基于正交分析的防煙緩沖區(qū)參數(shù)設(shè)置研究*

趙賢周汝王曉棟謝娟何嘉鵬

（1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 南京210009； 2.南京工業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 南京210009；3.江蘇省城市與工業(yè)安全重點實驗室 南京210009）

基于正交分析的防煙緩沖區(qū)參數(shù)設(shè)置研究*

趙賢1，3周汝2，3王曉棟1，3謝娟2，3何嘉鵬1，3

（1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 南京210009； 2.南京工業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 南京210009；3.江蘇省城市與工業(yè)安全重點實驗室 南京210009）

為了研究典型長廊型高層建筑中走廊－前室緩沖區(qū)不同參數(shù)設(shè)置對煙氣控制的影響，利用FDS軟件建立長廊型高建筑火災(zāi)煙氣運動模型。利用空氣幕配合正壓送風(fēng)在前室門前形成防煙緩沖區(qū)，運用正交設(shè)計的方法分析流量比、空氣幕射流速度以及空氣幕射流角度對緩沖區(qū)防煙能力的影響，得出防煙緩沖區(qū)最佳模式為空氣幕送風(fēng)量與前室加壓送風(fēng)量之比為2∶1，空氣幕射流速度為8m／s，空氣幕射流角度為30°。與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式相比 ，防煙緩沖區(qū)最佳模式下，前室的平均CO濃度降低了99.99%，平均溫度降低了98.47% ，防煙緩沖最佳模式使前室加壓送風(fēng)量減少了1／3，樓梯間加壓風(fēng)量減少22.56% ，節(jié)約了送豎井的地面積，減少了進入走廊和火場區(qū)的送風(fēng)量，使排煙效率提高了8.76%。

高層建筑 煙氣控制 正交設(shè)計 緩沖區(qū)

0 引言

高層建筑火災(zāi)中，80%以上的遇難者是由于煙氣中毒窒息致死［1］。近年來，國內(nèi)外對狹長走廊的火災(zāi)煙氣研究主要集中在煙氣擴散特性以及毒害性上。針對自然排煙、機械排煙以及機械排煙與加壓送風(fēng)防煙相組合3種防排煙方式的不足，前人引入了空氣幕防煙的模式。國內(nèi)外對空氣幕防煙的研究已取得一定的成果，F(xiàn)ELISF等［2］對空氣幕的防煙、防熱能力進行了測量與分析；LUO N等［3］對空氣幕條縫寬度、射流速度以及射流角度對防煙效果的影響進行了分析；何嘉鵬等［4］將傳統(tǒng)正壓防排煙模式與防煙空氣幕模式進行組合形成走廊 －前室緩沖區(qū)，并對其防煙效果進行了分析；周汝等［5］對高層建筑火災(zāi)時煙氣的垂向組合控制進行了研究；LI JX等［6］對緩沖區(qū)模式下不同煙氣控制組合對防排煙效果的影響進行了分析。

本文利用FDS軟件對長廊型高層辦公建筑進行研究，運用正交設(shè)計對走廊－前室緩沖區(qū)空氣幕參數(shù)、空氣幕送風(fēng)量與前室加壓送風(fēng)量之比進行工況設(shè)置，通過對不同工況進行比較分析 ，以尋求最佳的組合模式。

1 物理模型

為研究典型長廊型高層建筑中防煙緩沖區(qū)不同參數(shù)設(shè)置對煙氣控制的影響，以南京市一幢15層的長廊型高層辦公樓為研究對象。著火樓層選取第3層，平面示意圖見圖1。EP為1.2 m×0.5 m的排煙口，其中排煙口EP1在走廊左端15m處，EP2在走廊左端26m處；h為1.6m×0.2 m×0.5 m的擋煙垂壁，其中擋煙垂壁h1在EP1左端1m處，h2在EP2右端1m處；AC防煙空氣幕在前室門前2m處。樓梯間每3層設(shè)置1個加壓送風(fēng)口，送風(fēng)口尺寸為0.5m ×0.5 m。走廊長30m，寬1.6 m，凈高2.5 m；走廊兩邊進深4.8 m，開間6 m，層高3.2 m，室內(nèi)凈高3 m；前室門寬1.2m，高2m。

圖1 著火層平面示意

2 工況設(shè)置

2.1 邊界條件的確定

綜合考慮計算速度和精度，網(wǎng)格尺寸設(shè)為：著火層為0.1m×0.1 m×0.1 m，空氣幕的部位局部加密，非著火層網(wǎng)格尺寸為0.4m×0.4m×0.4m，樓梯間網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m，總網(wǎng)格數(shù)為206 640 0個。研究中不考慮外界風(fēng)的影響 ，著火房間門、著火層走廊到前室的門一直開啟。著火層前室到樓梯間的門 ，第1層到室外的門，第1層、第15層走廊到前室的門和前室到樓梯間的門以及天臺逃生門均180 s開啟，其余門窗包括電梯井及樓梯井門全部關(guān)閉。初始溫度為20℃，壓力取1.013×105Pa，環(huán)境溫度為0℃，火源功率為1.5MW，火源面積設(shè)為1m2，燃料為聚氨酯。

