１实验设计
此研究选取了某在建商场的一个防火分区为研究对象。实验区尺寸为３８ｍ（长）×２１ｍ（宽）×５．４ｍ（高）。采用感温火灾探测器和感烟火灾探测器来测试火灾的探测时间，实验现场与探测器的布置，如图１所示。根据ＤＧＪ０８－８８－２０００《上海市民用建筑防排烟技术规程》，对有自动喷水灭火系统的商场，火源大小考虑为３．０ＭＷ。由池火单位面积热释放速率计算可得，实验需使用直径为１．４ｍ的柴油池火作为火源，放置在实验区的中心位置。在汽油的引燃作用下，柴油很快迅速点燃并剧烈燃烧。实验测得的各火灾探测器的探测时间如表１和表２所示，所有探测器均在１ｍｉｎ内探测到火灾，且基本上探测时间有随探测器与火源中心距离的增加而增大的趋势，但也发现了个别感温火灾探测器距离大反而先报警的情况。通过分析发现，这些探测时间较长的探测器与火源上方有结构梁的分隔。这表明，结构梁会减缓顶棚烟气前期温度的升高速度，使得其探测时间变长。
２火灾探测器报警时间分析
２．１感温火灾探测器感温火灾探测器的原理主要是通过传感器感知周围气体的温度变化，以判断火灾的发生。当火灾发生时，燃烧会产生大量热量，使得空间内温度（尤其是顶棚附近）发生剧烈变化。因此，感温火灾探测器是对保护范围中某一点或某一区域温度变化进行响应的火灾探测器。当探测器周围温度发生变化时，感温火灾探测器的探测部分与外界进行能量的交换，因此探测器应符合能量守恒定律，如图２所示。热量主要通过对流的形式进入感温火灾探测器内部，因此其应满足式（１）。假设传感器原件的质量为ｍ，则温度变化可以转换为式（２）。为了便于计算，Ｈｅｓｋｅｓｔａｄ和Ｓｍｉｔｈ提出了时间常数的概念，时间常数是传感器质量、比热、热对流系数和传感器表面积的函数，如式（３）所示。通过实验发现，时间常数与探测器感应元件的形状、结构及材料有关，同时还近似与速度的１／２次方成反比，因而定义了探测器的响应时间常数ｔＲＴＩ，如式（４）所示。式中：ｕ为顶棚处羽流速度。探测器响应时间ｔＲＴＩ只是探测器的一种属性，与外部参数无关，生产厂家在出厂时往往会给出探测器的响应时间常数。将式（４）代入式（２）得到式（５）。当ｔ＝０时，探测器传感器温度与环境温度相同，即：当探测器出现报警时，探测器传感器温度为感温火灾探测器动作温度。由此可以解得感温火灾探测器的探测时间，如式（６）所示。式中：Ｔ∞为顶棚处温度的最大值，℃；Ｔｒ为环境温度，℃。Ａｐｌｅｒｔ通过大量的实验发现，对于稳态火源，羽流的温度场是火源功率和几何尺寸（包括空间高度Ｈ和与火源中心线的距离ｒ）的函数。对于温度分布，在火羽流撞击顶棚的影响范围内，即：ｒ／Ｈ≤０．１８时，温度分布由式（７）计算。式中：Ｑ·为火源功率。当羽流撞击顶棚后，运动方向发生改变，羽流温度也随着与火源中心线的增加而降低，即：ｒ／Ｈ＞０．１８时，温度分布可由式（８）计算。根据对感温火灾探测器的理论分析，可以得到感温火灾探测器的探测时间随与火源中心线距离的变化关系，如图３所示。从图３可以发现，当探测器距火源中心线２ｍ时，探测器理论探测时间约为３５ｓ；当探测器距火源中心线６ｍ时，探测器理论探测时间约为２００ｓ。与实验结果相比，理论计算得到的结果明显大于实验结果，因此采用该理论来进行相关感温火灾探测器探测时间预测的结果偏于保守。２．２感烟火灾探测器烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟火灾探测器就是基于这种火灾特征，能够对火灾产生的烟颗粒进行辨识的火灾探测器。