01

引言

每一名消防员都知道消防基础知识中所教的火灾发展曲线,以前我们只教一条火灾发展曲线,现在有两条。一条是旧的曲线,定义为“通风良好的火灾”(见图1)。本文将围绕这一曲线展开讨论。它表示房间内发生的火灾具备了如下条件:

足够的火灾荷载且起火点位于房间的适当位置

良好的通风

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图1通风良好的火灾发展曲线(图:Karel Lambert)

通常情况下,由于最初起火的可燃物无法产生足够高的热释放率,无法点燃附近的另一个可燃物,火灾便会自行熄灭。在这些情况下,经常有很多烟但几乎没有热。虽然有足够的可燃物,可以使火灾发展到轰燃,但可燃物的分布导致轰燃不会发生,火在初期就熄灭了。

最近,Oostkamp的消防队就处理了一起这样的火灾,一幢房子燃起熊熊烈火,一家人都被困在了二楼。到场后,整栋楼都被浓烟笼罩。浓烟挡住了住户们的逃生路线,除此之外,一楼的窗户都是单层玻璃的。消防员判断此时火场通风不足,若强行打破窗户可能引入大量空气,导致轰燃。

他们使用45mm水带进行火场内攻,随着救援工作的进行,消防员们发现客厅里的烟气温度并不高。这些冷烟气可能就是通风控制型火灾产生的,由于缺乏空气,火灾的热释放率非常低(见图2),几乎没有热量产生。

通过热成像仪,消防员找到了起火的位置。起火源是一块一直在充电的平衡车,旁边有一个坚实的橡木橱柜。橱柜呈发黑烧焦状,但平衡车的热释放率不足以完全点燃木柜。平衡车完全烧坏了,火势进入到下降阶段。火灾产生了大量的烟,但热量很少。通过使用排烟机,消防员把烟从楼里排出,救出了这一家人。烟雾温度不高,但毒性很强,在没有呼吸器的情况下想逃离烟雾是不可行的。

不过,若是换一种情景则结果会完全不同。假设客厅的另一边放着一个纸板箱,平时里面存放着平衡车。这个纸板箱旁边有一个三个座位的大沙发。假设平衡车放置在盒子的内部或顶部,然后它着火了,沙发也很可能会被点燃。沙发会产生足够的热量,在客厅引起轰燃。到达后,消防队将面临一楼全面燃烧的大火,所产生的烟气流到二楼,温度会高出10倍。我们只能期待,卧室的门是否能保护这个家庭直至救援人员到达。

在这两种情况下,唯一不同的变量是在起火时,平衡车(初始燃烧物体)的位置,客厅里的其他东西都一样。一种情况会导致大量烟气衰减,另一种情况导致房屋烧毁,可能还会有几名被困人员死亡。为了使火灾达到轰燃,需要在合适的位置上放置足够的可燃物。

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图2当空气不足时,火灾从红线转为灰线,称为通风控制型火灾。(图:Karel Lambert)

当通风不足导致无法发生轰燃时,属于通风控制型火灾。火会维持很小的状态,直至自行熄灭,若是出现额外的通风情况,将有一个不同的曲线,如图2所示。

然而,本文是关于图1所示的通风良好的火灾。大多数消防队员称之为温度发展曲线,这种曲线说明了温度随时间的变化。

关于这一说法,我们可以问几个问题:曲线究竟表示的是哪个温度?或者换言之:我们在哪个位置放置温度计,才能得到上述图表所示的温度?很多消防员不能回答这个问题。

你知道正确答案吗?本文将不时地直接向读者发出提问。在阅读下一节之前试着仔细思考这个问题。文章证实你的答案了吗?如果答案是肯定的,那很好!如果没有,想想你的答案为什么不正确。不管怎样,你都会学到一些东西。

02

火灾的热释放速率

每一起火灾都有特定的热释放速率,我们可以这么描述:想象有一个三个座位的沙发,假设沙发因一只遗落的烟头而着火,沙发的四分之一面积正在燃烧,火焰距沙发高约50厘米。你能在脑海中想象出这个画面吗?

