三頁，共十八頁，2022年，8月28日式中q為火災(zāi)荷載，kg/m2；Gl為各可燃物重量，kg；Hl為可燃物燃燒熱，kJ/kg；Ho為木材單位發(fā)熱量，一般取1.8837×104，kJ/kg；∑Ql為火災(zāi)分區(qū)內(nèi)可燃物總發(fā)熱量，kJ。利用公式（4-91）可計(jì)算室內(nèi)火災(zāi)荷載，在此基礎(chǔ)上可計(jì)算出火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，即：(4-92)式中，AF為火災(zāi)分區(qū)地板面積，m2；需要指出的是，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間一般是指在所研究的燃燒區(qū)域內(nèi)從火災(zāi)形成到火災(zāi)衰減所持續(xù)的總時(shí)間。而從建筑耐火性能研究的角度看，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間是指火災(zāi)區(qū)間轟燃后經(jīng)歷的時(shí)間。求出火災(zāi)持續(xù)時(shí)間后，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線公式計(jì)算火災(zāi)最高溫度，進(jìn)而求出最大輻射強(qiáng)度。有了被照射的表面臨界強(qiáng)度和起火建筑物正立面最大的輻射強(qiáng)度，便可用下式推導(dǎo)出最大安全位置系數(shù)或臨界相對(duì)位置系數(shù)。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定*小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十四頁，共十八頁，2022年，8月28日(4-93)式中，φ’crit為整個(gè)正立面都產(chǎn)生輻射時(shí)臨界相對(duì)位置系數(shù)；φcrit為正立面的一部分產(chǎn)生輻射時(shí)臨界相對(duì)位置系數(shù)；Icrit為受輻射物體表面相對(duì)臨界輻射強(qiáng)度；Imax為正立面最大輻射強(qiáng)度。求得臨界相對(duì)位置系數(shù)以后，便可得到受照射物體相對(duì)的安全位置。由火場(chǎng)發(fā)射的最大輻射強(qiáng)度可根據(jù)下式計(jì)算得到：(4-94)式中，Tmax為火場(chǎng)最高溫度。臨界相對(duì)位置系數(shù)可根據(jù)如下公式求得：(4-95)

確定了臨界相對(duì)位置系數(shù)以后，被照射物體的安全位置可用以下幾種方法確定。一、起火建筑物由窗口向外輻射的熱量二、木材受輻射熱起火三、熱輻射強(qiáng)度的一般表達(dá)式及相對(duì)位置系數(shù)的確定四、受輻射照射物體安全位置的確定*小節(jié)名第八節(jié)熱輻射造成的火災(zāi)在建筑物間的蔓延第十五頁，共十八頁，2022年，8月28日(一)利用近似公式確定安全位置若被輻射物體的受輻射面與起火建筑物的立面平行，其安全距離可用前面給出的近似公式得到。這時(shí)，需要首先先計(jì)算R和q。(4-96)式中，h為起火建筑輻射面高度；b為起火建筑輻射面寬度。(4-97)如果q