某地下車庫不同排煙口高度及朝向排煙效率數(shù)值模擬研究

李 英， 王 艷

（1．安徽省馬鞍山市公安消防支隊，安徽 馬鞍山 243000；2．安徽省合肥市公安消防支隊，安徽 合肥 230001）

隨著經濟的發(fā)展，城市化進程加快，我國汽車擁有量的日漸增多，汽車的存放也順理成章成為交通管理中的重要問題。地下車庫由于建筑面積大，管理較集中等優(yōu)勢也隨之得到普及應用。然而，在地下車庫給人們帶來便利的同時，也帶來了一系列的安全問題，其中消防問題尤為突出。近年來也發(fā)生了多起地下車庫火災案件，如2012年7月13日凌晨，位于合肥市銅陵北路附近的香江生態(tài)麗景C區(qū)某地下車庫發(fā)生火災，至少造成了30輛電動車燒毀。

地下車庫處于一種高密閉的狀態(tài)，與外部相連接的通道少，且可燃物較多，這就決定了地下車庫發(fā)生火災時具有熱釋放速率大，蔓延迅速，撲救難度大，危害性高等特點［1，2］。因此，如何解決好地下停車場的通風和防排煙設計問題是地下停車場設計中的一個重要問題。在實際地下車庫的防排煙和通風設計中，既需要滿足平時通風要求，排除汽車尾氣產生的污染物，送入新鮮空氣，以使有害物含量達到國家規(guī)定的衛(wèi)生標準的要求；又要滿足火災時的排煙要求，以保證火災發(fā)生時，限制煙氣的擴散，排除已產生的煙氣，保證人員和車輛撤離現(xiàn)場，減少傷亡，保障消防人員安全有效地撲救火災。

圖1 兩種不同朝向的地下車庫排煙口

現(xiàn)行的消防規(guī)范中對地下車庫的排煙做出了相關規(guī)定。《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規(guī)范》［3］中規(guī)定，每個防煙分區(qū)應設置排煙口，排煙口宜設在頂棚或靠近頂棚的墻面上；排煙口距該防煙分區(qū)內最遠點的水平距離不應超過30m?！督ㄖO計防火規(guī)范》［4］對建筑機械排煙系統(tǒng)的最小排煙量進行了相關規(guī)定。然而，規(guī)范中對機械排煙口的朝向并沒有明確規(guī)定。經過實地調研發(fā)現(xiàn)，排煙主管道上機械排煙口的設計主要為下方開口型和側方開口型（如圖1）。此外，排煙主管道的設計高度在規(guī)范中也未提及。因此筆者就地下車庫的排煙口高度及朝向問題開展了數(shù)值模擬研究，對比其不同排煙設計條件下的排煙效果，并希望在實際工程中有所借鑒。

1 模型建立

1．1 排煙方案介紹

筆者選取了某一商業(yè)中心的地下二層車庫作為研究對象。根據設計，車庫占地面積共21400 m2，分為8個防火分區(qū)。其中，筆者選擇防火分區(qū)八作為模擬計算空間，此防火分區(qū)為3983m2，頂棚高3m，由擋煙垂壁分隔為左右兩個防煙分區(qū)（分區(qū)1和分區(qū)2），符合規(guī)范要求（如圖2）。地下車庫設置機械排煙和補風設備，排煙量按規(guī)范設計，為6次／h，補風量為排煙的一半。起火位置設置為防煙分區(qū)1某處停車位，近似為一個2m×4m的火源，并考慮上海市工程建設規(guī)范DGJ 08－88－2000《民用建筑防排煙技術規(guī)程》［5］，設置汽車燃燒產生的熱釋放速率為3MW。下方開口型排煙口距離頂棚高度分別設置為0m，0．5m和1m，并設置側方開口型排煙口的正中位于距頂棚0．5m和1m處（即保持平均高度相同）。表1為考慮不同排煙口高度及朝向的火災及排煙場景設計方案。

