1、 1 设计火灾中火灾热释放速率曲线的确定* 王志刚 倪照鹏 王宗存 姜明理 （公安部天津消防研究所 天津 300381） 摘要摘要： 火灾的热释放速率是火灾发展过程中十分重要的参数，在运用火灾模型进 行建筑物性能化消防设计与评估时，确定正确合理的火灾热释放速率曲线 至关重要。本文总结了几种确定火灾热释放速率曲线和计算火灾热释放速 率的方法，列举了相关计算实例。 关键词关键词：性能化消防设计；设计火灾；热释放速率 1 前言前言 在进行性能化消防设计与评估时， 通常需要运用火灾模型对建筑内发生火灾 时的可能场景进行模拟计算，得到建筑内各区域有关火灾参数的变化发展情况， 如温度、 燃烧产物浓度、 火
2、焰高度、 烟气层界面高度等， 然后根据这些计算结果， 判断不同条件下的火灾是否会对建筑内人员生命安全或结构稳定等造成危害， 评 价相关消防设计能否将火灾危险降低到一个合理的水平以及确定是否需要进一 步完善修改或调整相关措施。 火灾发展过程中的各种火灾参数直接取决于火灾的热释放速率。 但当前绝大 多数火灾模型都没有包含燃料的燃烧模型， 其主要原因是燃烧是一个相当复杂的 物理化学过程，对其进行数值模拟是一项极其艰巨的任务，在目前条件下还无法 完全实现。鉴于这种状况，各种火灾模型都把热释放速率作为一个输入参数由用 户来输入， 因此输入的火灾热释放速率曲线能否代表真实的火灾情况将决定火灾 模拟结果的精
3、确程度。 本文根据国家“十五”科技攻关项目“建筑物性能化消防设计导则的研究” 所进行的研究工作并结合一些工程实例的经验， 总结了几种确定火灾热释放速率 曲线的方法，并以某高架库房的设计火灾分析作了一实际算例。 2 火灾的发展过程 火灾的整个发展过程按时间先后顺序分为阴燃、增长阶段、充分发展阶段、 衰退阶段直到最终熄灭，如图 1 所示。视燃料的燃烧特性，阴燃阶段的持续时间 有所不同，对于液体和气体火灾甚至没有阴燃阶段。在火灾增长阶段，随着持续 燃烧时间的延长，如无外界条件干涉，会有越来越多的可燃物参与燃烧，火灾的 热释放速率也相应不断增大。当火灾发展到一定程度， （如着火室空间条件合适， 还会出
4、现轰燃现象）火灾进入其充分发展阶段，随后的一段时间内的火灾热释放 速率基本保持稳定。其最大热释放速率主要取决于燃料的数量与性质、着火空间 的通风条件等。火灾经过一段时间的持续发展后，随着燃料数量的减少，火灾最 终进入衰退阶段，当燃料全部耗尽后火灾随之熄灭。 在消防安全工程学中，通常选取火灾危害可能较小但发生火灾的可能性很大 的火灾以及发生火灾的可能性较小但危害较大的多个火灾场景组成一组， 来对现 有的消防设计进行评估。对于火灾的各个阶段，也是如此。由于阴燃阶段产生的 热量较少，发展缓慢，在对常见建筑物的消防安全进行评估时通常忽略火灾的阴 燃阶段。火灾在衰退阶段时的热释放速率呈下降趋势，而且通常
5、情况下，此时火 基金项目基金项目：国家“十五”科技攻关项目“建筑物性能化防火设计技术导则的研究”(2001BA803B02-04) 2 灾已经过了相当长的时间。为简化处理，对于衰退阶段也不予考虑。因此在实际 中， 人们最关心的就是火灾的增长阶段和充分发展阶段，在构建火灾的热释放速 率曲线时，也主要是考虑这两个阶段。 图 1 火灾的各个发展阶段示意 3 热释放速率曲线的确定 燃料的燃烧是一个相当复杂的物理化学过程， 对其进行数值模拟是一项极其 艰巨的任务。当前绝大多数火灾模型都没有包含燃料的燃烧模型，在运用火灾模 型进行火灾危害分析时，通常都直接采用实验测量得到的热释放速率曲线，或采 用一些简化
