樊小乐
（包头市公安消防支队，内蒙古，包头，014030）
【摘 要】当前建筑外墙外保温技术在我国的应用范围广泛，相比于其他的保温技术，外保温体系在建筑物的结构主体形成防护，防潮防湿，并具备阻断“热桥”从而恒定室内温度、节省能源、施工改良成本相对低廉等优势。针对建筑外保温系统使用B1、B2级保温材料时，本文从实际应用出发，采用FDS软件实验研究不同防火隔离带宽度对外保温材料火蔓延的影响。
【关键词】防火隔离带；宽度；影响；建筑外保温；火蔓延
1．引言
建筑外墙外保温系统作为重要的建筑节能手段，在实际工程中应用广泛。按照保温材料类型的不同，可将外墙外保温材料分为无机、有机和复合三种类型，其中，因有机保温材料具有良好的隔热效果、质量轻、容易施工、成本低廉等优点，获得了市场上的广泛好评。基于有机外保温材料本身易燃、熔融，产生大量有毒有害高温气体等火灾危害性，《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）规定，当建筑的外墙外保温系统采用燃烧性能为B1、B2级保温材料时，应设置高度不小于300MM的水平隔离带。防火隔离带是指为阻止火灾大面积延烧，起着将火焰、烟气、温度限定在一定区域内的隔离空间的功能作用。主要是采用岩棉或矿棉、发泡水泥等无机保温材料将有机外墙保温系统分仓或者分隔。防火隔离带一般采取水平和竖直两个方向双向布置，当建筑外墙保温材料发生火灾时，防火隔离带能有效地阻止火焰从一个燃烧区蔓延到另一个燃烧区，防火隔离带具有防止火灾蔓延的能力。从防火结构出发，采用火灾数值模拟软件FDS，建立窗口溢流火焰对外立面火蔓延的影响，研究隔离带宽度对外保温材料火蔓延的阻隔作用，并以外墙外保温系统防火性能试验结果作为判定防火隔离带是否有效的基本依据。
2．建立实验模型，确定实验参数
2.1 模拟实验参数
首先，确定模拟实验所依托的模型，本文的模拟是在侧立面有开口大小为：0.025m×0.025m×0.025m的腔室下进行的，腔室为内尺寸大小为：0.4m×0.4m×0.4m的正方体，在开口外侧设置高度为2.2m的绝热板，在开口上方的绝热板处设置附着保温材料XPS，采用此模型来进行研究火蔓延行为。
其次，要确定的是火源功率。火源功率是要保证腔室火可以溢出，并且有一定的火焰高度，可以对外保温材料进行加热，这就需要考虑开口溢流火的临界条件。开口溢流火的条件是要从腔室开口下沿进入的空气流率不足以维持材料充分燃烧，未充分燃烧的燃料伴随腔室内外压差随开口上沿溢出，与腔室外空气混合并充分燃烧的临界条件。
因此，溢出室外的热释放速率等于燃料总的热释放速率减去室内的热释放速率，取决于开口向室内流入的空气流率。通风控制条件下，假设进入燃烧室的空气全部被消耗，则燃烧室内的热释放速率为：
2.3 建立计算模型
依据上述条件建立模拟模型，如图2.1所示。在腔室溢流火焰的加热作用下，到达外保温材料XPS的点燃温度，引发外立面保温材料燃烧，并且引发XPS材料向上火蔓延。模拟工况通过改变防火隔离带的宽度，研究隔离带宽度对外保温材料向上火蔓延的影响。
该模拟模型在火灾数值模拟软件FDS环境下运行，采用的模拟网格大小为：2.5mm×2.5mm×2.5mm，计算时间为300s，时间足够使得模拟过程完全，可以展现材料燃烧完全的过程。
图2.2在t=94s时刻，隔离带宽度为0.04m下火蔓延过程
2.4.1 隔离带宽度对热释放速率的影响
溢流火焰对保温材料进行加热，保温材料吸收热量，并逐渐达到设定燃烧温度，开始热解燃烧，燃烧完全后无残余物剩余，并引燃相邻材料燃烧。随着热量不断向上传递，热羽流在其所能达到的高度范围内，保温材料已经燃烧完全，剩余材料缓慢受热分解燃烧。防火隔离带隔离带的主要作用体现在保护上层保温材料尽量不受溢流火的影响。图2.3表明，不同防火隔离带宽度H对总的热释放速率的结果有很大的影响。
由表2.3可以看出，随着防火隔离带的宽度的增大，HRR达到峰值的时间不断延迟，且延迟时间间隔不断地缩小。当隔离带宽度H=0.4m时，当t为175s时，还未达到峰值，因此表2.3中未显示出来其到达峰值的时间。由此可以看出，随着隔离带宽度的增大，可以有效延迟总的热释放速率到达峰值的时间，使得在火灾发生的情况下，防火隔离带有效减缓了火蔓延速率，为人员疏散提供了更多的时间，有效地减缓火灾发生的危害性。从人员逃生角度来说，宝贵的逃生时间是更有价值争取。
