大型物流倉庫自然排煙優(yōu)化設(shè)計研究

沈智偉

(上海嘉定區(qū)消防支隊，上海 201800)

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大型物流倉庫自然排煙優(yōu)化設(shè)計研究

沈智偉

(上海嘉定區(qū)消防支隊，上海 201800)

屋頂自然排煙有采光帶和天窗兩種常用方式，采光帶需要一定的溫度才能開啟。以某大型物流倉庫中火災(zāi)隱患最大的防火分區(qū)為研究對象，利用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS模擬了12種不同的火災(zāi)場景，分析了在不同火源功率情形下采光帶的開啟情況及有效性，研究了不同火源位置、不同天窗設(shè)計對排煙的影響，從而優(yōu)化物流倉庫的排煙天窗設(shè)計。

大型物流倉庫；采光帶；天窗；自然排煙；FDS

0 引言

大型物流倉庫要求建筑有高大空間，占地面積一般在10 000 m2以上，建筑高度多在12 m以上，貨架堆放物品的密度大、數(shù)量多、品種復(fù)雜，整座建筑空間呈現(xiàn)連續(xù)開放的形態(tài)，發(fā)生火災(zāi)后，極易形成大面積火災(zāi)[1]?，F(xiàn)有物流倉庫的排煙方式主要有開設(shè)常開窗進行自然排煙和設(shè)置機械排煙設(shè)施兩種，無論采取何種方式，由于倉庫空間高大，其初起火災(zāi)類似于室外無風(fēng)狀態(tài)火災(zāi)，在貨架和貨物的阻擋之下，煙氣到達屋面層的時間較長。熱煙氣從產(chǎn)生到排出室外的時間較長，會引燃熱煙氣流經(jīng)處的室內(nèi)可燃物，使室內(nèi)陷入煙霧濃、溫度高、能見度低的高危狀態(tài)，對建筑結(jié)構(gòu)安全造成威脅，也不利于人員疏散和滅火救援的展開。

根據(jù)大型物流倉庫自然排煙優(yōu)化設(shè)計的研究內(nèi)容，結(jié)合火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS，研究不同功率火源的采光帶的開啟情況，并比較不同排煙天窗、不同火源位置，對排煙口排煙量、溫度場、煙氣層高度等參數(shù)的影響，通過這幾個重要參數(shù)的對比研究，設(shè)計最優(yōu)化的排煙模式[1-7]。

1 火災(zāi)場景的設(shè)置

模擬倉庫長190 m、寬100 m、高12 m，建筑總面積19 139 m2，具有4個防火分區(qū)[2]，存放了大量口香糖，查閱口香糖成分及相關(guān)資料，可知其火災(zāi)規(guī)模為2.5 MW。該倉庫4個防火分區(qū)中有兩個與外界接觸，周圍門窗多，發(fā)生火災(zāi)容易被發(fā)現(xiàn)和撲滅，火災(zāi)隱患小；另外兩個火災(zāi)隱患較大，且情況類似。因此，選取火災(zāi)隱患較大的一個防火分區(qū)為研究對象，其總面積4 560 m2，兩側(cè)有側(cè)窗，頂部為長3.01 m、寬0.6 m的128個采光帶。

工況設(shè)計為：(1)屋頂采用采光帶排煙，在不同火源功率(2 MW、4 MW、8 MW)情況下采光帶的開啟情況，共3種場景；(2)屋頂采用天窗排煙，在總面積相同的情況下，采用3種不同規(guī)格尺寸的排煙窗，火源位置設(shè)計為墻角火、邊緣火、中間火三種火源，共9種場景。設(shè)定火災(zāi)為t2快速增長火，模擬時間為1 800 s，網(wǎng)格設(shè)計為0.5 m×0.5 m×0.5 m，12個火災(zāi)場景的設(shè)定具體見表1。

2 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

2.1 采光帶排煙效果

表1 某物流倉庫的12種火災(zāi)場景

圖1 2 MW火源采光帶1 800 s時狀態(tài)

圖2 4 MW火源采光帶1 800 s時狀態(tài)

易熔采光帶能在高溫條件下(一般大于80 ℃)自行熔化并不產(chǎn)生熔滴，當屋頂使用采光帶排煙時[3]，在火源功率為2 MW和4 MW的情況下，屋頂溫度在轟燃之前不能達到80 ℃，采光帶不能有效開啟，如圖1、圖2所示。當火源功率比較大(8 MW)時雖然能達到80 ℃，100 s時第一個采光帶開啟排煙，隨后所有采光帶都開啟，但是由于火源功率太大，防火分區(qū)內(nèi)所有物品很快被引燃，整個防火分區(qū)在280 s時發(fā)生轟燃，具體如圖3所示。由于貨物高度比較高，在圖中可以看到火焰已經(jīng)通過采光帶溢流出來，頂部最高溫度能達到1 500 ℃。

