现代建筑火灾动力学探讨

现代消防员一直牢记的是20世纪六七十年代接受的有关火灾行为的培训内容。他们知道燃烧三要素(燃料、氧气和温度)的三面形，即燃烧三角形。这里燃烧三角形会很快发展成为燃烧四面体，增加一个无穷连锁反应的第四坐标，并且了解火灾行为中三种传热方式。但是，人们逐渐发现火灾烟气的危险性更高，尤其是塑料制品燃烧产生的烟气，这个结果让人们很震惊。

因此，人们开始深入研究火灾行为，包括轰燃、回燃以及不同灭火行为的灭火效果。同时，人们也开始估算火灾荷载，即单位面积或者单位英镑木材或者复合材料的热量释放大小，通常以Btus/1b(英国的热力学单位)。描述或行为开始使用以下几个新的参数:°F(华氏温度)、水容量(gal/mn)和水压力(1b/in2)。近年来，火灾行为方面的计算机模型已经取得了突飞猛进的进展，NIST和UL开展的灭火研究也取得了重大突破。这些模型和研究仍需进行进一步验证，以确保灭火行为及时和一直在发展变化的火灾行为保持一致。

1基础理论

虽然当前积累的火灾理论是建立在燃烧四面体和火灾三个不同发展阶段基础上，对于这些火灾理论，不同的人褒贬不一，而且其中的火灾发展阶段或者火灾描述方式，通常是定性的，而非定量的。比如，将轰燃定义为房间内所有物质同时开始被引燃的时刻。现在，这些火灾理论急需发展深化，用定量的方式认识火灾行为。在定量描述火灾行为时，应使用国际单位而不是英国单位，温度应使用摄氏度(℃)，长度应使用米(m)等等，这与所有的技术报告以及大多数的计算机模型均是一致的。虽然英国单位也是可行的，但是应用范围并不广，比如，描述一个12ft×10ft×8ft房间的火灾实验，顶棚温度可达1200°F，而相应的计算机模型一般房间尺寸为3.7m×3m×2.5m，顶棚温度为650℃。

据研究，三种传热方式———热传导、热对流以及热辐射，在分析火灾发展和蔓延(包括轰燃的发生)时都很重要。对于传热过程的理解，一般认为是，热传导是分子热运动和分子能量传递的过程，热对流是流体的运动过程，热辐射为电磁能量的传递过程。每种传热方式均包含着能量从一个物体的高温处传导到另一个物体的低温处，能量一般被界定为做功的能力大小。正确使用当前的消防术语，就必须定量描述火灾行为。虽然本文并不会使用公式运算(教科书和课堂上可以使用类似的方式)，但是本文将重新界定火灾动力学中的传热过程和描述火灾能量的术语。

2传热过程

研究传热过程，最重要的就是确定从一个位置到另一个位置确切传导了多少能量，比如从一个火焰(流体)给一个固体表面(比如墙体)进行的热对流传热大小。将这种热传导方式定义为热通量(heatflux)，描述为单位面积的热能量(heatenergy)大小，并使用变量q描述三种传热方式中任一个的热通量大小。既然不同的热通量均为q，那么衡量热能和面积的单位是什么呢?热通量通常以kW衡量，面积通常使用m2。

因此，热传导通常以kW/m2来衡量。那么这个单位的意义是什么?怎么应用到灭火中去呢?当然，传热过程时刻在周围影响我们。虽然人们不能“看到”热量被传导，但是可以看到辐射热源将一个暴露部件点燃，墙上插着的铁棒通过热对流将纸盒点燃以及热对流将内部装修材料引燃。从定量角度来看，q的值可以衡量一个物体是否能够发生引燃以及它将带来的损失。

比如，刨花板(在没有点火源的情况下)在一个外部20kW/m2的热源作用250s后能够发生自燃。裸露的皮肤在4kW/m2的热源下会被烧伤。在许多教科书中，轰燃被定义为房间内所有可燃物同时被点燃的时刻，一些消防研究者认为，热顶棚到达地板的热通量达到20kW/m2时即可发生轰燃。目前在互联网上搜索火灾资源，不同的实验对许多材料的点燃能量进行了不同的研究。另外，实验报告还对火焰、羽流、顶棚烟气层以及特性条件和不同温度下的热通量进行了研究。在灭火应用中，定量描述传热过程可以根据实际情况不断变换灭火方法。例如，我忽然收到消息，一所高中旁的偏僻位置的汽油储罐群发生了火灾爆炸(开放的蒸气开始爆燃)，堤坝泄露的火焰不断释放辐射热。