6、的特征火灾发展模型，如 T 平方发展火灾。以下是几种确定火源热 释放速率曲线的方法： 3.1 实际火灾实验 通过实际的火灾实验，可以得到火灾的热释放速率曲线。根据实验的规模， 火灾实验可分为实验室规模实验、中型实验以及实尺寸火灾实验。其中实验室规 模的实验主要通过锥形量热器测量单一可燃物的热释放速率，试样的大小约为 100mm100mm。中型实验除了可以测量单一可燃物的热释放速率外，还可以 测量几种可燃物组成的可燃组件的热释放速率，试样的大小最大可达 1m1m。 大型实尺寸火灾实验模拟建筑的实际尺寸，根据实际的可燃物种类、火灾荷载及 摆放方式进行实验，其实验结果与真实火灾较为接近。但由于这类实
7、验的花费较 大， 目前此类实验的相关数据较少。 相对较多的是单一可燃组件的火灾实验数据。 三种实验方法中， 最有实用价值的是实尺寸火灾实验， 其次是中型火灾实验， 而实验室规模实验结果则常用于分析火灾引燃源。 3.2 类似实验 由于已做的火灾实验有限， 多数情况下找不到有待分析的可燃组件的实验数 据。在这种情况下，可以找其他具有类似的燃料类型、燃料布置及引燃场景的火 灾实验数据。当然，所采数据的实验条件与实际要考虑的情况越接近越好。 例如：在考虑会展中心中的一个展位发生火灾时，因缺少展位起火的实验数 据，可以采用一个办公家具组合单元的火灾试验数据1，实验的照片见图 2。实 验中的办公家具组合单
8、元包括两面办公单元的分隔板、组合书架、软垫塑料椅、 阴燃 增长阶段 充分发展阶段 衰退阶段 火灾热释放速率 时间 3 高密度层压板办公桌以及一台电脑，还有 98kg 纸张和记事本等纸制品。该办公 家具组合单元中包含了展览中较为常见的可燃物， 物品的摆放形式也基本与展位 的布置相同，且其尺寸与一个展位相当。因此，在缺少展位火灾实验数据的情况 下， 可以用这样一个办公家具组合单元的火灾试验数据来替代，相关实验获得的 火灾热释放速率曲线见图 3。 图 2 一个办公家具组合单元火灾实验的燃烧情形 图 3 办公家具组合单元火灾实验热释放速率实测曲线 3.3 根据火灾蔓延进行计算 火灾在初期仅有少量的可燃
9、物参与燃烧， 之后通过热辐射将相邻区域内的可 燃物引燃，再经过一段时间后，被引燃的可燃物产生的热辐射又将邻近的可燃物 引燃。如果火源周围存在足够的可燃物，随着时间的推移，不难设想卷入火灾的 可燃物将会成倍增加，火势也随之不断增长。如图 4 所示，在距火源中心半径为 R 的空间范围内，火源对该区域内可燃物的热辐射为2： 22 44R Q R P q r (1) 其中：q对目标可燃物的单位辐射热流，kW/m2； P火焰的总辐射热流，kW； R与目标可燃物之间的距离，m； Xr热辐射效率，根据不同的燃料类型在 0.20.6 范围内取值； 4 Q火源的总热释放速率，kW。 对于一般的可燃物，公式(1)
10、中的热辐射效率 Xr取 1/3，即火源 1/3 的能量以 热辐射的方式传播出去。因此，公式(1)可转化为公式(2)： 2 12qRQ(2) 图 4 火源对周围可燃物的热辐射示意图 如果知道了可燃物被引燃的热辐射 q以及其距火源的距离 R，就可以通过 公式(2)计算出可燃物被引燃时火源的热释放速率。若火源的热释放速率曲线已 知， 就可以确定火源能够达到引燃可燃物程度的时间，也就相应能确定可燃物被 引燃的时间。可燃物被引燃后，作为次生火源与起始火源的功率叠加在一起，又 会向周围的可燃物发射更强的辐射热流。 运用同样的方法计算下一个可燃物被引 燃的时间，如此进行下去，就可以得到在一定时间内的火灾热释