圖2 地下車庫模擬計算區(qū)域示意圖

表1 不同排煙口朝向及高度場景設置方案

1．2 FDS模型建立

筆者采用由美國國家標準技術研究院（NIST）開發(fā)的火災動力學模擬軟件（FDS）進行對上述場景的模擬，這是一種計算流體力學（CFD）軟件，廣泛應用于計算燃燒引起的流體流動，是一個由公認的政府權威機構開發(fā)的軟件，并且經過了大型及全尺寸火災實驗的驗證。本文建立了如圖3所示的FDS計算模型。模型內部空間通過網格填充，分為兩種不同網格。在火源附近區(qū)域，網格尺寸取為邊長0．25m的立方體，其他區(qū)域網格尺寸定為邊長0．5m的立方體，網格邊界與外界聯(lián)通。設置環(huán)境初始條件溫度20℃，模擬時間為900s，并根據火災發(fā)生特點，火源設置為t2快速火，增長系數(shù) 取為0．04689kW／s2，因此汽車燃燒253s之后達到最大熱釋放速率3MW。

建筑的煙氣危險高度的定義為［6］:

其中Hman為人的平均身高，約為1．6m，Hc為建筑吊頂高，將危險高度橫截面近似設為2m。在FDS模型建立中，在危險高度橫截面進行了火災場景中的主要典型參數(shù)比較，包括溫度、CO濃度和能見度。此外，在車庫不同位置設置5個煙氣層高度和豎向溫度測點，獲得不同位置處煙氣層高度的下降曲線，其中測點1為火源正上方，測點2－5分別為防火分區(qū)幾個和相鄰防火分區(qū)聯(lián)通的出入口，距離火源的距離各不相同，亦如圖3所示。

圖3 兩種自然排煙方案FDS建模

2 模擬結果與討論

2．1 不同高度下方開口型排煙口排煙效果

表2列出了工況1－3情況下，改變排煙口高度排煙時，煙氣危險高度截面的溫度、CO濃度和能見度分布情況，并借鑒消防性能化設計中的 臨 界 判 據［7，8］（溫 度50 ℃，CO 濃 度 500 ppm，能見度10m），在圖中用黑線表示模擬完成后車庫中已達危險的區(qū)域范圍。對比三個工況的危險高度截面的溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)危險高度截面出現(xiàn)超過50℃的區(qū)域不大，但隨著排煙口高度的下降，車庫中的溫度有所升高，危險區(qū)域范圍略有擴大但并不明顯，CO濃度分布規(guī)律也較為類似。然而，從危險高度截面的能見度圖中來看，隨著排煙口高度下降，能見度較低區(qū)域（10m以下）有著較明顯的明顯擴大。對比各測點煙氣層高度下降曲線，除火源上方外，煙氣首先蔓延到測點5附近，引起了測點5處煙氣層高度的下降。從測點5處煙氣的到達時間來看，三個工況分別為198s，193s和182s，隨著排煙口高度下降，煙氣層開始下降的時間有所縮短，同時煙氣層高度也略有降低，這說明隨著排煙口高度的下降，排煙效率是逐漸降低的，這更加不利于車庫內的人員疏散。

2．2 不同高度側方開口型排煙口排煙效果

表3列出了工況4－5情況下，改變排煙口高度排煙時，煙氣危險高度截面的溫度、CO濃度和能見度分布情況對比三個工況的危險高度截面的溫度分布。從危險高度截面的溫度和CO濃度分布中來看，可以發(fā)現(xiàn)危險高度截面已達危險的區(qū)域范圍不大，與工況1－3較為類似，且兩個工況之間的差異并不明顯。而從能見度分布情況來看，900s時在車庫危險高度截面上有部分區(qū)域能見度較低（低于10 m）。對比兩個工況，認為工況4排煙口位置較高，略好于工況5的排煙效果。對比各測點煙氣層高度下降曲線，除火源上方外，煙氣同樣首先蔓延到測點5附近，引起了測點5處煙氣層高度的下降。從測點5處煙氣的到達時間來看，兩個工況分別為196s和192s，煙氣層高度下降曲線差異不明顯。隨著排煙口高度下降，煙氣層開始下降的時間略有縮短，同時煙氣層高度也略有降低，但總體上各火災典型參數(shù)差異并不十分明顯，說明不同高度側方開口型排煙口排煙效果差異不大，較高位置的排煙口排煙效率略高。

