大空間建筑正壓送風(fēng)排煙效果的模擬研究
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霍昭磐，李思成
（中國人民武裝警察部隊學(xué)院，河北廊坊065000）
[摘要]利用移動式排煙機正壓送風(fēng)可以很好地解決大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時的排煙問題。本文利用FDS模擬研究了大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時排煙口與送風(fēng)口尺寸之間的關(guān)系對排煙效果的影響，結(jié)果表明：隨著排煙口面積的增大，排煙效果越來越好，但排煙效能逐漸下降，綜合考慮排煙效果及實際情況，認為排煙口面積為送風(fēng)口面積的2倍時即可取得較為理想的排煙效果，研究結(jié)論可以為消防部隊火場排煙提供一定的參考。
[關(guān)鍵詞]排煙機；大空間；正壓送風(fēng)；排煙口面積；數(shù)值模擬[中圖分類號] TU998. 12
0 引 言
隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑形式和功能越來越多元化，建筑體量也逐漸增大，涌現(xiàn)出了一些劇場、會堂、展覽中心和倉庫等內(nèi)部空間很大的大空間建筑。由于其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，與一般建筑相比，大空間建筑的火也有著一些獨有的特點：占地面積大、火災(zāi)荷載大、防火分隔難以實施、火災(zāi)探測難、蔓延迅速，易形成大規(guī)�；馂�(zāi)等。高火災(zāi)危險性意味著一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能得到及時有效的控制，極易造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。火災(zāi)中對人員危害最大的是火災(zāi)產(chǎn)生的高溫有毒煙氣，及時有效的進行排煙，對于人員疏散和滅火救援至關(guān)重要。關(guān)于大空間煙氣控制的研究，侯立萌對某卷煙自動化立體倉庫進行了火災(zāi)模擬，得出機械排煙可以提高排煙效果，且頂棚排煙要優(yōu)于側(cè)壁排煙；李樹聲通過對采用自然排煙的機場倉庫進行模擬，得出加大通風(fēng)口面積，可以提升煙氣層高度，提高能見度；白旭宏利用FDS研究了某大空間地下車庫的排煙口數(shù)量和位置及排煙量等對排煙效果的影響。但是，大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時，自然排煙效果易受到高度的限制且排煙量難以滿足疏散及救援的要求，固定式排煙系統(tǒng)在火災(zāi)情況下可能無法正常工作，且在280℃時將停止工作，而借助移動式排煙機的正壓送風(fēng)排煙可以克服這些缺點，獲得更佳的排煙效果。蘇琳通過實體實驗，研究了移動排煙機在大空間排煙時的最佳安放距離以及排煙機的最佳組合方式。
利用移動式排煙裝備實施正壓送風(fēng)排煙時，經(jīng)常會利用一些外窗或破拆口作為排煙口，使用建筑的入口作為送風(fēng)口。在送風(fēng)口位置和尺寸確定的情況下，排煙口的尺寸對煙氣的控制效果有著重要的影響。楊國宏等對排煙口與送風(fēng)口之間比例關(guān)系對正壓送風(fēng)排煙效果進行了理論分析，得出了二者的最佳比例，并開展實體實驗對其進行了驗證，但是該實驗只是冷態(tài)實驗，并未進行點火，僅僅通過各測點的風(fēng)速來表征排煙效果，真實的火場情況較之更為復(fù)雜，此外該實驗場地體量較小，建筑排煙口可開啟面積最大僅為4.5 m2，與大空間建筑的實際情況差別較大。
本文利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS進行模擬，通過建立大空間建筑的模型，模擬在大空間建筑火災(zāi)中應(yīng)用移動式排煙機正壓送風(fēng)進行排煙，在送風(fēng)口位置和尺寸確定的情況下，改變不同的排煙口尺寸，分析其不同工況下的排煙效果。
