预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型的制作方法

本发明涉及一种预测模型，特别是一种预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型，属于防火技术领域。

背景技术：

自动喷水灭火系统自诞生起至今已有100多年的历史，其在火灾中保护人员生命及财产安全方面发挥了重要的作用。设置自动喷水灭火系统的目的主要是为了有效扑救初期火灾或者控制火灾规模。对于洒水喷头为闭式的自动喷水灭火系统要实现快速启动控火和扑灭火灾，洒水喷头能否及时动作是一个重要因素，对于整个自喷系统的灭火控火效果至关重要。闭式洒水喷头如不能及时受热开放，则喷头开放后的洒水可能不能覆盖起火范围，火灾在喷水范围之外蔓延，达不到设计效果。

影响洒水喷头启动时间的因素很多，包括喷头响应时间指数(RTI)、响应温度、安装高度、火灾发展速率等，这些因素的改变都可能影响洒水喷头的动作时间。

随着特殊防火设计方法的应用与发展，对于预测喷头响应时间及预测火灾规模显得尤其重要。国外对洒水喷头或探测器响应时间模型进行了开发研究，如DETACT-QS，DETQCT-T2和LAVENT等，这些模型可用于计算曝露于火灾环境的洒水喷头或探测器的响应时间，也可用于预测火灾规模和人员疏散的开始时间。

通常，洒水喷头或探测器RTI、响应温度、安装高度以及喷头距离火源的半径等作为输入参数。火灾规模和时间的关系以及火灾持续发展时间必须由用户提供，通常启动洒水喷头或探测器的热源来自于顶棚射流，并未考虑隔间内热烟层的形成。同其他程序一样，如不了解内在的假定情况，这些程序可能被误用。

国际上已经建立了以火灾模化、闭式喷头热敏感性能及传热学等为理论基础，预测喷头启动时间的方法，其方法已成为特殊防火设计技术的重要组成部分。关于闭式喷头启动时间的研究，我国无论从预测手段、预测方法和数据分析利用等方面同国际上都还存在一定的差距。特殊防火设计和火灾危险性评估在我国也正逐步得到应用和发展，同样亟需开发类似的适用预测模型。

技术实现要素：

基于上述缺陷，本发明提出了一种预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型，为防火设计和火灾危险性评估工作、开展疏散开始时间预测以及火灾规模预测提供了相应的技术手段，有效解决了火灾响应时间预测的问题。

本发明的技术方案如下：

一种预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型，包括如下步骤：

步骤一：基本假设

所述预测模型基于以下3个基本假设条件：

(1)喷头或感温探测器处在一块大空间且按相关规范要求安装在平坦的天花板下；

(2)在火灾发展的最初阶段，辐射热量传递过程忽略，对流热传递速度q_conv为影响喷头或感温探测器响应的主要因素；

(3)对流热量传递系数与流经喷头或感温探测器内热敏感元件的气体速度成比例；

步骤二：模型基本原理

采用火焰及顶棚射流模型来预测流经喷头的火灾气流温度和速度，其中，喷头或感温探测器与周围环境之间的热量传递采用单元总的热量传递率q_total表达，q_total采用下列关系式表示：

上式中：

q_cond——传导热传递速率；

q_conv——对流热传递速率；

q_rad——辐射热传递速率

热量通过对流热传至喷头或感温探测器的传递速率采用下式表述：

上式中：

h——对流热量传递系数，单位kW/(m²·℃)或Btu/(s·ft²·℉)；

A——传热面积(m²)；

T_d——喷头或感温探测器温度(℃)；

T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)；

把喷头或感温探测器热敏感元件看作是一块质量为m的整体，其温度变化可由下式得出：

上式中：

c——热敏感元件的比热，单位为kJ/(kg·℃)或Btu/(1bm·℉)；

由上述方程可以导出喷头或感温探测器热敏感元件温度随时间变化的关系式：

设

其中，τ为传至给定的热敏感元件的对流热量；

这样，

对于一个给定的火灾气体温度、速度及特定的热敏感元件，质量增加，τ值增加；τ值越大表明感温元件传热速度越慢；

对流热量传递系数h是与通过热敏感元件的气体速度及元件形状有关的函数，对一个给定的热敏感元件，h与流经热敏感元件的气体速度成比例，这种关系即用热敏感元件特有的响应时间指数——RTI来表示：

