第2章 热烟测试方法研究
2.1 热烟测试系统设计
热烟测试的原理是根据设定的火灾功率，利用发烟机产生相应质量的热烟，在燃烧池的加热下上浮形成羽流，模拟真实火灾中烟气的发生、发展过程。本书在参考国内外研究成果的基础上，建立了用于检验建筑消防系统排烟能力的热烟测试系统，包括火源子系统、发烟子系统、测量子系统和辅助子系统[40, 66]。
热烟测试系统如图2.1所示。
图2.1 热烟测试系统
2.1.1 火源子系统设计
火源子系统由燃烧池、冷却池、阻燃垫、点火器、灭火器、燃料等组成。
燃烧池由钢板制成，钢板厚度为1.6mm；铁制把手焊接在燃烧池的外壁，把手直径为10mm；底部的支撑架固定焊接于燃烧池底部，以避免燃烧池底面与冷却池上表面接触而产生意外。燃烧池外观如图2.2所示。
燃烧池规格如表2.1所示，过大的火源会产生安全问题，燃烧池型号应根据测试空间的大小做适当的选择。
图2.2 燃烧池外观
表2.1 燃烧池规格
为使火源功率保持稳定，防止燃烧池受热变形，使用冷却池对燃烧池进行水浴。冷却池由钢板制成，钢板厚度为1.6mm；铁制把手焊接于冷却池内壁，以使不同冷却池可紧密地邻接。冷却池外观如图2.3所示。
图2.3 冷却池外观
冷却池设计规格如表2.2所示。
表2.2 冷却池设计规格
冷却池内部的水面应尽可能地接近冷却池的上缘，但由冷却池的顶部测量其深度不大于10mm，不可使空燃烧池在冷却池中浮起。冷却池内部的水温与热烟测试时的环境温度接近，一般为15℃～30℃。
热烟测试燃料使用工业用无水酒精。酒精是一种清洁和廉价的燃料，燃烧完全，燃烧过程产生的燃烧产物很少，燃烧温度可达850℃～900℃，所需最少燃料量可按照3min发展、10min稳定、3min衰退来计算，一次使用的燃料量应保证能够稳定燃烧10min。不同型号燃烧池的设计燃料量如表2.3所示。
表2.3 不同型号燃烧池的设计燃料量
使用酒精作为燃料时，不同型号燃烧池对应的热释放速率拟合曲线及三次多项式如图2.4所示。
图2.4 不同型号燃烧池对应的热释放速率拟合曲线及三次多项式
进行热烟测试时，在发烟机及火源的下方放置阻燃垫，阻燃垫具有较高的高温断热性及耐热性，最高使用温度不低于1000℃。阻燃垫放在火源点处的地面上，冷却池放在阻燃垫的上方，空燃烧池放在冷却池的中心位置，使用时先在冷却池中加入水，再在燃烧池中加入燃料。进行热烟测试时，燃烧池被放在注满水的冷却池中，使用冷却池后，开始第二次测试时，需要排出第一次测试后剩下的热水，待冷却池冷却至室温后再注入新水。不可将燃料倒入热燃烧池或位于热冷却池中的空燃烧池，以防止爆炸。
设计热烟测试中的火源大小时，要考虑天花板及其他设施所能承受的最高安全温度，做好保护措施，以避免造成对测试空间的环境损坏，要使用防火毯保护火源上方的天花板、隧道区的机电设备、电缆及其他易损坏装置。
热烟测试所用的燃料——酒精，长时间放在空燃烧池中会汽化和蒸发，有可能发生爆炸。因此，设计要求在热烟测试开始前的3min内，将酒精注入冷却的燃烧池中。
设计要求由穿戴完整防护装备的测试人员使用长竿式电子点火器点燃燃烧池，以避免发生危险。
2.1.2 发烟子系统设计
发烟子系统由发烟机、气瓶、导烟管、喷嘴等组成。
发烟位置设计在测试空间的中央，若在不规则的建筑内部进行测试，则发烟位置应在面积中央。热烟流动的路径应不受建筑内部组件或任何障碍物影响，以避免造成热烟自然移动的路径出现变动。热烟测试的空间一般不小于250m3。