1大空間建筑模型及火災(zāi)場景設(shè)定
由于真實的火災(zāi)現(xiàn)場燃燒情況較為復(fù)雜，影響因素眾多，通過縮尺寸實驗完整的重復(fù)火場的真實情況較為困難，而全尺寸實驗的成本較高，耗時長，且有些參數(shù)難以測量，故本文采用廣泛應(yīng)用于火災(zāi)煙氣運動模擬的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS來進行數(shù)值模擬研究。FDS是由美國國家標準與技術(shù)研究院開發(fā)的一款火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件，利用質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分，通過將空間劃分成一系列網(wǎng)格，求解方程，確定空間各點火災(zāi)基本參數(shù)隨時間的變化，其準確性已經(jīng)得到大量實驗的驗證。
1.1 物理模型
本文所研究的大空間建筑進深80 m，寬20 m，凈高6m，建筑在一側(cè)開設(shè)有3 mx4 m的門�？紤]較為不利的情況，火災(zāi)情況下建筑的外窗無法開啟進行排煙，故在模擬時模型除了一側(cè)設(shè)有人口時，其它部位均為封閉狀態(tài)，排煙口通過消防人員到達現(xiàn)場后進行破拆來實現(xiàn)，因此模擬時假定5 min后消防人員到達場開始進行破拆，此時在建筑頂部開啟排煙口進行排煙，通常較為理想的情況是在火源正上方破拆排煙，但是由于大空間建筑起火時，起火部位通過現(xiàn)場偵查難以確定，在本文的模擬中，把排煙口設(shè)置在建筑的頂棚，距起火部位30 m，借此來模擬更為不利的真實火場情況，模型網(wǎng)格尺寸為0. 25m×0. 25 mx0. 25 m，具體的火災(zāi)場景模型如圖1所示。忽略壁面上的熱損失，模型壁面設(shè)定為絕熱壁面，建筑初始環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。
1.2火源、風(fēng)機及排煙口設(shè)置
為反映真實的火災(zāi)場景，需要設(shè)置合適的火災(zāi)規(guī)模。在本文的研究中不考慮噴淋對火災(zāi)的影響，由《防排煙設(shè)計規(guī)范（報批稿）》可知，無噴淋的公共場所、廠房熱釋放速率為8 MW，故模擬中火源最大熱放速率取為8 MW，采用超快速t2火，火災(zāi)增長系數(shù)為0. 1878。為貼近真實的滅火作戰(zhàn)過程，設(shè)置火源在達到最大熱釋放速率后穩(wěn)定燃燒200 s，之后由于消防隊員的滅火措施緩慢熄滅。模擬設(shè)定的熱釋速率曲線如圖2所示。
風(fēng)機安放位置距離入口2m，風(fēng)機仰角約為15。，風(fēng)量為10×104 m3/h，風(fēng)機設(shè)置為正方形，尺寸為2mx2 m。同排煙口一樣，風(fēng)機也是在消防隊員到場后開啟，故開啟時間同樣設(shè)定在火災(zāi)發(fā)生后300 s。
通常情況下，火場排煙利用建筑的入口作為送風(fēng)口，因而其面積一般是確定的。為研究不同排煙口尺寸對煙氣控制效果的影響，共設(shè)置了6個工況，排煙口面積分別為4 m2、6m2、12 m2、18 m2、24m2以及36m2，具體設(shè)置見表1，模擬時間設(shè)為600 s。為了比較不同工況下的煙氣控制效果，需要監(jiān)測建筑內(nèi)能見度、煙氣層高度等參數(shù)。本模擬中，在過火源中心沿著建筑進深方向，每隔2m在距地面1.8m處設(shè)置測點監(jiān)測溫度、能見度的變化，每隔5m設(shè)置熱電偶樹測量空間內(nèi)的煙氣層高度，在排煙口附近設(shè)置測點監(jiān)測整個過程中通過排煙口的煙氣排出速率。