上式中：

u——天花板附近火灾气体速度的最大值；

u_o——实验室条件下气体参考速度；

τ——热敏感元件的对流热量；

τ_o——气体参考速度时对应的τ值；

采用插入试验用来确定喷头或感温探测器的RTI值，知道了RTI值，对火灾气体通过类似热敏感元件任一时间的温度变化可以通过计算得知，其热量传导方程如下：

上述公式8用来预测暴露于火灾气体中的定温感温探测器或喷头的温度，或者用来确定感温元件达到其动作温度的时间；

步骤三：设计火灾

设计火灾分为热释放速率随时间增长的火和热释放速率恒定的火；

(1)热释放速率随时间增长的火

在实际火灾的初期和增长期，热释放速率随时间的推移不断增长，大多数常见可燃物着火时，热量释放速率增长遵循时间的平方规律，所以又称为时间平方火，即：

Q＝at² (公式9)

公式中：

Q——热量释放速率(kW)；

a——时间常数；

t——时间(s)

(2)热释放速率恒定的火

在进行建筑防火安全评估和排烟系统设计时还采用热释放速率恒定的火，即假定从起火开始热释放速率即保持在某一数值，这一数值取为可燃物燃烧时的峰值热释放速率或水喷淋系统启动时的火源的热释放速率，由于热释放速率恒定的火忽略了火灾的增长阶段，因而在需进行比较保守的设计时采用；

步骤四：响应时间预测

(1)稳态火火灾状况下的喷头或感温探测器响应时间预测

对于稳定状态火灾，采用如下一系列在天花板喷射流中计算火灾气体温度及速度的方程式，作为稳定状态火灾的热量释放速度及位置的函数：

当r/H>0.18时：

当r/H≤0.18时：

当r/H>0.15时：

当r/H≤0.15时：

其中，T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)；

T_a——周围环境温度(℃)；

Q——总的火灾热量释放速率(kW)；

r——距离火焰轴线的水平距离(m)；

H——着火点上面的高度(m)；

u——天花板附近火灾气体速度的最大值(m/s)；

假设离开着火点某处的火灾气体温度及速度与火源的瞬间热量释放速率有关，忽略感温元件到火源之间火灾气体流动所需的时间，同时，考虑总的热量释放速率而不仅仅是对流热量释放速率；

对一个恒定的气体温度及气体速度来说，基本的热量传递方程式为：

或者将RTI代入公式15得到：

对于气体温度和速度为恒定的天花板喷射流，或感温探测器对火灾的反应可以使用上面的方程式14-16进行模拟分析；

喷头响应时间t_r预测可采用以下方程式：

(2)发展火或半稳态火火灾状况下喷头或感温探测器响应时间预测

一场正在发展的火灾通过假设其由一系列不断增大的稳定的热量释放速率火灾构成来模拟，将这个模型作为半稳定状态模型，首先是将热量释放速率曲线分成一系列很短的时间间隔，对每一个间隔，用该段间隔的平均热释放速率来计算火灾产生的气体温度和速度，这样可计算喷头或感温探测器在此间隔的温度和速度；

步骤五：预测模型完成对闭式喷头或感温探测器在火灾情况下响应时间的预测。

进一步地，所述步骤三(1)中，不同的可燃物火灾增长的时间常数不同，按热释放速率增长的快慢将时间平方火分为四类，即超快、快速、中速和慢速火。

进一步地，所述四类时间平方火的典型时间常数如下：

表1时间平方火的典型时间常数

本发明的技术方案取得了以下技术效果：

洒水喷头响应时间是直接关系到初期火灾是否能够被有效扑灭和火灾蔓延受到控制的一个重要影响因素，本发明填补了国内关于预测洒水喷头响应时间缺少可实施性方法的空白。

本发明对不同火灾状况下洒水喷头或感温探测器的响应时间建立预测模型，为建筑防火设计开展疏散开始时间预测以及火灾规模预测提供技术手段，能够完成对闭式喷头或感温探测器在火灾情况下响应时间的预测，适用于不同类型的火灾，实现了预测模型的国有化，采用该模型原理设计的软件在中文WIDOWS界面可操作，并实现预测模型工具的易用性。

