一种多层可隔断中庭建筑火灾烟气模拟实验装置

本发明涉及一种多层可隔断中庭建筑火灾烟气模拟实验装置，属于消防安全技术领域。

背景技术：

中庭建筑由于具有优良的商业应用价值，其主要有外观高大，光线充足，垂直空间较大，综合性较高等特点，得到了建筑设计师和建筑开发商的高度认可，尤其是近十几年来，我国中庭式商业建筑体数量不断快速增加。但同时，中庭式商业建筑其较为复杂的内部结构和较为高大的空间给消防防火排烟带来了一定的挑战。

中庭建筑的最大特点是它具有一个或多个在竖直方向上连续贯通数层的封顶大型空间。传统建筑主要通过采用防火分区和防火分隔来达到控制火灾，抑制火灾烟气在建筑物内部和向邻近建筑物扩散的目的，而中庭建筑属于“大空间结构”，其防火分区被上下贯通的大空间所破坏，因此中庭建筑的中庭与周围区域如果没有考虑防火分隔或防火分隔措施处理不当，发生火灾时，中庭就像高耸的烟囱，中庭构成了火势蔓延的主要途径。

在中庭式商业建筑数量不断增加且结构类型日趋复杂的情况下，其对消防防火排烟具有较高的要求。中庭式商业建筑在实际运营中，内外部人员较为密集，如果发生火灾，其火灾蔓延速度较快，由于垂直空间较大，对疏散也造成了一定的困难，同时由于其内部各种功能设施较为繁多复杂，对排烟的风机风道空间有一定影响。发生火灾后，如果主要依赖静态排烟，如自然通风和自然排烟，其对烟气的排放推动效果较弱，且较容易受到外界天气因素的干扰，具有较差的稳定性。而通过大量的火灾事故案例分析研究发现，火灾所导致的人员伤亡中，其主要原因是火灾所产生的大量烟气造成的中毒和窒息，根据国内外火灾对现场人员造成伤亡的相关统计分析，由于吸入高温烟尘或有毒烟气而致死者一般占火灾总死亡人数的80％，有的高达95％。另外，即使中庭没有明显的火焰传播，也会有高温有毒烟气迅速扩散、充满整个空间，并且向整栋建筑物蔓延。

因此，确定一个较为高效优化的中庭式商业建筑排烟系统对中庭式商业建筑烟气的控制、人员的疏散具有较为重要的意义，可以为中庭式商业建筑防排烟研究提供一定的参考。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多层可隔断中庭建筑火灾烟气模拟实验装置，能够模拟火灾时多层中庭建筑内烟气运动和控制，并能进行有关试验和研究。

本发明采用的技术方案是：一种多层可隔断中庭建筑火灾烟气模拟实验装置，包括实验装置主体、位于实验装置主体上的喷淋系统、烟气控制系统、配套测控系统、伸缩装置以及位于着火房间的燃料供给装置、控制器；

所述实验装置主体为一个中庭空间大小可调节的多层建筑，空间布局呈对称分布，每层中庭空间25一侧的楼板12上安装有伸缩装置，伸缩装置能够对某一层进行隔断，每层中庭空间12前后两侧设置着火房间31，左右两侧为逃生通道及管道井32，逃生通道包括楼梯间30、前室29、电梯间28，着火房间31、楼梯间外墙10设置有外窗4，实验装置主体顶部为弧形的集烟罩2且其上设置有天窗3；实验装置主体整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封，实验装置主体前后侧墙壁采用耐高温玻璃外墙37，实验装置主体底层大门26采用平开门ⅰ，并做密封处理，着火房间31通过着火间平开门36连通走廊27，每层前室通过前室平开门34通向楼梯间30和走廊27，每层电梯间28通过电梯间平开门35连通前室29，楼梯间30通过楼梯间平开门33连通走廊27，着火间平开门36、前室平开门34、电梯间平开门35、楼梯间平开门33的门与门框之间有缝隙；

