校园食堂火灾风险分析报告

校园食堂火灾风险分析报告

1、火灾动力学基础

火灾的特征

建筑一般都具有以下特点，即：火灾发生的突发性，火情发展的多变性，人员处理火情的瞬时性、火灾事故损失的严重性。

1) 突发性

火灾的发生大多是随机和难以预料的，造成的危害给人的打击是突然袭击式的、多方面的，人们要保护自身安全，就必须要在没有任何精神准备的条件下，对眼前所发生的火灾做出相应的反应。一旦反应迟缓或判断失误，生命财产就会遭受重大损失。火灾的突发性是火灾中引起惊慌的重要原因。千变万化的灾害给遇难者的刺激是非常强烈的。

2) 多变性

火灾的多变性特点包含两个方面：一是指火灾之间的千差万别，引起火灾的原因多种多样，每次火灾的形成和发展过程都各不相同；二是指火灾在发展过程中瞬息万变，不易掌握。火灾的蔓延发展受到各种外界条件的影响和制约，与可燃物的种类、数量、起火单位的布局、通风状况、初期火灾的处置措施等有关。

3) 瞬时性

大火来势迅猛，可以联想到火灾瞬时性特点。实践证明，火灾中受害者所表现出的行为多属于被动的反应性行为，这是因为火灾的突发刺激，迫使受灾者瞬时做出反应。瞬时性的行为反应，包括逃生手段与个体的应变能力，与每个人的知识素养是分不开的。往往瞬间的错误反应会铸成大错，造成终生的遗憾。在火灾中“时间就是生命” ，无论是灭火、救人还是自救逃生，都必须争分夺秒，准确把握稍纵即逝的灭火战机，选择逃生时机，争取把火灾扑灭于初期阶段。

4) 严重性

火灾事故一旦发生就会造成巨大的经济损失，造成人员的严重伤亡，打乱了企业的正常生产秩序，其损失是令人吃惊的。

（2）燃烧机理

物质的燃烧必须具备三个必要条件，即可燃物、氧化剂和温度。人们通常以“燃烧三角形”来表示这三个要素具备了燃烧的必要条件，并不等于燃烧必然发生。

在各种必要条件中，还有一个“量”的概念，即发生燃烧或持续燃烧的充分条件；一定的可燃物浓度，一定的氧气含量，一定的点火能量，不受抑制的链式反应，通常称为“燃烧四面体”。如下图所示:

2、火灾热释放速率增长分析

大量的试验研究及真实的火灾案例表明，火灾的热释放速率是随时间变化的许多物品从起火到旺盛阶段，热释放速率大体按时间的指数规律增长，例如木材等纤维素材料，塑料等合成材料，这种火灾类型可表述为火灾按2t 增长。火灾的初始点火源可为明火、电火花、阴然火和设备的高温表面等，通常在计算中不考虑火灾出现明火前的现象，即认为火灾从发生有效燃烧时算起，火灾随着时间的推移而按照指数增长，逐渐发展成为较大规模的火灾，又称时间平方火。即：

Q=at2

式中Q为火源热释放速率，Kw；a火灾发展系数，表征火灾蔓延的快慢，t为火灾发展的时间，s。

烟气发展的动力学过程：

本文主要研究的对象是烟气在初期增长阶段及随后得到控制阶段的填充和

排放过程。因此，有必要了解烟气的发展规律，整个室内火灾烟气发展过程见图所示。在火灾发展的初期增长阶段，随着放出热量迅速增多，在可燃物上方形成温度较高、不断上升的火羽流。周围相对静止的空气受到卷吸作用不断进入羽流内，并与羽流中原有的气体发生掺混。于是随着高度的增加，羽流向上运动总的质量流量不断增加而其平均温度则不断降低。

火灾烟气发展过程

3、人员疏散的概念

安全疏散是指在火灾发生时将人员疏散到安全位置的过程，为了实现人员的安全疏散，建筑物发生火灾时最应关注的问题是：（1）保证建筑物内人员在允许的安全疏散时间内，能够到达安全地点；（2）疏散过程中不会由于长时间高密度人群的滞留和通道堵塞等引起集体事件发生。