本发明一方面有助于完善测试手段以提高产品的科研水平，另一方面有助于特殊防火设计工作的开展，可满足管理者、使用者及产品开发者的监督和服务需求，具有较大的应用空间。

附图说明

图1是火灾发展规律简图；

图2是采用本发明预测模型设计的软件操作流程图；

图3是采用本发明预测模型设计的软件开始界面图；

图4是采用本发明预测模型设计的软件输入参数界面图；

图5是采用本发明预测模型设计的输出结果界面图；

图6是采用本发明预测模型设计的关于界面图；

图7实例1输出结果界面图；

图8实例2输入参数界面图；

图9实例2输出结果界面图；

图10实例3输出结果界面图；

图11实例4输出结果界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-6所示，本发明一种预测闭式洒水喷头或感温探测器的响应时间的预测模型，包括如下步骤：

步骤一、基本假设

自动喷水灭火系统闭式喷头具有感温探测以及布水灭火的双重功能，感温探测器预测方法同闭式喷头的响应时间预测方法是相同的。本发明建立的预测模型是基于以下3个基本假设条件：

(1)喷头或感温探测器处在一块大空间且按相关规范要求安装在平坦的天花板下。高天花板意味着火焰上升的时候会带来更多的周围空气，这种情形将使气体冷却。梁、桁条、墙或倾斜的天花板都会改变热烟气的流动，这种状况将抑制或加速热敏感元件的动作。

(2)在火灾发展的最初阶段，辐射热量传递过程忽略。热敏元件通过热传导将热量传至喷头的其他部位及天花板的热量损失与对流传递的热量相比是微不足道的，因此对流热传递速度(q_conv)成为影响喷头或感温探测器响应的主要因素。

(3)对流热量传递系数与流经热敏感元件的气体速度成比例。

步骤二、基本原理

对于一个给定的喷头，面临的问题就是确定喷头能按设计要求响应的设置位置(离着火点的最远距离)。这需要一种根据火灾大小、火灾发展状况、天花板高度以及喷头的热敏感特性来预测其动作时间的方法。

火焰及顶棚射流模型可以用来预测流经喷头的火灾气流温度和速度，喷头或感温探测器与周围环境之间的热量传递可采用单元总的热量传递率q_total表达，q_total可用下列关系式表示：

上式中：

q_cond——传导热传递速率；

q_conv——对流热传递速率；

q_rad——辐射热传递速率

在火灾发展的最初阶段，辐射热量传递可以忽略。同时，大部分商用喷头热敏感元件与单元其余部分是隔热的，热敏感元件通过传导将热量传至喷头其他部分及天花板的热量损失与对流传递的热量相比微不足道，因此对流传热传递速率(q_conv)成为影响喷头热敏感元件的主要因素。热量通过对流热传至喷头的传递速率可以用下式表述：

上式中：

h——对流热量传递系数，单位kW/(m²·℃)或Btu/(s·ft²·℉)；

A——传热面积(m²)；

T_d——喷头或感温探测器温度(℃)；

T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)

把喷头或感温探测器热敏感元件看作是一块质量为m的整体，其温度变化可由下式得出：

上式中：

c——热敏感元件的比热，单位为kJ/(kg·℃)或Btu/(1bm·℉)

由上述方程可以导出喷头或感温探测器热敏感元件温度随时间变化的关系式：

使用一个不变的时间，来描述传至给定的热敏感元件的对流热量，关系式如下：

这样，

对于一个给定的火灾气体温度、速度及特定的热敏感元件，质量增加，τ值增加；τ值越大表明感温元件传热速度越慢。

对流热量传递系数是与通过热敏感元件的气体速度及元件形状有关的函数。对一个给定的热敏感元件，h大致与流经热敏感元件的气体速度成比例，这种关系即用热敏感元件特有的响应时间指数——RTI来表示。

上式中：

u——天花板附近火灾气体速度的最大值；

u_o——实验室条件下气体参考速度；

τ——热敏感元件的对流热量；

τ_o——气体参考速度时对应的τ值

值得注意的是，将RTI作为一个热量传递函数使用是进行了简化的，即假定了τ是与气体速度的平方根成比例，而气流通过诸如探测器及喷头这种不规则形状的物体时是非常复杂的。