圖3 8 MW火源采光帶300 s時狀態(tài)

由頂棚射流的相關(guān)知識來解釋在三種不同大小火源情況下采光帶開啟情況的不同，Alpert根據(jù)全尺寸試驗推導(dǎo)出在羽流撞擊頂棚所在區(qū)域內(nèi)，最高溫度可按下式計算[4]：

(1)

式中，T為溫度，℃；Q為火源功率，MW；H為高度，一般取12 m。

計算可知，當Q分別為2 MW、4 MW、8 MW時，Tmax分別為42 ℃、67 ℃和107 ℃?？紤]到采光帶不在火羽流撞擊范圍內(nèi)及周圍環(huán)境的影響，因此，采光帶在低火源功率情況下是不會開啟的，在高火源功率情況下雖然開啟，但是由于火源功率太大，火災(zāi)很快蔓延，并且發(fā)生轟燃，采光帶已經(jīng)達不到延遲轟燃的效果。

2.2 天窗排煙效果

由于采光帶很難達到開啟溫度，即使在火源功率很大的情況下達到開啟溫度，但是此時火災(zāi)蔓延很快，迅速發(fā)生轟燃，因此，建議用天窗而不是采光帶進行頂部排煙，并重點研究對于不同火源位置、不同大小天窗的排煙效果。

2.2.1 煙氣層高度比較

通過FDS模擬得出天窗排煙9種工況的煙氣分布情況。

2.2.1.1 在模擬時間600 s，當火源位于中央位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣層在水平方向分布比較均勻，三種天窗的煙氣層分布并無明顯差距。當火源位于邊緣位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣在水平方向上主要分布在邊緣位置附近，其靠近火源位置的煙氣層厚度比火源位于中央位置時相應(yīng)位置的煙氣層厚度高，三種天窗的煙氣層分布并無明顯差距。當火源位于墻角位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣在水平方向上主要分布在墻角位置附近，其靠近火源位置的煙氣層厚度比火源位于中央位置和邊緣位置時相應(yīng)的煙氣層厚度高。8個天窗、32個天窗、128個天窗三種排煙方式在墻角位置附近的煙氣層厚度按由高到低的順序分布。

2.2.1.2 在模擬時間1 200 s，當火源位于中央位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣層在水平方向分布比較均勻，三種天窗的煙氣層分布差距并不明顯。當火源位于邊緣位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，但是主要分布在邊緣位置附近，其靠近火源位置的煙氣層厚度比火源位于中央位置時相應(yīng)位置的煙氣層厚度高，三種天窗的煙氣層分布差距并不明顯。當火源位于墻角位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣在水平方向上慢慢往遠離火源位置蔓延，但是主要分布在墻角位置附近，其靠近火源位置的煙氣層厚度比火源位于中央位置和邊緣位置時相應(yīng)的煙氣層厚度高。8個天窗、32個天窗、128個天窗三種排煙方式在墻角位置附近的煙氣層厚度按由高到低的順序分布。

2.2.1.3 在模擬時間1 800 s，當火源位于中央位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣層在水平方向分布比較均勻，三種天窗的煙氣層分布并無明顯差距。當火源位于邊緣位置時，煙氣層高度在貨物高度以上，煙氣主要分布在邊緣位置附近，其靠近火源位置的煙氣層厚度比火源位于中央位置時相應(yīng)位置的煙氣層厚度高，三種天窗的煙氣層分布并無明顯差距。當火源位于墻角位置時，屋頂有8個天窗和32個天窗的防火分區(qū)分別在1 346 s和1 661 s時發(fā)生轟燃，煙氣迅速蔓延至整個防火分區(qū)。128個天窗的防火分區(qū)與600 s和1 200 s時煙氣層分布并無明顯差距，排煙效果良好，沒有引發(fā)轟燃。

2.2.2 防火分區(qū)頂部溫度比較

2.2.2.1 在模擬時間600 s，當火源位于中央位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂?shù)淖罡邷囟榷际?6 ℃左右，頂部天窗排煙效果很好。當火源位于邊緣位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂最高溫度都是29 ℃左右，比火源位于中央位置時的溫度略高。當火源位于墻角位置時，8個天窗的屋頂最高溫度最高，為86.3 ℃；其次為32個天窗屋頂，最高溫度76.5 ℃；最后為128個天窗的屋頂，最高溫度為40 ℃。

