通透性吊頂內(nèi)上下噴式噴頭設(shè)計(jì)有效性數(shù)值化驗(yàn)證李厚強(qiáng)（徐州市消防支隊(duì)，江蘇徐州221000）摘要：針對(duì)目前設(shè)有通透性吊頂?shù)纳虉?chǎng)市場(chǎng)中大量使用的上下噴式噴頭設(shè)計(jì)形式，采用了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用FDS5.5(FireDynamicsSimulator)軟件對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中上下噴式噴頭設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)在上下噴式噴頭設(shè)計(jì)中，下層噴頭的啟動(dòng)具有明顯的條件限制，設(shè)置的下層噴頭不能彌補(bǔ)通透性吊頂對(duì)降低直立型噴頭布水范圍、布水均勻性和噴水強(qiáng)度的影響，這種設(shè)計(jì)形式滅火成效不明顯，不經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵字：通透性吊頂；火災(zāi)數(shù)值模擬；自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；上下噴式噴頭設(shè)計(jì)1引言隨著建筑裝修設(shè)計(jì)的多元化和個(gè)性化，建筑吊頂?shù)脑O(shè)計(jì)形式也千變?nèi)f化，為了營(yíng)造不同的購(gòu)物環(huán)境，目前在大型商場(chǎng)、市場(chǎng)建筑內(nèi)大量采用網(wǎng)格吊頂、格柵吊頂?shù)韧ㄍ感缘蹴?，也叫懸空式[1]吊頂，如圖1。然而，在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中除開(kāi)式系統(tǒng)外，所有閉式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中的閉式噴頭的安裝均受到吊頂形式的影響，常規(guī)做法是采用實(shí)體面板的吊頂場(chǎng)所一般采用下垂型、吊頂型噴頭（即齊平式、嵌入式和隱蔽式噴頭），采用通透性吊頂?shù)膱?chǎng)所一般采用直立型噴頭[2]。但是由于國(guó)家相關(guān)規(guī)范均未明確通透性吊頂?shù)母駯虐?、網(wǎng)格條等材料的寬高以及孔洞和空隙的大小尺寸，一些通透性吊頂嚴(yán)重影響了直立型噴頭的噴水強(qiáng)度和滅火效率，根據(jù)高兵等進(jìn)行的格柵類通透性吊頂對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)水量分布影響的實(shí)驗(yàn)研究可以看出，格柵會(huì)改變?yōu)⑺畤婎^的水量分布的均勻性，進(jìn)而影響其滅火效果[3]。同時(shí)，一般商場(chǎng)、市場(chǎng)建筑的吊頂內(nèi)均布置有大量的空調(diào)風(fēng)管、水管、電纜橋架等障礙物，也嚴(yán)重影響噴頭的布局和滅火效果，雖然《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50084-2001（2005年版）第5.0.3條規(guī)定：“裝設(shè)網(wǎng)格、柵板類通透性吊頂?shù)膱?chǎng)所，系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度應(yīng)按本規(guī)范表5.0.1規(guī)定值的1.3倍確定?！?，但是仍有很多通透性吊頂即使噴水強(qiáng)度提高1.3倍，由于吊頂內(nèi)障礙物較多、格柵板較大、網(wǎng)格眼較小等因素，仍然無(wú)法滿足滅火需要，為此，有的設(shè)計(jì)人員采用了一種直立型和下垂型噴頭聯(lián)用設(shè)計(jì)形式（即上下噴式噴頭設(shè)計(jì)形式），如圖2。這種設(shè)計(jì)看似在吊頂平面又增設(shè)了一層下垂型噴頭，彌補(bǔ)了柵板、網(wǎng)格等障礙物對(duì)吊頂內(nèi)直立型噴頭灑水分布均勻性和噴水強(qiáng)度的影響，但是下層噴頭能否啟動(dòng)或者何時(shí)啟動(dòng)均不得而知，為此需要做進(jìn)一步驗(yàn)證。圖1通透性吊頂實(shí)例圖2上下噴式噴頭設(shè)計(jì)形式示意圖2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥詈玫膰婎^設(shè)計(jì)形式有效性驗(yàn)證方法是進(jìn)行全尺寸實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)最為可信，但是火災(zāi)實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，周期長(zhǎng)，需要較多的經(jīng)濟(jì)投入。