地下停车库火灾风险分析

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1、消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 。关键词 :地下停车库 ;火灾风险 ;热释放速率 ;临界条件文章编号 : 1008 - 2077 ( 2007) 04 - 0029 - 04中图分类号 : X913. 4 , D631. 6文献标识码 : A1 引言随着我国经济建设的迅速发展 ,地下空间的开发

2、也紧跟 世界潮流 。目前全国有近 200 个城市在不同程度 上开发了 地下空间 ,建成了各种用途的地下建筑 1 。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 ,往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 2 。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

3、 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内部的地下停车库 ,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 , 得出着火点的火灾热释放速率 ( hea t re lea se ra te,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

4、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 、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 。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

5、,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 ,可忽略 ) 。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

6、3 。图 1 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800 kg,油箱中汽油质量为 30 kg,可燃物质量为 250kg (不同类 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 ,天津人 ,工程师 。29武警学院学报 2007年第 4期 (总第 130期 )消防设计与评价 16kW m - 2 。由此可得燃烧汽车的临界热释放速率为 :Q = 12x2 I = 12 3. 14 1. 62 16 = 1543kW类似 ) 。点火部

7、位为汽车前部发动机上表面 ,试验中的火场最高温度为 1 190 ,最大热释放速率为 4. 08MW ,间接计算 得汽车可燃物的平均热值为 25. 4MJ kg- 1 ,最大质量损失速 率为 0. 163kg s- 1 。由图 1可以看出 ,试验中汽车火灾的发展较 t2 快速火的 发展相对缓慢 。由于本次试验的起火部位在汽车的前部 ,而 汽车的油箱 在 后 部 , 从 起 火 到 油 箱 爆 裂 经 历 的 时 间 为 28.5m in,致使热释放速率 的峰值在 32m in 时出现 , 如 果起火部 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

8、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 , 认为火灾 按 t2 快速火发展 (火灾增长系数 = 0. 046 89 kW s- 2 ) 。即( 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为 3m in。 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 A - B - C - D - E - F。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

9、 。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 28MW。Q = t2式中 , Q 热释放速率 ( kW ) ;t 点火后的时间 ( s) ; 火灾增长系数 ( kW s- 2 ) 。另外 ,参考 国 家 标 准建 筑 设 计 防 火 规 范 GBJ16 - 87 ( 2001版 )修订编制专题报告集 ,选取轿车的火灾规模及 相关参数如表 1所示 。表 1 轿车火灾规模及其参数( 1)图 3 停放汽车单元 A 起火后的火灾传播蔓延情形 (每排 17辆 )根据德国 1975 1985 年间 30 个城市的 火 灾 统 计 资 料 显示

10、,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 38. 6% 。当未设自动喷水灭火系统时 ,平均每次烧毁车辆 1. 9 辆 ,间接损坏车辆 4. 2 辆 ; 当 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 0. 1 辆 2 。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式 各异 ,且相邻存放单元的前后净距以及左右间隔距离各不相 同 。因此 ,不同位置处存放单元的车辆起火时 ,其火灾蔓延 的情形会略有不同 ,这里不再赘述 。4 停

11、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3. 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 8m。汽车 (标准可乘坐 4 5 人的轿车 ) 的平面投影 尺寸为 1. 8m 4. 82m ,如果按相邻汽车的内表面测量 ,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 ,相邻的汽车很可能受 到辐射热而着火 ,若燃烧车辆的 HRR 值为 Q ,那么对相邻汽 车表面的辐射热为 :- 2塑性材料 ,临界辐射热通量为 16

12、kW m 。从烟气层辐射到 6 汽车表面的热量可由下式计算,即 :4q = FssTs( 4 )I = Q / 3( 2)4x2式中 , I 燃烧车辆对相邻汽车表面的辐射热 ;x 着火汽车中心到相邻车辆表面的距离 。式中 , F 车辆表面烟气层形状因子 ;ss 烟气层的热辐射性 ; 史蒂芬 - 波尔兹曼常数 ;Ts 烟气层的平均温度 。为了保持热流 q 16 kW m - 2 ,那么烟气的温度不能超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 4 ,故一般汽车着火的临界热流量为 16kW m - 2 ,即30I =汽车类型火灾规模火灾周长火灾增长系数辐射热比例MWmkW s- 2%小轿车

13、513. 240. 046 8930张鸿鹤 :地下停车库火灾风险分析过 Ts ,即 :系统正常工作的情况下 , 1 800 s内烟气层最高温度为 Ts = 130 456,烟气层高度 Hsm oke = 2. 3 1. 6m。因此 ,轰燃是可以 避免的 。6. 2 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. 02m。车辆的平面投影尺寸为 1. 8m 4. 82m ,同一 存放单元车与车的前后净距为 0. 5m ,左右间距为

14、0. 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 0. 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= 8. 86m。1 / 4Ts = ( q / Fss)( 5)按最保守的估计 ,取 Fs = 1,s = 1, 则 :1 / 41 / 4Ts = ( q / Fss) ( q /) = 729K (即 456)( 6)该结果为烟气层临界温度标准

15、。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. 6m ,因此 ,烟气层的高度 Hsm oke 1. 6m。综上 ,汽车库不会发生轰燃的临界条件为 :Ts 456, 且 Hsm oke 1. 6m5 车库火灾热辐射分析车库内汽车燃烧时释放的辐射热包括 : 着火汽车本身释 放的辐射热和上部烟气层的辐射热 。通过对两部分辐射热 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 ,根据 公式 ( 2 )可知 :未燃邻近车辆受到的燃烧汽车的热辐射为 : Q i / 3= 6Ic

