高層建筑防煙樓梯間加壓送風效果影響因素的網絡模擬分析

李思成，劉海嘯

(武警學院 a.消防指揮系； b.研究生隊，河北 廊坊　065000)

?

高層建筑防煙樓梯間加壓送風效果影響因素的網絡模擬分析

李思成a，劉海嘯b

(武警學院 a.消防指揮系； b.研究生隊，河北 廊坊065000)

目前機械加壓送風是高層建筑防煙樓梯間中最常用的防煙方法，在加壓送風系統(tǒng)的設計和施工過程中，需要考慮多種因素，才能保證系統(tǒng)的防煙效果。因此，有必要對影響高層建筑防煙樓梯間加壓送風效果的幾個重要因素進行研究。以一18層高層建筑為例，利用網絡模擬軟件CONTAM模擬分析前室送風口數(shù)量及尺寸對防煙樓梯間加壓送風效果的影響。結果表明：在高層建筑防煙系統(tǒng)的設計過程中，前室的送風口尺寸可以按照隨著距風機距離增大而呈指數(shù)遞增的規(guī)律進行設計；在前室送風系統(tǒng)中，在保證加壓送風量合理的基礎上，只開啟著火層的送風口，其防煙效果比較好。

高層建筑；防煙樓梯間；機械加壓送風；CONTAM；門洞風速

0　引言

高層建筑發(fā)生火災時，普通電梯不能用作人員疏散，防煙樓梯間作為人員安全疏散的必要通道，一旦被火災煙氣侵入，會嚴重影響建筑內人員的安全疏散[1-3]。眾多火災事故表明，火災煙氣是造成建筑火災中人員傷亡的主要因素，因此建筑防煙樓梯間采取的防煙方法可靠與否，直接關系到建筑內人員的生命安全。對于建筑防煙樓梯間，目前普遍采用的防煙方式是機械加壓送風，一般應用于建筑物的防煙樓梯間及其前室、消防電梯前室或合用前室，通過向這些部位送入新鮮空氣使其維持一定的正壓，防止煙氣侵入疏散通道[4-5]。有多種因素會影響防煙樓梯間的加壓送風效果，例如：送風口的開啟數(shù)量以及送風口尺寸等等。在加壓送風系統(tǒng)的設計和施工過程中，需要考慮多種因素，才能保證系統(tǒng)的防煙效果。因此，有必要對影響高層建筑防煙樓梯間加壓送風效果的幾個重要因素進行研究。本文以一18層公寓樓為例，利用數(shù)值模擬軟件CONTAM，對改變不同因素條件下該建筑防煙樓梯間的加壓送風效果進行分析討論。

1　CONTAM軟件簡介

CONTAM[6]是由NIST下屬的建筑火災研究實驗室(BFRL)開發(fā)的用于模擬建筑物內多區(qū)域空氣流動和壓力分布、污染物擴散等情況的網絡模型軟件。目前越來越廣泛地應用于通風空調系統(tǒng)及煙控系統(tǒng)的設計及研究中，CONTAM具有算法可靠、數(shù)據(jù)庫豐富、可視界面簡潔明了、計算速度快等優(yōu)勢。

網絡模型從宏觀角度進行研究，將整個建筑看成與室外相通的空氣流通網絡。而建筑內的房間、樓梯間等區(qū)域為一個個網絡節(jié)點，軟件假設各節(jié)點具有均勻的壓力、溫度及污染物濃度，通過門窗、墻壁縫隙等空氣流通路徑將各區(qū)域連通起來，各類空氣流通路徑即為網絡連線，空氣通過網絡連線從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動。建筑物內的各類垂直豎井(樓梯豎井、電梯井、管道井、風道、電纜井、排氣道等)，若考慮其空氣流動阻力，可假想成每層有地面的一系列區(qū)域垂直疊加而成。該軟件將建筑中的每個區(qū)域(或稱節(jié)點)作為一個控制體，對整個建筑物的空氣流動、壓力分布、污染物的傳播和分布情況進行研究，軟件遵循質量守恒和能量守恒等方程。

該軟件中建立模型時由用戶在界面上畫出建筑每層的基本情況，并將具體的尺寸數(shù)值輸入，需要輸入數(shù)據(jù)主要包括：建筑室外溫度、壓力等環(huán)境條件；建筑物外部尺寸，每個區(qū)域內的墻體和門窗尺寸、面積及各區(qū)域內的溫度、污染物濃度等基本特征；建筑物內主要空氣流通路徑的類型、流通面積、流通系數(shù)等等。此外，還可以通過設置風機和風口，輸入具體的風量和尺寸來模擬加壓送風系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。