2.2 設(shè)置參數(shù)的確定

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》［7］，該樓層總的排煙量為7 200 m3／h。為了提高防煙緩沖區(qū)的防煙能力，排煙口EP1，EP2的排煙量分別為總排煙量的2／3，1／3。根據(jù)流速法，門洞風(fēng)速v＝0.7m／s，得出前室的加壓送風(fēng)量Q＝6 048 m3／h。工況設(shè)置時空氣幕送風(fēng)量與實際的前室加壓送風(fēng)量之和為原計算的前室加壓送風(fēng)量的2／3即4 032m3／h，此送風(fēng)量分成前室正壓送風(fēng)和緩沖區(qū)空氣幕。疏散樓梯間加壓送風(fēng)量按壓差法計算，傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式樓梯間加壓送風(fēng)量按 ΔP＝50 Pa計算，所得加壓送風(fēng)量為15 495m3／h。而采用緩沖區(qū)防煙模式時，此時前室的相對壓力在1～4 Pa，所以計算疏散樓梯間加壓送風(fēng)量時 ΔP取30 Pa，得出樓梯間加壓送風(fēng)量為12 000m3／h。與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式相比，樓梯間加壓送風(fēng)量減少了22.56%，從而減少了送風(fēng)豎井的面積。所有送風(fēng)、排煙系統(tǒng)均在60 s開啟。本文通過正交設(shè)計的方法，對空氣幕送風(fēng)量與前室加壓送風(fēng)量之比（A）、空氣幕射流速度（B）、空氣幕射流角度（C）這3個因素進行3因素3水平的設(shè)置，選擇L934的正交表，具體設(shè)置及計算見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬判據(jù)

火災(zāi)發(fā)生后60 s報警，人員在房間內(nèi)、走廊內(nèi)的行走速度分別為1.0，0.5 m／s，確認反應(yīng)時間為120 s，計算得到人員于發(fā)生火災(zāi)后180 s開始逃生，該樓層所需最大安全疏散時間為244.8 s，取300 s為判定依據(jù)。大量研究表明，煙層高于人眼特征高度時（通常1.2～1.8 m），若上部煙氣的熱輻射強度已對人產(chǎn)生危害就認為到了危險狀態(tài)，180℃為危險狀態(tài)的判定界限，文中取1.5 m處分析比較不同煙氣狀態(tài)。根據(jù)美國NFPA調(diào)查得知，火災(zāi)時CO的體積分?jǐn)?shù)高于2×10－3就可能造成中毒。因此，取CO體積分?jǐn)?shù)2×10－3為作為人員逃生危險判據(jù)。

3.2 最佳模式的選取

表1為模擬方案及指標(biāo)值。

根據(jù)表1中A，B，C三個因素所對應(yīng)的CO和溫度的極差可得出一定范圍內(nèi)影響防煙效率的主次關(guān)系：送風(fēng)量比＞空氣幕射流角度＞空氣幕射流速度。3個因素中因素A所對應(yīng)的CO的極差和溫度的極差最大，表明一定范圍內(nèi)因素A的改變對走廊－前室緩沖區(qū)防煙能力的影響最為顯著，應(yīng)優(yōu)先考慮，該因素對應(yīng)的優(yōu)水平為A3，最優(yōu)組合為A3B2C2。因為最優(yōu)組合不在正交表的工況設(shè)置中 ，且A3為邊緣水平，所以追加工況10和工況11，如表2。通過比較不同工況發(fā)生火災(zāi)后180～300 s時段內(nèi)前室的平均CO濃度和平均溫度，得出最優(yōu)組合模式下走廊－前室緩沖區(qū)防煙效果最好。因此防煙緩沖區(qū)最佳模式是空氣幕送風(fēng)量與前室加壓送風(fēng)量之比為2∶1，空氣幕射流角度為30°，空氣幕射流速度為8m／s。

表1模擬方案及指標(biāo)值

表2追加工況及指標(biāo)

3.3 防煙緩沖區(qū)最佳模式與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式的比較

圖2為火災(zāi)發(fā)生300 s時走廊內(nèi)煙氣溫度的分布情況。防煙緩沖區(qū)最佳模式下煙氣被阻擋在緩沖區(qū)左側(cè)，雖然緩沖區(qū)左側(cè)煙氣溫度總體比傳統(tǒng)正壓送風(fēng)時高，但緩沖區(qū)內(nèi)溫度接近于環(huán)境溫度，形成一個無煙區(qū)，有利于人員的疏散，而傳統(tǒng)正壓送風(fēng)模式下已有大量熱量進入前室。

