“Z型”中庭煙氣流動(dòng)及自然排煙特性實(shí)驗(yàn)研究

黃 斌，舒 雅，姚 斌

(1.海南省?？谑泄蚕乐ш?duì)，?？?，570200；2.四川法斯特消防安全性能評(píng)估有限公司，成都，610000；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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“Z型”中庭煙氣流動(dòng)及自然排煙特性實(shí)驗(yàn)研究

黃 斌1，舒 雅2，姚 斌3*

(1.海南省?？谑泄蚕乐ш?duì)，?？?，570200；2.四川法斯特消防安全性能評(píng)估有限公司，成都，610000；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

“Z型”中庭自然排煙設(shè)計(jì)已經(jīng)在部分高層建筑中實(shí)際運(yùn)用。然而，現(xiàn)有規(guī)范對(duì)此類設(shè)計(jì)方法無具體指導(dǎo)性消防安全要求，同時(shí)缺乏相關(guān)研究。通過在海南某高層建筑中開展全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，選取中庭和辦公室不同火災(zāi)區(qū)域和規(guī)模，在不同外界風(fēng)向和風(fēng)速下，通過監(jiān)測(cè)有毒氣體濃度、煙氣溫度和能見度以及煙氣層厚度等參數(shù)，研究超過12 m的“Z型”高大中庭煙氣流動(dòng)特性及自然排煙效果，并分析其對(duì)中庭和人員安全性的影響。研究結(jié)果表明：該建筑采用“Z型”中庭能夠有效排出煙氣，自然排煙設(shè)計(jì)合理。所得結(jié)論可為消防部門審核該項(xiàng)目提供參考，也為類似高大中庭自然排煙設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

“Z型”中庭；自然排煙；全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)；煙氣流動(dòng)特性；消防安全

0 引言

建筑中庭一般連通多個(gè)樓層，一旦發(fā)生火災(zāi)容易造成火勢(shì)和煙氣快速向整個(gè)中庭擴(kuò)散蔓延。同時(shí)，因其內(nèi)部空間大、使用功能復(fù)雜、火災(zāi)載荷的不確定性，使得設(shè)計(jì)上難于實(shí)現(xiàn)防火、防煙完全分隔。有毒煙氣的蔓延擴(kuò)散是火災(zāi)中致人死亡的主要原因。前人試驗(yàn)證明，煙氣豎向擴(kuò)散速度約為4 m/s[1]，煙氣在25 s左右就能蔓延到100 m高的建筑頂部，將順著垂直通道從底層擴(kuò)散到頂層。燃燒產(chǎn)生的大量有毒氣體擴(kuò)散后，可能會(huì)致使人員呼吸困難甚至窒息死亡。熱煙氣還會(huì)引燃周邊的可燃物，如不及時(shí)控制火勢(shì)將迅速向四周擴(kuò)大蔓延，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。典型案例如：1996年4月2日沈陽(yáng)市沈陽(yáng)商業(yè)城發(fā)生火災(zāi)，因消防設(shè)施停用，造成火勢(shì)從中庭向各樓層擴(kuò)散蔓延，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失5519.2萬元，所幸火災(zāi)發(fā)生在下班后，否則有可能造成重大人員傷亡。

諸多國(guó)內(nèi)研究者已對(duì)中庭煙氣流動(dòng)及自然排煙特性進(jìn)行了研究。如：孫等[2]主要針對(duì)中庭火災(zāi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，確定了火災(zāi)時(shí)高大中庭煙氣流動(dòng)規(guī)律?；舻萚3]通過模擬計(jì)算分析，對(duì)中庭火災(zāi)防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，結(jié)果表明排煙口的合理布置對(duì)中庭整體排煙效果起關(guān)鍵作用。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建造了一個(gè)大空間實(shí)驗(yàn)廳，該大空間外部長(zhǎng)22.4 m，寬12 m，高27 m，共6層全聯(lián)通模擬實(shí)際中庭情況，每層在東西面設(shè)有自然通風(fēng)排煙窗共8個(gè)，在頂部還設(shè)有4部機(jī)械排煙風(fēng)機(jī)，對(duì)中庭自然排煙和機(jī)械排煙進(jìn)行了多次研究，在大空間煙氣的填充、機(jī)械排煙和自然排煙，水噴淋與排煙的互相作用等方面取得了一系列研究成果；在澳大利亞和英國(guó)等國(guó)家也開展了一些中庭自然排煙的研究，其排煙口主要是設(shè)置在屋頂或側(cè)墻上，研究發(fā)現(xiàn)排煙口的尺寸、室外設(shè)計(jì)溫度和室外風(fēng)等因素對(duì)中庭自然排煙效果影響較大。

