改造工程中樓梯間防煙方式的FDS模擬研究

鄭 華

(石嘴山市消防支隊(duì)，寧夏 石嘴山 753000)

改造工程中樓梯間防煙方式的FDS模擬研究

鄭 華

(石嘴山市消防支隊(duì)，寧夏 石嘴山 753000)

在改造工程中，低層建筑的樓梯間無(wú)法滿足規(guī)范要求的自然排煙方式，若嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求又要增加前室，涉及結(jié)構(gòu)、土建方面改造工程量較大。運(yùn)用FDS模擬在樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)或者在樓梯間頂層設(shè)有一定的自然通風(fēng)有效面積的防煙效果，與現(xiàn)行規(guī)范要求相比較，研究在不具備設(shè)置加壓送風(fēng)豎井的條件時(shí)，樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)的可行性。

直灌式加壓送風(fēng)；防煙；FDS模擬

樓梯間是火災(zāi)發(fā)生后人員逃生的主要通道，火災(zāi)所產(chǎn)生的煙氣會(huì)隨著人員逃生而進(jìn)入樓梯間，樓梯間加壓送風(fēng)是否合理則是避免煙氣進(jìn)入樓梯間的關(guān)鍵。筆者在實(shí)際工程消防設(shè)計(jì)審查中發(fā)現(xiàn)，許多改造工程，尤其是低層建筑的樓梯間，無(wú)法滿足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范要求的靠外墻設(shè)置樓梯間，每5層內(nèi)自然通風(fēng)有效面積不應(yīng)小于2.0 m2的自然排煙方式[1]。若嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求又要增加前室、送風(fēng)豎井等，涉及結(jié)構(gòu)、土建方面改造工程量較大，實(shí)施有一定的難度。直灌式送風(fēng)取消了傳統(tǒng)的建筑豎井送風(fēng)，是采用安裝在建筑頂層的風(fēng)機(jī)直接通過(guò)上下暢通的樓梯間進(jìn)行送風(fēng)的一種防煙形式。

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

FDS由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)開發(fā)，能用數(shù)值計(jì)算的方法解適用于低速、熱驅(qū)動(dòng)氣流的N-S方程，可模擬三維空間內(nèi)煙氣的速度、溫度和煙氣流動(dòng)情況[2-3]。本文運(yùn)用FDS模擬在樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)或者在樓梯間頂層設(shè)有一定的自然通風(fēng)有效面積的防煙效果，與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的靠外墻的敞開樓梯、封閉樓梯間、防煙樓梯間，每5層內(nèi)自然通風(fēng)有效面積不應(yīng)小于2.0 m2相比較?；诖?，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，論證在不具備設(shè)置加壓送風(fēng)豎井的條件時(shí)，樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)的可行性。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

在建立模型時(shí)沒(méi)有參照工程實(shí)例，而是建立了一部只有5層的樓梯，樓梯寬度為1.8 m；在一層樓梯旁邊設(shè)置了一個(gè)15 m×12 m的房間，房間高3.5 m，火災(zāi)發(fā)生在房間內(nèi)，火源位置在房間中間。火源的設(shè)置為穩(wěn)定火，火災(zāi)規(guī)模為0.5 MW，燃燒材料為木材。初始時(shí)刻，環(huán)境溫度為24 ℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬時(shí)長(zhǎng)為600 s。在模擬火災(zāi)情況時(shí)，只有一層樓梯的門是開的，其他各層的門是關(guān)閉的。

1.2 試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)

在模擬中設(shè)計(jì)三種工況，研究煙氣在樓梯間中的蔓延情況，模擬時(shí)間為600 s。(1)工況1：按規(guī)范規(guī)定，樓梯每5層內(nèi)可開啟排煙窗的總面積不應(yīng)小于2.0 m2，在試驗(yàn)中設(shè)置為2.0 m2。(2)工況2：沒(méi)有可開啟的外窗，在樓梯頂部設(shè)有一定面積的開口，可開啟面積為2.0 m2。(3)工況3：沒(méi)有可開啟的外窗，在樓梯頂部設(shè)有直灌式送風(fēng)系統(tǒng)，直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量比計(jì)算值增加了20%，風(fēng)口1 m2，風(fēng)速6.2 m·s-1。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 工況1模擬結(jié)果