而采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法與試驗(yàn)研究相比，具有可靠性高、代價(jià)低、周期短、信息全的優(yōu)點(diǎn)，已受到廣泛重視。本文采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究局（NIST）開(kāi)發(fā)的FDS5.5(FireDynamicsSimulator)軟件建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬。2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)對(duì)于通透性吊頂應(yīng)用比較廣泛的商場(chǎng)、市場(chǎng)建筑來(lái)講，這類建筑的柱距一般為8~9m，層高一般為3.9~4.5m，吊頂高度一般為3.0~3.3m，樓板厚度約為100mm，板下梁高度和寬度一般為550~650mm和250~300mm。本文實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿∩虉?chǎng)最常見(jiàn)做法，建筑層高為4.2m，柱距為8.0m×8.0m，柱截面取600mm×600mm，樓板厚取100mm，梁高度和寬取0.7m×0.3m，吊頂高度為3.0m，吊頂?shù)母駯艦閁形鋼制格柵，寬高尺寸為5cm×10cm，格柵間距為15cm。模擬面積為商場(chǎng)中一個(gè)柱距大小取70.56m2，周邊設(shè)為敞開(kāi)空間。上下噴頭選用標(biāo)準(zhǔn)直立型噴頭和下垂型噴頭，即ZSTZ15－68℃和ZSTX15－68℃，直立或下垂安裝，公稱口徑為15mm，公稱動(dòng)作溫度為68℃的閉式噴頭，噴頭流量系數(shù)K=80，響應(yīng)時(shí)間指數(shù)RTI=150（m·s）0.5，噴頭傳導(dǎo)系數(shù)C取1.0（m/s）0.5的噴頭，指定噴頭流量為80L/min。噴頭的布置如圖3。圖3模型中噴頭布置示意圖3火災(zāi)場(chǎng)景和設(shè)計(jì)火災(zāi)3.1火災(zāi)場(chǎng)景為了驗(yàn)證火災(zāi)發(fā)生時(shí)，格柵吊頂對(duì)噴頭滅火效率的影響以及上下噴頭設(shè)計(jì)能否有效啟動(dòng)，本文設(shè)定了五個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，見(jiàn)表1。表1火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景火源位置場(chǎng)景條件一火源中心位于噴頭的正下方噴頭布置采用常規(guī)設(shè)計(jì)，選取直立型噴頭，，模擬區(qū)不設(shè)吊頂二火源中心位于噴頭的正下方噴頭布置采用常規(guī)設(shè)計(jì)，選取直立型噴頭，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂三火源中心位于噴頭的正下方，噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計(jì)，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂四火源中心位于四個(gè)噴頭中心位置，噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計(jì)，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂五火源中心位于沿著由3到5方向偏離1.1m的位置噴頭布置采用上下噴式噴頭設(shè)計(jì)，模擬區(qū)設(shè)格柵吊頂。3.2設(shè)計(jì)火災(zāi)根據(jù)相關(guān)研究，商場(chǎng)市場(chǎng)內(nèi)火災(zāi)初期的發(fā)展基本可以表述為t2火災(zāi)模型，即Q=at2，式中Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s。根據(jù)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》DGJ08-88-2000中第4.2.1條可知，設(shè)有噴淋的商場(chǎng)最大熱釋放速率一般取為5MW，商場(chǎng)市場(chǎng)的火災(zāi)一般按照快速火考慮，即a火災(zāi)發(fā)展系數(shù)取為0.04689kW/s2，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，商場(chǎng)市場(chǎng)每平米最大熱釋放速率為500kW/m2，即HRR達(dá)到5WM時(shí)火源面積為10m2，所需時(shí)間為326.5s，因此本文取火災(zāi)模擬時(shí)間為400s。