中庭建筑中，可燃物种类对温度场有着显著影响。不同的可燃物具有不同的燃烧特性。例如，木质材料属于易燃物，在燃烧时释放热量相对稳定且持续，会使温度逐步升高，在中庭形成较为稳定的温度梯度，热气流上升速度相对较缓。而塑料类可燃物，燃烧时可能释放出大量浓烟且燃烧速度快，短时间内释放高热量，这会导致中庭局部温度迅速蹿升，形成高温区域，热对流也更为强烈，温度场的分布不均匀性加剧，对建筑结构安全和人员疏散都带来更大挑战。

    林真国 付祥钊 张素云

    简介： 本文以某中庭建筑中庭地面衣物失火的火灾模型实验为基础，研究了火灾可燃物种类变化对中庭内温度场的影响。文章对棉布类夏装和化纤类夏装两类可燃物分别进行实验，得出了中庭内竖直方向的温度分布规律以及中庭内温度场随时间的变化情况，比较了两类可燃物燃烧时中庭内温度场的异同。文中对实验结果进行无因此化处理，可以从模型实验结果预测原型情况。（参考《建筑中文网》）
   
    关键字：中庭 可燃物种类 温度场

   
    1 引言

    火灾烟气的高温对人员疏散构成较大威胁，同时也与早期火灾探测和火灾蔓延紧密相关。对烟气温度的研究，有助于认识火灾温度场的变化规律，帮助人们对火灾的控制。

    火灾温度场的变化与可燃物的放热量直接相关，而该放热量又受可燃物的种类、质量、堆放方式、燃烧地点等诸多因素影响。本文仅以两类不同衣物失火的模型实验为基础，探索火灾温度场与可燃物种类的联系。

    本模型实验台原型为某中庭建筑，总高度27.6米。采用1/8的几何比例尺，模型平面如图1。温度测点采用铜—康铜热电偶，通过智能温度巡检仪，在PC屏幕上动态显示各测点温度。在中庭内设有13个温度测点，测点109、110分别在两个排烟口的入口处测排烟温度，其余测点分布在中庭中心六个不同的高度上，模型内温度测点布置如图2。

    可燃物种类实验A采用棉布类夏装，实验B采用化纤类夏装；实验A、B可燃物质量均为1.8kg(对应原型325.8kg)；可燃物燃烧地点如图2，可燃物堆放方式和通风状况等因素均保持A、B相同。

    实验结果处理时对参数进行无因次化，令

    （1）

    （2）

    其中，、—为无因次时间和无因次高度；

    —实验点火后时间，s；

    —模型内某点到模型地面的高度，m；

    —与模型中庭体积相等的当量球直径，m；

    —模型中庭高度，m；

    —重力加速度，9.8m/s2。

    温度比例尺取为1，模型内各点温升采用绝对值而不再无因次化。根据原型和模型同名无因此数相等的原则，可用式（1）、（2）将实验结果转换到原型，预测原型中庭内火灾时不同时刻各高度的温度变化情况。

    实验发现，在同一时刻中庭不同高度温度不同，同一高度不同测点温度也有差异，这是由于烟气运动导致的中庭内温度分布的不均匀。由于模型中庭内同一高度不同测点温差不大（1～6℃），在对比分析可燃物种类变化对中庭不同高度温度的影响时，以同一高度不同测点温度的平均值作为该高度的温度。

    实验A可燃物为棉布类夏装，可燃物燃烧速度较快，火焰较高，火源着火以后迅速蔓延开去，引起相邻排可燃物着火，整个火源释热率增加很快，中庭内各点的温度上升明显，上升速度较快，图3是实验A模型中庭内各个无因次高度平均温升的变化趋势图。

    实验B可燃物为化纤类夏装，火源的燃烧状况与棉布类夏装不一样，火焰较低，且可燃物燃烧呈收缩状，限制了火源的蔓延，使火源的释热率上升较慢，中庭内各点的温度在火源着火以后一段时间内上升不明显。当火源发展到一定时间后，火源的释热率增长到足以引起相邻排可燃物的燃烧以后，火源的释热率增长速度加速，中庭内各点的温度增长加快，图4是实验B模型中庭内各个无因次高度平均温升的变化趋势图。