定量描述火灾爆炸对于高中的辐射热量大小，需考虑火焰高度、学校与罐体之间的距离以及火焰的辐射热通量，是否足矣将学校的可燃物质引燃。了解消防术语和热流量大小可以使每个人面对火灾进行个人防火时更好地理解各种技术报告参数。比如，近期对于便携式广播的热测试以及失效测试将热流大小作为测试准则之一。考虑以下场景:假设消防员头盔顶部带有辐射计(测试辐射大小的装置)，而轰燃的临界辐射热通量大小为20kW/m2，那么假设消防员在接近轰燃热源时了解火灾的各种实时参数，那么这将十分有利于及时采取防护措施。在进行火灾内攻时，通过控制空气供应来管理空气量十分重要，那么为什么不去更多地了解消防员周围的火灾情况呢?在未来，在消防员进行内攻时，可能就可以随时监控辐射热通量的大小。

3火源能量

今天，很多防火研究者都使用热释放速率衡量火源能量的大小，他们认为这是火灾发展的唯一重要因素。对于消防员来说，这个变量可以衡量火灾危险程度。如前所述，许多年来，依据火灾荷载进行火灾风险预评估，尤其会使用火灾中每磅的特定可燃材料对于地板的释热(Btus)。今天，优化的火灾风险评估会使用最大热释放速率。不管是哪种火灾，热释放速度随着时间发生变化，开始比较小，逐渐增大到一个峰值，最后随着火灾烧完或者通风情况发生变化而逐渐减小。在图上，“火灾的整个生命周期”就像一个山形，而山坡比较陡或者一般根据燃烧材料的不同而不同。热释放速率的峰值，也就是“山”的顶点常用于衡量火灾危险大小，因为它通常是火灾中的最危险条件。

热释放速率一般用Q(一般被称为“大Q”)表示，大火时使用kW或者MW衡量。对于一些常见材料的火灾，包括废纸篓等的最大热释放速率从4～50kW不等，圣诞树的最大热释放速率为3～5MW，聚乙烯沙发大约为3MW。在过去的15年里，实际火灾的计算机模型一直使用NIST开发的FDS模型。最早的火灾模型模拟了华盛顿在1989年发生在CherryLane的一起火灾，火灾中两名消防员殉职。火灾模型用于模拟火灾发展，包括火灾中的通风变化，图1显示了变化的热释放速率。注意，热释放速率的猛然增大发生在建筑侧门在140s被突然开启的瞬间。当前，FDS以及它的附加产品Smokeview(可以提供FDS计算机模型的可视化图像)不仅用于研究实际火灾，还可用于设计新建的“标志性”建筑，尤其是用于“性能化”消防设计。在这种情况下，建筑虽然不能满足规范中的防火要求，但是可以达到一定的防火性能。这种防火性能评估时，一种或者几种特定的火灾规模(热释放速率使用kW或者MW衡量)需加以考虑。

重要的是，在建立计算机模型时，需要选取火灾种类并且进行建模，并且选取合适的疏散时间、设计合适的灭火系统等等。当然，显而易见的是，选取一个最危险场景下的火灾模型至关重要。基于一种特定的火灾规模你可以进行消防设计。根据经验，在设计火灾场景时务必谨慎。有时设计者可能低估火灾规模，如果对于火灾规模没有准确的衡量依据，请及时咨询相关专家。做这种类似的决定并不容易。有一次，参加了德克萨斯州圣安东尼奥的消防规范修订过程。最难确定的是火灾现场人员的疏散时间。依据重要的火灾报告和专家建议，评估的最危险的火灾场景的最大热释放速率为20MW。

这种火灾规模用来设计排烟系统，这个系统通过排烟而为疏散人群创造一个清洁的疏散路径。最终，要求实际火灾规模为20MW，使用丙烷燃烧器制造上浮的烟气羽流。最终排烟系统通过了测试。在设计灭火预案时，火灾规模将怎样发挥作用?在预案时，火灾模型将帮助消防员对社区内目标危险进行火灾模拟。只要运行模拟模型，就能清晰地看到火灾的发展过程，烟气的流动过程以及灭火部位的火灾场景。火灾模拟可以确定建筑的耐火水平、灭火水量以及可行的灭火策略。