高層建筑走廊防排煙方式的數(shù)值模擬分析*

劉秀玉 戴 圣

0 引言

高層建筑因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,人員密度大,可燃物較多,火災(zāi)正成為建筑最大的安全隱患?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣具有毒性,易使人窒息死亡。國(guó)內(nèi)外大量火災(zāi)實(shí)例統(tǒng)計(jì)表明,因火災(zāi)造成的傷亡者中,受煙害直接致死的約占1/3～2/3。由于火災(zāi)煙氣的極大危害性,建筑物的防排煙設(shè)計(jì)成為建筑設(shè)計(jì)和消防工作人員十分關(guān)注的問(wèn)題[1]。建筑的防排煙主要有三種方式:自然排煙,機(jī)械防煙,機(jī)械排煙。筆者通過(guò)數(shù)值模擬的方法,比較了三種排煙方式下的煙氣擴(kuò)散特點(diǎn),為建筑的防排煙設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 物理模型

該模型為某高層辦公樓,共15層,建筑長(zhǎng)、寬、高分別為30 m,13 m和47 m,單室進(jìn)深5 m。本文選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)樵搶?xiě)字樓的第10層,走廊寬度為2.5 m,高度為3 m,走廊的兩端為常開(kāi)窗戶(hù)。火源位于走廊東側(cè)盡頭的一房間,根據(jù)DGJ 08-88-2006上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程,火災(zāi)功率設(shè)1.5 MW。樓梯間在走廊中部,前室設(shè)有機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)。排煙口尺寸為1000mm×800mm。

2 數(shù)學(xué)模型

火災(zāi)發(fā)生后,煙氣在建筑內(nèi)部進(jìn)行的流動(dòng)是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。煙氣的流動(dòng)遵循著能量質(zhì)量的守恒定律,即:能量方程、動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和組分方程。這些方程的通用形式為:

其中,四項(xiàng)分別為時(shí)間項(xiàng),對(duì)流項(xiàng),擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng);φ為通用變量;Γ為擴(kuò)散系數(shù)[2]。

3 模擬方案

目前我國(guó)高層建筑的防排煙方式主要有自然排煙、機(jī)械防煙、機(jī)械排煙三種,為了探討不同煙氣控制模式下的煙氣流動(dòng)形態(tài),確定三種防排煙各自的優(yōu)缺點(diǎn),擬采用的煙氣控制方式有以下三種:

1)自然通風(fēng)下的建筑內(nèi)部煙氣流動(dòng)情況,不設(shè)置機(jī)械防排煙系統(tǒng)。

2)在樓梯間前室設(shè)置正壓送風(fēng)系統(tǒng)。

3)在走廊設(shè)置機(jī)械排煙口,樓梯間前室設(shè)置正壓送風(fēng)系統(tǒng)。

4 邊界條件

4.1 入口邊界條件

模擬中,考慮到自然排煙條件下,室外風(fēng)速風(fēng)向?qū)煔馀懦鲇泻艽蟮挠绊?。火?zāi)發(fā)生房間的窗口設(shè)為速度入口。入口處的

風(fēng)速由下式計(jì)算[3]:

4.2 出口邊界條件

走廊的窗戶(hù)設(shè)置為壓力出口條件,機(jī)械排煙口設(shè)置為風(fēng)機(jī)出口,在出口處加一個(gè)壓力躍升。

4.3 壁面函數(shù)

對(duì)于壁面速度分量(u,v,w)均采用無(wú)滑移邊界條件。對(duì)于能量方程,圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱按一維傳熱處理,且采用定外壁面溫度條件,即壁面溫度不變,壁面的熱流量為0,即是絕熱壁面。假定固定壁面煙流不可滲透,即在壁面處擴(kuò)散通量為0的邊界條件。

4.4 火源

本文的火源模擬采用體積熱源法,在gambit建模時(shí)設(shè)置一獨(dú)立的立方體作為火源,在fluent中采用UDF編程給火源增加能量源項(xiàng)和質(zhì)量源項(xiàng)。在真實(shí)條件下,火源的燃燒不會(huì)立即達(dá)到穩(wěn)定燃燒的最大釋熱速率,通常被看做是時(shí)間的函數(shù)。本文中火源的釋熱由以下公式計(jì)算[4]:

其中,Q為火源放熱量,kW;a為火源釋熱增長(zhǎng)系數(shù),kW/s2,設(shè)計(jì)取值0.047。

4.5 煙氣

本文重點(diǎn)討論火災(zāi)發(fā)生后,不同煙氣的控制方式下煙氣流動(dòng)的特性。所以,在模擬中,不考慮可燃物燃燒生成的各種有毒氣體,而是假設(shè)火焰完全燃燒,生成的產(chǎn)物為CO2,其生成量的計(jì)算符合耗氧原理,即每生成1.32×107的熱量,就有1 kg的氧氣被消耗[5]。通過(guò)氧氣的消耗量,進(jìn)而求出CO2的產(chǎn)生量。