本文將針對(duì)海南某商務(wù)廣場(chǎng)“Z型”中庭自然排煙的實(shí)際情況，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究該類中庭自然排煙的效果，主要研究確定不同著火區(qū)域、不同熱釋放速率、不同外界風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)超過12 m的高大中庭火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開展

1.1 建筑中庭尺寸

本次實(shí)驗(yàn)中庭貫穿建筑十六至二十七層，建筑面積13533 m2。十六層南面設(shè)為進(jìn)風(fēng)口，布置成室內(nèi)空中花園，屬于架空層。二十七層北面設(shè)為排風(fēng)口，同樣布置成室內(nèi)空中花園，也屬于架空層，與中庭構(gòu)成了類似于“Z型”的煙氣流通通道，故又稱此中庭為“Z型”中庭。十六層至二十七層，層高3.55 m，“Z型”中庭高42.6 m，每層中庭面積約為400 m2。建筑中庭剖面圖如圖1所示。

同時(shí)，為保證自然排煙效率，在建筑每層?xùn)|西兩側(cè)增設(shè)樓層輔助排煙窗，每側(cè)布置2扇(除二十六層、二十七層外)，每扇窗尺寸為1.125 m×2.4 m，每扇排煙窗開窗面積2.7 m2，即每層中庭排煙窗面積合計(jì)10.8 m2。排煙窗設(shè)在玻璃幕墻上，玻璃幕墻離主體建筑(混凝土部分)0.6 m，窗戶底離地面1.1 m。二十六層、二十七層?xùn)|西兩側(cè)各布置1扇排煙窗，即該兩層每層中庭排煙窗面積合計(jì)5.4 m2。

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

“Z型”中庭全尺寸火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)首要任務(wù)是確定實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際情況分析，本實(shí)驗(yàn)選取的火災(zāi)場(chǎng)景分別在中庭底部、中部和頂部。假設(shè)建筑十六至二十七層的主要可燃物為中庭和走廊中供人休息的沙發(fā)和座椅以及辦公室內(nèi)的辦公家具及用品等。根據(jù)綜合分析，分別選取以下8個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)?；馂?zāi)場(chǎng)景說明見表1所示[4]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到4.0 MW和6.0 MW的火偏大，可能會(huì)對(duì)人員和建筑的安全造成威脅。因此，現(xiàn)場(chǎng)采取減小火源功率的方式開展全尺寸模擬實(shí)驗(yàn)，各場(chǎng)景選用的火源功率見表2。并且通過在中庭底部中央同一著火點(diǎn)不同火源功率的實(shí)驗(yàn)，觀察不同火源功率下“Z型”中庭煙氣蔓延規(guī)律和煙氣流動(dòng)情況。

圖1 某商務(wù)廣場(chǎng)南北向剖面圖Fig.1 North-south cross-sectional view of one business square

表1 火災(zāi)場(chǎng)景說明表

表2 實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景火源功率選用情況

1.3 實(shí)驗(yàn)開展

(1)實(shí)驗(yàn)燃料

(2)熱電偶布置及采集

準(zhǔn)備3串型號(hào)為K型的熱電偶，熱電偶直徑0.5 mm。K型熱電偶的組成材料是鎳硅合金和鎳鉻合金。3串熱電偶分別布置在中庭內(nèi)南北兩側(cè)的中間處和火源附近(見圖2)，貫穿整個(gè)中庭，為準(zhǔn)確測(cè)得煙氣在“Z型”中庭中的流動(dòng)速度和煙氣溫度，分為長(zhǎng)、短兩種熱電偶串。長(zhǎng)串熱電偶上每隔2 m布置一個(gè)熱電偶，每串21個(gè)，連接熱電偶的電纜長(zhǎng)度不小于55 m，共1串，布置在中庭正中央東側(cè)3 m處，主要用于中庭中央部位煙氣溫度的測(cè)量；短串熱電偶每隔1 m布置一個(gè)熱電偶，每串18個(gè)，連接熱電偶的電纜長(zhǎng)度不小于40 m，共2串，安裝在中庭南北向中間位置，用于測(cè)量中庭南北兩側(cè)的煙氣溫度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集由安裝好數(shù)據(jù)收集軟件的計(jì)算機(jī)完成。

