高層建筑走廊機(jī)械排煙效果影響因素分析

李 改，蔣亞龍

(安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230088)

高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，煙氣由著火部位向建筑物的其他部位擴(kuò)散、流動(dòng)。走廊是建筑內(nèi)人員向外疏散的必經(jīng)通道，也是煙氣擴(kuò)散的主要路徑［1］，其中煙氣的有害氣體濃度、煙氣層高度、溫度都影響著人員的安全疏散。設(shè)置科學(xué)合理的機(jī)械排煙系統(tǒng)對于高層建筑來說十分重要，它意味著火災(zāi)時(shí)，不僅能及時(shí)排除大量的有害煙氣，使人員安全疏散，而且還能排除火災(zāi)產(chǎn)生的大部分熱量，起到控制火勢蔓延的作用。因此，合理設(shè)置防排煙設(shè)施，能夠最大限度地減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

20世紀(jì)80年代以來，國際上關(guān)于建筑防排煙理論，即火災(zāi)煙氣流動(dòng)與控制的研究主要采用兩種方法:(1)開展火災(zāi)煙流試驗(yàn)，即通過試驗(yàn)來分析、認(rèn)識(shí)、掌握火災(zāi)煙流規(guī)律及其控制原理。如20世紀(jì)80年代初加拿大國家研究院建造了世界上首座高層建筑火災(zāi)試驗(yàn)塔，主要進(jìn)行高層建筑的機(jī)械防排煙的研究［2］。(2)采用計(jì)算機(jī)模擬的研究方法。火災(zāi)試驗(yàn)不但耗資巨大，而且由于條件所限，只能有針對性地進(jìn)行，不能包羅萬象。采用計(jì)算機(jī)模擬的研究方法具有不受時(shí)間、空間、條件限制的優(yōu)越性，在性能化防火設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用［2－5］。本文選擇具有條形走廊的高層建筑建立火災(zāi)模型，采用FDS軟件模擬高層建筑的火災(zāi)發(fā)展和煙氣流動(dòng)情況，對走廊內(nèi)機(jī)械排煙條件下CO濃度、溫度和煙氣層高度、能見度分布情況進(jìn)行分析，考察不同參數(shù)對機(jī)械排煙效果的影響。

1 建筑模型及火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

1.1 模擬對象

模擬對象為一賓館類高層建筑，平面圖如圖1所示。建筑模型具體條件為:房間門尺寸1 m×2 m(寬×高)，前室門尺寸1.6 m×2 m(寬×高)，走廊尺寸47 m×2 m(長×寬)，走廊兩端外窗尺寸為1 m×1 m(寬×高)，共12層，層高3 m，起火層為第6層，起火房間位于601客房，火源位于客房內(nèi)床上。模擬時(shí)間為1 200 s，模擬時(shí)設(shè)定起火房間房門開啟，樓梯電梯前室門開啟，非起火房間的房門關(guān)閉。模擬發(fā)現(xiàn)，開啟外窗時(shí)，門縫滲透對排煙效果影響不大。因此，在模擬排煙效果時(shí)可忽略門縫滲透的影響。

圖1 起火層平面圖

1.2 火災(zāi)熱釋放速率

試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn):火災(zāi)的熱釋放速率隨時(shí)間而變化。在火災(zāi)的初期階段，熱釋放速率一般假設(shè)為t2增長。不同的可燃物火災(zāi)增長系數(shù)不同，工程中常將火災(zāi)的初期增長分為慢速、中速、快速和超快速等四種類型，由于建筑客房內(nèi)可燃物主要為木質(zhì)床及衣物等，火災(zāi)發(fā)展介于中速和快速火之間，而更接近于快速火，模擬中選取不利的情況，取 α =0.046 89［6］。

設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模可以參照NFPA和DGJ 08－88－2000《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》選取，根據(jù)表1，選擇熱釋放速率為 1.5 MW(客房，有噴淋)［7］?；馂?zāi)熱釋放速率見表1。

表1 常見建筑火災(zāi)的最大熱釋放速率

圖2 火災(zāi)功率為1.5 MW的熱釋放速率曲線

1.3 火災(zāi)場景設(shè)置及熱釋放速率曲線

火災(zāi)場景設(shè)置見表2。

表2 機(jī)械排煙火災(zāi)場景設(shè)置

2 模擬結(jié)果分析

用于評價(jià)排煙效果的參數(shù)主要有:有害氣體濃度(選擇CO濃度為代表)、煙氣溫度、煙氣層高度和能見度等參數(shù)，模擬中在走廊內(nèi)設(shè)置了7個(gè)測點(diǎn)測出以上各參數(shù)，用來考察不同因素對機(jī)械排煙效果的影響。

2.1 排煙量對機(jī)械排煙效果的影響

分析機(jī)械排煙場景1、2、3三個(gè)場景的各參數(shù)情況如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 單排量為40 m3/h時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)的CO濃度、溫度、煙氣層高度曲線

圖4 單排量為60 m3/h時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)的CO濃度、溫度、煙氣層高度曲線

圖5 單排量為80 m3/h時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)的CO濃度、溫度、煙氣層高度曲線