2.2.2.2 在模擬時間1 200 s，當火源位于中央位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂?shù)淖罡邷囟榷际?5 ℃左右。當火源位于邊緣位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂?shù)淖罡邷囟榷际?5 ℃左右，比火源位于中央位置時的溫度略高。當火源位于墻角位置時，8個天窗的屋頂最高溫度最高，為86.3 ℃，其次為32個天窗屋頂?shù)淖罡邷囟?4.2 ℃，最后為128個天窗屋頂?shù)淖罡邷囟?5 ℃。與600 s時的溫度場分布比較，由于火焰蔓延的影響，其最高溫度范圍擴大。

2.2.2.3 在模擬時間1 800 s，當火源位于中央位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂?shù)淖罡邷囟榷际?5 ℃左右。當火源位于邊緣位置時，三種天窗的防火分區(qū)屋頂?shù)淖罡邷囟榷际?5 ℃左右，比火源位于中央位置時的溫度略高。這兩種火源位置溫度場與1 200 s時的溫度場分布比較，由于火焰蔓延的影響，其最高溫度范圍擴大。當火源位于墻角位置時，8個天窗的防火分區(qū)在1 346 s時達到轟燃，32個天窗的防火分區(qū)在1 661 s時達到轟燃，最高溫度都達到1 000 ℃以上。

2.2.3 排煙口排煙量分布

在排煙口設(shè)置煙氣質(zhì)量流量探測點，記錄每個排煙口隨時間其排煙量的變化，并且用origin[7]畫出幾個代表窗口的排煙量隨時間的變化曲線。以此來研究不同天窗排煙量與其離火源位置的關(guān)系。

2.2.3.1 圖4～圖6是8個天窗排煙時，對應(yīng)不同火源位置的天窗排煙量隨時間的分布規(guī)律，選取的是一個對角線上的兩個代表天窗。在火源位于中央位置時，兩個天窗的排煙量沒有差異；當火源位于邊緣位置時，由于兩個排煙口距離火源位置相當，所以排煙量也沒有差異；當火源位于墻角位置時，由于B1號天窗距離火源位置很近，從而兩個窗口的排煙量有了很大的區(qū)別，并且可以觀察到在1 346 s時由于轟燃，排煙量突增，之后逐漸趨于平緩。

圖4 8個天窗火源位于中央位置排煙口排煙量

圖5 8個天窗火源位于邊緣位置排煙口排煙量

圖6 8個天窗火源位于墻角位置排煙口排煙量

2.2.3.2 圖7～圖9是32個天窗時，對應(yīng)不同火源位置天窗排煙量隨時間的分布規(guī)律，選取的是一個對角線上的四個代表天窗。在火源位于中央位置時，B5和C3比A8和D1離火源近，其排煙量也相對大；當火源位于邊緣位置時B5離火源最近，其排煙量最高；當火源位于墻角位置時由于D1號天窗距離火源位置最近，其排煙口排煙量最高，并且遠遠高于其他三個排煙口的排煙量，還可以觀察到在1 661 s時由于轟燃，排煙量突增，后又逐漸趨于平緩。

圖7 32個天窗火源位于中央位置排煙口排煙量

圖8 32個天窗火源位于邊緣位置排煙口排煙量

圖9 32個天窗火源位于墻角位置排煙口排煙量

2.2.3.3 圖10～圖12是128個天窗時，對應(yīng)不同火源位置天窗排煙量隨時間的分布規(guī)律，選取的是一個對角線上的四個代表天窗。在火源位于中央位置時，D11和F6比A16和H1離火源近，其排煙量也相對大，但總體差距很小。當火源位于邊緣位置時，D11離火源最近，其排煙量最高。當火源位于墻角位置時，F(xiàn)6開始的排煙量比較小，隨著時間的變化排煙量不斷增多，最后和H1天窗的排煙量相當，并且此時防火分區(qū)沒有發(fā)生轟燃，說明當頂部排煙口比較多、分布范圍比較廣時，雖然單個排煙口面積比較小，但是能有效及時地排出最近位置的煙氣，從而防止轟燃的發(fā)生。由以上不同火源位置、不同大小排煙口排煙量的曲線可以看出，排煙量基本與離火源位置成反比，離火源越近，其排煙量越大，離火源越遠，其排煙量越小。

圖10 128個天窗火源位于中央位置排煙口排煙量

圖11 128個天窗火源位于邊緣位置排煙口排煙量

圖12 128個天窗火源位于墻角位置排煙口排煙量

2.2.3.4 圖13和圖14分別為火源位于中央位置及火源位于墻邊位置三種天窗排煙口總排煙量?？偱艧熈繌母叩降鸵来螢?28個天窗、32個天窗、8個天窗，由此可知排煙效果最好的是128個天窗的分布模式。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

