密閉回廊中非均勻布置排煙口的排煙效果

丁瑤，陽東，劉英利

(重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045)

?

密閉回廊中非均勻布置排煙口的排煙效果

丁瑤，陽東，劉英利

(重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045)

針對封閉回廊的排煙問題,提出在回廊轉(zhuǎn)角處增設排煙口的方案。定量模擬計算表明，在相同的排煙量下，該方案相對于均勻布置排煙口的方案具有更強的煙氣控制能力，可大幅減少煙氣向毗鄰樓梯間蔓延的比例，并且在溫升、能見度、煙顆粒濃度的控制上均具有優(yōu)勢。

排煙口；非均勻性；封閉回廊；排煙

從著火房間蔓延到走廊遠端的火災煙氣依然具有致命的危險性[1]。

在建筑的回廊中，自然排煙和機械排煙是2種被廣泛采用的煙氣控制手段[2-5]。近些年，自然排煙也在回廊的防排煙中得到了推廣應用，具體做法通常是開設可用于自然排煙的開口等，利用熱浮力、室內(nèi)外的壓力差以及外部風等將火災煙氣從開口排向室外。跟機械排煙相比，自然排煙的優(yōu)勢在于兼具了日常通風、采光等功能，其設備簡單，無需風機、管道、風閥等設施部件，因此成本低，占地面積小。這對于某些空間狹小的建筑結(jié)構(gòu)是可以考慮采用的。近些年，甚至在城市隧道、地下車庫等地下建筑中，自然排煙也應用得越來越多。然而，對于船舶艙室等密閉空間，自然排煙是有局限性的，并不能夠照搬建筑的做法。船舶甲板以下的艙室開設直通室外的自然排煙口很困難；另外，在海上，自然排煙容易受到風壓等外部環(huán)境參數(shù)的影響，排煙能力不穩(wěn)定，甚至可能出現(xiàn)煙氣倒灌。因此，在船舶密閉回廊中，采用機械排煙對火災煙氣進行控制是必要的。對于船舶甲板下方的密閉回廊，設置合理、高效的機械排煙系統(tǒng)并不容易，目前也沒成熟的案例可以借鑒。一方面，船舶的內(nèi)部空間比一般的建筑更為狹小，給排煙風機、排煙管道的設置帶來很大的困難，排煙量不可能大幅增加。另一方面，船舶甲板下方的密閉回廊可能與樓梯間連接；相比于建筑中的樓梯間，船舶樓梯間的防煙措施相對薄弱，在其中設置正壓防煙較困難，煙氣極易從回廊進入樓梯間再蔓延到其他樓層。而且，火災發(fā)生位置具有隨機性。當火災發(fā)生在回廊轉(zhuǎn)角或與毗鄰樓梯間相鄰的位置時，火災煙氣侵入到相鄰區(qū)域的可能性更高。

因此，提出非均勻地布置排煙口對回廊的煙氣進行控制，利用數(shù)值模擬手段對排煙效果進行分析。

1 案例設置及排煙方案

封閉回廊結(jié)構(gòu)見圖1，回廊的轉(zhuǎn)角處有樓梯間；樓梯間未封閉，且無正壓送風。為考慮火災煙氣蔓延擴散風險較大的工況，認為火災發(fā)生在毗鄰樓梯間及回廊轉(zhuǎn)角的小艙室內(nèi)(見圖1)，火災煙氣會從著火艙室蔓延至回廊。火災最大功率為1.5 MW，其增長變化見圖2。

排煙量的選取依據(jù)火羽流卷吸產(chǎn)生的煙氣量，煙氣生成的質(zhì)量流量的計算如下。

M=0.071Q1/3Z3/5+0.001 8Q,Z>Z1

(1)

M=0.032Q3/5Z,Z≤Z1

(2)

式中:Q為火災熱釋放的對流換熱部分，kW；Z為燃燒面到頂棚的高度，m；Z1為火源限制高度，Z1=0.166Q2/5c，m。

于是，生成煙氣的體積流量為

(3)

(4)

式中:V為煙氣的體積流量，m3/s；M為煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；Ts為煙氣溫度，℃；ρ0、T0分別為常溫空氣的密度和溫度，kg/m3、℃；CP為空氣比熱容，kJ/(kg·K)。

本案例擬采用的總排煙量為8.2 m3/s，所有的排煙量均用于回廊排煙，在著火艙室中未設置機械排煙。對比2套排煙口布置方案的效果：①在與著火艙室相鄰的回廊區(qū)段上均勻布置，所有排煙口布置在離頂棚0.5 m的側(cè)壁上(如圖3所示)；②在回廊區(qū)段上不均勻地布置排煙口，將排煙口集中布置在毗鄰回廊轉(zhuǎn)角與樓梯間的區(qū)域(如圖4所示)。第二種布置方案的意圖是為了加強在回廊轉(zhuǎn)角處的排煙能力，阻止或減緩煙氣向回廊其余區(qū)域或者樓梯間蔓延。兩套方案的單個排煙口面積均為0.25 m2。2套方案均設機械補風，考慮到封閉回廊的自然補風能力較弱，機械補風量設置為排煙量的2/3。補風口均設在離地面0.5 m的側(cè)壁上(見圖3、4)，單個補風口的面積亦為0.25 m2