11、放速率的变化情 况。 对于特定的可燃物，它被引燃的热辐射通量可以通过实验手段测定，也可以 查相关的实验数据获得。 但在工程计算中通常根据被引燃的难易程度将可燃物分 为三类3，参见表 1： 表 1 可燃物被引燃难易程度的粗略分类 可燃物类别 单位面积可燃物表面引燃所需要的辐射热流 (kW/m2) 易引燃 10 一般可引燃 20 难引燃 40 上述计算方法适用于物品摆放形式规则一致，可燃物种类单一的情况。较为 典型的例子有图书馆内的书库、高架仓库内的货架以及展览中心内的展位等。 算例算例 44：分析一个物流仓库内的火灾蔓延情况及确定火灾的热释放速率曲 线。 图 5 为某物流高架库房内货架商品的摆放
12、情况示意图。 图中两个货架背靠背 布置形成一个货架列，货物储存在标准规格的自动化存取包装箱内，放置在货架 内的货架托盘上。本文将通过分析货架列内的一个货架单位着火时，火灾沿货架 列的传播蔓延情况，以说明如何应用上述计算方法确定火灾的热释放速率曲线。 火源 半球 目标可燃物 5 图 5 货架商品摆放示意图 （1）分析火灾蔓延的基本情形 为便于分析，将货架的正面视图用图 6 抽象表示。由图 6 可见，货架共有 6 层，其中每个格子对应上图中的一个货架格（以下简称为货架单位） 。由于货架 是背靠背布置，因此每个货架单位中放置两个货架托盘和两个装满货物的箱子。 假定起火点位于货架底层位置为 A 处的货
13、架单位，起火之后，火灾会沿垂 直和水平方向分别向上部及其两侧蔓延。 按货架单位被引燃的先后顺序将货架单 位分组，火焰蔓延的先后顺序则可如图 6 所示表现为 A-B-C-D-E-F-G-H。由此可 以看出，火灾向上蔓延首先呈金字塔状向上蔓延，同时火灾还向货架两侧蔓延， 使得火灾蔓延过程将逐步呈梯形状发展。 H G F G H H G F E F G H H G F E D E F G H H G F E D C D E F G H H G F E D C B C D E F G H H G F E D C B A B C D E F G H 图 6 货架单位 A 起火后，火灾沿货架的传播蔓延情形
14、简化示意 （2）确定首先起火的一个货架单位 A 的热释放速率发展情况 由于货箱内的货物不确定， 本文采用木制货架托盘的燃烧实验结果作为分析 的基础。该实验中参与燃烧的共有六个托盘（实验照片见图 7） ，将其火灾载荷 等价于一个货架单位内托盘及其上面货物的火灾载荷。 图 8 为实验得到的热释放 速率曲线，并在计算中将其视为一个货架单位着火时的热释放速率曲线。 货架托盘的尺寸为 1m1m，两个托盘之间的间隙约为 30mm，因此一个货 架单位起火后，其火源中心距相邻货架单位的距离为 0.5+0.03=0.53（m） 。计算 时， 货架托盘及商品按一般可引燃物品计算(见表 1， 其引燃所需要的辐射热流
15、为 20kW/m2)。根据公式(2)，得到引燃相邻货架单位所需的热释放速率为： 2112053. 012 2 Q（kW） 货架托盘 货物 货架 6 图 7 木制货架托盘燃烧实验情形 图 8 一个货架单位着火时的热释放速率曲线 从一个货架单位的热释放速率曲线（图 8）可以查出，火源热释放速率约在 180s（3min.）时达到 211kW，即表示 3min 后相邻的货架单位将被引燃。相邻的 货架单位被引燃后，也按相同的热释放速率曲线发展。根据相同的方法再计算其 他相邻的货架单位被引燃的时间。 图 9 为按被引燃的先后顺序将一个货架列中不 同货架单位组的火灾热释放率曲线绘制而成。 一个货架列的火灾热