圖2 熱電偶布置圖Fig.2 Thermocouple arrangement

(3)攝像機(jī)的布置

攝像機(jī)布置在中庭首層(十六層)兩臺(tái)和中庭頂層(二十七層)排氣口處一臺(tái)，中庭首層一臺(tái)攝像機(jī)拍攝火源、另一臺(tái)攝像機(jī)布置在中庭一側(cè)，重點(diǎn)拍攝整個(gè)中庭內(nèi)的煙氣擴(kuò)散蔓延情況，排氣口攝像機(jī)拍攝煙氣排出排氣口時(shí)的情況。攝像機(jī)記錄從人員布置設(shè)備到數(shù)據(jù)收集結(jié)束的全過程。

(4)大風(fēng)扇的布置

進(jìn)風(fēng)口高速風(fēng)模擬：在十六層架空層進(jìn)風(fēng)口布置3臺(tái)大風(fēng)扇。在中庭底層和中庭中間層實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過大風(fēng)扇提高進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速，模擬在大風(fēng)情況下火災(zāi)煙氣蔓延情況。

排風(fēng)口逆風(fēng)模擬：在中庭底層實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取一個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在二十七層架空層排風(fēng)口處分別布置3臺(tái)大風(fēng)扇，模擬在逆風(fēng)情況下火災(zāi)時(shí)煙氣的擴(kuò)散情況。

要求風(fēng)扇配置變頻控制器，能夠改變風(fēng)速，模擬不同的外界風(fēng)速。

風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為3800±100轉(zhuǎn)，風(fēng)量約為20000±550 m3/h，尺寸為500 mm×650 mm×900 mm，能制造的最大風(fēng)速為16 m/s，能夠滿足海南常年的最大風(fēng)速。

(5)片光源激光器的布置

該儀器主要用于火場(chǎng)中煙氣粒子擴(kuò)散情況的成像監(jiān)測(cè)。根據(jù)不同火災(zāi)場(chǎng)景，分別布置在不同樓層開展監(jiān)測(cè)。

(6)有毒氣體偵檢儀的布置

布置在火源上一層的走廊邊，開始實(shí)驗(yàn)后每隔1 min對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體濃度進(jìn)行一次檢測(cè)并記錄。重點(diǎn)記錄一氧化碳的濃度值。現(xiàn)場(chǎng)手持有毒氣體偵檢儀的人員要帶上空氣呼吸器并做好個(gè)人防火，確保個(gè)人人身安全。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到熱輻射對(duì)熱電偶所測(cè)量煙氣溫度的影響，靠近油盆附近的熱電偶所測(cè)的煙氣溫度值可能存在偏差，可忽略不計(jì)。在十六層實(shí)驗(yàn)時(shí)，只統(tǒng)計(jì)了從上至下共12個(gè)熱電偶所測(cè)煙氣溫度值；在二十二層和二十七層實(shí)驗(yàn)時(shí)，統(tǒng)計(jì)從上至下共8個(gè)熱電偶所測(cè)煙氣溫度值。

2.1 不同風(fēng)速條件下“Z”型中庭排煙能力的分析

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了兩天，風(fēng)速比較穩(wěn)定，通過風(fēng)速儀具體測(cè)得風(fēng)速的平均值見表3。由表3可知，在整個(gè)“Z型”中庭里，一直存在穩(wěn)定的氣流，由16層南部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，然后垂直向上，從27層北部排風(fēng)口排出。另，實(shí)驗(yàn)3由于下雨，大量的風(fēng)從27層排煙口倒灌進(jìn)入中庭，等同于用大風(fēng)扇模擬逆風(fēng)情況開展實(shí)驗(yàn)。

