四、热释放速率
(一)实际火灾试验
通过实际的火灾试验,获得火灾的热释放速率曲线。但在应用中应注意试验的边界条件和通风条件与应用条件的差异。试验结果表明,在一个大约和ISO9705房间大小相当的房间内燃烧带坐垫的椅子,当考虑从100~1000kW范围的火灾时,要比在敞开式大空间内的燃烧速率增加20%。
(二)类似试验
如果缺少分析对象的可燃组件的试验数据,可以采用具有类似的燃料类型、燃料布置及引燃场景的火灾试验数据。当然,试验条件与实际要考虑的情况越接近越好。
例如,在分析会展中心中的一个展位发生火灾时,因缺少展位起火的试验数据,可以采用一个办公家具组合单元的火灾试验数据。试验中的办公家具组合单元包括两面办公单元的分隔板、组合书架、软垫塑料椅、高密度层压板办公桌以及一台计算机,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。
(三)稳态火灾
在稳态火灾的整个发展过程中,火源的热释放速率始终保持一个定值。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。某些时候,为了简化计算,一般保守地设定火灾为稳态火灾,尤其是在进行排烟系统的计算时,这种方法可以为防排烟系统的设计提供相对保守的结果。稳态火灾的火灾热释放速率可采用式(5-4-4)计算,即
其中 ——稳态火灾的热释放速率(kW);
——燃料的质量燃烧速率(kg/s);
hc——燃料的燃烧值(kJ/kg)。
稳态火灾的热释放速率应该对应预期火灾增长的最大规模,因此稳态火灾的热释放速率也可以用在自动喷水灭火系统的第一个洒水喷头启动时的火灾规模来判断。
(四)t2模型
t2模型描述火灾过程中火源热释放速率随时间的变化关系,当不考虑火灾的初期点燃过程时,可用式(5-4-5)表示,即
式中 ——火源热释放速率(kW);
α——火灾发展系数(kW/s2),;
t——火灾的发展时间(s);
t0——火源热释放速率时所需要的时间(s)。
根据火灾发展系数,火灾发展阶段可分为极快、快速、中速和慢速四种类型,表5-4-1给出了火灾发展系数与美国消防协会标准中示例材料的对应关系。
表5-4-1 火焰水平蔓延速度参数值
(五)MRFC模型
MRFC模型是火灾与烟气在建筑物内蔓延的多室区域模拟软件。该软件中运用可燃物火焰蔓延速度及其燃烧特性参数计算热释放速率,其计算公式为式(5-4-6)或式(5-4-7),即
或
式中 ——单位面积上的质量损失速率[kg/(m2·s)];
Hu——可燃物的平均热值(kJ/kg);
χ——可燃物的燃烧效率(%),在充分燃烧条件下,取χ=100%;
Af——火源燃烧面积(m2);
——单位面积上的热释放速率(kW/m2)。
(六)热释放速率曲线叠加模型
当房间内某可燃物着火后,会因火源和热烟气层的热辐射作用,而在一定时间内引燃其周围可燃物,使热释放速率增长。此时的热释放速率应为原着火可燃物的热释放速率和被引燃可燃物热释放速率的叠加。距火源中心距离为R处所接收到的火源辐射热流量和火源热释放速率的关系可表示为
邻近可燃物与火源中心的距离R计算公式为
R=r+L (5-4-9)
式中 ——火源热释放速率(kW);
R——距火源中心的距离(m);
——受火源辐射作用而接收到的热流量(kW/m2)。
r——火源的等效半径(m);
L——可燃物与火源边界的距离(m)。
受热辐射作用引燃可燃物的最小热流量因可燃物材料不同而有所差异,如聚氨酯泡沫的最小引燃热流量约为7kW/m2,木材的最小引燃热流量约为10~13kW/m2,小汽车的最小引燃热流量约为16kW/m2。当着火房间高度较高时,空间内的冷空气层较高、热烟气层温度较低,可忽略热烟气层的热辐射作用,而直接运用式(5-4-8)判断相邻可燃物的引燃状况。反之,不能忽略热烟气层的热辐射作用。判断相邻可燃物的引燃状况时,除了用式(5-4-8)计算火源的辐射热流外,还要计算热烟气层的辐射热流量。