16、释放速率一般 以时间为步长，综合各货架单位顺序起火后某一时刻的热相互作用来获得，但目 前这方面的研究尚不完善。因此，本文假设一个货架列的火灾热释放速率基本等 同于将各组热释放速率曲线的合成结果。这样，就可以得到一个货架列中货架单 位 A-H 组起火时的火灾热释放速率随时间的变化曲线（如图 10 所示） 。 7 图 9 货架底层起火时，同列其他货架单位起火后的热释放速率曲线 图 10 一个货架列中货架单位 A-H 组起火时的合成热释放速率曲线 3.4 特征火灾曲线 当确实没有其他相关信息来得到火灾的热释放速率曲线时， 还可以进行适当 的假设，将火灾的发展特征化。一种假设是认为火灾将按稳态火灾发展
17、，即火源 的热释放速率始终保持一个恒定的值。另一种假设是认为火灾按非稳态火灾发 展，但火灾的发展具有一定的规律性，例如 T 平方特征火灾。本文主要介绍后 一种类型的火灾非稳态火灾。 3.4.1 稳态火灾 对于稳态火灾，在其整个发展过程中，火源的热释放速率始终保持一个恒定 的值。 火灾发展过程中的充分发展阶段可以近似看成是稳态火灾。通常在进行排 烟系统的计算时一般保守地设定火灾为稳态火灾， 从而计算排烟系统的排烟速率 和排烟量。稳态火灾的火灾热释放速率可采用公式(3)计算： c hmQ.(3) 其中：Q稳态火灾的热释放速率，kW； m 燃料的质量燃烧速率，kg/s； hc燃料的燃烧值，kJ/kg
18、。 3.4.2 T 平方特征火灾 T 平方特征火灾是非稳态火灾之一， 消防安全工程学中一般采用该模型来描 述非稳态火灾热释放速率随时间的变化。 该模型假定火灾热释放速率与时间的平 8 方成正比，见公式(4)： 2 tQ(4) 其中：火灾增长系数，kW/s2； t火灾发展时间，s。 根据火灾热释放速率达到 1MW 的时间，又将 T 平方特征火灾分为慢速火、 中速火、快速火和超快火3,5,6,10（参见图 11） 。表 2 为各种 T 平方火灾的典型可 燃物。 图 11 各类 T 方特征火灾的热释放速率曲线 表 2 对应于 T 方火灾的各类可燃物 火灾增长分级 典型的可燃材料 火灾增长系数 (kW
19、/s2) 热释放速率达到 1MW 的时间3,10 （s） 慢速火 0.002931 （0.00277） 3 600 中速火 棉质/聚酯垫子 0.01127（0.0111） 300 快速火 装满的邮件袋、木 制货架托盘、泡沫 塑料 0.04689（0.0444） 150 超快火 池火、快速燃烧的 装饰家具、轻质窗 帘 0.1878（0.177） 75 从图 11 可以看出，T 平方特征火灾实际描述的是火灾的增长阶段，那么如 何确定火灾何时达到它的充分发展阶段呢？或者说火灾在充分发展阶段的热释 放速率能达到多大规模？本文按以下两种情况分别进行分析： （1）火灾为无限制地自由发展状态 在这种状态下，
20、 火灾无限制地自由发展到其最大热释放速率(见图 12 中曲线 )，这种状态也可以认为是自动灭火系统失效的情况。火灾的最大热释放速率 可由公式(5)计算6： c AqQ max ( 5) 其中：Qmax最大热释放速率，kW； 超快火 快速火 中速火 慢速火 热释放速率(KW) 9 q单位面积的热释放速率，又称热释放速率密度，kW/m2； Ac可燃物所占的面积，m2。 （2）火灾受灭火系统的控制 灭火系统动作并有效作用的情况下，火灾将受到抑制，热释放速率不再继续 增长，继而会呈下降趋势。但在消防安全工程学中，为安全起见，通常保守地假 定灭火系统动作后热释放速率不再增长， 并且继续维持在这一水平(见