表3 風(fēng)速儀測(cè)得風(fēng)速的平均值

根據(jù)海南常年各風(fēng)向頻率，可以看出西南風(fēng)占的比率較高，使得在本次實(shí)驗(yàn)的“Z型”中庭中，可以形成穩(wěn)定的縱向風(fēng)。在無風(fēng)的情況下，火焰和煙氣會(huì)一起沿縱向火源的兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)展。此次實(shí)驗(yàn)中，在一定的縱向風(fēng)速下，火焰和煙氣會(huì)產(chǎn)生分離。以實(shí)驗(yàn)1為例，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.4 m/s時(shí)，火焰與煙氣在火源上方分離，火焰和大部分煙氣向北側(cè)偏轉(zhuǎn)，但仍有部分煙氣向南側(cè)流動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)2中，風(fēng)速增大至3.3 m/s，火焰的偏轉(zhuǎn)角更大，煙氣南側(cè)流動(dòng)受到抑制，基本向北側(cè)流動(dòng)。可見，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速越大，煙氣越集中在中庭北側(cè)。

2.2 不同火災(zāi)場(chǎng)景下“Z”型中庭排煙能力的分析

從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及熱電偶溫度變化可以判斷，由于中庭空間高大，所有實(shí)驗(yàn)煙氣沉降高度未超過20 m。因此，熱電偶分析圖選擇的是中庭上方24 m內(nèi)的熱電偶開展分析。

(1)實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)1中，南北兩側(cè)分別選取了上方24 m中的12個(gè)熱電偶，從上到下編號(hào)分別是第1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)……23號(hào)。中間選取的熱電偶是從上到下的1號(hào)～12號(hào)。

柴油點(diǎn)燃后，油池火立即熊熊燃燒。在前1 min內(nèi)，火焰的形狀尚不清晰，火焰高度不足1.5 m。但火焰尖端很快達(dá)到3.0 m以上(如圖3)，同時(shí)產(chǎn)生大量翻滾的濃煙，實(shí)驗(yàn)具體溫度變化曲線圖如圖4所示。北側(cè)熱電偶溫升較中間熱電偶慢是因?yàn)榛鹪丛谡虚g，煙氣首先到達(dá)中間熱電偶。而溫度峰值為46℃左右，比中間熱電偶要高出4℃，這是因?yàn)橛捎诖嬖谟赡现帘?，由下至上的氣流，使得煙氣向北?cè)偏移、聚積。而南側(cè)的熱電偶溫升僅有2℃左右，這是因?yàn)闅饬鲗煔舛即档搅吮眰?cè)，使得南側(cè)煙氣較少、較稀。從圖4可以看出，最上面的三個(gè)熱電偶溫度并不是最高的。這是因?yàn)?7層北側(cè)有開口，大量的煙氣從此處流出，使得煙氣溫度降低所致。這也從側(cè)面說明了Z型中庭對(duì)煙氣流動(dòng)的影響是很大的。

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Site scene of experiment 1

(2)實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)2選取的熱電偶位置與實(shí)驗(yàn)1相同，火源位置也相同，但火源功率增大了一倍。風(fēng)速較實(shí)驗(yàn)1略有增大，具體溫度變化如圖4所示。從圖4中可以看出，實(shí)驗(yàn)2的溫度變化同實(shí)驗(yàn)1類似，只是溫度升的更高，上升的速度也更快。中間熱電偶最高溫度達(dá)49℃，北側(cè)最高溫度達(dá)53℃，但整體煙氣變化所用的時(shí)間沒有延長(zhǎng)。理論分析，在沒有風(fēng)的情況下，實(shí)驗(yàn)2的煙氣排放時(shí)間會(huì)比實(shí)驗(yàn)1長(zhǎng)很多。但由于實(shí)驗(yàn)2的風(fēng)速比實(shí)驗(yàn)1高(16層南側(cè)，實(shí)驗(yàn)1為2.4 m/s，實(shí)驗(yàn)2為3.3 m/s；27層北側(cè)，實(shí)驗(yàn)1為0.62 m/s，實(shí)驗(yàn)2為1.2 m/s)，使得煙氣排放時(shí)間并沒有增加，甚至略有減少。這說明了風(fēng)速對(duì)“Z型”中庭的排煙能力有較大的影響，適當(dāng)增加風(fēng)速，可以較大的提高建筑的人員安全性。