通過對不同排煙量條件下各參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn):排煙量對煙氣的溫度影響不大;隨著單排量的增加，除離火源最近的測點(diǎn)a外，CO濃度的最高值有所下降，即由最高300 PPM降低到250 PPM進(jìn)而到200 PPM;隨著單排量的增加，離火源較遠(yuǎn)的e、f、g測點(diǎn)的煙氣層高度升高非常明顯，大部分區(qū)域煙氣層高度由1 m以下升到1.2 m以上。另外，通過模擬實(shí)況發(fā)現(xiàn)，單排量的增加也有助于提高走廊的能見度。

由此可見:增加單排量對于降低CO濃度、提高煙氣層高度效果明顯，但對于降低煙氣溫度效果不明顯。另外，排煙量并不是越大越好，排煙量過大會(huì)增加成本，降低排煙效率，且容易引起煙氣的擾動(dòng)，對人員疏散不利。一般情況下，《高層建筑防火規(guī)范》規(guī)定的單排量60 m3/h即可滿足走廊機(jī)械排煙效果要求。

2.2 排煙口位置對機(jī)械排煙效果的影響

分析機(jī)械排煙場景2、4見圖6。

由圖6可以看出:排煙口的位置對煙氣溫度影響不大，除測點(diǎn)a外，排煙口位于側(cè)壁時(shí)的CO濃度最高達(dá)300 PPM，而排煙口設(shè)在頂棚時(shí)CO濃度最高只有250 PPM，排煙口設(shè)在側(cè)壁時(shí)煙氣層高度明顯地下降到1 m以下，能見度也明顯降低?？梢?，排煙口位于頂棚時(shí)對于降低煙氣的CO濃度、提高煙氣層高度和能見度效果非常明顯。因此，頂棚排煙應(yīng)用較廣，而側(cè)壁排煙效果與排煙口距離地面凈高密切相關(guān)，在實(shí)際工程中吊頂高度僅為2 m左右，則不宜采用側(cè)壁排煙。

圖6 排煙口在側(cè)壁時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)的CO濃度、溫度、煙氣層高度曲線

2.3 排煙口數(shù)量對機(jī)械排煙效果的影響

分析機(jī)械排煙場景2、5見圖7。

與設(shè)置兩個(gè)排煙口相比，設(shè)置單個(gè)排煙口時(shí)能見度有所降低，如圖7a所示，其它參數(shù)變化不大，可見條形走廊機(jī)械排煙受排煙口數(shù)量約束不大，但對于其它格局的建筑結(jié)論或許不同。在實(shí)際的問題中還需要進(jìn)行具體的分析和考察，以保證走廊機(jī)械排煙安全有效。

圖7 設(shè)置單個(gè)排煙口、兩個(gè)排煙口時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)能見度切片

2.4 起火房間位置對機(jī)械排煙效果的影響

分析機(jī)械排煙場景2、6見圖8。

由圖8可以看出:611房間起火時(shí)火災(zāi)層CO濃度和溫度分布比較集中，這是因?yàn)槠鸹鸱块g靠近樓梯，一方面火災(zāi)煙氣通過樓梯上行，另一方面高溫?zé)煔馔瑫r(shí)向兩側(cè)迅速蔓延，不會(huì)產(chǎn)生單一區(qū)域內(nèi)的聚積，這對于起火房間的人員疏散相對有利，但由于走廊很長，排煙量有限，煙氣不能及時(shí)排出，從而導(dǎo)致走廊內(nèi)的煙氣層高度和能見度略有降低。因此，起火房間位于兩個(gè)排煙口之間時(shí)排煙效果較好，對人員安全疏散有利。

圖8 611房間起火時(shí)火災(zāi)層各測點(diǎn)的CO濃度、溫度、煙氣層高度曲線

3 結(jié)論

本文運(yùn)用FDS軟件對高層建筑火災(zāi)進(jìn)行了實(shí)況模擬，并對模擬所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過分析發(fā)現(xiàn)單排量、排煙口位置、排煙口數(shù)量、起火房間位置等不同因素對機(jī)械排煙效果均有不同程度的影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)提高單位面積排煙量可以提高煙氣排出能力，可以明顯降低煙氣中的CO濃度和提高煙氣層高度;

(2)排煙口設(shè)于頂棚比設(shè)在側(cè)壁排煙效果更為穩(wěn)定，側(cè)壁排煙效果與排煙口距離地面凈高密切相關(guān)，在實(shí)際工程中吊頂高度僅為2 m左右，則不宜采用側(cè)壁排煙;

(3)本模型中，條形走廊機(jī)械排煙受排煙口數(shù)量約束不大，但對于其它格局的建筑結(jié)論或許不同，在實(shí)際中還需要進(jìn)行具體分析，以保證走廊機(jī)械排煙安全有效;

(4)對于條形走廊，相同排煙量條件下，當(dāng)起火房間位于兩排煙口之間位置時(shí)一方面火災(zāi)煙氣通過樓梯上行，另一方面高溫?zé)煔馔瑫r(shí)向兩側(cè)迅速蔓延，不會(huì)產(chǎn)生單一區(qū)域內(nèi)的聚積，排煙效果相對較好。

［1］ 施微，高甫生.高層建筑走廊機(jī)械排煙的數(shù)值模擬研究［J］.暖通空調(diào)，2004，34(6):9－13.

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［5］ 吳愛臣.中庭建筑機(jī)械排煙的數(shù)值模擬研究［D］.上海:東華大學(xué)，2011.

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