所述喷淋系统，包括位于实验装置主体底层的压力泵16、管道井32内的通水干管15、各层通水支管14、流量控制阀门55和位于走廊27及着火房间31的开式喷头17；底层的压力泵16与管道井32内的通水干管15连接，通水干管15与各层的通水支管14连接，通水干管15与通水支管14的连接处安装有流量控制阀门55，通水支管14上设置有开式喷头17，各层的开式喷头17连接一个喷头开关，流量控制阀门55、压力泵16均与控制器连接；

所述烟气控制系统，包括加压送风系统和排烟系统，由高温加压风机21、集中排烟风机1、通风干管6、通风支管7、通风口8组成；高温加压风机21位于实验装置主体两侧，通过软管连接至管道井32中的通风干管6，通风干管6与各层的通风支管7相连，在通风支管7上设置有风阀ⅰ56、风阀ⅱ57和通风口8，风阀56位于通向前室29和楼梯间30的通风支管7与干管6连接处，风阀57位于通向走廊27的通风支管7与干管6连接处，通风口8分别位于走廊27、楼梯间30和前室29，各层通风口8加压通风量可通过风阀ⅰ56和风阀ⅱ57调节，实验装置主体顶部的集中排烟风机1为变频式，高温加压风机21、集中排烟风机1、风阀ⅰ56、风阀ⅱ57连接控制器；

所述配套测控系统，包括烟气温度测量系统、压力测量系统、烟气流场测量系统；温度测量系统包括每一层楼内设置的四束热电偶束测点20，着火房间31为第一热电偶束，中庭空间为第二热电偶束，走廊为第三热电偶束，前室及电梯间、楼梯间为第四热电偶束；四束热电偶束测点20串联后与温度数据显示采集仪5连接；压力测量系统由布置于中庭空间25的压力探头18及与其电信号连接的压力数据采集显示仪19组成；烟气流场观测系统包括片光源54、可移动伸缩摄像机22，片光源54位于每层着火房间31和中庭空间25中，可移动伸缩摄像机22位于玻璃外墙37外，片光源54位于摄像机22观察侧的相邻一侧，温度数据采集仪5与控制器连接；

所述的伸缩装置，包括墙面连接块45、伸缩块13、伸缩器，墙面连接块45安装在各层楼板12内，伸缩器一端固定在墙面连接块45上，另一端与伸缩块13连接，伸缩块13两侧设有滑动槽49，滑轮50滑动安装在滑动槽49且其上的滑轮连接轴52与楼板12两侧内壁接触，伸缩器与控制器连接，伸缩块13能够紧密接触到对面楼板12的外侧端；

所述试验燃料供给装置，包括燃料盘38、烟饼盘39、隔热支架41、自动点火器42、电子秤43和支撑架40，燃料盘38上存放工业甲醇，隔热支架41连接电子秤43，隔热支架41上安装有自动点火器42，自动点火器42用于点燃燃料盘38内的燃料，位于燃料盘38下方的烟饼盘39存放燃烧产生烟气的烟饼，自动点火器42与控制器连接。

具体地，伸缩器包括移动块46、转动轴47、电源线48，移动块46一端固定在墙面连接块45上，另一端与伸缩块13连接。

优选地，每层楼内热电偶束测点20离每层地面1.5m高。

优选地，中庭空间25四周不同位置设置了多个着火房间31。

优选地，片光源54安装的房间内还设置有补光灯53。

本发明的有益效果是：

(1)在烟气运动模拟实验效果方面，实验装置近似地模拟真实多层中庭建筑结构，并能够通过伸缩装置实现中庭空间尺寸的改变和在某一层的隔断，从而实现对中庭空间的分割，能够对现有中庭空间的防火防烟分区做进一步研究，能够真实地反映实际建筑中燃烧产生的烟气在整个中庭建筑内的蔓延规律，以及发生烟囱效应现象和弥散现象等时，在某层隔断出现的影响，并能通过摄像机和玻璃外墙清晰地监测到实验过程和现象。

