高層建筑豎井內(nèi)煙氣流動特性及控制方法

張建榮

（重慶市沙坪壩公安消防支隊(duì)，重慶 400030）

隨著城市的發(fā)展，高層和超高層建筑越來越常見。高層建筑減小了土地使用面積，在一定程度上代表著城市的發(fā)展水平。但與此同時，高層建筑中火災(zāi)問題也給生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了很大的挑戰(zhàn)?；馂?zāi)對人們生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的危害，這種危害可以分為2類：熱輻射引起的危害和非熱因素引起的危害［1］。對于熱輻射引起的危害研究較多，而針對非熱因素引起的危害的研究則起步較晚。然而，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：火災(zāi)中85%以上的死亡直接或間接的受到火災(zāi)煙氣的影響，有毒煙氣的吸入更是造成火災(zāi)中人員傷亡的主要原因［2］。同時，在高層建筑中含有大量的豎井，這給煙氣向非著火層的蔓延提供了條件。高層建筑樓的梯間、電梯間、管道井等豎向通道內(nèi)容易形成“煙囪效應(yīng)”，使火災(zāi)煙氣在豎直方向擴(kuò)散速度可以達(dá)到3～4m／s，對于人員的逃生造成了極大的威脅［3］。因此，研究煙氣在豎井內(nèi)的流動規(guī)律并提出相應(yīng)的控制方法就顯得很有必要。本文將對豎井煙氣流動特性與豎井煙氣控制方法的現(xiàn)有研究狀況進(jìn)行綜述，并結(jié)合學(xué)術(shù)研究成果和工程實(shí)踐對豎井火災(zāi)煙氣控制提出一些思考。

1 豎井中火災(zāi)煙氣的流動特性研究

1.1 煙囪效應(yīng)

煙囪效應(yīng)是煙氣在高層建筑豎井中傳播的主要驅(qū)動力，也是造成豎井煙氣流速較快的原因［4］。煙囪效應(yīng)是浮力和內(nèi)外壓差共同作用的結(jié)果。有研究表明：在煙囪效應(yīng)中浮力和內(nèi)外壓差都是存在的，只是在不同的范圍內(nèi)所起的作用不同。當(dāng)火源距離豎井中心線較近時，豎井內(nèi)煙氣的運(yùn)動規(guī)律主要受內(nèi)外壓差的決定。當(dāng)火源距離豎井中心線較遠(yuǎn)時，煙氣在豎井內(nèi)的運(yùn)動主要受浮力的作用［5］。當(dāng)室外溫度小于豎井內(nèi)溫度時，室外空氣從中性面以下開口進(jìn)入豎井，從中性面以上的開口流出。如果著火層在中性面以下時，煙氣就會通過豎井傳播到中性面以上各層，而中性面以下則只有著火層是有煙氣的；如果著火層在中性面以上時，若無樓層之間的滲透，則只有著火層是有煙的。由于火災(zāi)煙氣溫度相對較高，一般不存在建筑通風(fēng)中存在的逆煙囪效應(yīng)。

中性面的位置對于火災(zāi)煙氣的傳遞方向有很大影響。由于火災(zāi)情況下豎井內(nèi)溫度一般大于室外溫度，所以提高中性面的高度可以減少受煙氣影響的樓層數(shù)目［6］。Klote［7］通過理論分析，推導(dǎo)出了不同開口下中性面位置的計(jì)算公式。Klote模型在預(yù)測中性面位置方面得到了廣泛的應(yīng)用，然而它也具有局限性。Klote模型的一個重要假設(shè)就是豎井內(nèi)溫度不隨高度發(fā)生變化，這對于高度較高的豎井顯然是不適應(yīng)的。Zhang等［8］引進(jìn)了雙區(qū)模型的概念，即將豎井劃分為近火源區(qū)和遠(yuǎn)火源區(qū)，認(rèn)為每個區(qū)內(nèi)的溫度是恒定的，通過理論推導(dǎo)得到了預(yù)測中性面位置的數(shù)學(xué)模型。然而此模型仍然對豎井內(nèi)的溫度分布做了簡化處理，具有一定的局限性。Yang等［9］在Klote模型的基礎(chǔ)上，考慮了豎井內(nèi)空氣與豎井壁面之間的熱量交換，分別在恒壁溫和恒熱流的情況下給出了預(yù)測中性面的數(shù)學(xué)模型，與實(shí)際情況更為接近。