人员安全疏散的性能化判定标准：通过计算可用疏散时间（ASET）和必须疏散时间（RSET）从而判定人员在建筑物内的疏散过程是否安全，具体判定标准为：

RSET

在实际情况下，RSET包括了报警时间、预动作时间疏散行动时间三部分。

4、FDS 与Pathfinder 简介

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美国国家标准技术局开发的火灾动力学模拟工具，是计算流体力学的一种模型，模拟火的能量驱动流体流动。该软件把设定空间分成多个小的三维矩形控制体或计算单元，计算每个单元内气体密度，速度，温度，压力和组分浓度用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，通过对同一网格使用有限体积技术来计算热辐射、流体流动中存在湍流现象，追踪预测火灾气体的产生和移动，并结合家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延。

Pathfinder 是由美国Thunderhead engineering 公司开发的一个基于人员进

出和运动的模拟器。它提供了图形用户界面的模拟设计和执行，以及三维可视化工具的分析结果。该运动的环境是一个完整的三维三角网格设计，以配合实际层面的建设模式。Pathfinder可以导入FDS 模型，FDS 在模拟火灾的同时，可以在相同时间内模拟人员疏散。这样既直观，又有可靠的数据，还可以分析出人员疏散的最佳时间，减少人员伤亡。

5、FDS火灾模型建立

本项目以重庆科技学院学生食堂为对象，建立FDS火灾模型。该学生食堂为三层建筑，层间距为4m，单层最大人流量为1500人。食堂的第一层的平面布置图如图1所示。该学生食堂的每一层布置相似，在方便建立模型，又不影响模拟结果的条件下，本组对食堂的各层进行了简化处理，图中区域依次是食堂的主餐厅，为学生、老师的集中用餐区。正面为食堂大门，后面为加工区（设定起火位置）。本次模拟网格划分为0.125 m3的网格，在研究区域共划分约740000个网格进行模拟。

图1 食堂一层平面布置图

在建立完几何模型后在建立完几何模型后，再进行火源的设置。为模拟出食堂火灾最严重的情景，本组将火源设置在食堂一层的厨房操作间中，这样设置的原因如下：（1）在本组查阅的近几年食堂火灾的资料中，几乎都是厨房着火。（2）厨房的可燃物最多，操作间的厨师稍有不慎就有可能会导致火灾的发生。（3）目前学校的学生食堂中，存在着私人承包的现象，而这些私人营业者往往安全意识不足，且管理上缺乏制度的约束，这将会让火灾发生的可能性大大增加。

6、模拟结果及分析

（1）烟气模拟

FDS 火灾模拟结果在火灾模拟过程中，往往需要对烟气高度、能见度、温度等参数进行着点分析比较。而且有研究表明，在火灾中有2/3 以上的死亡者是由烟气所致，因此本次研究对烟气进行分析将是重点。图 2 为模拟着火初期烟气蔓延的情况。

图2 着火初期烟气蔓延图

本次模拟的着火部位位于食堂加工区域的靠近排风口的位置，实际案例表明，在加工区的排风扇处由于长期工作，在周围聚集了较多的油脂，而相应的处理措施不到位，致使在火灾发生后短时间内便产生较多的烟气。本次模拟的火源功率设置为1500 kw/m2。在火灾发生28s时，烟气开始由加工区经过走道和售卖窗口向就餐区蔓延，如图3所示。

图3 30s时烟气开始向就餐区蔓延

此时烟气开始向就餐区蔓延，此时应开始组织人员开始进行疏散，从整体上看，当发生火灾82s时，烟气开始从就餐区向室外开始蔓延，由于贴壁效应的作用，烟气开始由一层开始向上蔓延。此时的烟气模拟图如图4所示：