5 模擬結(jié)果及分析

5.1 自然排煙

從自然排煙下的煙氣擴(kuò)散圖中可以看出,火災(zāi)發(fā)生60 s后,煙氣已經(jīng)從火災(zāi)發(fā)生的房間里蔓延至走廊上,并在走廊頂部聚集。120 s時(shí),火災(zāi)煙氣已經(jīng)從走廊蔓延至樓梯間前室附近。180 s時(shí),火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣已經(jīng)侵入樓梯間前室,并有少量煙氣進(jìn)入了樓梯間。至火災(zāi)發(fā)生后240 s,煙氣已經(jīng)充滿樓梯間。

5.2 樓梯間加壓送風(fēng)

在樓梯間前室設(shè)置機(jī)械送風(fēng)口,并使前室相對(duì)于走廊保持25 Pa的正壓。在火災(zāi)發(fā)生后,建筑內(nèi)部的煙氣分布情況如圖1所示。

從圖1中可以看出,在火災(zāi)發(fā)生后120 s,煙氣到達(dá)樓梯間處,但由于前室的機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的作用,煙氣未能進(jìn)入前室內(nèi)。至180 s,有少量煙氣進(jìn)入前室,240 s時(shí),煙氣進(jìn)入樓梯間,但樓梯間煙氣濃度維持在一個(gè)較低的水平。相對(duì)于自然排煙,在樓梯間前室設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)后,煙氣進(jìn)入前室的時(shí)間得到了很大的延遲。在大量室外新風(fēng)作用下,即使煙氣侵入前室后,整個(gè)樓梯間溫度上升的較為緩慢,且最高溫度相對(duì)于自然排煙下的樓梯間溫度低了約60℃。但此時(shí)樓梯間的溫度較高,高溫?zé)煔獾拇嬖?對(duì)人員的逃生仍然造成很大危害。

5.3 樓梯間加壓送風(fēng)和走廊機(jī)械排風(fēng)聯(lián)合作用

在樓梯間前室設(shè)置機(jī)械送風(fēng)口,使前室相對(duì)于走廊保持25 Pa的正壓。在走廊東側(cè)頂部設(shè)置機(jī)械排煙口。排煙風(fēng)機(jī)排煙量為7200 m3/h。

從圖2中可以看出,火災(zāi)發(fā)生后60 s由于產(chǎn)生的煙氣還比較少,走廊頂部排煙系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后,走廊基本沒(méi)有煙氣。在120 s時(shí),由于排煙系統(tǒng)工作后形成的負(fù)壓,致使排煙風(fēng)機(jī)附近2 m范圍內(nèi),煙氣沉積大于走廊其他部位。若排煙口設(shè)置在樓梯間前室處,那么造成的負(fù)壓會(huì)使前室門(mén)口沉積大量的煙氣,阻礙人員的逃生。這也印證了《高規(guī)》上“排煙口與附近安全出口沿走道方向最小水平距離不應(yīng)小于1.5 m”的條例。180 s,煙氣在前室附近走廊內(nèi)繼續(xù)聚積,仍然未能進(jìn)入前室。240 s,煙氣少量進(jìn)入前室?；馂?zāi)發(fā)生240 s時(shí),前室的最高溫度只有45℃,而樓梯間溫度在41℃左右。在此溫度下,逃生人員能夠忍受。從圖3中可以看出,240 s時(shí)前室的最大煙氣濃度約為0.08,而樓梯間的煙氣濃度在0.06左右。火災(zāi)中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)對(duì)人體造成較大傷害[6],即CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.046時(shí)為安全狀態(tài)。此時(shí)樓梯間內(nèi)的溫度和煙氣濃度,對(duì)逃生人員的生命安全不會(huì)造成傷害。

6 結(jié)語(yǔ)

1)高層建筑發(fā)生火災(zāi)后,自然排煙的效果不明顯,火災(zāi)發(fā)生后2 min內(nèi)煙氣就已經(jīng)進(jìn)入前室。建筑內(nèi)部缺乏將煙氣和熱量排出室外的有力工具,溫度和煙氣的濃度上升較快。

2)前室設(shè)置正壓送風(fēng)口,雖然相對(duì)于自然排風(fēng)能很有效的遏制煙氣進(jìn)入前室,但由于走廊聚積的大量煙氣無(wú)法排出室外,在火災(zāi)發(fā)生4 min后,由于熱壓的作用最終還是進(jìn)入了樓梯間。

3)走廊頂部設(shè)置機(jī)械排煙口,在排煙風(fēng)機(jī)和送風(fēng)風(fēng)機(jī)的聯(lián)合作用下,走廊內(nèi)的煙氣和熱量被大量的排出室外,走廊相對(duì)于前室的熱壓降低到最低程度,煙氣很難進(jìn)入前室,前室內(nèi)的溫度和含煙量不會(huì)對(duì)逃生人員的生命安全構(gòu)成威脅。

[1] 王漢青.通風(fēng)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:201.

[2] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第 2版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:33.

[3] 張吉光.高層建筑與地下建筑通風(fēng)和防排煙[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:88-91.

[4] DGJ 08-88-2006,上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 靖成銀.高層建筑火災(zāi)煙氣控制模式的數(shù)值分析[J].建筑科學(xué),2009,25(7):17.

[6] Shields T J,Boyce K E.A study of evacuation from large retail room[J].Fire Safety Journal,2000(35):25-49.