超低能耗建筑外墙保温层火灾的阻火规律与机理研究

20250115

建筑业

完成了设计图纸以及原理样机的研发

可国（境）内外转让

本研究成果为定量评估超低能耗建筑保温系统火灾危险性提供了理论依据，为优化超低能耗建筑保温层的选型与防火设计提供了理论基础与技术支撑，为科学评价超厚保温材料燃烧性能提供了测试设备与技术方法，对提升超低能耗建筑的消防安全水平、保护人民的生命财产安全、护航绿色建筑的快速发展具有重要意义。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目聚焦于超低能耗建筑中有机保温层厚度大幅增加所带来的消防安全问题，紧密围绕保温层火灾危险性的厚度效应、不同防火设计的阻火规律与阻火机理、大厚度保温层燃烧性能的测试设备与评价方法开展了系统性研究，主要研究内容与重要结论如下： （1）明晰了保温层壁面火蔓延规律的厚度效应 采用国内外超低能耗建筑最常用的膨胀聚苯乙烯（EPS）和石墨聚苯乙烯（GEPS）保温材料作为研究对象，开展不同阻燃级别（B1、B2、B3）、不同燃烧尺度（小、中、大）的火灾试验，探究了不同保温层厚度（5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm）条件下，壁面火蔓延过程中放热、产烟、温度场、热流场及火蔓延速率等特征参数的三维演化规律，揭示了保温层增厚会导致火灾危险性非线性上升的重要特性。 （2）构建了涵盖厚度效应的保温层火蔓延模型 基于保温层传热、熔融、热解和燃烧过程的理论分析，结合壁面火蔓延试验结果，确定控制大厚度热塑性保温层壁面火三维蔓延的动力因素，揭示保温层火蔓延速率等特征参数与材料燃烧热、引燃温度、比热容、导热系数、密度、厚度等多参数之间的耦合规律，建立并完善适用于超厚保温层的壁面火蔓延模型，为定量评估大厚度热塑性保温层火灾危险性提供理论依据。 （3）揭示了薄抹灰防护层的阻火规律与机理 对EPS和GEPS保温层施加不同厚度（3cm、5cm、7cm）的薄抹灰防护层，使用锥形量热仪和SBI开展不同尺度的燃烧试验，研究不同加热功率与加热模式条件下，不同厚度防护层的防护有效性与阻火规律；使用热电偶阵列测试防护层内部保温层的温度变化，揭示热塑性保温层收缩、熔融、热解的演化过程与控制机制，建立了有/无防护层条件下的温升模型，得出了防护层厚度增加只能小幅提升阻火效果、阻火机理主要在于隔质而非隔热的重要结论，为优化防护层设计提供了技术支撑。 （4）创新性提出竖直防火隔离带的防火设计 针对水平防火隔离带对竖向火蔓延阻火效果不佳，且无法阻止火势横向蔓延的问题，创新性提出了竖直防火隔离带的防火设计。搭建了竖直防火隔离带有效性测试平台，通过在不同风速（0m/s、1m/s、2m/s、3m/s）条件下开展大尺寸（1.2m×2.4m）壁面火蔓延试验，测试了不同宽度（3cm、5cm、7cm）岩棉材质竖直防火隔离带对横向火蔓延的影响，验证了小宽度竖直防火隔离带优异的阻火效果，综合导热、对流、辐射传热分析与热解、燃烧理论，建立了有/无竖直隔离带条件下的传热模型，揭示了竖直防火隔离带的阻火机理，为其在有机保温系统防火设计中的应用提供理论基础。 （5）完善了保温材料燃烧性能测试装置与评价方法 最后，针对国内外现有技术标准均未考虑保温材料厚度对燃烧性能的影响，现有试验装置受到诸多因素限制无法测试大厚度保温材料燃烧性能的问题，设计并联合企业开发了适用于超厚保温层的燃烧性能测试装置；同时，针对热塑性保温材料受火源加热发生收缩熔融，使得可燃物远离火源，导致分级评价结果不合理的问题，基于锥形量热仪和单体燃烧装置测试结果的关联关系，提出了融合双项测试结果的新型分级评价方法。 本研究成果为定量评估超低能耗建筑保温系统火灾危险性提供了理论依据，为优化超低能耗建筑保温层的选型与防火设计提供了理论基础与技术支撑，为科学评价超厚保温材料燃烧性能提供了测试设备与技术方法，对提升超低能耗建筑的消防安全水平、保护人民的生命财产安全、护航绿色建筑的快速发展具有重要意义。