(2)在加压送风系统控制烟气运动的模拟试验效果方面，实验装置设计的送风系统中的高温排烟风机均为变频调速式，风量均在0～5000m³/h之间可调，可研究不同火源功率和位置、时间下的优化的加压送风风量；且每层通风横管上安装风阀，可根据需要开启任意一层或几层的风阀；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。

(3)在喷淋系统对烟气运动的影响的模拟试验效果方面，实验装置设计的喷头均为开式喷头，且开启时间、位置、水量可调节，可研究不同开启时间、水量和位置下喷淋系统对烟气运动的影响；可根据需要开启任意一层或几层的开式喷头，通过改变开启的喷头位置和送水量来研究其对烟气运动影响的规律。

(4)在试验燃料供给装置方面，装置采用自动点火，避免了人工手动点火可能产生的危险，燃料采用工业甲醇，对环境相对友好。

(5)在实验测量系统方面，完备的测温系统、烟气浓度、流场、压力测量系统、观测系统等可以对烟气流动参数和控烟效果进行全方位的观测和研究。

本实验装置很好的模拟了中庭建筑特有的大空间结构，对于开展中庭建筑的实验研究和烟气控制系统模拟测试有很大的应用价值，对中庭建筑的烟气控制系统设计和测试评价研究具有重要的实际指导意义。

附图说明

图1是本发明所述实验模拟装置整理结构示意图；

图2是本发明整体外观结构示意图；

图3是本发明水平层的构造示意图；

图4是本发明热电偶束测点布置平面图；

图5是本发明试验燃料供给装置示意图；

图6是本发明伸缩装置与楼板12连接的结构示意图；

图7是本发明伸缩装置内部结构示意图；

图8是本发明伸缩块结构示意图；

图9是本发明伸缩装置中滑轮安装的示意图；

图10是本发明着火房间烟气流场观测系统示意图；

图11是本发明中庭空间烟气流场观测系统示意图；

图中：1-集中排烟风机，2-集烟罩，3-天窗，4-外窗，5-温度数据采集显示仪，6-通风干管，7-通风支管，8-通风口，9-中庭护栏，10-楼梯间外墙，11-内墙，12-楼板，13-伸缩块，14-通水支管，15-通水干管，16-压力泵，17-开式喷头，18-压力探头，19-压力数据采集显示仪，20-热电偶束测点，21-高温加压风机，22-摄像机，23-摄像机伸缩支架，24-底座，25-中庭空间，26-底层大门，27-走廊，28-电梯间，29-前室，30-楼梯间，31-着火房间，32-管道井，33-楼梯间平开门，34-前室平开门，35-电梯间平开门，36-着火房间门，37-玻璃外墙，38-燃料盘，39-烟饼盘，40-支撑架，41-隔热支架，42-自动点火器，43-电子秤，44-穿线孔，45-墙面连接块，46-移动块，47-转动轴，48-电源线，49-滑动槽，50-滑轮，51-挡块，52-滑轮连接轴，53-补光灯，54-片光源，55-流量控制阀门，56-风阀ⅰ，57-风阀ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-11所示，一种多层可隔断中庭建筑火灾烟气模拟实验装置，包括实验装置主体、位于实验装置主体上的喷淋系统、烟气控制系统、配套测控系统、伸缩装置以及位于着火房间的燃料供给装置、控制器；