圖4 實(shí)驗(yàn)1、2熱電偶溫度曲線變化圖Fig.4 Thermocouple temperature curve graph of experiment 1 and 2

(3)實(shí)驗(yàn)3、4、5、6、7、8

實(shí)驗(yàn)3是在下雨初期進(jìn)行的，這時(shí)風(fēng)速較大，約為3 m/s。風(fēng)從27層排煙口倒灌進(jìn)入，使得上升的煙氣出現(xiàn)紊亂，同時(shí)由于向下的風(fēng)壓大于向上的煙氣浮力，致使煙氣無法正常從27層排煙口排出，造成煙氣大量的在16層(著火層)停留、擴(kuò)散蔓延，使得16層煙氣濃度較大，存在較大危險(xiǎn)，而其他樓層則相對(duì)安全。

實(shí)驗(yàn)4、實(shí)驗(yàn)5分別在16層的西南和東北兩個(gè)角進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)6、實(shí)驗(yàn)7中，南北兩側(cè)分別選取了上方16 m中的8個(gè)熱電偶，從上到下分別是第1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)。15號(hào)。中間選取的熱電偶是從上到下的1號(hào)～12號(hào)。

從實(shí)驗(yàn)6中可以看出，在22層南側(cè)點(diǎn)燃火源，產(chǎn)生大量煙氣，煙氣達(dá)到22層頂部，形成射流，迅速蔓延至整個(gè)22層南側(cè)。然后少部分煙氣從南側(cè)東西兩邊排煙窗排出室外，大部分煙氣溢流到中庭，沿中庭墻體逐漸向上蔓延。著火層上兩層南側(cè)能見度較低，煙氣全覆蓋該兩層南側(cè)，如果人員無法及時(shí)通過走廊疏散到防煙樓梯間，應(yīng)在房間內(nèi)等待救援。中間熱電偶只有最上面兩個(gè)有明顯的溫升，這是因?yàn)闊煔鉀]有聚積，到達(dá)頂部后迅速排出。南側(cè)的第11、13個(gè)熱電偶溫升明顯，是因?yàn)檫@兩個(gè)熱電偶在火源附近，因?yàn)闊彷椛涠鴮?dǎo)致溫度升高。

實(shí)驗(yàn)7的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)6類似。區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)7中間熱電偶沒有明顯溫升，這是因?yàn)?中煙氣從北側(cè)上升，而氣流在27層頂部由南至北，使得煙氣沒有接觸中間熱電偶。從這兩組實(shí)驗(yàn)可以看出，在單層發(fā)生火災(zāi)，煙氣在這一樓層會(huì)迅速蔓延，使得能見度迅速降低，CO、CO2濃度、溫度迅速升高，對(duì)人員安全造成很大威脅。在火災(zāi)層的上兩層，也會(huì)有大量的煙氣進(jìn)入，較為危險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)8在27層南側(cè)走廊進(jìn)行，由于實(shí)驗(yàn)是在最頂層進(jìn)行的，而且沒有向下的氣流，所以煙氣不會(huì)向下蔓延，其他樓層比較安全。在27層，風(fēng)由南至北，使得煙氣可以掠過中間和北側(cè)最上面的熱電偶，造成明顯的溫度變化。

2.3 不同火災(zāi)場(chǎng)景下CO濃度分析

在27層北側(cè)出風(fēng)口布置有毒氣體偵檢儀，用來測(cè)量CO濃度，具體的CO濃度-時(shí)間變化曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2工況類似，但實(shí)驗(yàn)2功率比其他實(shí)驗(yàn)大一倍，所以在27層，CO濃度也是最高的。實(shí)驗(yàn)3是倒灌工況，27層沒有CO檢出。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，最高的CO濃度出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)2的第7分鐘，為37 ppm。人的CO耐受極限為500 ppm，可見，在27層出口處CO的濃度已經(jīng)對(duì)人體構(gòu)不成太大的影響，“Z型”中庭有較好的自然排煙能力。

