摘要：运用CFAST软件对建筑室内火灾进行模拟，在门窗及水喷淋不同开启状态下模拟计算，研究烟气层高度、烟气层温度、CO浓度的变化规律，以得出门窗开启状态和水喷淋启动状态对火灾烟气的影响作用。结果表明，开启门窗能够有效控制烟气层高度；水喷淋系统具有明显的冷却降温效果；同时打开门窗和水喷淋系统，对冷却控烟的叠加效果不明显。
关键词：消防；建筑火灾；火灾模拟；CFAST模型
0 引 言
当前社会火灾形势日益严峻，建筑火灾由于自身特点，其发生频率和火灾危险性也相对较高，有资料显示，我国建筑火灾占所有火灾总起数的70﹪以上[1]，每年建筑火灾造成的人员伤亡占伤亡总数的80﹪左右。因此，有必要对建筑火灾的危险性进行分析研究。本文运用火灾区域模拟软件CFAST对典型建筑房间进行数值模拟，研究房间门窗开启关闭状态和水喷淋启动状态对室内火灾烟气发展的影响，为实际火灾扑救过程提供一定的理论参考。
1 CFAST模型及软件简介
CFAST模型是目前比较常用的火灾区域模型，它由美国标准技术研究所开发，可以对建筑火灾进行数值模拟，能够对建筑火灾房间中的烟气扩散和火灾蔓延进行模拟预测。CFAST模型将建筑内部空间分为两层，上部为热烟气层，下部位冷空气层，并假定各层水平方向上的烟、气体浓度和温度都相同。该模型通过计算物质的焓和流量随时间的变化，预测各个时刻各个房间内烟气层高度、燃烧生成产物及上下层压力、温度等状态的变化[2]。CFAST软件只需用户输入房间参数、通风设置、围护结构参数、火源、喷头等模块设置，即可模拟计算建筑火灾场景，得出火灾烟气层高度、空气层高度、烟气层温度、气体浓度等随时间的变化情况，从而为火灾危险分析提供依据。
2 建筑室内火灾模型及场景设置
2.1 着火房间参数设置
模拟对象设为一个房间，房间尺寸为8m×6m×2.8m；房间布置一道门和两个窗户，两个窗户对称分布于房间两侧，房门尺寸为0.8m×2m，窗户尺寸为2m×1m，窗下沿离地面1m；环境温度设为20℃，大气压力101300 Pa；房间内设置5个燃烧物，电视尺寸0.4m×0.3m×0.6m，质量20kg，燃烧热15000kJ/kg；沙发尺寸1m×2m×1m，质量144kg，燃烧热18900kJ/kg；床尺寸2m×1.5m×0.3m，质量100kg，燃烧热18900kJ/kg；两个窗帘相同，尺寸2m×1m，质量10kg，燃烧热29600kJ/kg；房间顶部设有一感温型喷头，启动温度68℃，响应时间指数为50（m·s）1/2；其他参数使用软件默认值。模拟房间见图1所示。
图1 房间模拟效果图
2.2 场景设置
设置4个场景进行模拟，分别研究门窗开启状态和水喷淋开启状态对火灾烟气的影响情况。第一组模拟工况为门窗全部关闭，水喷淋不启动的状态，模拟烟气层的厚度、温度及CO浓度变化规律；第二组工况为门窗全部打开，水喷淋不启动的状态，模拟烟气层及CO浓度变化规律；第三组工况为门窗全部关闭，水喷淋启动的状态，模拟烟气层及CO浓度变化规律；第四组工况为门窗全部打开，水喷淋启动的状态，模拟烟气层及CO浓度变化规律，四组工况情况见下表1所示。
表1 模拟工况设置
由第一组工况模拟结果可知，在210S时房间将充满烟气，所以工况2和工况4中假定在210S时开启全部门窗，以进行对比分析。
3 模拟结果分析
本文主要研究模拟房间全部着火后门窗的开启及水喷淋对火灾烟气危害程度的影响，所以3种情况均假定房间设置的5个可燃物都着火。运行CFAST进行计算模拟，通过绘图分别对烟气层界面高度、上部烟气层温度、下部空气层温度、上层CO浓度及下层CO浓度随时间变化情况进行分析讨论。
3.1 烟气层界面高度变化情况分析
4种工况中烟气层界面高度随时间变化情况见图2所示。
图2 烟气层界面高度随时间变化情况
从图2可以看出，工况1中，烟气在210S时就沉到地面，燃烧减弱，烟气生成减慢，随后又出现回升，在350S又出现一个峰值，而后趋于平缓，稳定在0.7m左右。工况2中，200S时烟气层到达地面，210S后门窗打开后，烟气层高度上升，在300S出现第一个峰值，而后继续上升，620S以后逐步稳定于1.5m处。工况3中，水喷淋开启，明显抑制了烟气的生成，烟气在260S左右沉降到0.3m，而后烟气层迅速上升，在400S后逐步稳定在1.4m。工况4中，烟气同样在260S沉到0.3m，而后上升，在330S后逐步稳定在1.6m。
火灾危险性研究中，人眼特征高度通常为1.2m~1.8m[3]，本文取1.5m。由图2的分析可以得出，工况1、工况2和工况3在60S后烟气层即下降到人眼特征高度以下，对被困人员已经构成威胁。工况4在60S~300S间烟气层在特征高度以下，300S以后烟气层上升并稳定于1.6m。这表明水喷淋对烟气生成有一定抑制作用，能一定程度控制烟气层高度，但开启门窗加强排烟对于控制烟气层高度效果更好。
3.2 烟气层温度变化情况分析
4种工况中烟气层温度随时间变化情况见图3所示。
图3 上部烟气层温度随时间变化情况