所述实验装置主体为一个中庭空间大小可调节的多层建筑，空间布局呈对称分布，每层中庭空间25一侧的楼板12上安装有伸缩装置，伸缩装置能够对某一层进行隔断，每层中庭空间12前后两侧设置着火房间31，左右两侧为逃生通道及管道井32，逃生通道包括楼梯间30、前室29、电梯间28，着火房间31、楼梯间外墙10设置可调节开启程度的外窗4(可手动调节开启程度的大小)，可以实现不同程度的自然通风，实验装置主体顶部为弧形的集烟罩2且其上设置有天窗3；实验装置主体整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封，实验装置主体前后侧墙壁采用耐高温玻璃外墙37，实验装置主体底层大门26采用平开门ⅰ，并做密封处理，使之关闭时达到密封效果，着火房间31通过着火间平开门36连通走廊27，每层前室通过前室平开门34通向楼梯间30和走廊27，每层电梯间28通过电梯间平开门35连通前室29，楼梯间30通过楼梯间平开门33连通走廊27，着火间平开门36、前室平开门34、电梯间平开门35、楼梯间平开门33的门与门框之间有缝隙。

所述喷淋系统，包括位于实验装置主体底层的压力泵16、管道井32内的通水干管15、各层通水支管14、流量控制阀门55和位于走廊27及着火房间31的开式喷头17；底层的压力泵16与管道井32内的通水干管15连接，通水干管15与各层的通水支管14连接，通水干管15与通水支管14的连接处安装有流量控制阀门55，通水支管14上设置有开式喷头17，各层的开式喷头17连接一个喷头开关，流量控制阀门55、压力泵16均与控制器连接；各层的开式喷头17开启时间(通过喷头开关调节)及送水量(通过调节压力泵16的压力大小调节)均可调节，可模拟喷淋系统对火灾烟气蔓延的影响。

所述烟气控制系统，包括加压送风系统和排烟系统，由高温加压风机21、集中排烟风机1、通风干管6、通风支管7、通风口8组成；高温加压风机21位于实验装置主体两侧，通过软管连接至管道井32中的通风干管6，通风干管6与各层的通风支管7相连，在通风支管7上设置有风阀ⅰ56、风阀ⅱ57和通风口8，风阀56位于通向前室29和楼梯间30的通风支管7与干管6连接处，风阀57位于通向走廊27的通风支管7与干管6连接处，通风口8分别位于走廊27、楼梯间30和前室29，各层通风口8加压通风量可通过风阀ⅰ56和风阀ⅱ57调节，实验装置主体顶部的集中排烟风机1为变频式，高温加压风机21、集中排烟风机1、风阀ⅰ56、风阀ⅱ57连接控制器；使逃生通道内外两层可以调节不同的通风量；顶部的集中排烟风机1为变频式，可调节排烟强度，模拟不同程度的机械排烟。

所述配套测控系统，包括烟气温度测量系统、压力测量系统、烟气流场测量系统；温度测量系统包括每一层楼内设置的四束热电偶束测点20，着火房间31为第一热电偶束，中庭空间为第二热电偶束，走廊为第三热电偶束，前室及电梯间、楼梯间为第四热电偶束；第一热电偶束用于测量火源附近的温度变化，第二热电偶束用于测量装置竖向温度变化，第三热电偶束用于测量装置每层横向温度变化，第四热电偶束用于测量人员逃生通道温度变化，四束热电偶束测点20串联后与温度数据显示采集仪5连接；压力测量系统由布置于中庭空间25的压力探头18及与其电信号连接的压力数据采集显示仪19组成，实现火灾过程中压力变化的实时监测；烟气流场观测系统包括片光源54、可移动伸缩摄像机22，片光源54位于每层着火房间31和中庭空间25中，可移动伸缩摄像机22位于玻璃外墙37外，片光源54位于摄像机22观察侧的相邻一侧，实验时可通过摄像机22观察到片光源54上烟气的运动，温度数据采集仪5与控制器连接。补光灯53，可调整空间光线。

所述的伸缩装置，包括墙面连接块45、伸缩块13、伸缩器，墙面连接块45安装在各层楼板12内，伸缩器一端固定在墙面连接块45上，另一端与伸缩块13连接，伸缩块13两侧设有滑动槽49，滑轮50滑动安装在滑动槽49且其上的滑轮连接轴52与楼板12两侧内壁接触，伸缩器与控制器连接，伸缩块13能够紧密接触到对面楼板12的外侧端。