热烟测试需要的示踪烟气由发烟机产生，烟气的pH值接近中性，呈白色，且残留物较少。发烟机能发出大量的示踪烟气，对无自动出烟装置的发烟机，随机配备高压氮气瓶，用氮气瓶的压力作用驱动烟气。对于设计排烟能力较大的建筑，要同时使用多台发烟机产生示踪烟气。
相邻布置发烟机与燃烧池，直接喷射示踪烟气到热烟羽流中，发烟机喷射的烟气持续地以一个稳定的速率被喷射到火源上方的热烟羽流中，测试人员可以比较准确地观察热烟羽流的动作与现象。
针对两种发烟机做了测试和选型，发烟机参数对比表如表2.4所示，最终选取Vi Count PS33发烟机。
发烟子系统中的导烟管要足够长，以免发烟机因离燃烧池太近而影响安全，喷嘴的长度直径比要大于5，以保证烟气喷出时竖直向上。发烟子系统如图2.5所示。
表2.4 发烟机参数对比表
图2.5 发烟子系统
在火灾过程中，烟气的质量流量由可燃物的质量损失速率、燃烧所需的空气量及上升过程中卷吸的空气量三部分组成。在火灾规模一定的条件下，可燃物的质量损失速率、燃烧所需的空气量是一定的，因此在一定高度上烟气的质量流率主要取决于羽流对周围空气的卷吸能力。
轴对称烟羽流的烟气质量流率可用如下公式[40]计算：
式中，m表示烟气质量流率，单位为kg/s；Q表示火源的热释放速率，单位为kW/m2；Qc=0.7Q，表示火源的热流释放速率，单位为kW；z表示烟气层在火源面上方的高度，单位为m；z1表示火焰的极限高度，单位为m。
因为式（2.1）中0.0018Qc项的值很小，若忽略该项，则可得
式中，m表示烟气质量流率，单位为kg/s；Q表示火源的热释放速率，单位为kW/m2；Qc=0.7Q，表示火源的热流释放速率，单位为kW；z表示烟气层在火源面上方的高度，单位为m；z1表示火焰的极限高度，单位为m。
火焰的极限高度的计算公式为[40]
z1=0.166Qc2/5 （2.3）
式中，z1表示火焰的极限高度，单位为m；Qc=0.7Q，表示火源的热流释放速率，单位为kW。
2.1.3 测量子系统设计
火灾发生后，烟气在浮力作用下上升形成烟羽流，烟羽流撞击到房间的顶棚后形成沿顶棚下表面蔓延的顶棚射流。随着火灾的发展，烟气不断增多，整个空间就有了分层现象，分为上层热烟气层和下层冷空气层。热烟气层与冷空气层之间没有明显的分界面，而是存在一个过渡区，冷空气层也不能保持原来的状态。区域中各物理参数在竖直方向的变化是连续的，而且大多情况下不会发生突变。
烟气具有遮光性，烟气蔓延到的地方，能见度会下降，当烟气层达到某个高度时，会遮蔽此高度上的指示灯，指示灯的亮度明显减弱。目测法是指观测员根据烟气对指示灯的遮蔽来判断烟气层下降到的高度，这个高度既可由人眼现场观测得到，又可借助摄像机全程拍摄热烟测试过程的视频，在后期观测得到。
热烟测试中使用指示灯来辅助观测烟气层的变化，对于大空间，指示灯数量较多，为方便观测，应使用不同颜色的指示灯。不同颜色的指示灯如图2.6所示。
图2.6 不同颜色的指示灯
火灾中随着烟羽流的上升，整个烟气填充空间的温度都会发生变化，且温度分布不均匀，存在温度梯度，靠近顶棚处的温升更明显，因此可以根据垂直温度分布来确定烟气层界面的高度。热电偶是基于热电效应的温度传感器，实验时热电偶布置在远离火源的位置，以消除火源辐射对热电偶测得的温度的影响。此外，在使用热电偶测温时，要考虑冷端的环境温度，为保证测量的准确性，要将冷端通过补偿导线连接到环境温度稳定的地方。