豎井中的煙氣流動不僅受到煙囪效應(yīng)的影響，還有煙氣自身浮力的作用。為此，Cooper［10］、Chow 等［11］發(fā)展了考慮浮力驅(qū)動和自然對流驅(qū)動雙重作用的豎井煙氣運(yùn)動模型。

1.2 豎井中煙氣主要參數(shù)的分布特性

豎井中煙氣中主要物理參數(shù)的分布與煙氣對冷空氣的卷吸量有很大關(guān)系。對此，Marshall［12］在一個1／5尺寸豎井模型中研究了煙氣流動過程中對空氣的卷吸特征，并建立了基于實(shí)驗(yàn)的空氣卷吸模型，改進(jìn)了豎井中煙氣羽流卷吸空氣的卷吸系數(shù)。Ergin－Ozkan等［13］研究了在樓梯井中的傾斜樓梯段區(qū)域冷熱空氣界面的形成以及影響因素。Peppes［14］、Qin等［15～16］針對樓梯井，利用數(shù)值模擬的方法，研究了火災(zāi)過程中樓梯井內(nèi)浮力驅(qū)動的煙氣流動特性及其溫度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律。Yang等［9］利用理論分析與數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱氣流與豎井壁面存在換熱時，氣流溫度在豎向上可能呈現(xiàn)指數(shù)分布的特性。

1.3 煙氣的上升速度

雖然豎井內(nèi)的煙氣受到周圍卷入冷空氣的影響較小，但卻要受到豎井壁面換熱和壁面粘滯力的作用。因此，在豎井這樣的受限空間中，煙氣上升時間也與開放環(huán)境中有很大不同。同時，豎井內(nèi)煙氣上升時間又直接反應(yīng)了煙氣在高層建筑中的傳播速度與對上部樓層的危害性大小。

Zukoski等［17］在豎井頂部與底部開口和側(cè)壁連續(xù)開口的條件下，通過理論推導(dǎo)得到了煙氣上升時間的數(shù)學(xué)模型，并通過鹽水模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Tanaka［18］則通過小尺寸和全尺寸實(shí)驗(yàn)，給出了在完全開放環(huán)境、開放豎井和封閉豎井條件下煙氣上升時間的實(shí)驗(yàn)擬合模型。火源的熱釋放速率和空間幾何結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是影響豎井煙氣上升速度的最重要的因素。然而由于開放豎井與封閉豎井結(jié)構(gòu)不同（前者頂部打開，后者封閉），開放豎井中煙氣的驅(qū)動力與封閉豎井以及完全開放環(huán)境也有所區(qū)別。后兩者中煙氣僅在浮力的作用下向上運(yùn)動，而開放豎井中的煙氣不僅受到浮力的作用，還受到豎井內(nèi)外壓差的作用。但是，Tanaka等人卻沒有考慮這一點(diǎn)。Zhang等［19］在Tanaka的基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分別得到了開放豎井和封閉豎井內(nèi)煙氣上升時間的數(shù)學(xué)模型。以上模型的建立都沒有考慮煙氣與豎井壁之間的熱量交換，這對于分析高層建筑豎井內(nèi)煙氣的流動還是會帶來一定的偏差。Sun等［20］則考慮了煙氣與豎井壁面之間的對流換熱，得到了煙氣上升時間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而該模型仍然沒有全面、詳盡的考慮豎井內(nèi)煙氣與豎井壁面的實(shí)際換熱特點(diǎn)，仍然需要更詳盡的研究。