图4 82s时烟气开始向室外蔓延

由于人员疏散的临界时间为烟气层高度小于1.8 m时的时间。此时人员疏散出现巨大障碍，可以对比当烟气开始向就餐区蔓延时，1.8 m以下区域烟气蔓延

情况为图5所示：

图5 30s时1.8m以下烟气

此时火灾烟气对火场人员的影响还较小，应组织人员开始疏散，当烟气蔓延

程度开始覆盖整个就餐区1.8 m以下区域时，记录下此时的时间为245s。此时的

模拟结果如图6所示，在首层人员疏散中，应将此时的时间作为是否能够安全疏

散的标准。在二、三层中，烟气蔓延经过时间较首层时间较长，当首层达到疏散

临界时间时，第二层的烟气蔓延情况如图7所示：

图6 245s时1.8m以下烟气蔓延情况

图7 245s时二层烟气蔓延情况

（2）热释放速率

本项目采用的火源功率为1500Kw/s。由于在火灾中火源热释放速率很难趋近某一特定值，因此在火源处的热释放速率如图8：

试验表明，呼吸过热的空气会导致热冲击（中暑）和皮肤烧伤。空气中的水

分含量对这两种危害都有重要影响（见下表）。对于大多数建筑环境而言，人体可以短时间承受100℃环境的对流热。

人体对对流热的耐受极限

火灾周围各探测点的温度：

其中图中各点温度变化曲线为：

以上图中横坐标为时间，纵坐标为该点的温度，分析上图可以看出当室温设置为20℃时，a、b、c、d四个点的温度最高都在30℃左右，对人体影响较小，故温度在本次模拟中对人员疏散影响较小。

7、结合Pathfinder的人员疏散模拟

人员疏散模拟结果在Pathfinder 中设定模拟时间为435s，并且默认人们对所有的出口都是熟知的，速度区间设置为 1.13m/s～1.26m/s，得到各时间点的模拟结果如下图所示。

0s 20s

50s 80s

120s 150s

230s 330s 结合FDS 与Pathfinder 的模拟结果可以看出：烟气层的高度为决定有效安全疏散时间的最关键的因素。245s 时，一楼平面烟气层高度已经达到使逃生人员无法继续逃生的临界值 1.8m。所以有效安全疏散时间为245s，这意味着，所有逃生人员需要在245s 之内逃离食堂的第一层；在人员疏散过程中，每层楼的主楼梯口与侧楼梯口均容易出现“成拱”现象，人与人之间相互挤压，万一疏散指挥不利造成“拱塌”，则会出现踩踏事件，严重影响到师生的生命财产安全；通过模拟还发现，在火灾最严重的情况下，由Pathfinder 模拟出:

RSET(需要安全疏散时间339s）> ASET(有效安全疏散时间245s）

因此，在火灾发生时，人员疏散面临较大的挑战，想要在紧急时刻尽快疏散火场人员，对食堂的火灾报警、消火栓等基础消防设施进行定期检查和维护是非常有必要的，同时定期对学生进行消防逃生演练也将大大缩短人员的逃生时间。

8、结论

本组通过对本校的学生食堂进行火灾的数值模拟分析，可以发现：

通过计算出本次火灾过程中，各逃生通道部位的温度都在人体可承受的安全温度之内。故温度不是影响本次疏散的主要因素。

该模型能有效模拟食堂火灾的实际情况，能为学生食堂的消防安全工作提供有力的数据支持。得出疏散时间的最大允许时间为245s，而我们在Pathfinder进行人员疏散模拟得出的结果却大于最大的允许时间，因此在实际的应急疏散计划中应采取加强疏散效率，如：加强对人群进行有序的引导和指挥，使疏散时间小于该值。

在整个食堂区域内，加工区内的火灾风险最高，发生火灾后将在短时间内产生大量烟气，并通过加工区与就餐区间的窗口向外进行蔓延，因此，为了延长疏散可用时间，可以在加工区增设防排烟措施。

烟气层高度为影响人员疏散的最为关键的因素，因此，如果在火灾情景下减少烟气对人员逃生的影响，有效的争取到逃生时间，将是下一步研究工作的重点。

私人承包现象在高校食堂中普遍存在，要解决食堂火灾的问题，就必须从人员的管理上着手，完善私人承包制度，增强人员消防安全意识，规范食堂日常管理。基本实现食堂用火的本质安全。