如图5所示，所述试验燃料供给装置，包括燃料盘38、烟饼盘39、隔热支架41、自动点火器42、电子秤43和支撑架40，燃料盘38上存放工业甲醇，隔热支架41连接电子秤43，电子秤43用于记录燃料消耗情况，隔热支架41上安装有自动点火器42，自动点火器42用于点燃燃料盘38内的燃料，位于燃料盘38下方的烟饼盘39存放燃烧产生烟气的烟饼，自动点火器42与控制器连接，火焰燃烧产生的浮力作用会驱使烟饼产生的烟气在装置内流动，即可较为清晰地模拟热浮力和烟囱效应等作用下烟气在装置内的蔓延流动。

进一步地，如图6-9所示，伸缩器包括移动块46、转动轴47、电源线48，移动块46一端固定在墙面连接块45上，另一端与伸缩块13连接。

进一步地，每层楼内热电偶束测点20离每层地面1.5m高。

进一步地，中庭空间25四周不同位置设置了多个着火房间31。

进一步地，片光源54安装的房间内还设置有补光灯53，补光灯53是否打开根据实验时的光线强度进行确定，光线弱的时候打开，光线强的时候关闭。

所述实验装置主体模拟了中庭建筑的结构，且可通过伸缩装置来调节中庭空间大小，可以实现不同中庭空间面积尺寸的建筑火灾烟气模拟，同时可以通过伸缩装置在某一层进行隔断，用于研究中庭防火防烟分区及人员疏散逃生的最佳方案。

所述实验装置主体中有位于中庭四周不同位置的着火房间31，可以通过改变燃料供给装置的位置和数量来模拟实验装置主体不同位置的着火房间31着火和多个部位着火房间同时着火的情况。

实验装置采用工业甲醇作为火源，燃烧充分，产物清洁，对环境友好。

将实施例1的模拟装置用于中庭建筑火灾烟气控制实验中，步骤如下：

(1)通过改变中庭空间25中每层伸缩装置的位置来调整中庭空间25满足实验所需的尺寸，对每层的外窗4和顶层天窗3的开口程度进行调整，达到实验要求的自然通风条件。

(2)检查配套测量系统是否正常工作。

(3)将燃料供给装置摆放至实验研究位置的着火房间31内，并放置实验所需的工业甲醇在燃料盘38，烟饼放置在烟饼盘39。

(4)打开实验装置主体上的配套测控系统，先点燃烟饼盘39中的烟饼，待烟饼发烟后用自动点火器42点燃工业甲醇，温度测量系统开始监测温度变化，压力测量系统开始监测中庭空间的压力变化，烟气流场观测系统观察记录烟气运动。

(5)根据制定的实验方案中的变量，在一定时间后，开启喷淋系统或运用伸缩装置在某一层或多层进行隔断，开启高温加压风机和排烟风机，并调整至实验要求频率。

(6)燃烧结束后停止配套测控系统的工作，保存数据与视频。

(7)改变中庭空间25的尺寸进行重复实验。

(8)改变自然通风条件进行重复实验。

(9)改变着火房间位置进行重复实验。

(10)改变喷淋系统开启条件进行重复试验。

(11)改变机械排烟条件进行重复实验。

本发明依据普遍存在的火灾发展规律和烟气排放规律，并科学结合中庭商业建筑所存在的具体特点来分析研究中庭式商业建筑的火灾烟气流动规律与控制方法。

在不同中庭空间尺寸、隔断情况、自然通风、机械排烟、喷淋系统开启条件、着火空间位置的条件下，针对不同火灾载荷，模拟了中庭建筑大空间结构内火灾烟气的温度、速度、压力、运动路径情况，并可以记录相关的数据和视频进行分析和研究。

上述说明是是示例性的，装置的使用也不限于所说明的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多变更和调整都是显而易见的。