圖13 火源位于中央位置三種天窗排煙口總排煙量

圖14 火源位于墻邊位置三種天窗排煙口總排煙量

(本文以某大型物流倉庫中火災(zāi)隱患較大的防火分區(qū)作為研究對象，研究采光帶和天窗排煙的效果，根據(jù)FDS模擬結(jié)果，主要結(jié)論為：(1)在小功率火源2 MW、4 MW)的情況下，煙氣溫度不能達到采光帶的開啟溫度(80 ℃)，達不到理想的排煙效果；在大功率(8 MW)的情況下，火焰很快蔓延并轟燃，采光帶不能發(fā)揮有效作用。(2)在天窗的優(yōu)化設(shè)計模擬研究中，模擬了對應(yīng)不同火源位置和大小不同但總面積相同的天窗的煙氣層厚度，所選防火分區(qū)頂部溫度及排煙口排煙量隨時間的分布規(guī)律。當火源位于中央或者邊緣位置時，發(fā)生轟燃的可能性比較小，但是當火源發(fā)生在墻角位置時，如果排煙天窗距離其火源比較遠，雖然排煙天窗的總面積沒有變，但有可能發(fā)生轟燃。這是由于在墻角如果頂部沒有很好的排煙天窗，火焰在燃燒時不能有效卷吸外界冷空氣，溫度上升很快，從而引發(fā)轟燃。(3)通過采光帶和排煙天窗的模擬可以看出：天窗在排煙效果上明顯優(yōu)于采光帶，因頂棚射流溫度通常不能及時達到采光帶的開啟溫度；在保證面積不變的情況下，天窗分布個數(shù)多、分布范圍廣更有益于有效及時地把距離其位置最近的煙氣排出；由于墻角位置卷吸冷空氣難度大，在墻角位置上部安裝天窗更能有效地避免火災(zāi)發(fā)生快速蔓延。

3.2 展望

本文所選取的大型物流倉庫結(jié)構(gòu)比較簡單，且口香糖的燃燒熱和引燃溫度等都有一定的獨有性，對于其他燃料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)倉庫而言，此結(jié)論有效性還需進一步驗證。對于側(cè)窗面積很大的倉庫，還需研究側(cè)窗和天窗共同作用下的排煙效果，在最大限度提高排煙效果情況下，研究側(cè)窗和天窗的面積分配。自動噴淋系統(tǒng)對火焰、倉庫內(nèi)溫度等的作用，以及如何消除排煙窗過早開啟對自動噴淋系統(tǒng)動作產(chǎn)生的不利影響，也是進一步研究的重點。

[1] 余華,何學(xué)秋.倉庫火災(zāi)特點、原因及防范對策探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005,1(5):85-87.

[2] 王友博,程遠平.倉儲建筑自然排煙數(shù)值模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(4):279-283.

[3] 公安部上海消防科學(xué)研究所,上海市消防局.建筑防排煙技術(shù)規(guī)程:DGJ 08—88—2006[S].2006.

[4] 范維澄,王清安,姜馮輝,等.火災(zāi)學(xué)簡明教程[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1995:243-244.

[5] 謝斌,康侍民,劉勇.淺談中庭煙氣管理系統(tǒng)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,25(8):104-107.

[6] 杜靜.淺談防排煙設(shè)計要點[J].湖南暖通空調(diào),2006(1):22-24.

[7] 張凱.常見可燃建筑材料火災(zāi)及毒性煙氣模擬研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2009.

(責任編輯 馬 龍)

Study on Natural Smoke Exhaust Optimization Design in Large-scale Logistics Warehouses

SHEN Zhiwei

(JiadingDistrictMunicipalFirebrigade,Shanghai201800,China)

This study takes the fire compartment with the highest fire risk in a large-scale logistics warehouse as its subject, and uses Fire Dynamics Simulator (FDS) to simulate 12 different kinds of fire scenes. Lighting belts and skylights are two common ways of natural smoke exhaust. Since lighting belts can only work when their temperature reaches a certain degree, it is essentially important to do research on when it will work and whether it can work at fire scenes, and to study the smoke exhausting effect when different burner positions and different sizes of skylights are designed with the purpose of optimizing skylight design.

large-scale logistics warehouse; lighting belt; skylight; natural smoke exhaust; FDS

2016-12-18

沈智偉(1982— )，男，上海人，工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2017)06-0009-06