从图3可以看出，工况1中，门窗全部关闭且不开水喷淋时，烟气层温度会迅速上升，在230S左右达到峰值420℃，随后其温度逐渐降低，在700S以后稳定在90℃左右。这是由于开始的230S，房间内空气相对充足，也不利于散热，燃烧热量迅速积累导致烟气温度急剧升高，而后烟气逐渐充满房间，氧气浓度不断下降，燃烧强度也随之减弱，导致烟气层温度逐渐降低。工况2中，在210S打开全部门窗后，房间进入大量新鲜空气，燃烧强度也随之增大，所以在260S~450S时间段，烟气层温度又逐渐升高，450S达到峰值600℃，之后随着可燃物的不断消耗，燃烧减弱，烟气层温度也逐渐降低。工况3中，烟气层温度在200S之前逐渐上升，200S~280S间达到最高约80℃，随后温度逐步降低，最终稳定在30℃左右，这表明水喷淋启动后，对燃烧有一定抑制作用和冷却效果。工况4中，门窗全部打开，水喷淋也启动，烟气层温度走势与工况3基本一致，在300S以后略低于工况3的温度，说明在开启水喷淋情况下，开启门窗有一定冷却降温作用，但没有水喷淋的冷却效果明显。
有研究表明，烟气层温度达180℃时，其辐射强度就能对人体产生危害[3]，图3可以看出，工况1在180S~330S间烟气层温度超过180℃，工况2在180S~1000S间温度超过180℃，这两种情况都没有开启水喷淋，开启水喷淋的工况3、4温度始终低于180℃，这说明在建筑室内火灾中，水喷淋的正常工作能起到很好的冷却降温作用。
3.3 下部空气层温度变化情况分析
4种工况中下部空气层温度随时间变化情况见图4所示。
图4 下部空气层温度随时间变化情况
从图4可以看出，4种工况的空气层温度变化规律较类似上层烟气层的整体走势。工况1中，空气层温度在250S时达到最高的360℃，而后同样由于缺氧而燃烧减弱，温度逐渐降低，700S以后逐步稳定在100℃以下。工况2中，210S因打开门窗，从260S温度不断升高，500S时达到440℃，随后又降低，在680S后也降低到100℃以下。工况3和工况4中，空气层温度起伏不大，始终在50℃以下，最终稳定在25℃左右。
烟气层界面低于人眼特征高度时，对人将产生直接烧伤和吸入热气伤害，相关试验表明[3]，烟气层温度在110℃~120℃即可产生此种危害。由于下层空气层一般低于人眼特征高度，可以参照115℃作为危害标准。可知工况1在220S~350S间，工况2在220S~600S间，都可对人员造成烧伤危害。而开启水喷淋后的工况3、4空气层温度都明显降低，不会对人体造成危害。
3.4 CO浓度变化情况分析
4种工况中上下层CO浓度随时间变化情况分别见图5和图6所示。
图5 上层CO浓度随时间变化情况
从图5可以看出，工况1中，250S时CO达到最高的1800PPM，随后CO浓度不断下降，最后接近750PPM，一般认为CO浓度达到2000PPM即可对人体产生严重毒害，可知此种情况在200S~300S间会对人体产生一定危害，但不足以致命。工况2中，230S前CO浓度同工况1变化规律，此后浓度迅速升高，400S~500S达到最高的2300PPM，500S后又随着燃烧的减弱而降低，最后降为500PPM以下，可知300S~550S间，CO浓度会对室内人员产生严重危害。工况3和工况4中，CO浓度始终在300PPM以下，不会对人体产生严重危害。这说明水喷淋对于稀释有毒烟气浓度，保护被困人员安全具有很重要作用，而开启门窗可能会因引入新鲜空气加剧燃烧，产生更多的毒害气体。
图6 下层CO浓度随时间变化情况
从图6可以看出，工况1中，210S以前CO浓度基本接近于0，此后由于氧气浓度的降低而燃烧不充分，CO生成速度急剧升高，280S浓度达到1500PPM，350S以后缓慢下降，最后稳定在1000PPM左右。工况2中，280S以前CO浓度变化基本于工况1相同，280S浓度达到1500PPM，此后又迅速下降，300S出现一个拐点，300S~500S间浓度在600PPM，600S后逐渐降低到80PPM以下。工况3和工况4中CO浓度变化比较平缓，始终在100PPM以下。4种工况的下层CO浓度相对来说都不会人造成致命危害，其中工况1在300S以后CO浓度较大，也会对人体产生一定毒害。
4 结 论
通过对建筑室内火灾进行CFAST软件模拟，对比不同门窗开启状态和水喷淋开启状态对室内烟气层高度、烟气层温度、CO浓度变化的影响，可以得出以下结论：
开启门窗加强通风排烟，一定程度上有利于控制烟气层高度，但同时可能会因引入新鲜空气而加剧火势；
水喷淋系统对室内火灾具有很好的冷却降温作用，同时也能抑制烟气的生成速度；
启动水喷淋系统比开启门窗的降温效果更好，开启门窗比启动水喷淋的排烟稀释作用更明显；
开启水喷淋系统后，再打开门窗对室内的降温效果和烟气稀释作用不太明显，两者叠加效果不强。
参考文献
[1] 赵建龙. 室内火灾破拆排烟的CFAST模拟[J]. 消防科学与技术，2012，31(11):1167-1169.
[2] 辛青华. 建筑火灾的CFAST模拟与安全疏散研究[D]. 长沙:中南大学，2009.
[3] 汤华清. CFAST6.0在某宾馆房间初期火灾分析中的应用[J]. 消防技术与产品信息，2999，(3):23-25.
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