表2 不同高度下方開口型排煙口排煙效果

筆者分析了排煙口高度對排煙效率的影響作用。當汽車火災發(fā)生后，產生大量的煙氣，上升撞擊到頂棚后，沿著頂棚向相鄰區(qū)域蔓延，并在頂棚下方緩慢沉積，形成一定厚度的煙氣層［9］，煙氣層高度是緩慢下降的。因此排煙口越高，煙氣就越容易到達排煙口高度，更加有利于排出車庫，因此排煙效率也就越高。

2．3 不同朝向排煙口排煙效果的比較與分析

分別對比工況2和工況4，工況3和工況5（即同一高度的不同朝向排煙口），從危險高度截面的溫度和CO濃度分布中來看，側方開口型排煙口對應的溫度和CO濃度都較下方開口型排煙口低，能見度達危險的區(qū)域范圍也較小。此外，從測點5處煙氣的到達時間來看，工況4－5也略長于工況2－3的模擬結果，這說明相同高度條件下，排煙口朝側向時，排煙效率較高，火災發(fā)生后，更有利于排出煙氣，為車庫內人員疏散爭取更多的時間。

筆者同時也分析了側方開口型排煙口排煙效率較高的原因。由于煙氣在頂棚下方的堆積，下方開口型排煙口只能直接作用于其表面附近的煙氣，對位置較低處的煙氣排煙效率有所降低；且如果一旦排煙速率過大，可能會發(fā)生煙氣層吸穿效應（即吸入空氣量超過煙氣量，對排煙不利）［9，10］。相反，側方開 口型排 煙口對不同高度的煙氣都有一定的作用，較利于位置較低處煙氣的排出因此總體而言排煙效率較高。

3 結論與建議

本文以某商業(yè)中心地下二層車庫為研究對象，設計了5種不同排煙口朝向及高度的排煙模式，通過數(shù)值模擬方法研究其排煙效果的差異。通過研究表明，下方開口型排煙口高度越高，排煙效果越好，而側方開口型排煙口高度則影響不大。通過兩種類型排煙口朝向的計算結果對比分析認為，相同高度情況側方開口型排煙口排煙效率較下方開口型排煙口要高，因此更加有利于汽車庫內的人員疏散。在工程建設中應結合實際情況，盡可能多選擇側向開口的排煙類型。

表3 不同高度側方開口型排煙口排煙效果

1 于麗娜，趙 蕾．地下車庫火災煙氣運動規(guī)律的實驗和 數(shù) 值 仿 真 ［J］．消 防 科 學 與 技 術，2011，30（10）:903－907．

2 王瑩，石必明，穆朝民．地下車庫油箱火災煙氣流動數(shù)值模擬［J］．建筑科學，2011，27（8）:87－89．

3 GB50067－97．汽車庫、修車庫、停車場設計防火規(guī)范［S］．

4 GB50016－2006．建筑設計防火規(guī)范［S］．

5 DGJ08－88－2000．民用建筑防排煙技術規(guī)程［S］．

6 建築物の防災特性に応じた防火安全性の総合評価［A］．東京消防庁火災予防審議會［C］．日本東京．平成13年3月．

7 霍 然，袁宏永．性能化建筑防火分析與設計［M］．合肥:安徽科學技術出版社，2003．

8 范維澄，孫金華．火災風險評估方法學［M］．北京:科學出版社，2004．

9 霍 然，胡 源，李元洲．建筑火災安全工程導論［M］．合肥:中國科學技術大學出版社，2009．

10 范維澄，王清安，姜馮輝，等．火災學簡明教程［M］．合肥:中國科學技術大學出版社，1995．