   
    图3 实验A中庭内不同高度平均温升变化趋势

   
    图4 实验B中庭内不同高度平均温升变化趋势

    从图3、图4可以看出，不管可燃物的种类如何，中庭内各个高度的平均温度经历了先升高后降低的变化过程，这与火灾燃烧（点燃—成长—轰然—衰减）过程相吻合。随着燃烧的发展，中庭各个高度的温度由于上升的烟气而不断地升高；经历一段时间后，火源由稳定期向衰减期过渡，中庭内各个高度的温度由波峰向波谷发展。由于热对流的作用，使温度较高的烟气不断向上运动，在中庭内竖直方向形成一个随着高度增加而温度增加的温度梯度，从图3、图4均可看出这种趋势，排烟口处的平均温度最高，往下温度逐渐降低。

    由于高温烟气主要向上运动，中庭上层（无因次高度0.64以上）温度的变化较大，而下层（无因次高度0.35以下）温度的变化比较平缓，在燃烧初期甚至基本没有变化。这是由于火源对流热量基本被上升烟气带到了中庭上层，中庭下层热电偶测点尽管离火源较近，但在中庭内其体积相对微小而基本得不到火源的辐射热量，因此燃烧初期显示下层空气温度基本没有什么升高；而当燃烧经历一段时间后，烟气不断下降，引起中庭下层温度的升高，但温度较高的烟气停留在中庭上层，相对来说下层比上层温升要小得多，下层空气最高温升一般在10℃左右，而上层最高温升可达60~90℃。比较图3、图4，中庭下层由于烟气的下降而温度升高的时间是不一样的，实验A在着火后无因次时间约为326时，中庭下层温度开始有明显升高；实验B则在着火后无因次时间约为544后，中庭下层温度才开始有较明显的上升趋势。说明化纤类可燃物烟气填充中庭的速度比棉布要慢，这对人员的疏散是有利的。这是因为棉布类可燃物燃烧的速度比化纤类可燃物要快，在燃烧前期（火源在未向衰减期发展之前）烟气产生速度较快造成的。

    尽管实验A、B中庭内各个高度温度变化的趋势相近，但由于可燃物的不同，使得温度的变化趋势也有一些差异。首先，由于棉布燃烧的速度比化纤要快，图3中各温度曲线各点斜率绝对值比图4中的相应点要大，实验A燃烧时间比实验B要短；其次，棉布类可燃物释热率比化纤类大，实验A比实验B在中庭内各个高度的平均温度都要高，图5是中庭三个高度在实验A、实验B中的平均温度，实验A中庭上层比实验B的温升高出约40℃，下层也要高出约10℃；此外，棉布燃烧发展波动较少，在燃烧前期中庭内各高度温度升高，在燃烧后期（火源向衰减期发展之后）中庭内各高度温度开始下降，整个过程中各高度温度值只有一个波峰出现。而化纤类可燃物在进入稳定期之前燃烧可能出现波动，引起中庭内温度的波动，图4无因次时间在598~707之间便有一个这样的波动。这种波动是有利的，它延缓了火源的发展，为疏散争取了时间，同时减弱了火灾的蔓延，从一定意义上说可燃物本身控制了火势的发展。如棉布这类极易着火的可燃物，一旦失火便非常容易发展成大面积的火灾，而化纤类虽然同样为可燃材料，但由于可燃物在燃烧过程中呈收缩状态，燃烧的横向蔓延比棉布要弱，有时可能自动终止燃烧。因此，从控制火源的角度而言，化纤类可燃物比棉布要有利（虽然在其它方面未必如此）。

   
    图5 中庭内不同高度平均温升变化趋势的比较

    随着火灾的发展，中庭内各高度的温度经历了先升高后降低的变化过程。中庭内竖直方向形成一个随高度增加而温度增加的温度分布。可燃物的种类影响中庭内温度变化情况。棉布类衣物比化纤类衣物燃烧速度要快，火灾释热率更高，中庭内温度变化速度棉布比化纤更快，温度梯度的变化棉布比化纤更大。从火源控制和烟气温度角度而言，化纤类衣物比棉布类衣物要有利。

    1 林真国， 中庭建筑火灾模型实验研究， 重庆大学硕士学位论文 2001.11

    2 周谟仁 流体力学泵与风机 中国建筑工业出版社，1994.11

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200612/8749.htm