在热量传递模型中另一个假定是喷头温度感应元件与本体不发生热量传递，在一个插入试验中，由于速度较高，热传导的热量损失可以忽略不计。在实际的火灾条件下，这种传导热量损失将导致一定的误差。

插入试验(是本领域公知技术，参见GB 5135.1-2003《自动喷水灭火系统第1部分洒水喷头》)可用来确定感温探测器或喷头的RTI值，知道了RTI值，对火灾气体通过类似元件任一时间的温度变化可以通过计算得知。热量传导方程如下：

这个方程式用来预测暴露于火灾气体中的定温感温探测器或喷头的温度，也可以用来确定感温元件达到其动作温度的时间。

为计算喷头的响应时间，获得流经喷头的气流温度及速度是必须的，可利用一些火焰模型或顶棚射流模型得到温度与速度。

大部分火焰和顶棚射流模型未将温度及速度变化同距离天花板的高度构筑函数。这种假定可能导致结果的不确定性。

步骤三、设计火灾

与喷头响应时间预测相关的另一个输入条件即设计火灾情况。设计火灾一般分为热释放速率随时间增长的火和热释放速率恒定的火。

(1)热释放速率随时间增长的火(参见图1)

在实际火灾的初期和增长期，热释放速率随时间的推移不断增长，大多数常见可燃物着火时，热释放速率增长遵循时间的平方规律，所以又称为时间平方火，即：

Q＝at² (公式9)

公式中：

Q——热释放速率(kW)；

a——时间常数；

t——时间(s)

不同的可燃物火灾增长的时间常数不同，按热释放速率增长的快慢通常将时间平方火分为四类，即超快、快速、中速和慢速火。通常汽油等易燃液体的火灾表现为超快火，一般酒店客房等软垫家具较多的场所发生的火灾为快速火，办公室火灾可用中速火或快速火表征。这四类时间平方火的典型时间常数如下：

表1时间平方火的典型时间常数

(2)热释放速率恒定的火

在进行建筑防火安全评估和排烟系统设计时还常采用热释放速率恒定的火，即假定从起火开始热释放速率即保持在某一数值。这一数值常取为可燃物燃烧时的峰值热释放速率或水喷淋系统启动时的火源的热释放速率。由于热释放速率恒定的火忽略了火灾的增长阶段，因而常在需进行比较保守的设计时采用。

步骤四、响应时间预测

(1)稳态火火灾状况下的喷头或感温探测器响应时间预测

对于稳定状态火灾，采用下面一系列在天花板喷射流中计算火灾气体温度及速度的方程式，作为稳定状态火灾的热量释放速度及位置的函数。

当r/H>0.18时：

当r/H≤0.18时：

当r/H>0.15时：

当r/H≤0.15时：

在上面一系列的方程式中：

T_δ——天花板附近火灾气体温度的最大值(℃)；

T_a——周围环境温度(℃)；

Q——总的火灾热量释放速率(kW)；

r——距离火焰轴线的水平距离(m)；

H——着火点上面的高度(m)；

u——天花板附近火灾气体速度的最大值，单位m/s；

这个模型假设离开着火点某处的火灾气体温度及速度与火源的瞬间热量释放速率有关。这个假设忽略了感温元件到火源之间火灾气体流动所需的时间，同时，公式中考虑了总的热量释放速率而不仅仅是对流热量释放速率。

对一个恒定的气体温度及气体速度来说，基本的热量传递方程式为：

或者将RTI代入方程式得到：

对于气体温度和速度为恒定的天花板喷射流，喷头对火灾的反应可以使用上面的方程式进行模拟分析。喷头响应时间t_r预测可采用以下方程式。

(2)发展火或半稳态火火灾状况下喷头或感温探测器响应时间预测

一场正在发展的火灾可以通过假设其由一系列不断增大的稳定的热量释放速率火灾构成来模拟，将这个模型作为半稳定状态模型。首先是将热量释放速率曲线分成一系列很短的时间间隔，对每一个间隔，用该段间隔的平均热释放速率来计算火灾产生的气体温度和速度，这样可计算喷头在此间隔的温度和速度。