感烟火灾探测器有各种各样的形式，但最常见的是点式光电感烟火灾探测器。这种探测器被广泛用于住宅、商场、娱乐、仓库等场所的火灾探测。光电感烟火灾探测器的原理是基于火灾烟气对光束的遮挡作用，当火灾烟气进入探测器腔体时，光束由于受到火灾烟气的遮挡，光路接收器上接收到的光强减弱，从而实现了光电信号的转换。光电感烟火灾探测器的响应时间与进入探测器腔体内的火灾烟气量有关，但现有的火灾模型并不能简单地预测烟气的分布。Ｂｒｏｚｏｖｓｋｉ研究发现，只有当感烟火灾探测器附近的空气流速达到某一临界速度后，烟气颗粒才能够进入探测器感烟元件内部，并很快使探测器触发并报警。对大部分感烟火灾探测器，临界速度约为０．１５ｍ／ｓ。Ａｐｌｅｒｔ同时发现，对于速度分布，在火羽流撞击顶棚的影响范围之内，即ｒ／Ｈ≤０．１５时，速度分布可由式（９）计算。当羽流撞击顶棚后，速度方向发生改变，羽流速度也随着与火源中心线的增加而降低，即ｒ／Ｈ＞０．１５时，这时速度分布可由式（１０）计算。基于这一理论，可以得到感烟火灾探测器理论的保护范围。根据上述分析，由式（９）和式（１０）可以计算得到距火源中心线不同距离处的速度分布，如图４所示。从图４中可以看出，在这种工况下，据火源中心线２０ｍ范围内顶棚处速度都远大于临界速度０．１５ｍ／ｓ，因此，从理论分析的角度，感烟火灾探测器的保护范围可以远大于感温火灾探测器。但在实际的消防系统设计中，考虑到探测时间的影响，ＧＢ５０１１６－１９９８《火灾自动报警系统设计规范》中规定了感烟火灾探测器的最大保护半径为５．８ｍ。在这一范围内，感烟火灾探测器都能较快速探测到火灾。从实验结果看，距离火源中心线５．５ｍ处的感烟火灾探测器仅需１５ｓ就能探测到火灾，快于距离更近的感温火灾探测器；其他感烟火灾探测器的探测时间也都在４０ｓ之内。笔者对感温火灾探测器和感烟火灾探测器的保护范围进行了理论比较，感烟火灾探测器的保护面积要远大于感温火灾探测器，而感烟火灾探测器的探测时间要明显小于感温火灾探测器的探测时间。因此，在探测时间上感烟火灾探测器比感温火灾探测器性能更优。
３机械排烟系统启动时间分析
防排烟系统的启动时间通常应包括火灾探测时间、报警延时时间和启动延时。其中，火灾报警延时时间和风机启动延时时间在相关规范中已有较为明确的规定，而且这些参数都是系统可设置的参数。根据ＧＢ４７１７－２００５第５．２．２．２条及ＧＢ１６８０６－１９９７第４．２．４条规定，通过实验测量与理论分析发现，所有的感烟火灾探测器和感温火灾探测器都能在６０ｓ之内探测到火灾，在火灾报警延时和风机启动延迟时间总和设置不超过６０ｓ条件下，再考虑５０％的安全系数，在层高不超过６ｍ的建筑内可以认为机械排烟启动时间不超过１８０ｓ。
４结论
商业建筑空间的防排烟系统通常与火灾报警探测器联动。防排烟系统的启动时间通常应包括火灾探测时间、报警延时时间和启动延时三部分时间。笔者基于火灾动力学理论分析和实验，研究了探测器不同布置条件下的探测时间。通过实验测量与理论分析发现，感烟火灾探测器的探测时间要明显小于感温火灾探测器，所有的感烟火灾探测器和感温火灾探测器都能在６０ｓ内探测到火灾，在火灾报警延时和风机启动延迟时间总和设置不超过６０ｓ条件下，再考虑５０％的安全系数，层高不超过６ｍ的建筑内可认为机械排烟启动时间不超过１８０ｓ。
作者：郭增辉 何其泽 黎昌海 单位：昆明市消防支队 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室