2　建筑模型

本文選用一18層的公寓樓為建筑模型，建筑高度59.7 m，地上18層，1層層高為4.8 m，2、3層層高均為4.2 m，4～18層為公寓，層高均為3.1 m。首層設置兩扇直通室外的門，尺寸為8.3 m×3.15 m，標準層設置17個房間，房間門尺寸為2.1 m×1.0 m，外窗有兩種規(guī)格，分別為2.4 m×1.55 m和2.7 m×1.55 m，除假定著火房間以外，其他房間的門窗均保持關閉，著火房間尺寸為8.4 m×4.1 m×3.1 m，門窗均為開啟狀態(tài)。建筑模型內每個防火分區(qū)均有兩個安全出口，設兩部防煙樓梯間均通至屋頂層，1#樓梯間連接獨立前室，樓梯間的橫截面積是21.6 m2；2#樓梯間與消防電梯合用前室，樓梯間的橫截面積為20 m2。兩部樓梯間的門及前室門均為防火門，1#樓梯間及其前室門為雙扇門，尺寸均為2.1 m×1.2 m，2#樓梯間的門為單扇門，尺寸為2.1 m×1.2 m，其合用前室門為2.1 m×1.5 m的雙扇門。

本文模擬主要針對1#樓梯間進行，樓梯間內共設兩個機械加壓送風系統(tǒng)，根據(jù)《建筑防排煙系統(tǒng)技術規(guī)范》(送審稿，以下簡稱《防排煙規(guī)范》)中風量的計算方法對建筑模型的加壓送風量進行設計，由計算法和查表法得到只對前室加壓送風的防煙方式所需的加壓送風量。經計算，只對前室加壓送風的風量計算結果為11 699 m3·h-1，根據(jù)建筑模型的高度查表得到送風量取19 120 m3·h-1。根據(jù)《防排煙規(guī)范》5.1.1條規(guī)定，當建筑高度大于24 m時，應按計算值與查表值中的較大值確定加壓送風量，因此，本文模擬中，前室的加壓送風量取19 120 m3·h-1，風機設置于屋頂層。樓梯間首層開始每隔兩層設置一個常開送風口，前室及合用前室采用常閉型加壓送風口，每層均設置送風口。建筑模型標準層平面布局如圖1所示。

圖1　建筑模型標準層示意圖

模型中處于關閉狀態(tài)的房間門、外窗及墻壁的縫隙的氣流通路采用空氣泄漏特征值模型(Leakage Area)，處于開啟狀態(tài)的房間門、樓梯間門及前室門的氣流通路采用單開口模型(Single Opening)，防煙樓梯間的氣流通路類型為Stairwell，送風豎井的氣流通路類型為Shaft，風機采用定體積流量模型(Constant Volume Flow Fan)設置。室外溫度為20 ℃，著火防煙溫度為500 ℃，氣壓為標準大氣壓，模擬過程為瞬態(tài)模擬。模擬時在假定著火房間內設置CO作為污染源模擬火災時生成的煙氣，考慮到一般可燃物在燃燒一段時間后煙氣生成速率會趨于定值，模擬中將煙氣生成速率設為定值，根據(jù)NFPA 92B推薦公式[7]，求得煙氣生成速率為4.2 kg·s-1。

3　加壓送風效果影響因素模擬結果分析

3.1前室送風口數(shù)量的影響

本節(jié)將針對前室送風系統(tǒng)中送風口開啟數(shù)量對防煙效果的影響進行模擬分析。建立模型時，采用前室單獨送風的防煙方式，按照《防排煙規(guī)范》規(guī)定的計算方法對建筑模型的加壓送風量進行設計，由計算法和查表法得到：當只開1層加壓送風口時，其加壓送風量取19 120 m3·h-1，同時開啟著火層及其上層的送風口時，送風量取22 536 m3·h-1，同時開啟著火層及其上下兩層的送風口時，送風量取33 372 m3·h-1。選取4層、8層、12層和16層為假定著火層，模擬時打開相應的前室送風口及樓梯間門和前室門，得到開門門洞風速，其他參數(shù)保持不變，在保證加壓送風量合理的基礎上，模擬得到前室開啟的送風口數(shù)量不同時，風量的分配情況，結果見表1。

表1　前室送風口開啟數(shù)量與門洞風速的關系

由表中數(shù)據(jù)可知，同時打開著火層及其上下兩層的送風口，并打開3層的疏散門時，分配到著火層疏散門的門洞風速值均≤0.4 m·s-1，約為其上層樓梯間門洞風速值的50%。假定16層著火，當開門樓層數(shù)為3層時，17層的樓梯間門洞風速值為0.78 m·s-1，而對防煙效率需求最高的16層的門洞風速值僅為0.4 m·s-1；當開門樓層數(shù)為2層時，17層的樓梯間門洞風速值為0.61 m·s-1，而對防煙效率需求最高的16層的門洞風速值僅為0.42 m·s-1；僅開1層送風口及疏散門時，16層的樓梯間門洞風速值則為0.82 m·s-1，提高了0.4 m·s-1。由此可見，在前室單獨送風的加壓送風方式中，開啟3層或2層前室送風口及疏散門時，著火層的疏散門得不到有效的保護，而只開啟著火層的送風口，其防煙效果比較好。

3.2前室送風口尺寸的影響

在實際工程中，影響防煙效果的諸多問題只能在施工及驗收過程中發(fā)現(xiàn)及解決[8-9]，而如何在建筑防煙系統(tǒng)的設計環(huán)節(jié)解決當著火層位置不同時，開門門洞風速值的差異問題，可以從改變前室送風口的尺寸方面考慮。