3 模擬結(jié)果分析

采用FDS分別對2種工況進行數(shù)值模擬。分別從準穩(wěn)定狀態(tài)時的煙氣顆粒分布情況、人員疏散高度范圍內(nèi)的溫度分布、毒性氣體CO體積分數(shù)分布及能見度分布等對上述2種方案進行分析，定量地分析2種排煙方案下火災向相鄰樓梯間的蔓延量。

3.1 煙顆粒分布

圖5為600 s時1.8 m高處煙氣顆粒分布。由圖5可見，火災發(fā)展到準穩(wěn)定狀態(tài)時，對于2種排煙方案，都有煙氣侵入到相鄰的回廊區(qū)段及樓梯間。但是，當采用方案二時，侵入到相鄰回廊區(qū)段的煙氣較方案一要少，相鄰回廊區(qū)段的煙顆粒濃度相對較低。

3.2 溫度分布

600 s時1.8 m高處溫度分布見圖6。

由圖6可見，對于2種排煙方案，與著火艙室相鄰的回廊區(qū)段及樓梯間都有一定的溫升，說明有火災煙氣進入到這些區(qū)域。當采用方案二時，相鄰回廊區(qū)段的溫升較方案一要小。而且，由于方案二在回廊轉(zhuǎn)角處的排煙能力很強，因此，其控制轉(zhuǎn)角處溫升的能力較強，高溫區(qū)域的面積明顯較方案一小。

3.3 CO體積濃度分布

600 s時1.8 m高處CO體積分數(shù)分布見圖7。

由圖7可見，對于2種排煙方案，與著火艙室相鄰的回廊區(qū)段及樓梯間都有一定體積分數(shù)的CO。當采用方案二時，相鄰回廊區(qū)段的CO體積分數(shù)較方案一要小。

3.4 能見度分布

圖8為600 s時1.8 m高處能見度分布。由圖8可見，2種方案對應的能見度分布有明顯差異。方案一，在排煙的作用下，著火艙室外的回廊區(qū)段的能見度較好；但是，相鄰回廊區(qū)段能見度存在較大問題，有大量區(qū)域能見度明顯降低，有部分區(qū)域的能見度降到了人員疏散的耐受極限10 m以下。分析認為，大量煙氣侵入到相鄰回廊區(qū)段后，隨著煙氣溫度的降低，煙氣分層性變差后開始下沉，引起人員疏散高度處能見度急劇降低。方案二，由于侵入到相鄰回廊區(qū)段的煙氣較少，相鄰回廊區(qū)段的能見度沒有下降到人員疏散的耐受極限以下。說明方案二在控制能見度方面明顯優(yōu)于方案一。

3.5 煙氣向相鄰區(qū)域蔓延的比例

通過對典型位置CO體積分數(shù)組分的監(jiān)測及換算，可得到不同方案下煙氣向相鄰區(qū)域蔓延的比例，該比例值通過下式進行量化。

(5)

監(jiān)測的斷面及編號如圖9所示。煙氣從著火區(qū)域向相鄰區(qū)域蔓延比例見表1?？梢钥闯觯敳捎梅桨付r，向相鄰回廊區(qū)段及樓梯間蔓延的煙氣比例要明顯地小于方案一。這說明，方案二具有更強的將煙氣控制在排煙區(qū)段的能力。

表1 火災煙氣向相鄰分區(qū)傳播的比例 %

4 結(jié)論

當總排煙能力相同時，在封閉回廊的轉(zhuǎn)角處分布更多的排煙力量有利于將煙氣控制在排煙區(qū)段內(nèi)，并減少煙氣向相鄰區(qū)域擴散蔓延的比例，這有利于減小火災煙氣影響范圍，保障整個建(構(gòu))物的人員安全疏散。對于船舶的回廊，由于相鄰樓梯間的防煙措施薄弱，該方案的優(yōu)勢顯得更加突出。

如何將機械補風更合理地融入到非均勻布置排煙口的排煙方案中，還需進一步研究。

[1] 楊培培，石必明，穆朝民，等.建筑物條形走廊煙氣運動特性研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2012(7):11-15.

[2] 趙紅莉，徐志勝，彭錦志，等.縱向排煙與集中排煙下煙氣控制效果的對比研究[J].安全與環(huán)境學報，2012，7(13)：179-183.

[3] 邱永海，樓 波，許建紅，等.火源與排煙口布置對隧道火災排煙影響的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學報，2016，16(3)：51-55.

[4] 王國卓，劉萬福，倪照鵬，等.排煙模式對隧道火災煙氣控制影響研究[J].消防科學與技術(shù)，2016，5(10)：622-625.

[5] 建筑設計防火規(guī)范，GB50016-2014，北京：中國計劃出版社，2014.

On the Smoke Discharge Effects of Non-uniform Distribution of Smoke Vent for a Closed Corridor

DING Yao, YANG Dong, LIU Ying-li

(School of Urban Construcion and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

A discharge smoke programs about the non-uniform distribution of smoke vent of the closed corridors was presented by increasing smoke vents at corridor corner. It was demonstrated to be an effective ventilation method relative to the uniform distribution of smoke vents with the same amount of smoke. This method can significantly reduce the proportion of smoke spread to adjacent to the staircase and has more advantages in temperature, visibility and smoke concentration control.

smoke vent; non-uniformity; close gallery; discharge smoke

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.027

2017-01-18

國家自然科學基金項目(51106189)

丁瑤(1991—)，男，碩士生

研究方向：建筑通風與防火，燃燒理論與技術(shù)

U698.4

A

1671-7953(2017)03-0118-04

修回日期：2017-03-07