3.3網(wǎng)格劃分及邊界條件鑒于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，模擬區(qū)域內(nèi)采用了多重網(wǎng)格，設(shè)定吊頂區(qū)采用0.05m×0.05m×0.05m網(wǎng)格，頂部和下部采用0.2m×0.2m×0.2m網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為235200個(gè)。由于大型商場(chǎng)市場(chǎng)的防火分區(qū)較大，因此模擬區(qū)域四周邊界均設(shè)為open，室內(nèi)的初始風(fēng)速為0m/s，初始溫度為20℃。4模擬結(jié)果和分析4.1格柵吊頂對(duì)噴頭噴水效率的影響火災(zāi)場(chǎng)景一：由圖4可知5號(hào)噴頭在156.8s啟動(dòng)噴水，假設(shè)火勢(shì)未受到抑制，火災(zāi)仍按照t2火災(zāi)發(fā)展，則1號(hào)噴頭在355.2s啟動(dòng)噴水，見(jiàn)圖5，直到400s時(shí)，其他噴頭均未動(dòng)作。圖4無(wú)吊頂噴頭在t=156.8s啟動(dòng)噴水圖5無(wú)吊頂1號(hào)噴頭在t=355.2s噴水圖6帶格柵吊頂噴頭在t=163.2s啟動(dòng)噴水圖7帶格柵吊頂2號(hào)噴頭在t=344.0s噴水火災(zāi)場(chǎng)景二：由圖6可知5號(hào)噴頭在163.2s啟動(dòng)噴水。假設(shè)火勢(shì)未受到抑制，火災(zāi)仍按照t2火災(zāi)發(fā)展，則2號(hào)噴頭在344.0s啟動(dòng)噴水，8號(hào)噴頭363.6s啟動(dòng)噴水，4號(hào)噴頭383.6s啟動(dòng)噴水。在400.0s內(nèi)其他噴頭未啟動(dòng)。在火災(zāi)場(chǎng)景一和二中，分別取t=199.2s時(shí)Z=1m的切片，見(jiàn)圖8和圖9。圖中可以看出，格柵吊頂明顯降低了噴頭的布水范圍、布水均勻度和強(qiáng)度，且在垂直格柵方向影響最大。5號(hào)噴頭的溫度在200s時(shí)迅速由53℃降到20℃，并在20℃~30℃之間震蕩，直到290s時(shí)，溫度又迅速上升至68℃，并在328.8s啟動(dòng)噴水。這主要是由于假設(shè)了火勢(shì)未受到抑制，隨著火源熱釋放速率的不斷增大，火源面積也不斷增大，在290s時(shí)，5’號(hào)噴頭的正下方的火焰和煙羽流對(duì)其的熱作用明顯增大，致使5號(hào)噴頭在328.8s也啟動(dòng)噴水。而其他噴頭正下方無(wú)火源的下層噴頭均沒(méi)有啟動(dòng)。圖15上層不同位置噴頭開(kāi)始啟動(dòng)和多數(shù)啟動(dòng)噴水模擬效果圖16場(chǎng)景五上下層十八只噴頭溫度變化曲線5結(jié)論1、與無(wú)吊頂?shù)膱?chǎng)所相比，格柵等通透性吊頂會(huì)減小吊頂內(nèi)直立型噴頭的保護(hù)面積，布水均勻度，明顯降低保護(hù)區(qū)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度。2、在通透性吊頂內(nèi)采用上下噴式噴頭布置設(shè)計(jì)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，其只有通透性吊頂處的噴頭（即下層噴頭）正好在起火點(diǎn)正上方時(shí)，下層噴頭才可以有效啟動(dòng)，其他情況時(shí)下層噴頭不能啟動(dòng)，下層噴頭啟動(dòng)具有明顯的條件限制。當(dāng)起火點(diǎn)不在噴頭的正下方時(shí)，在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，隨著高溫?zé)煔庠陧敳康牟粩喽逊e，上層直立型噴頭總是先啟動(dòng)噴水，下層噴頭即會(huì)被上層噴頭的噴水冷卻而不能啟動(dòng)，保護(hù)區(qū)域的噴水強(qiáng)度仍然取決于上層直立型噴頭的布置，因此，在通透性吊頂處增設(shè)下層噴頭是無(wú)法彌補(bǔ)格柵等通透性吊頂對(duì)降低上層直立型噴頭噴水強(qiáng)度的狀況，這種上下噴式噴頭布置的設(shè)計(jì)形式滅火成效不明顯，不經(jīng)濟(jì)。參考文獻(xiàn)：[1]周鐵軍,熊洪俊.現(xiàn)代建筑室內(nèi)裝修的藝術(shù)