火焰的热量将大量向上流动,在那里,它会加热烟气层,一部分热量辐射回沙发,使沙发发热。沙发(可燃物负荷)的高温会导致沙发的一部分开始热解,这意味着,沙发失去了部分重量。

如果把沙发放在秤上,我们会看到质量慢慢下降,其科学术语是质量损失率(kg/s)。可燃物越热,热解气体形成的越快(天平上的重量下降的越快)。热解气体其实是气体可燃物,火焰是由这些热解气体产生的,火焰通过周围空气中的氧气来燃烧热解出的气体。

我们知道燃气炉是通过打开阀门来操作的,排出的气体被火花点燃,通过控制阀门,可以形成或大或小的火焰。在真实的火灾中,阀门的功能被传递到可燃物上的热量所取代。可燃物越热,每秒释放的热解气体越多,每秒热解气体越多,火灾的热释放速率越高。

以上部分仅适用于燃料控制型火灾,在这样的火灾中,空气(氧气)充足,火灾的热释放率取决于热解气体的数量(质量损失率)。

当火灾变成通风控制型时,这意味着没有足够的空气来燃烧所有的热解气体,这些气体一部分流入到烟气层中,而未燃烧的颗粒则不断在烟气层中聚集,火灾的热释放速率受到空气的限制。如图2所示,火从红色线切换到灰色线。图1中也出现了这种情况,曲线突变之前,火灾已经变成了通风控制。两条火灾曲线都有一个通风控制段。

图1也可以描述为热释放速率-时间图,显示了初期阶段热量释放率是如何随时间变化的。初期是燃料控制阶段,其特点是热释放速率HRR非常有限,火势在整个发展阶段仍为燃料控制,但在轰燃过程中,变为通风控制。

全面发展的火灾是由通风控制的,在全面发展阶段,由于只有有限的空气可以通过通风孔进入房间,所以曲线趋于水平。

03

从火灾曲线中可以获取哪些信息?

图3所示的火灾显然是一场全面发展的火灾,火从两扇相邻的窗户里窜出来,两扇窗户的高度和表面积相同。

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图3两个窗口通风的火灾全面燃烧阶段图。(图片来源:www.nufoto.nl)

假设这些窗户与客厅相连,并且客厅的门是关着的,这两扇窗户将是图片中唯一的火灾通风孔。客厅里有大量的可燃物:沙发、咖啡桌、装满书的橱柜、电视……很明显整个房间都着火了,火灾热释放率受进入房间的空气量限制,这是一个典型的通风控制型火灾案例。

这场火灾当然是小规模的。为简单起见,我们假设两个窗户在开始时都是打开的。假定火灾是从一个三个座位的沙发开始。一开始热释放速率有限,随着火势的发展,热释放速率将增加。

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图4

图4显示了随着时间的推移,我们可以看到热释放速率是如何变化的。火开始很小,然后慢慢增长,达到轰燃和全面发展阶段(水平线)。再过一段时间,可燃物大大减少,大部分可燃物已经被耗尽。

 

这意味着由于质量损失率,剩下的可燃物很少。大量的可燃物被转化为热解气体。可以合理地推断,当70%的可燃物燃烧完后,将进入下降阶段。由于几乎没有多余的可燃物,热解气体的量(每秒)减少了。

在某一时刻,充足的空气通过通风口流入,将燃烧掉所有的热解气体,火灾再次成为燃料控制型。随着热解气不断减少,热释放速率也将进一步降低。过一段时间,火就会自行熄灭。热解气体的产生速率过小,无法再支持燃烧。剩下的可燃物将继续阴燃,但随着时间的推移,燃烧物冷却,火将完全熄灭。

假设火灾是从另一个客厅开始的,客厅的大小相同,火灾荷载相同,并且各部件(沙发、桌子……)在完全相同的位置,起火原因都是由于沙发上遗落的一根烟头。

一切都与第一个场景完全相同,除了一个区别:只有一个窗口而不是两个,窗户的表面积是上次火灾的一半。

这对热释放速率有什么影响?火势会比有两扇窗户时发展得慢吗?或者它会以某种方式发展得更快?

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图5

图5的黑色曲线代表了当两扇窗户打开时,火是如何发展的。

蓝线表示火灾发展较快的火灾,红线表示火灾发展较慢的火灾,哪一个是正确的?或者它们两个都错了?

试着想一些论点来支持你的观点。

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图6

也有可能得出另外两条曲线,火灾进展更快,但一个热释放速率较高,另一个热释放速率较低。图6显示了这两个图,黑线仍然代表着两扇窗户都开着时客厅里的火,蓝线描述的火灾,火势发展得更快,但也很快停止增长,并以较低的HRR持续燃烧,火灾持续时间很长。

红线表示的火灾发展更快,并且达到更高的HRR,燃烧的时间更短。

这两张图中,有开着一个窗户的客厅火灾的正确表示吗?