2 豎井煙氣控制方法的研究與工程實(shí)踐

2.1 常用煙氣控制方法

由于建筑火災(zāi)中煙囪效應(yīng)導(dǎo)致的煙氣沿垂直方向的流動速度比沿水平方向上的流動速度大得多，若不進(jìn)行有效阻止，在幾分鐘時間內(nèi)就可以擴(kuò)散到幾十層的樓層中，從而對遠(yuǎn)離著火點(diǎn)的人員構(gòu)成危害［21］。因此，必須對高層建筑豎井中的煙氣進(jìn)行控制。高層建筑中常用的煙氣控制遠(yuǎn)離主要有：阻擋或隔斷、疏導(dǎo)排煙與加壓防煙［4］。

阻擋或隔斷指的是利用墻、門、樓板等隔斷煙氣的傳播。在高層建筑中，可以利用阻擋或隔斷手段阻止煙氣串入豎井，從而從源頭上控制煙氣利用豎井進(jìn)行跨樓層傳播。具體做法是在建筑物內(nèi)劃分防火分區(qū)和防煙分區(qū)。防煙分區(qū)設(shè)在防火分區(qū)內(nèi)部，利用隔墻、梁或垂直擋板等阻擋煙氣流動。防火分區(qū)和防煙分區(qū)的面積及劃分原則參見文獻(xiàn)［22－23］。

疏導(dǎo)排煙可以分為自然排煙和機(jī)械排煙。自然排煙是利用熱煙自身的浮力、熱壓及其他自然力將煙氣從窗戶或?qū)ＴO(shè)的排煙口排出，具有設(shè)施簡單，投資少，日常維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。為防止煙氣串入樓梯井或電梯井等人員聚集空間，可以考慮修建專門的排煙豎井進(jìn)行排煙，且使排煙豎井不與非著火層進(jìn)行交互。Tamura［24］研究了利用排煙豎井進(jìn)行自然排煙的可能性。隨后，Tamura等［25］進(jìn)一步計(jì)算了可以達(dá)到理想排煙效果的排煙豎井尺寸。張靖巖［26］也對利用豎井進(jìn)行自然排煙進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，并提出了達(dá)到理想排煙的豎井高度臨界值的概念。為了提高建筑的利用面積，Ding等［27］則嘗試?yán)锰柲軣焽鑼⒆匀煌L(fēng)與豎井排煙系統(tǒng)合二為一，并通過模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬驗(yàn)證了其有效性。機(jī)械排煙則是利用排煙風(fēng)機(jī)將煙氣抽走，同時也要補(bǔ)入新鮮空氣。建筑火災(zāi)情況下的排煙過程就是室內(nèi)煙氣和室外新鮮空氣的置換過程［28］。如果補(bǔ)氣不足將導(dǎo)致排煙區(qū)出現(xiàn)負(fù)壓而不利于排煙，補(bǔ)氣過多又會擾亂煙氣層進(jìn)而危及人員的安全疏散。文獻(xiàn)［29］指出補(bǔ)氣量應(yīng)該略大于排煙量，然而具體數(shù)值仍需要進(jìn)一步根據(jù)火源功率進(jìn)行量化。

加壓防煙指的是通過風(fēng)機(jī)加壓送風(fēng)，使樓梯間和前室或合用前室保持正壓，從而防止煙氣的侵入。孫曉乾［30］對影響樓梯井加壓送風(fēng)效果的因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出防煙樓梯間的加壓送風(fēng)量、門縫寬度及門的開啟數(shù)量對加壓送風(fēng)效果具有重要的影響。