圖5 CO濃度-時(shí)間曲線圖Fig.5 CO concentration - time curves

2.4 不同火災(zāi)場(chǎng)景下煙氣層厚度分析

在建筑火災(zāi)中，人們通常比較關(guān)注熱煙氣的沉降和蔓延，而煙氣層界面的高度位置可以通過檢測(cè)溫度、能見度和燃燒產(chǎn)物的濃度的變化而得知。在實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)，煙氣層界面的溫度、能見度和燃燒產(chǎn)物的濃度在縱向上是連續(xù)變化的，不過變化速率比較劇烈。

通過布置在16層的攝像機(jī)來觀察煙氣層的變化情況。觀察實(shí)驗(yàn)1：測(cè)得“Z型”中庭內(nèi)的室溫為30.5℃，從視頻中可以看出點(diǎn)火前12盞燈的亮度相近，都很明亮，能清晰見到燈的輪廓，這表明中庭內(nèi)無煙氣，能見度高；點(diǎn)火之后，火焰的輪廓漸漸清晰，大量黑色煙氣向上翻滾，呈現(xiàn)錐形擴(kuò)張。但由于南側(cè)進(jìn)風(fēng)，火焰和煙氣均向中庭北側(cè)偏移(實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1中庭能見度如圖6)。16 min時(shí)，煙氣基本上全部排放完畢[5]。

此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，煙氣的最高溫點(diǎn)和濃度最大點(diǎn)在北側(cè)，而不是火源上方的頂棚處，距頂棚10 m左右處。這是由于縱向通風(fēng)流過火區(qū)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，又由于上側(cè)有向外的風(fēng)，使得頂部溫度變低所致。我們用錄像法來定量的測(cè)量煙氣層的厚度。取煙氣層剛剛接觸指示燈，衰減度為0的時(shí)間為t1，取煙氣層完全漫過指示燈，衰減度為1的時(shí)間為t2。從t1～t2之間選取一個(gè)時(shí)間點(diǎn)t0，即為煙氣層到達(dá)此指示燈的時(shí)間[6]。則有：

(1)

其中，P為在區(qū)間(t1，t2)選取合適值的百分比，參考相關(guān)文獻(xiàn)取P為0.3。

煙氣層降到一定高度以后，由于存在煙囪效應(yīng)，大量煙氣會(huì)從27層開口處排出。因此，煙氣層厚度會(huì)逐漸減少，我們?nèi)煔怆x開指示燈的時(shí)間為t0。綜合兩個(gè)時(shí)間，即可得到煙氣層高度的變化。

(1)實(shí)驗(yàn)裝置布置

在實(shí)驗(yàn)空間中庭正中央，布置有40 W的電燈泡12個(gè)，每層一個(gè)，相距為3.55 m。從上至下編號(hào)分別為1～12。具體地，指示燈對(duì)應(yīng)高度如表4所示：

圖6 不同時(shí)段實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1中庭能見度Fig.6 Atrium visibility in the different periods of experiment 1

表4 實(shí)驗(yàn)燈泡布置高度

Table 4 Bulb height layout in the experiment

燈號(hào)123456789101112高度(m)42.639.0535.531.9528.424.8521.317.7514.210.657.13.55

攝像機(jī)布置在中庭首層(十六層)兩臺(tái)和中庭頂層(二十七層)排氣口處一臺(tái)，中庭首層一臺(tái)攝像機(jī)拍攝火源、另一臺(tái)攝像機(jī)布置在中庭一側(cè)，重點(diǎn)拍攝整個(gè)中庭內(nèi)的煙氣擴(kuò)散蔓延情況，排氣口攝像機(jī)拍攝煙氣排出排氣口時(shí)的情況。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

我們以實(shí)驗(yàn)1為例，定量地說明煙氣層的厚度變化。觀察攝像機(jī)，得到煙氣接觸各指示燈的時(shí)間t1，根據(jù)將指示燈的標(biāo)號(hào)換算成所代表的高度，繪成煙氣層高度變化圖如圖7所示。