仔细想想支持你推理的论点。

图7显示了图6的变化。这一次,红色和蓝色的曲线代表了火灾的发展速度比客厅有两扇打开的窗户(黑色线)中的火灾要慢。如图6所示,蓝线的HRR比黑线低。红线的HRR比黑线高,图中有可能是正确的那条吗?这取决于你进行批判性思考,制定一个答案。

图7

图5、图6和图7都表示火灾的发展速度比黑线所描绘的火灾快或者慢。然而,火灾的发展也可能根本不受第二扇打开的窗户的影响。图8显示了其中的两种可能性。蓝线和黑线在初始阶段是完全一样的。这意味着火势正以完全相同的方式增长。

然而,火灾在后期变得不那么强烈(低峰值HRR)。红线与黑线也有相同的增长,但最终的HRR峰值比两扇开着窗户的火灾高。也许这才是正确的图表?或许还有另一种可能还没有出现。

想想你的答案,为什么你认为它是正确的。

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图8

04

一扇窗户而不是两扇窗户的效果

上图中,黑线代表了一场火灾的HRR与时间的关系,对于一个开着两扇窗户的客厅来说。这条线的第一部分代表了火灾的初期和发展阶段。当时火势是由燃料控制的。这意味着有足够的空气来燃烧正在产生的热解气体。如果要增加通风孔的尺寸,这不会影响火势的发展,毕竟,已经有足够的空气了。

在火灾的开始阶段,减小通风孔的尺寸也不会产生影响。只要有足够的空气通过开口进入,就会燃烧正在形成的热解气体,火灾将受到可燃物控制,这意味着没有增加通风的影响。

一个燃料控制型火灾在开始阶段,不会因为开口个数而改变热释放速率。两条火灾(开两扇窗户和一扇窗户的情况)曲线是一致的。

开着一扇窗户的客厅里的火也会发展成轰燃,有足够的空气从开着的窗户进入房间,使火势得以蔓延。请记住,打开的窗口的表面积必须大于可让火场达到轰燃的最小尺寸,因为客厅的火必须要能发展到一定的HRR值,才能在房间内实现轰燃。

假设图3中的两个窗口被原窗口1/4表面积的一个窗口替换,那么在发生轰燃之前,火灾可能会变成通风控制型,即通风不足的火灾。图2可能是这个场景的一种体现。

 

当第二个场景中,客厅窗户的表面积是第一个场景的一半时,只有一半的空气可以进入。这意味着第二次火灾产生的HRR将是第一次火灾的一半。

图8中的蓝线说明了正确的答案,水平线的高度(峰值HRR)由打开窗户的总表面积决定。

它们决定了在任何给定的时间有多少空气可以进入,因此,它们决定了最大的HRR是多少。蓝线水平部分的高度必须正好是黑线的一半。如果要打开四个窗口而不是两个,那么图8中的红线就是正确的,达到黑线两倍的HRR。

最后,必须认识到曲线下的面积代表的是火灾荷载。这就是为什么图8中的蓝色线比黑色线长(而红色线更窄)。当HRR只有黑线的一半时,在任何给定的时间内,只有一半的可燃物被燃烧,这意味着可燃物的燃烧将持续两倍的时间。

举一个木炉的经典例子。炉子里可以放许多木头来生火,但当进风口减半时,炉子产生的热量就会减少(因为HRR减半了),炉子里的木头量将可持续燃烧两倍于未减半的时间,这在图9中可以清楚地看到。

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图9 蓝图产生的热释放速率只有黑图最大值的一半,由于可燃物燃烧的更慢,因此燃烧的持续时间,差不多有黑图的两倍(图:Karel Lambert)

灰色标记的表面积必须等于蓝色标记的表面积。毕竟它们代表完全相同的火灾荷载。在黑线所代表的火灾中,可用的空气量是原来的两倍,因此,可燃物消耗的速度是原来的两倍。这将导致火灾持续时间减为一半(但火灾强度变为两倍)。

参考文献

[1]Lambert Karel, Baaij Siemco (2018) brandverloop: technisch bekeken, tactisch toegepast, 2nd edition, Sdu

[2]Lambert Karel (2009-2019) CFBT-instructor course for the Attack cell, CFBT-BE

[3]McDonough John (2009-2019) personal talks

[4]Grimwood Paul (2008-2019) personal talks

翻译:许田田

排版:Lcrystal

校对:木月、水鸭

原文始发于微信公众号(橙色救援):

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