為了提高高層建筑中煙氣控制的效率，也有一些新的方法被提出。Guyonnaud等［31］首先從理論上研究了空氣幕的作用機(jī)理，進(jìn)而提出了可以使用空氣幕阻止火災(zāi)煙氣的傳播，并通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了其有效性。杜峰等［32］通過數(shù)值模擬的方法研究了空氣幕在高層建筑樓梯間防煙中的應(yīng)用，并結(jié)合空氣幕阻擋煙氣的機(jī)理和工程實(shí)際情況，提出了針對高層建筑樓梯間的空氣幕使用方案，并指出了影響空氣幕使用效果的主要因素。Krajewski等［33］利用CFD研究使用空氣幕防煙的可靠性，并提出了優(yōu)化的方法。然而，要使空氣幕在防煙中得到更好的工程應(yīng)用，空氣幕的一些定量參數(shù)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 工程實(shí)踐中存在的問題

在工程實(shí)踐中，豎井防排煙系統(tǒng)和措施仍有不盡人意之處。特別是在正壓防煙方面，工程中還有一些缺陷，主要表現(xiàn)為：1）風(fēng)機(jī)風(fēng)量偏低。防煙樓梯間及前室、合用前室和消防電梯間前室的機(jī)械加壓送風(fēng)量，應(yīng)由計(jì)算確定，當(dāng)計(jì)算值和規(guī)范規(guī)定的值不一致時，應(yīng)按兩者中較大值確定。但在設(shè)計(jì)中，往往存在直接按規(guī)范給定風(fēng)量選型的情況，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)選型偏小。2）防煙樓梯間、前室防火門縫隙過大，造成漏風(fēng)量很大，難以保證正壓。3）防煙樓梯間送風(fēng)口形式不合理。送風(fēng)量與壓力值不僅與風(fēng)口大小有關(guān)，還與風(fēng)口的形式有關(guān)。目前多采用固定百頁窗式常開風(fēng)口，風(fēng)阻較大，使離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的風(fēng)口風(fēng)量不足，壓力偏低。由于目前規(guī)范中對于風(fēng)口的形式也沒有十分明確的要求，這給風(fēng)口的選型造成了一定的困惑。為了保證對前室和樓梯間的正壓送風(fēng)，目前張建安等［34］提出可以設(shè)置一些專門的送風(fēng)管道或豎井。張賓［35］還提出了使用服務(wù)電梯井作為高層建筑防煙樓梯間的加壓送風(fēng)豎井的方案。發(fā)生火災(zāi)時，電梯廂的運(yùn)行模式為自動降至底層，所有樓層的電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)，這為電梯井作為加壓送風(fēng)豎井提供了條件。

3 結(jié) 語

1）煙囪效應(yīng)是豎井內(nèi)煙氣流動的主要動力，所以在火災(zāi)煙氣控制中，若煙氣進(jìn)入豎井，應(yīng)該盡量減小煙囪效應(yīng)以減慢煙氣傳播速度，延長煙氣層上升時間，為人員逃生爭取更多的時間。同時，應(yīng)利用已有的中性面計(jì)算模型，找出在具體高層建筑中改變中性面位置的因素，在防排煙策略中考慮主動改變中性面位置的方法，盡量減少受煙氣影響的層數(shù)。

2）在前室入口處應(yīng)使用有效的正壓防煙手段，阻止煙氣進(jìn)入建筑豎井，從源頭上避免豎井加快煙氣豎向傳播的不利局面。

3）可以利用專門的排煙豎井疏導(dǎo)煙氣，使煙氣不向樓梯井、電梯井等人員密集空間傳播；合理規(guī)劃排煙豎井的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中就要考慮利用現(xiàn)有的自然通風(fēng)系統(tǒng)（如太陽能煙囪、通風(fēng)幕墻等）進(jìn)行火災(zāi)工況下的自然排煙，以減小成本和提高建筑利用空間。

4）加強(qiáng)科學(xué)研究與工程實(shí)踐、規(guī)范編訂的結(jié)合；結(jié)合豎井防排煙工程中遇到的實(shí)際問題開展定量的科學(xué)研究，及時將研究的結(jié)果用于指導(dǎo)工程實(shí)踐以及相關(guān)規(guī)范的編制和修訂。

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