2.1.1 計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)FDS進(jìn)行建模，計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工況1計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 煙氣分布圖

通過(guò)FDS對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得到火災(zāi)場(chǎng)景模擬過(guò)程中的煙氣分布結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，模擬過(guò)程中，煙氣進(jìn)入樓梯后，由于每層樓梯均有一定面積的排煙窗，煙氣在樓梯內(nèi)分布比較均勻；在煙氣充滿樓梯間時(shí)，由于每一層均可以進(jìn)行自然排煙，煙氣的聚集比較緩慢，整個(gè)樓梯間始終有一定的能見度。

圖2 工況1煙氣分布圖

2.2 工況2模擬結(jié)果

2.2.1 計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)FDS進(jìn)行建模，計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工況2計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 煙氣分布圖

通過(guò)FDS對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得到火災(zāi)場(chǎng)景模擬過(guò)程中的煙氣分布結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，模擬過(guò)程中，煙氣分布不均勻，接近開口(排煙口)的地方煙氣比較稀薄，有一定的能見度；離開口(排煙口)距離越遠(yuǎn)，煙氣濃度越大，能見度越低，達(dá)不到要求。

圖4 工況2煙氣分布圖

2.3 工況3模擬結(jié)果

2.3.1 計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)FDS進(jìn)行建模，計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.2 煙氣分布圖

通過(guò)FDS對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得到火災(zāi)場(chǎng)景模擬過(guò)程中的煙氣分布結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，模擬過(guò)程中，由于樓梯間內(nèi)有直灌式送風(fēng)，一直保持有正壓，所以煙氣一直沒(méi)有進(jìn)入樓梯間，樓梯間維持一個(gè)較高的能見度水平。但是在現(xiàn)實(shí)中，有可能其他樓層的門不能保持關(guān)閉，還有各種縫隙的漏風(fēng)也會(huì)有一定的影響，需要綜合考慮。

圖5 工況3計(jì)算模擬結(jié)構(gòu)圖

圖6 工況3煙氣分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)樓梯間每5層內(nèi)可開啟外窗面積為2.0 m2、樓梯間頂部開口2.0 m2、樓梯間直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)的FDS數(shù)值模擬的試驗(yàn)可以得知，在對(duì)不具備設(shè)置加壓送風(fēng)豎井條件的樓梯間改造工程中，采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)具有可行性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意：(1)在改造工程中樓梯間采用直灌式機(jī)械加壓送風(fēng)方式時(shí)，加壓送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量上下限選取應(yīng)按層數(shù)、風(fēng)道材料、防火門漏風(fēng)量等因素綜合比較確定。(2)直灌式機(jī)械加壓送風(fēng)方式送風(fēng)量應(yīng)按保持加壓部位規(guī)定正壓值所需的漏風(fēng)量或門開啟時(shí)保持門洞處規(guī)定風(fēng)速所需的送風(fēng)量計(jì)算，并考慮一定的余量，建議送風(fēng)量增加20%。(3)加壓送風(fēng)口不宜設(shè)在影響人員疏散的部位。

[1] GB 50016—2006,建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2] Kevin McGrattan.Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical Reference Guide[M].Washington:Government Printing Office,2004.

[3] Kevin McGrattan, Glenn Forney.Fire Dynamics Simulator (Version 4) User’s Guide[M].Washington:Government Printing Office,2005.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

A FDS Simulation Study on the Way of Preventing Smoke from the Staircase in a Project Being Renovated

ZHENG Hua

(ShizuishanMunicipalFireBrigade，NingxiaAutonomousRegion753000，China)

In a project being renovated, especially in low building staircases cannot meet the requirements specification of natural smoke exhausting. Being renovated in strict accordance with the national standards, a renovation project needs a large amount of work. The FDS simulation is done in the stairwell with a direct pressurized air system or in the stairs top with a certain natural ventilation area in accordance with the current specification. Compared with a smoke effect study in which it does not have to set a pressurization ventilation shaft, this simulation study intends to figure out whether it is feasible for the staircase to be direct with a pressurized air system.

direct pressurization; smoke prevention; FDS simulation

2015-04-10

鄭華(1972— )，男，寧夏中寧人，高級(jí)工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)10-0021-03