CN101527096A

CN101527096A - 超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置

Info

Publication number: CN101527096A
Application number: CN200910116578A
Authority: CN
Inventors: 孙晓乾; 霍然; 胡隆华; 李元洲; 许兆宇; 周允基
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2029-04-20
Also published as: CN101527096B

Abstract

本发明提供了一种超高层建筑楼梯井火灾实验装置，包括实验装置主体、加压送风系统以及配套测控系统；实验装置主体包括与实际多层或高层建筑相一致且缩小尺寸的楼梯井、前室、房间建筑构造，整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封而成，正面与左侧面采用耐高温玻璃。加压送风系统的送风量可调，可全面开展超高层建筑烟气流动和控制的一系列基础理论问题和工程实际问题进的研究；实验装置采用大量的高温玻璃观察窗和辅助观察系统，可以清晰地观测楼梯井烟气运动的实时现象；在火源选择上，采用了甲醇加香炷失踪烟气的方式，使得整个实验过程保证安全清洁，且能逼真地模拟真实火灾现象。本发明在超高层建筑火灾加压送风系统设计和测试评价中具有广阔的应用前景。

Description

超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及对超高层建筑楼梯井内的火灾烟气流动和控制系统进行测试的实验模拟装置。

背景技术

近年来越来越多的超高层建筑及其火灾安全问题引起人们的广泛关注，超高层建筑又称摩天大楼，通常指超过四十层或五十层的高楼大厦，它是一类特殊的高层建筑；在我国，建筑高度250米以上的建筑称为超高层建筑。在超高层建筑的火灾问题中，人员疏散通道楼梯井称为关心的焦点，因为火灾时这些通道有可能侵入烟气，成为烟气蔓延的通道，威胁人员安全。据测定，烟气沿楼梯间或其它竖向管井扩散速度为3～4m/s，其垂直蔓延速度之快可见一斑。因此，研究楼梯井等竖向通道的烟气流动规律和火灾时的烟气控制方案对于保证超高层建筑的总体火灾安全非常有意义和有必要。

对于楼梯井内的烟气运动和控制的研究，国内的实验研究较少，国外的研究者开展的研究工作也是早在20世纪八十年代。Marshall搭建了一个1/5尺度的五层楼梯间实验装置，研究了开放楼梯井内的烟气运动过程，测量了楼梯井实验装置内的烟气温度，通过每层门口的质量流率等，但是小尺寸实验模型的尺度越小，对于保持无量纲数Fr数一致和实验现象的一致性方面的矛盾越突出，即在保持Fr数一致的基础上，实验模型越小，则Re数与实际相差越大，实验现象与实际相差越大；加拿大国家研究院(NRCC)在渥太华建造了一座10层火灾研究实验塔，用于开展烟气控制系统的全尺寸实验研究，但对于楼梯井烟气运动和楼梯井内加压送风研究涉及较少，没有全面系统展开研究，且由于实际火灾的复杂性和随机性，全尺寸实验的代价较高，受各种因素影响大，可重复性差，因此，对于开展大量实验研究，找出其中存在的一些规律，全尺寸实验装置不是一种很好的选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，能够在实验室模拟超高层建筑楼梯井烟气运动和控制、并能进行有关实验和研究。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：包括实验装置主体、加压送风系统以及配套测控系统；

所述实验装置主体，包括与实际多层或高层建筑相一致且缩小尺寸的楼梯井、前室、房间建筑构造，整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封而成，其对外的门采用平开门，并作密封处理，使之关闭时达到密封效果；实验装置主体的左侧和前侧均采用耐火玻璃外墙；楼梯井的每层均有开口通向前室，且每层前室均有开口联通房间，各开口均安装有平开门，门与门框之间有缝隙；

所述烟气控制系统，包括加压送风系统，由送风风机、竖向送风管道、送风支管、通向楼梯井与前室的加压送风口、送风支管中安装的风阀以及送风风机、风阀的控制系统组成，送风风机在一层通过软管连接到竖向送风管道，竖向送风管道上联通有送风支管连接到位于各楼层的送风口；

所述配套测控系统，包括烟气温度测量系统、烟气流场测量系统、加压送风风压和风速测量系统，加压送风风压和风速测量系统包括布置于楼梯间与前室内的压力探头及与其电信号连接的数据处理装置，以及布置于楼梯井加压送风口和前室的加压送风口的风速测量传感器及其数据处理装置；

烟气温度测量系统包括布置于楼梯井内的热电偶、前室和着火房间内的位于同一垂直面上的热电偶阵列，及与其电信号连接的数据处理装置；

烟气流场测量系统包括设置于楼梯井正面外侧的垂直片光源，在楼梯井左侧面设置摄像机，以观察楼梯井内片光面上的烟气流动状况；所述的楼梯井内设置补光冷光源；

所述实验燃料，采用较为清洁的燃料甲醇，燃烧完全，无烟粒子污染，

模拟火源采用甲醇油池火，烟气采用香炷阴燃产生的烟气进行示踪。

所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：甲醇油池置于着火房间中央，香炷置于着火房间中靠近前室的一侧，且与甲醇油盘保持一定距离。