同时，从图2.3中看出，隔离带宽度H越大，HRR峰值变小，且H=0.3m时，峰值小于263kW。该结果也可以从表3.4中可以得到。当无隔离带的时候，开口上檐直接与外立面保温材料XPS下檐持平，此时的HRRmax较小，主要是因为在早起阶段，溢流火逐渐溢出的过程中，外保温材料已经在少量的热烟气带来的高温作用下，积累了一定的能量，所以在火焰溢出后，快速被点燃，并且快速达到峰值。当隔离带宽度H=0.2m和H=0.3m时，HRRmax的变化不明显，且均维持在350kW上下浮动，而当H=0.3m时，HRRmax迅速下降到226.6kW，且低于无隔离带的情况。说明当防火隔离带H=0.3m宽度，是试验工况下对外立面向上火蔓延的单位体积热释放速率最有效的阻隔宽度。
表2.4不同防火隔离带宽度下HRRmax的值
图2.4给出的是同一时刻下，单位体积热释放速率随不同隔离带宽度作用下的变化。从图2.4可以看出，隔离带宽度从H=0m到H=0.2m，HRRUV区域稍有增大，说明隔离带在0到0.2m时，对外立面火蔓延没有起到阻隔作用；当隔离带宽度H超过0.2m后，对向上火蔓延的阻隔作用逐渐加大，当H为0.4m时，隔离带对外立面火蔓延的阻隔作用最大，对外立面火蔓延的阻隔作用最显著。可是从经济利用角度和施工工艺角度出发，采用防火隔离带宽度为0.3m是最为经济有效的宽度值。
图2.5侧向温度分布区域随防火隔离带宽度的变化
从图3.5中的温度分布的侧向纵切片截面可以明显看出，温度分布随隔离带宽度的变化。随着隔离带宽度H为0.1m和0.2m时，隔离带对外立面火蔓延的温度影响与没有隔离带作用下的温度分布差别不大，甚至有使外立面不同位置温度升高的趋势；当H为0.3m时，隔离带对外立面的温度分布影响明显，从温度切片可以看出，不同位置处的温度值明显降低，并且低于没有隔离带的情况。当H为0.4m时，对外立面不同位置处的温度比H为0.3m时稍有降低。由此可以说明，当防火隔离带宽度H为0.3m时，是最有效降低外立面温度的宽度值。
2.4.3 隔离带对火焰高度的影响
图2.6火焰高度随防火隔离带宽度的变化
图2.6是同一时刻下，火焰高度随防火隔离带宽度变化的正视图。从图中可以看出，火焰高度的变化趋势与上述的单位体积热释放速率和温度侧向切面一致。由此可以看到，隔离带从无到有的过程并不对外立面火蔓延有明显的阻碍效应，这是因为溢流火焰高度本身已经超过了隔离带宽度，对上层保温材料还是可以起到加热作用。伴随着隔离带宽度的继续增大，当隔离带宽度H为0.3m时，开始显示着隔离带对外立面火焰高度的阻隔作用，火焰高度降低；当隔离带宽度H为0.4m时，是火焰高度下降更为明显。
从模拟结果可以看出，隔离带有效阻碍向上火蔓延行为。防火隔离带越宽，对火焰高度影响越有效。从经济利用率和施工便捷角度出发，采用防火隔离带宽度为0.3m是最佳宽度值。
3、结论
有机保温系统引发的火灾隐患屡见不鲜，在对建筑进行节能保温的同时，也带来了高火灾风险隐患。国家新颁布的《建规》对外保温系统从结构上提出了采用隔离带的方式进行有效防火，用来隔离上层和下层建筑不受或者尽量减少受火灾隐患的影响。本文采用FDS数值模拟软件，重点研究了不同防火隔离带宽度对溢流火作用下的外墙外保温材料XPS的火蔓延行为的影响作用，研究了防火隔离带宽度对总的热释放速率，单位体积热释放速率，侧向切片温度分布和正面火焰高度等不同参数的影响。通过实验得出，当防火隔离带的宽度超过一定值时，隔离带才能对保温材料向上火蔓延有足够的阻碍效应；宽度H为0.3m时隔离带对窗口溢流火下外保温XPS材料向上火蔓延过程的阻碍效应最优。
参考文献：
[1]GB50016-2014建筑设计防火规范[S].
[2]JGJ289-2012建筑外墙保温防火隔离带技术规程[S].
[3]程旭东.建筑外墙有机保温材料及系统火灾特性研究[D].2013年全国建材测试与评价新方法、新技术、新装备技术交流会会议资料集.
[4]GB/T29416-2012建筑外墙外保温系统防火性能试验[S].
作者简介：
樊小乐（1981-），男，包头市消防支队助理工程师，主要从事消防监督管理工作。
论文作者:樊小乐
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：隔离带论文; 宽度论文; 保温材料论文; 火焰论文; 速率论文; 温度论文; 火灾论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;