2 結(jié)果與分析
2.1 煙氣參數(shù)隨時間變化的分析
圖3是工況5情況下過火源中心沿建筑進深縱剖面上的煙氣層高度隨時間的變化圖，圖4是工況5情況下該剖面能見度隨時間的變化圖，圖5是工況5情況下該剖面溫度隨時間的變化圖。從圖3—圖5中可以看出，火災(zāi)剛開始處于初期階段，產(chǎn)生的煙氣并不多，散發(fā)的熱量也不多，對大空間內(nèi)大部分區(qū)域影響并不大，煙氣層高度、溫度以及能見度均保持在初始值。隨著時間的推移，火勢越來越大，產(chǎn)生的煙氣越來越多，煙氣在到達頂棚之后，開始集聚、下沉，整個建筑內(nèi)煙氣層高度隨之下降，能見度急劇降低，同時由于高溫?zé)釤煔獾穆�，建筑�?nèi)部溫度也開始上升；模擬中設(shè)定火源在200 s時達到最大熱釋放速率，之后穩(wěn)定燃燒200 s，在300 s時通過破拆形成排煙口，并利用移動式排煙機進行正壓送風(fēng)，由于風(fēng)機的開啟，大量的新鮮空氣涌人了空間內(nèi)部，煙氣通過排煙口被排出，整個火場的煙氣層高度開始上升，能見度明顯得到改善，溫度也開始急劇降低，經(jīng)過一段時間的排煙，在350 s之后，火場各參數(shù)均趨于穩(wěn)定值。從最終的煙氣層高度、能見度和溫度來看，利用移動式排煙機正壓送風(fēng)排煙對于改善大空間建筑內(nèi)的煙氣狀況效果明顯。
2.2 不同工況下煙氣分布云圖分析
圖6a~圖6f為不同工況600 s時煙氣分布云圖，從圖6中可以看出，隨著排煙口面積逐漸增大，建筑內(nèi)滯留的煙氣逐漸減少，排煙效果越來越好。工況1及工況2（即排煙口面積為4 m 2和6 m2的場景）在模擬結(jié)束時，煙氣仍然充滿了整個建筑，對人員疏散及消防救援是極為不利的；工況3到工況6，建筑內(nèi)煙氣狀況得到了明顯改善，且隨著排煙口面積的增大，排煙效果越來越好，但是效果增加的趨勢逐漸減緩，煙氣分布從直觀上看已差別不大。從圖6中還可以看出建筑左側(cè)即入口與火源之間的煙氣濃度要高于建筑其它部位，這主要是由于在火災(zāi)燃燒過程中，熱煙氣在自身浮力的作用下，會不斷上升直到到達頂棚，之后沿著頂棚向四周做水平流動，當遇到側(cè)墻時，煙氣就會集聚下沉，故煙氣濃度在建筑側(cè)墻位置要較高一些，加之大空間建筑高度大，常用的移動式排煙機吹出的氣流在進入建筑內(nèi)時，無法
把高度較高處的煙氣吹向排煙口，因而在人口與火源之間頂棚下方的煙氣濃度較其他部位要較高一些。
2.3 不同工況下正壓送風(fēng)排煙效果分析
從圖3—圖5可以看出，在模擬過程中，煙氣層高度，能見度以及溫度均在350 s之后趨于一穩(wěn)定值，考慮到模擬中火災(zāi)為非穩(wěn)態(tài)發(fā)展，為分析不同工況下正壓送風(fēng)排煙效果，選取350 s至模擬結(jié)束這一段時間內(nèi)的均值來進行分析。
圖7為各工況過火源中心沿建筑進深縱剖面上1.8 m處溫度分布圖，由圖7可知，距離火源較近處溫度較高，隨著與火源距離的增大，溫度開始下降并趨于穩(wěn)定；隨著排煙口-面積的增大，建筑內(nèi)溫度越來越低，排煙口面積從6m2增大到12m2時，整個過程的排煙降溫效果提升非常明顯，之后面積繼續(xù)增大，溫度持續(xù)降低，但變化程度越來越小。
圖8所示為該剖面上1.8 m高度能見度分布圖，模擬中能見度的初始值為30 m，從圖8中可以看出，工況1、2（即排煙口面積為4m2和6m2）時的能見度與其他工況相比要差很多，工況5、6（即排煙口面積為24m2和36m2），空間內(nèi)能見度大都恢復(fù)到初始值；隨著排煙面積的增大，空間內(nèi)的能見度效果越來越好，同樣是工況2到工況3的效果提升最為明顯。
圖9所示為各工況過火源中心縱剖面煙氣層高度對比圖，從圖中可以看出，排煙口面積越大，同一位置煙氣層高度越高。通過對比火災(zāi)發(fā)生后，不同工況下建筑內(nèi)部溫度、能見度以及煙氣層高度分布情況，可以得出：在排煙機送風(fēng)量及送風(fēng)口大小確定的情況下，排煙口面積越大，排煙效果越好，排煙口面積從6m2增大到12 m2時，排煙效果有明顯的提升，之后增大排煙口面積，提升的效果越來越不明顯，當排煙口面積達到送風(fēng)口面積的2倍時，已經(jīng)有了很好的排煙效果，繼續(xù)增大排煙口面積，排煙效果提升有限。