所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置按实际建筑的1∶3的比例建造，共分为12层，所述的各层楼梯井、前室、房间成一字排列，在楼梯间和前室的后侧墙上分别开有外开门，用于人员操作进入。

所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：在前室的每一层后侧墙上均有一个加压送风口通过送风支管与竖向送风管道相连，加压送风口采用百叶式窗口；在楼梯井的偶数层右侧墙上均有一个加压送风口通过送风支管与竖向送风管道相连，加压送风口亦采用百叶式窗口；所述的各送风支管上均安装有风阀控制。

所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：加压送风口用法兰框架固定于楼梯井或前室的墙上，加压送风口安装百叶叶片，百叶叶片选用轻质材料。

所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：在楼梯间和前室的后侧墙上外开门大小分别为宽0.7m、高0.9m和宽0.4m×高0.7m；送风支管的竖截面尺寸0.3m×0.3m，长度为0.2m。

送风支管上风阀自动控制，可以自动调节各个加压送风口的启闭。

所述实验装置内的照明系统，在楼梯井内左前墙角从上而下布置照明灯(为了不影响摄像效果，采用光强较柔的冷光灯)，用于摄像和照相时补光，且能够耐受200℃的温度。

本实验装置的模拟火源采用甲醇油池火，利用阴燃的香炷产生的烟气模拟火灾烟气，香炷与甲醇油盘保持一定距离，不致被引燃，实验时，先点燃香炷使其发生阴燃，然后点燃甲醇，甲醇燃烧时从着火房间门口卷吸外部空气，在烟囱效应作用下火焰向前室一侧倾斜，产生的浮力作用驱使香炷阴燃烟气在楼梯井内上升流动，即可较为清晰地模拟热浮力和烟囱效应作用下烟气在楼梯井内的蔓延流动。

本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

(1)在安全性和环境友好方面，采用甲醇油池火作为火源，燃烧充分完全，产物清洁；同时，利用阴燃的香炷产生的烟气模拟火灾烟气，环境友好，无污染，对人体无不良刺激；

(2)在烟气运动模拟实验效果方面，实验装置按照量纲相似理论，完整地模拟真实建筑楼梯井结构及前室、着火房间等，能够真实地反映实际建筑中房间燃烧产生烟气在楼梯井内的蔓延，以及烟囱效应现象，并能通过玻璃观察窗清晰地清晰监测到实验过程和现象；

(3)在加压送风系统控制烟气运动的模拟实验效果方面，实验装置设计的前室和楼梯井加压送风系统的风量均在0～3000m³/h之间可调，可研究不同火源功率和位置下的优化的加压送风风量；且前室每层加压送风支管上安装电动风阀，可根据需要开启任意一层的风阀或任意几层风阀；这样通过改变加压送风系统风量和开启送风口楼层研究优化的加压送风模式。

(4)在实验测量系统方面，先进完备的测温系统、速度和压力测量系统、流场测量系统、观测系统等可以对烟气流动参数和烟控效果进行全方位的观测和研究。

因此，本实验装置按照中等尺度模型比例1∶3设计，是首个专门对超高层建筑楼梯井烟气运动和加压送风控制进行全面系统研究的实验装置。在前人试验模型基础上既减小了Fr数和Re数不同步一致性带来的实验误差，又保证了实验的可重复性，对于开展实验室科学研究和实际楼梯井烟控系统模拟测试都有很大的应用价值。对超高层建筑火灾加压送风系统设计和测试评价研究具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。

附图说明

图1为本发明所述超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置一种实施例的结构示意图，

图2为本发明超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置一种实施例的结构平面示意图，

图3为楼梯间右侧面墙的门和加压送风口的位置示意图，

图4为楼梯间后面墙门的位置示意图，

图5为前室和着火房间右侧面墙的门的位置示意图，

图6为前室后侧面墙门和加压送风口的位置示意图，

图7为实验装置测点布置平面图，

图8为实验装置楼梯间温度测点布置图(立面视图)，

图9为前室/着火房间温度测点阵列布置图(立面视图)，

图10为着火房间火源及烟气示踪剂平面布置图，

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

图中标号：

1-楼梯间；2-前室；3-着火房间；4-火源；5-着火房间的门；6-前室通向着火房间的门；7-楼梯井加压送风管；8-前室加压送风管；9-前室加压送风口；10-楼梯井加压送风口；11-楼梯井通向前室的门；12-楼梯间；13-楼梯井照明灯；14-玻璃观察窗；15-前室；16-前室加压送风口；17-前室操作门口；18-着火房间；19-操作平台；20-外部操作楼梯踏步；21-墙；22-外部操作照明灯；23-防坠落护栏；24-楼梯井操作门口；25-楼梯井加压送风风机；26-前室加压送风风机；27-楼梯井加压送风管道；28-前室加压送风管道；29-楼梯间右侧面墙；30-门；31-加压送风口；32-楼梯间后侧面墙；33-操作门口；34-前室/着火房间右侧面墙；35-门；36-前室右侧面墙；37-加压送风口；38-门；39-录像/照相；40-压力测点及探头；41-片光源；42-前室/着火房间热电偶阵列；43-加压送风口风速测点及探头；44-楼梯井温度测点及探头；45-楼梯井楼梯踏步；46-热电偶串TC1；47-热电偶串TC2；48-楼梯井；49-前室；50-前室/着火房间热电偶阵列；51-着火房间；52-前室通向着火房间门；53-香炷；54-火源油盘；55-着火房间门。