本節(jié)模擬時采用前室單獨送風的防煙方式，加壓送風量取19 120 m3·h-1，分別選取4層、8層、12層、15層、18層為假定著火層，設置著火層前室送風口及樓梯間門和前室門為打開狀態(tài)。建筑模型中前室送風口的尺寸為0.4 m×0.4 m，當各層送風口尺寸相同時，模擬得到各假定著火層開門門洞風速值如表2所示?？梢?，距風機較遠的4層樓梯間門洞風速值為0.51 m·s-1，著火層為18層時的門洞風速值為0.82 m·s-1，約為4層的1.6倍，要使距風機較遠樓層的門洞風速值均達到18層的數(shù)值，可以改變各層送風口的尺寸以提高其防煙效果。

表2　各層送風口尺寸相同時的風速值

建立模型時分別改變4層、8層、12層和15層的送風口尺寸設置，且只改變送風口面積而不改變其形狀，其他參數(shù)保持不變，模擬得到送風口尺寸與門洞風速值之間的關系，結果見表3。由表可知，要保證著火層位置不同時，開門門洞風速值基本相同，則隨著樓層位置的降低，其送風口尺寸呈遞增趨勢，此外，當著火層位于12層時，送風口尺寸為0.50 m×0.50 m，而8層時，尺寸增大至0.65 m×0.65 m，即著火層位于建筑中部時，要保證相同的風量，不同樓層間送風口尺寸變化最為明顯。因此，在高層建筑防煙系統(tǒng)的設計過程中，為保證著火層位置的變化不影響到前室加壓送風系統(tǒng)的防煙效果，設計人員可以按照隨距風機距離增大而遞增的規(guī)律來設計前室的送風口尺寸。

表3　送風口尺寸與門洞風速的關系

對送風口尺寸隨送風口位置與風機距離的變化規(guī)律進行擬合，發(fā)現(xiàn)符合指數(shù)規(guī)律，其公式為：

(1)

式中，s為送風口面積，m2；x為送風口距風機的距離，m。擬合結果如圖2所示，R2為0.982 1。

圖2　　　　前室送風口面積與距風機距離

4　結論

在高層建筑的防煙系統(tǒng)中，有多種因素會影響防煙樓梯間的加壓送風效果，本文采用模擬的方法建立網絡模型對影響加壓送風效果的幾個因素進行了討論分析，得到以下幾點結論：(1)在高層建筑防煙系統(tǒng)的設計過程中，為保證著火層位置的變化不影響到前室加壓送風系統(tǒng)的防煙效果，設計人員可以按照隨著距風機距離增大而呈指數(shù)遞增的規(guī)律來設計前室的送風口尺寸；(2)對前室單獨送風的加壓送風方式中，在保證加壓送風量合理的基礎上，只開啟著火層的送風口，其防煙效果比較好。

[1] 徐志勝，姜學鵬.防排煙工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：89-92.

[2] 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，2009：295-299.

[3] 黃恒棟，譙京旭，洪榮澤.高層建筑火災安全學概論[M].成都:四川科學技術出版社，1992：6-8.

[4] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 趙岐華.通風與空氣調節(jié)工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2008.

[6] WALTON G N,DOLS W S.Contam3.0 User Guide and Program Documentation[R].National Institute of Standards and Technology,Technical Report NISTIR:7251,2010.

[7] Guide for Smoke Management Systems in Malls，Atria and Large Areas:NFPA 92B[S].National Fire Protection Association，1995.

[8] 馮瑞，霍然，王冰凌，等.高層建筑加壓送風系統(tǒng)設計的實驗研究[J].中國工程科學，2006，8(4)：79-85.

[9] 馮瑞，霍然，王冰凌，等.高層建筑加壓送風系統(tǒng)影響因素的實驗研究[J].消防科學與技術，2006，25(2)：204-206.

(責任編輯、校對李蕾)

Network Simulation on the Influence Factors of the Mechanical Air Supply Effect of Smoke-proof Staircase in High-rise Buildings

LI Sichenga, LIU Haixiaob

(a.DepartmentofFireCommanding;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Mechanical air supply method is the most common method used in vertical means of escape to control the spread of smoke. In order to ensure smoke-proof effect, plenty of factors need to be considered into the progress of design and construction for mechanical air supply system. So, studying the factors which influence the smoke-proof effect of the staircase in high-rise building is useful for designing reasonable smoke control system. In this paper, an 18-floors building is used as a sample, and the network simulation software CONTAM is used to simulate the influence of the number and size of outlets on the smoke-proof effect of staircase. The results show that: Designers can design the size of outlets by exponential increasing law with the increasing distance between the fan and the opening air supply outlet. Besides, when the outlet of the fire floor is opened individually, it showed better smoke-proof effect.

high-rise building; smoke-proof staircase; mechanical air supply; CONTAM; air velocity of escape door

2016-02-26

國家自然科學基金(51278493)

李思成(1977—)，男，山東鄆城人，副教授； 劉海嘯(1995—)，女，天津武清人，安全技術及工程專業(yè)在讀碩士研究生。

●火災預防

TU972.4

A

1008-2077(2016)04-0044-04