火災(zāi)時產(chǎn)生的煙氣成分較為復(fù)雜，本文選取碳煙粒子soot作為參考依據(jù)來評價系統(tǒng)的排煙效果。圖10為不同工況下碳煙粒子soot的質(zhì)量排出速率隨時間的對比圖，從圖中可以看出，隨著排煙口面積的增大，soot的排出速率越來越大，且排煙口面積為24m2和36m2時兩條曲線相差無幾，說明2種工況下的排煙效果幾乎相同。
為分析不同工況下的排煙效果，分別計算其排煙率η，即在一定時間內(nèi)通過排煙口排出的煙氣質(zhì)量占該時間內(nèi)煙氣總生成量的百分比，見式(1)。
不同工況下排煙率的計算結(jié)果見表2，其中me通過在排煙口附近監(jiān)測soot的排出速率在整個排煙過程中積分所得，me通過火災(zāi)的燃燒速率與煙氣生成率計算所得。
由于各工況的火源設(shè)定是相同的，故soot的生成量幾乎是一致的，從表2中可以看出，隨著面積的增大，排煙率越來越高，工況5達到了68. 017%．工況6達到了70. 989%，工況5的排煙率已經(jīng)達到了工況6的95. 81%．說明兩種工況下的排煙效果已經(jīng)非常接近。為更好地表征排煙口面積變化對排煙率的影響，采用排煙效能即單位排煙口面積增加對排煙率提升的貢獻效率來作為評價指標，見式(2)。
各工況下的排煙效能見表2，圖11為排煙效能隨面積比的變化曲線，從圖中可以看出排煙口與送風(fēng)口面積比越大，排煙口面積每增大單位面積對排煙效率的貢獻率逐漸下降，從1：3增大道1：2，排煙效能為3. 8%，當從2:1增大到3:1時，排煙效能僅為0. 25%，說明排煙口面積增大到一定值的時候，繼續(xù)增大單位排煙口面積對排煙效率的提升效果下降，綜合考慮排煙效率與排煙效能，認為排煙口與送風(fēng)口面積為2：1時，即可獲得較為理想的排煙效果。同時考慮到，排煙口面積增大的同時不僅會使排煙量得到一定的增加，也會影響排煙機對整個建筑內(nèi)部的增壓效果。此外，在實際火場中，在對建筑進行破拆時，受到各種因素的制約，尤其是需避免對建筑承重構(gòu)件造成破壞，破拆面積不宜過大，故綜合考慮建筑發(fā)生火災(zāi)時的排煙效果和滅火救援中實際操作等問題，建議在火場利用移動式排煙機進行排煙時，最好使排煙口面積為送風(fēng)口的2倍。
3 結(jié) 論
利用移動式排煙機正壓送風(fēng)可以很好地解決大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時的排煙問題。在運用該戰(zhàn)術(shù)進行排煙時，排煙口與送風(fēng)口之間的大小關(guān)系對排煙效果有直接的關(guān)系。本文利用FDS對大空間建筑火災(zāi)進行模擬，在送風(fēng)口位置和尺寸不變的情況下，通過改變排煙口面積，研究了二者之間的比例關(guān)系對排煙效果的影響，得到了以下結(jié)論：
1)大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時，利用排煙機正壓送風(fēng)排煙，能夠很好地排出火場煙氣，改善火場環(huán)境，為人員疏散和消防救援提供一個較為有利的條件。
2)利用移動式排煙機正壓送風(fēng)排煙時，排煙口面積不能過小，否則無法滿足排煙量的需求，不能及時排出火場的煙氣，影響排煙效果。
3)增大排煙口面積可以改善排煙效果，提高排煙效率，但是當排煙口面積增大到一定程度時，排煙效果逐漸趨于一致，繼續(xù)增大排煙口面積，效果提升的并不明顯，且排煙效能急劇降低。
4)綜合考慮排煙效果及實際應(yīng)用的限制，建議在火場實施正壓送風(fēng)排煙時，盡量保證排煙口面積為送風(fēng)口面積的2倍。
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