步骤五：预测模型完成对闭式喷头或感温探测器在火灾情况下响应时间的预测。

采用该预测模型编程并设计相应软件

1)功能

预测模型能够完成对闭式喷头或感温探测器在火灾情况下响应时间的预测，适用于不同类型的火灾：

稳态火情况下闭式喷头或感温探测器响应时间预测；

不同T²发展火(慢速发展火、中速、快速、超快速等)情况下闭式喷头或感温探测器响应时间预测。对于发展火，预测时间间隔可选。

2)对比测试

国外现有被广泛认可的喷头响应时间计算模型有DETACT-QS、DETACT-T2、LAVENT、ASET-B和Sprink 1.0。DETACT-QS用于FIREFORM、FPETOOL和HAZARD等软件。

本发明的预测模型预测结果将与DETACT-QS的预测结果进行对比，检验其可靠性。

3)主要特点

预测模型采用VISUAL BASIC 6.0开发工具建立，采用WINDOWS界面，适用性强，使用简单，易于操作、控制。

采用对数据文件进行文件记录，保证原始数据的安全性。

预测时间间隔可选，增加使用的灵活性。

实现了加密管理：进入预测模拟功能的用户必须是合法的，每一个合法用户对应唯一一个用户密码，故用户需提供用户密码，方可使用该预测模型。

本发明的工作及计算过程，以实例说明如下：

1)恒定火应用实例

在一块6m高的平坦天花下面一个4m²的油池正在着火燃烧，周围的温度是20℃。一个设于开花板上的感温探测器，其RTI为55m^1/2·s^1/2，温度额定值是57℃。如果把它设在离着火点6m远的地方，预测探测器的响应时间。

解答：油燃烧的化学热为40.3kJ/g，燃烧的对流热量为26.2kJ/g，，约占总热量的65％。对Alpert关系式，必须使用总的热量释放速率，即燃烧的总热量。油燃烧速率大约为67g/m²·s。因此总热释放速率约为10800kW。预测结果为t_r＝12s，见图7。

2)快速平方发展火应用实例

在一块6m高的平坦天花下面一堆木板着火燃烧，热量的释放速率按快速T²火发展，周围的温度是20℃。安装于天花板下的喷头，其RTI值为55m^1/2·s^1/2，温度设定值为68℃，喷头正方型安装，间距为3.6m，预测喷头响应时间。

解答：以10s间隔进行预测，输入参数见图8，预测结果为180s，此时的火灾热释放速率为1519kW，预测结果见图9和表2。

表2实例2预测结果表

上述结果按FPETOOL(DETECT-QS模型)工具预测得到如下结果：喷头响应时间为180s，火灾热释放速率为1510kW，气体温度为84℃。

经对比可知，上述数据除火灾热释放速率略有差别外，其他数据完全吻合。

3)中速平方发展火应用实例

在一块6m高的平坦天花下面一家具着火燃烧，热量的释放速率按中速T²火发展，周围的温度是20℃。安装于天花板下的喷头，其RTI值为55m^1/2·s^1/2，温度设定值为68℃，喷头正方型安装，间距为3.6m，预测喷头响应时间。

解答：以10s间隔进行预测，预测结果为320s，此时的火灾热释放速率为1200kW，预测结果见图10和表3。

表3实例3预测结果表

上述结果按FPETOOL(DETECT-QS模型)工具预测得到如下结果：喷头响应时间为320s，火灾热释放速率为1198kW，气体温度为75℃。

经对比可知，上述数据基本吻合。

4)慢速平方发展火应用实例

在一块6m高的平坦天花下面一小型家具着火燃烧，热量的释放速率按慢速T²火发展，周围的温度是20℃。安装于天花板下的喷头，其RTI值为55m^1/2·s^1/2，温度设定值为68℃，喷头正方型安装，间距为3.6m，预测喷头响应时间。

解答：以10s间隔进行预测，预测结果为610s，此时的火灾热释放速率为1090kW，测试结果参见图11和表4。

表4实例4预测结果表

上述结果按FPETOOL(DETECT-QS模型)工具预测得到如下结果：喷头响应时间为610s，火灾热释放速率为1091kW，气体温度为71℃。

经对比可知，上述数据完全吻合，证明了本申请预测模型的正确性和有效性。