圖2 300 s時不同工況走廊內(nèi)溫度分布

圖3為火災(zāi)發(fā)生300 s時防煙緩沖區(qū)最佳模式下和傳統(tǒng)正壓送風(fēng)模式下的CO分布，最佳模式下煙氣被阻擋在緩沖區(qū)左側(cè)，雖然緩沖區(qū)左側(cè)CO濃度比傳統(tǒng)正壓送風(fēng)時的高，但處于安全范圍以內(nèi)，且緩沖區(qū)和前室CO濃度幾乎為零，有利于人員疏散，而傳統(tǒng)正壓送風(fēng)模式下已有大量CO進入前室。

圖3 300 s時不同工況走廊內(nèi)CO分布

與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式相比，緩沖區(qū)最佳模式下 ，前室的平均CO濃度降低了99.99%，平均溫度降低了98.47%。由于總的前室加壓送風(fēng)量減少了1／3，樓梯井的加壓送風(fēng)量減少了22.56%，從而節(jié)約了送風(fēng)豎井的占地面積，減少了到達走廊和火場的空氣量，減緩送風(fēng)量對煙氣的稀釋和減少次生災(zāi)害的發(fā)生，與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)模式相比，緩沖區(qū)最佳模式排煙效率提高了8.76%。

4 結(jié)語

（1）與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)防煙模式相比 ，防煙緩沖區(qū)最佳模式下，前室門前的空氣幕作為柔性隔斷，有效地阻止煙氣進入前室，并且在走廊到前室的門前形成一個無煙區(qū)，使前室的平均CO濃度降低了99.99%，平均溫度降低了98.47%，有利于人員的疏散。

（2）防煙緩沖區(qū)最佳模式下，總的前室加壓送風(fēng)量減少了1／3，樓梯間的加壓送風(fēng)量減少了22.56%，從而節(jié)約了送風(fēng)豎井的占地面積，減少了進入走廊和前室的送風(fēng)量，減緩送風(fēng)量對煙氣的稀釋和減少次生災(zāi)害的發(fā)生。

（3）與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)相比，防煙緩沖區(qū)最佳模式下排煙效率提高了8.76%。

［1］公安部消防局.中國消防年簽［Z］.昆明：云南人民出版社，2014：11.

［2］FELIS F.Simultaneousmeasurementsof temperature and velocity fluctuations in a double stream－twin jet air curtain for heat confinement in caseof tunnel fire［J］.InternationalCommunications in Heat andMass Transfer，2010，37：1191－1196.

［3］LUON，LIA G.An experiment and simulation of smoke confinementutilizing an air curtain［J］.Safety Science，2013，59：10－18.

［4］何嘉鵬，李靜嫻，周汝，等.高層建筑“走廊－前室緩沖區(qū)”防火效果的數(shù)值分析［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011（1）：98－104.

［5］周汝，章瑋.高層建筑火災(zāi)時煙氣的垂向組合控制研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（6）：44－46.

［6］LIJX，HE JP.Numerical and experimental investigation on smoke－buffer effectof different smoke－control combination in corridor［J］.Advanced Materials Research，2011（250／253）：2919－2922.

［7］中華人民共和國公安部 .建筑設(shè)計防火規(guī)范：GB 50016－2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Parameter Setting of the Smoke Prevention Buffer Zone Based on Orthogonal Analysis

ZHAO Xian1，3ZHOU Ru2，3WANGXiaodong1，3XIE Juan2，3HE Jiapeng1，3
（1.School of Urban Construction，Nanjing University of TechnologyNanjing210009）

To study the influence of the different parameter settings of the corridor－atria buffer zone on the smoke control ability of the buffer zone in a typical straight corridor of high－rise building，this paper uses FDS（Fire Dynamics Simulator）software to build a fire－smokemovementmodel of a straight corridor type high－rise building.Taking advantage of the smoke prevention buffer zone，which is the combination of air curtain and positive pressure air supply，this paper analyzes the influence of flow ratio，jet angle and jet velocity of air curtain on smoke prevention ability of the buffer by using the orthogonal design，and concludes that the smoke prevention ability of thebuffer isbestwhen ratioofairoutputof air curtain to air outputof atria pressurize is 2∶1，jetvelocity of theair curtain is 8m／sand jetangleofair curtain is30°.Comparedwith the traditional positive pressure ventilationmodel，the average concentration of CO in theatria decreases by 99.99%and the average temperature decreasesby 98.47%underbestmodeof smoke prevention bufferzone.What’smore，underbestmodel of smoke prevention bufferzone，the airoutputof atria pressurize decreasesby 1／3，theairoutputofstaircase pressurize decreases by 22.56% and the floor area of the air shaft is saved.In addition，the air output into the corridor and fire area is reduced and the smoke extraction efficiency increase by 8.76% .

high－rise buildings smoke control orthogonal design the buffer zone

趙賢，男，1990年生，碩士，主要從事高層建筑防排煙研究。

2015－11－04）

國家自然科學(xué)基金（51478219）。

周汝，男 ，副教授，博士，主要從事建筑防排煙，性能化防火設(shè)計等方面的研究。