圖7 煙氣層高度變化圖Fig.7 Smoke layer height variation

從圖7中可以看出，火源開始燃燒，煙氣層迅速下降，最低可以下降到10 m左右，而且持續(xù)了不短的一段時(shí)間(240 s左右)。而之后，煙氣迅速排出，煙氣層高度迅速上升，在200 s之內(nèi)即上升至最高層排出。這與目測(cè)法的觀察結(jié)果還有熱電偶法的計(jì)算結(jié)果是相類似的。

錄像法在確定煙氣層的厚度方面是比較準(zhǔn)確的。與目測(cè)法相比，它將煙氣層厚度的計(jì)算定量化，使得其更準(zhǔn)確、可信。與熱電偶法相比，它將煙氣層的高度直接反映在圖表上，而不是通過溫度的變化來分析煙氣的變化，使得其更直觀、形象。因此，這種方法是計(jì)算煙氣層厚度的非常值得拓展的新型測(cè)量法。通過它，我們也可以更直觀的看到Z型中庭具有的較強(qiáng)的排煙能力。

3 結(jié)論

本文針對(duì)大型公共建筑的煙氣控制進(jìn)行研究，并結(jié)合“Z型”中庭自然排煙工程實(shí)例，分析了高大中庭火災(zāi)危險(xiǎn)性，設(shè)定了不同工況、不同位置的火災(zāi)場(chǎng)景，進(jìn)行“Z型”中庭全尺寸火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1.在海口地區(qū)，高度不超過45 m的“Z型”中庭內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，通過自然排煙方式能及時(shí)、有效的排出中庭內(nèi)的煙氣，基本能保障人員安全疏散要求。

2.“Z型”中庭一旦發(fā)生火災(zāi)，著火層北側(cè)的上面樓層存在能見度較低，有毒煙氣濃度較高的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)后期管理，減少公共區(qū)域的可燃物。并加大建筑內(nèi)人員的培訓(xùn)力度，確保所有人都懂得使用簡(jiǎn)易防煙設(shè)施而自我逃生疏散；同時(shí)，應(yīng)采取一定的擋煙措施，如在中庭的北側(cè)增設(shè)電動(dòng)擋煙垂壁等，并加強(qiáng)消防設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)以確保完整好用。

3.為確保能及時(shí)探測(cè)到高大中庭火災(zāi)，應(yīng)根據(jù)中庭實(shí)際情況加裝火焰探測(cè)器，與現(xiàn)有的感煙探測(cè)器形成復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。

[1] 楊景宇, 李飛. 中華人民共和國(guó)消防法釋義[M]. 北京: 中國(guó)市場(chǎng)出版社, 2009: 114-115.

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Experimental research on smoke flow and natural smoke exhaust features of Z-shaped atrium

HUANG Bin1， SHU Ya2， YAO Bin3

(1. Haikou Fire Detachment, Hainan 570200, China；2. Faster Fire Safety Performance Evaluation Limited of Sichuan, Chengdu 610000, China;3. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The design of natural smoke exhaust system for the “Z” shaped atrium has already been used in some high-rise buildings. However, the existing standard of the design method for such atriums has no specific guidance on fire safety requirements, and lacks of related research. This paper reported a full-scale fire experiment in a high-rise building in Hainan for different fire areas and scales in atrium and offices. For over 12 meters “Z” shaped tall atrium, we studied the smoke flow characteristics and the effect of natural smoke exhaust with different external wind directions and wind speeds. Then we analyzed the influence of the smoke flow and the natural smoke exhaust on the atrium and personnel safety, by monitoring the concentration of toxic gas, flue gas temperature, visibility and flue gas thickness and so on. The results showed that the building which adopts the “Z” shaped atrium can effectively discharge flue gas, and the natural smoke exhaust design is reasonable. The conclusion provides reference for fire departments to review the projects and also provides a scientific basis for design of natural smoke exhaust in similar types of tall atriums.

“Z” shaped atrium; Natural smoke exhaust; Full-scale fire experiment; Smoke flow characteristics; Fire safety

1004-5309(2016)-00140-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.03.04

2016-01-28；修改日期：2016-05-10

黃斌(1984-)，男，海南海口人，中國(guó)科技大學(xué)工程碩士，?？谑泄蚕乐ш?duì)工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ阑稹?/p>

姚斌，E-mail: binyao@ustc.edu.cn

TU998.1；X932

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