实际中烟气温度的分布是连续的，根据连续变化的温度分布确定烟气层界面的位置时，主要有三种判定法则：
（1）温度持续上升法。如果从某时刻起，某点的温度开始持续上升，那么便认为烟气层界面在该时刻到达该点。
（2）临界温度法。如果某点的温度相对于其初始温度的温升超过某一给定的临界值，那么便认为该点已处于烟气层中。
（3）N百分比法。如果某点的温度相对于室内初始温度的温升超过该点所在竖直方向上最大温升的一定百分比，那么便认为该点已处于烟气层中。
美国标准NFPA 92B也提出利用温度的垂直分布来判断烟气层界面，采用的是由Cooper等人提出的N百分比法，推荐N的取值范围为80～90（即系数Cn为0.8～0.9），可按下式计算[40]：
Tn=Cn(Tmax−Tb)+Tb （2.4）
式中，Tn表示烟气层界面处的温度，单位为℃；Cn表示常数；Tmax表示上部烟气层的最高温度，单位为℃；Tb表示环境温度，单位为℃。
烟气层界面高度的计算过程如下：
（1）利用式（2.4）计算出每一时刻烟气层界面处的温度Tn。
（2）查找同一时刻热电偶测得的温度值中与Tn最接近的两个值T1和T2，其中T1≤Tn≤T2。
（3）查找T1、T2对应热电偶的高度H1和H2，利用插值法计算出Tn对应的高度Hn，Hn即此刻烟气层界面的高度，线性插值公式为
测量温度时，使用直径为0.6mm的K形热电偶，其精度在±1℃以内；温度数据采集使用数字采集仪，其具有随时间变化自动记录温度的功能。热电偶和数字采集仪如图2.7所示。
对于温度较高的区域，使用红外热像仪进行拍摄研究。
图2.7 热电偶和数字采集仪
在风速对热烟测试影响较小的环境进行测试时，使用手持式风速仪。在隧道和车站内进行热烟测试时，由于每个测试环境需要同时测量多个点的风速，因此采用多点风速仪。多点风速仪一般由热线风速仪、风速接收模块、A/D转换模块、连接线缆、主机、驱动软件组成，其中热线风速仪使用无指向型探头。
2.1.4 辅助子系统设计
辅助子系统由电源、通信、安保、环保等部分组成。
因所用发烟机的额定电压为110V，而稳压电源同时具有110V AC和220V AC的电压输出，所以发烟子系统与测量子系统分开供电。
实际现场经常是大空间建筑，进行热烟测试时，会使用扩音器、对讲机等通信工具，以保证沟通顺畅。
热烟测试时，需要对测试人员与测试环境采取必要的保护措施，所有参与人员要穿戴适当的防护衣及护目镜，以防止伤害的发生。热烟测试场所排放烟尘时，可能会造成人员呼吸困难，因此要使用氧气面罩保护人员的人身安全，进而延长人员在烟尘中的安全工作时间。
由于热烟测试中使用的燃料具有爆炸性，且发烟机是有可能发生危险的爆炸性装置，因此需将它们保存在不受测试火源影响的安全区域。热烟测试中需要注意对室内装修的防护，要采取适当的保护措施，但应以不影响测试结果为原则。在热烟测试过程中，在火源正上方的天花板附近装设测温装置，并在测试期间持续监测与记录温度变化，以便监测天花板是否能够有效地散热。
热烟测试完成后，将建筑内部的烟排放干净，空气清洁所需的时间视室内较脏空气排放出建筑的效率而定，排烟系统要全载操作以进行空气清洁。