参见图1，超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置主体包括楼梯井1、前室2、房间3和加压送风系统7、8，实验装置主体高12.2m，共分为12层，1F层层高1.2m，2F～12F层每层层高1.0m，每层楼梯间水平截面尺寸为1.0m×1.5m，前室和房间的平面尺寸均为0.8m×0.8m；与楼梯井和前室相连的竖向加压送风管道的尺寸均为0.3m×0.3m×12.2m。实验装置主体骨架采用钢管搭建，各个建筑部位的楼板、楼梯井踏步、部分侧墙等采用3mm厚的钢板加工制作，实验装置整体的左侧和前侧均用耐火玻璃(耐火温度300℃)，用于实验观察(参见图2所示)；竖向加压送风管道井用2mm厚的镀锌板制作，密封；在距地面标高为+3.2m、+5.2m、+7.2m、+9.2m、+11.2m的高度设置操作平台，操作平台采用3mm厚的波纹板，能够承受至少4个人的重量(300kg)。

参见图3，楼梯间右侧面墙上通向前室的门的大小0.4m宽，0.6m高，门左侧边距离所在墙边缘为0.1m，该侧墙上加压送风口大小为0.1m宽，0.1m高，其右侧和下侧距离对应墙边的距离均为0.1m；参见图4，楼梯间后面墙上操作门口大小为0.7m宽，0.9m高，位于该侧墙中央，下沿与楼板齐平；参见图5，前室连接着火房间的门和着火房间通向室外的门均位于所在墙的中央，下沿与楼板齐平，大小为0.4m宽，0.6m高；参见图6，前室后侧面墙上的操作门口右侧与墙边齐平，下侧与楼板齐平，大小为0.4m宽，0.9m高，加压送风口大小为0.1m宽，0.1m高，其左侧和下侧距离对应墙边的距离均为0.1m。

参见图7，实验装置采用片光技术清晰地反映烟气在楼梯井内的流动状况，在楼梯井的正面外侧2m处布置一个片光源41，可发射出一片垂直光面，通过摄像机39可以清晰地观测到片光面上的烟气流动状况，实验过程中，还可根据需要开启照明系统13(参见图2)进行补光，以利于观测；压力测点40分别布置在楼梯井的偶数层和前室内，用于监测开启加压送风系统时楼梯井和前室的压力变化；风速测点43分别布置在楼梯井加压送风口和前室的加压送风口中心且距送风口平面5cm处；在着火房间和前室布置了一个热电偶阵列42，用于监测火灾时倾斜的火焰温度和羽流温度，详细布置参见图9；在楼梯井内布置了两个热电偶串44，用于监测楼梯井内烟气温度，详细布置参见图8。

参见图10，甲醇油池火54布置在着火房间中央靠右侧位置，香炷置于油池左侧且垫起一定高度使之位于倾斜火焰的浮力驱动范围内，实验前先点燃香炷使其阴燃，大约一分钟后达到一定产烟量，点燃甲醇，油池火产生的热驱动力可使香炷烟气进去楼梯井内，从而达到模拟真实火灾场景的效果。香炷的用量根据油盘大小调整，如采用0.3m×0.3m的油盘时，香炷的用量一般为5根较宜，每根长10cm，截面直径为2cm。

Claims

1、一种超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：包括实验装置主体、加压送风系统以及配套测控系统；

2、根据权利要求1所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：甲醇油池置于着火房间中央，香炷置于着火房间中靠近前室的一侧，且与甲醇油盘保持一定距离。

3、根据权利要求1所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置按实际建筑的1∶3的比例建造，共分为12层，所述的各层楼梯井、前室、房间成一字排列，在楼梯间和前室的后侧墙上分别开有外开门，用于人员操作进入。

4、根据权利要求1所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：在前室的每一层后侧墙上均有一个加压送风口通过送风支管与竖向送风管道相连，加压送风口采用百叶式窗口；在楼梯井的偶数层右侧墙上均有一个加压送风口通过送风支管与竖向送风管道相连，加压送风口亦采用百叶式窗口；所述的各送风支管上均安装有风阀控制。

5、根据权利要求1所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：加压送风口用法兰框架固定于楼梯井或前室的墙上，加压送风口安装百叶叶片，百叶叶片选用轻质材料。

6、根据权利要求1所述的超高层建筑楼梯井火灾模拟实验装置，其特征在于：在楼梯间和前室的后侧墙上外开门大小分别为宽0.7m、高0.9m和宽0.4m×高0.7m；送风支管的竖截面尺寸0.3m×0.3m，长度为0.2m。