21、图 12 中曲 线)。火灾的最大热释放速率可以按自动喷水灭火系统动作时的热释放速率考 虑。自动喷水灭火系统的动作时间可运用美国国家标准及技术研究院（NIST） 开发的软件工具包 FPETool 中的 DETECT-QS 工具计算7。 图 12 火灾分别在自由发展和受到灭火系统控制 两种状态下的热释放速率曲线 关于火灾的热释放速率计算方法， 许多学者尝试从各个角度进行了多方面研 究，得出了一些经验公式8,9，限于篇幅不再赘述。 4 结束语 在运用火灾模拟模型进行性能化消防设计与评估时， 需要输入火灾的热释放 速率曲线。 该曲线能否代表火灾的真实情况直接影响性能化消防设计与评估的可 靠性及其应用。
22、热释放速率曲线可直接通过火灾实验获得，但由于实尺寸火灾实 验的费用较大，此类可用的实验数据较少，而较多的是中型火灾实验与实验室规 模的火灾实验数据。当无法找到有待考虑的可燃组件的实验数据时，可以采用类 似的火灾实验数据替代，当然实验采用的燃料类型、布置及引燃场景与实际情况 越接近越好。 本文还介绍了另外一种确定热释放速率曲线的方法， 即在确定了火灾引燃源 之后， 通过计算火灾的蔓延情况来得到火灾的热释放速率曲线，并举了一个计算 实例。 在没有相关数据确定火灾的热释放速率曲线时， 可近似采用特征火灾曲线。 火灾的热释放速率是发展火灾过程中的最为重要的参数， 在运用火灾模型进 行计算时，确定正确合
23、理的火灾热释放速率曲线至关重要。本文仅对一些常用的 实用计算方法进行了总结。 在今后的研究工作中， 一方面需要广泛进行各类场所内各种典型火灾场景的 热释放速率 Qmax Qc 时间 10 火灾实验，丰富补充目前的火灾实验数据库，从而为推广与完善性能化消防设计 提供完备的数据基础。另一方面也要进行燃料燃烧过程数值模拟的研究，并尽早 将其纳入火灾模型中，尽管迄今为止这仍是火灾科学界的一大难题。 参考文献 1 NIST 网站: http:/www.bfrl.nist.gov. 2 Edward K.Budnick, Harold E.Nelson, David D.Evans., “Simplifi
24、ed Fire Growth Calculations”, Fire Protection Handbook, 18th Edition, National Fire Protection Association, Batterymarch Park, Quincy, MA, 1997. 3 “Fire Engineering Guidelines” First Edition-March 1996, Fire Code Reform Center Limited. 5 NFPA 204 Standard for Smoke and Heat Venting 2002 Edition. 6 B
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26、lashover Using Fire Test Data Correlations”, Fire Technology, Vol.17, pp.98-119. 9 Friedman, R., “Quantification of Threat From a Rapidly Growing Fire in Terms Of Relative Material Properties”, Fire and Materials, Vol.2, No.1, pp.27-33. 10 ISO TC92/SC4:ISO/WD 16733 Fire Safety Engineering-Selection of design fire scenarios and design fires. 2003.01.06