16、a r( 7)4 x 2i式中 , Q i 第 i辆 已燃汽车的 HRR 值 ;xi 第 i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 :4s4s 6F( )8s式中 , Ts 为烟气层的平均温度 。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 ,则火焰蔓延的先后顺序表 现为 A - (B1, B 2) - B3 - B4 - C

17、。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 (B1 , 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 (B 1, B2 )的 临界热释放速率为 :Q = 12x2 I = 12 3. 14 1. 692 16 = 1722 kW代入公式 ( 1) ,得到火焰传播到相邻汽车 (B 1, B2 ) 的临 界时间大致为 192 s。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

18、水 ,则可有效控制火灾规模 ,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开发的计算机应用软件 D ETECT - Q S模型进 行计算 ,如表 2。从表 2可以看出 ,车库内自动喷水灭火系统的动作时间为 190 s,小于火焰传播到相邻汽车 (B1, B2)的临界时间 192 s。6因子近似等于 1 ,即 Fs 1 。因此 ,可推出 :4= TsIsm oke( 9)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 :-

19、2Ica r + Ism oke 16kW m( 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 4.8m。地下停车库可停放车辆约 860辆 ,为 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. 1 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 FD S ( Fire D ynam ic s

20、Sim u la to r)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31武警学院学报 2007年第 4期 (总第 130期 )消防设计与评价 7. 2 一般汽车着火的临界热流量为 16kW 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 , 且 Hsm oke 1. 6m; 相邻汽车不被引燃的临

21、界条件是 :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 D ETECT - Q S计算条件及结果- 2 16kW m 。Ica r + Ism oke7. 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 。因 此 ,地下停车库宜采用快速响应喷头 ,保证较短时间内启动喷水灭火 ,从而避免火灾进一步蔓延扩散 。7. 6 以上是针对地下停车库得出的结论 。对于室外敞开停 车场而言 ,由于火灾时烟气能够自由扩散 ,火灾热量损失较 大 ,因此 ,室外敞开停车场的火灾危险性相对较低 。

22、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 :QA / 34+TsIB 3 = Ica r + Ism oke=24xA= 12. 2 + 1. 5 = 13. 7 16kW m - 2QA / 3参考文献 : 1 范维澄 ,孙金华 ,陆守香 ,等. 火灾风险评估方法学 M . 北京 : 科 学出版社 , 2004. 2 John R. Gu tach ten ueber d ie B emm e sung und W irk sam ka it von R auch - und W aerm eab

23、zugsan lagen fue r un terird ische Ga ragen R . Fo rschungsstelle fue r B rand schu tztechn ik an der U n ive rsitae t Ka rlsruhe ( TH ) . D ezem be r. 1986: 1 - 37. 3 R John,程远平. 小汽车火灾试验研究 J . 中国矿业大学学报 ,2002 , 31 ( 6 ) : 557 - 560. 4 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 ,

24、32 ( 1 ) : 12 - 17. 5 Shun suke D a im a tsu, A k ih ikoHokugo. A Jap ane se ca se stud ie s A .In: P roceed ings of the 4 th In ternationa l Confe rence on Pe rfo rm ance- B a sed Code s and F ire Safe ty D esign M ethod s C . A u stra lia, M a rch, 2002: 20 - 22. 6 Tanaka T, Hokugo A , H agiwa ra

25、I, e t al. A case study u sing the p e r2fo rm ance ba sed fire safe ty de sign system in Jap an A . In: P roceed2 ings of the F irst In te rna tiona l Confe rence on p e rfo rm ance - B a sed Codes and F ire Safe ty D e sign M e thod s C . Bo ston, M a rch, 1997: 409- 420.4+TsIB 4 = Ica r + Ism oke

26、=24xA= 1. 35 + 1. 5 = 2. 85 16kW m - 2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 , 尤 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 192 s内喷

27、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 ,汽车火灾 按 t2 快速火发展 (火灾增长系数 = 0. 046 89 kW s- 2 ) ,且 单辆汽车火灾最大热释放速率为 5MW。The Eva lua t ion of the F ire R isk in the Un dergroun d Ga ra ge sZHAN G Hong - he( F ire D ivision of T ian j

28、in, T ian jin 300090, C h ina )A b stra c t: To exp la in the la ten t fire risk in the unde rground ga rage s, the p ap e r ana lyze s fire fea tu re s of the unde r2 ground ga rage s and seve ra l p rob lem s, i. e. fire sca le, c ritica l smoke cond ition s fo r fla shove r occu rring, hea t rad

29、ia2 tion re lea se, op e ra ting tim e of au tom a tic sp rink le r system , and fire sp read ing to the con tiguou s ca rs. In the p ap e r, one examp le ha s been given on how to evacua te the fire risk of an unde rground ga rage.Key word s: the unde rground ga rage; fire risk; hea t re lea se ra te; c ritica l cond ition32顶棚高度4. 8m洒水喷头的时间响应指数 ( R T I)150m1 /2 s1 / 2 (标 准 响 应喷头 )洒水喷头的动作温度68 洒水喷头距火源中轴线的距离2m环境温度23 火灾初期发展规律t2 快速发展火灾自动喷水灭火系统启动时间190 s