大型空間建筑防排煙系統(tǒng)有效性單因素敏感性分析

何錫萍

摘要：目的：找出影響煙氣層高度和溫度的敏感參數(shù)并為實際工程提供理論參考。方法：利用FDS軟件模擬大型空間建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣流動規(guī)律，利用單因素敏感性分析方法，分析防排煙系統(tǒng)參數(shù)變化對煙氣層高度和煙氣層溫度的影響，計算各參數(shù)的敏感度系數(shù)并進(jìn)行敏感度排序，利用回歸分析方法，擬合出參數(shù)與煙氣層高度和煙氣層溫度的關(guān)系式。結(jié)果：火源功率、擋煙垂壁高度、自然排煙高度是對煙氣層高度和溫度影響較大的參數(shù)。結(jié)論：煙氣層高度和煙氣層溫度分別與擋煙垂壁高度和火源功率呈線性關(guān)系，與自然排煙高度呈三次冪關(guān)系。

關(guān)鍵詞：煙氣層高度;煙氣層溫度;敏感度系數(shù);回歸分析

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，建筑物的種類越來越多樣，尤其是近些年來，出現(xiàn)了許多寬度和深度大于高度的大空間建筑，如圖書館、商場、火車站等，這類建筑空間大、防火分區(qū)面積大、疏散距離長、人員密集，給消防安全帶來很大挑戰(zhàn)。眾多火災(zāi)案例表明，超過80%的死亡人員是煙氣窒息導(dǎo)致的。由此可見，火災(zāi)煙氣的合理控制對人員安全疏散極其重要。研究表明，煙氣層高度和煙氣層溫度是影響人員安全疏散的重要因素。因此，需要研究影響煙氣層高度和煙氣層溫度的關(guān)鍵防排煙系統(tǒng)參數(shù)。

防排煙系統(tǒng)往往受到自然排煙方式（如自然排煙口的面積、高度）、機(jī)械排煙方式（如機(jī)械排煙量、補(bǔ)風(fēng)口面積）、火源功率和擋煙垂壁高度等因素的影響。目前主要從實驗研究和計算機(jī)數(shù)值模擬兩方面對防煙排煙系統(tǒng)進(jìn)行研究，實驗研究受到不同建筑物結(jié)構(gòu)的影響，實驗變量難以控制，實驗消耗大;而數(shù)值模擬可以利用計算機(jī)搭建全尺寸建筑物模型，模擬不同工況下的排煙情況，為一種有效的研究手段。

本文采取計算機(jī)模擬的方法，逐一研究排煙量大小，擋煙垂壁高度，排煙口大小、方向、位置、數(shù)量，補(bǔ)風(fēng)方式、補(bǔ)風(fēng)量等參數(shù)對排煙有效性的影響，采用單因素敏感度分析方法，找出對煙氣層高度和溫度影響較大的參數(shù)，采用回歸分析的方法得到煙氣層高度和煙氣層溫度與各參數(shù)的關(guān)系式。

一、模型設(shè)計

研究的模型為大空間建筑物，長60.5m，寬50.4m，高5.1m，總共劃分了3個區(qū)域。此模型的計算域分別是（40m，299m），（40m，299m）和（307m，584m），沿x，y和z軸的網(wǎng)格數(shù)為212×178×24個。在模型的兩側(cè)有一個長4.8m，寬2.1m的自然排煙口，和一個長4m，寬1.2m的自然補(bǔ)風(fēng)口，此為本次模擬的一個基準(zhǔn)工況。火源位置位于模型內(nèi)部一側(cè)，火源面積為3×3.6m2，火源高度為1.2m，室內(nèi)溫度設(shè)為20℃，仿真時間為180s，本文將煙氣層高度和煙氣層溫度作為模擬參數(shù)，來評估防排煙系統(tǒng)的有效性。

二、單因素敏感性分析

（一）模擬參數(shù)取值

實際工程中存在很多影響防排煙系統(tǒng)性能的因素，本文主要分析補(bǔ)風(fēng)面積、擋煙垂壁高度、火源功率、機(jī)械排煙量、排煙高度、排煙面積、噴淋水量等影響因素，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)注、規(guī)范和工程實際確定了各影響因素的取值個數(shù)和變化范圍，如表1所示，用于后文的敏感性分析計算和單因素回歸分析計算。

敏感性分析是指在某一系統(tǒng)中，其內(nèi)部各參數(shù)的單獨變化或同時變化對系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)產(chǎn)生的影響，而單參數(shù)敏感性分析指的是系統(tǒng)內(nèi)每次變動某一參數(shù)，其他參數(shù)不發(fā)生變化，然后依次計算每個參數(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)影響程度。在進(jìn)行敏感度分析時，通常需要計算敏感度系數(shù)，即系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)對各參數(shù)的敏感程度。敏感度系數(shù)一般等于各參數(shù)變化程度與系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)變化程度的比值。

1.補(bǔ)風(fēng)面積

當(dāng)補(bǔ)風(fēng)面積從2.16m2增長到7.92m2時，煙氣層高度從3.58m下降到3.57m，微弱降低了0.28%，煙氣層高度的敏感度系數(shù)為0.00105;煙氣層溫度從126.67℃下降到125.10℃波動，輕微下降了1.24%，煙氣層溫度的敏感度系數(shù)為0.00789。因此，補(bǔ)風(fēng)面積的增加對煙氣層高度和煙氣層溫度的影響并不明顯。

2.擋煙垂壁高度

隨著擋煙垂壁高度的逐漸上升，煙氣層高度線性下降，煙氣層溫度線性上升。當(dāng)擋煙垂壁高度從0.3m增加到1.5m時，煙氣層高度從3.78m線性下降到3.02m，下降了20.1%，其敏感度系數(shù)為0.05025;煙氣層溫度從122.27℃線性上升到168.23℃，上升了37.59%，其敏感度系數(shù)為0.09398;所以，可以看出擋煙垂壁的高度對煙氣層高度和煙氣層溫度均有顯著影響。

3.火源功率

隨著火源功率的增大，煙氣層高度呈線性下降的趨勢，煙氣層溫度呈線性上升的趨勢。當(dāng)火源功率從1.25MW增加大20MW時，煙氣層高度從3.79m線性下降到3.43m，下降了9.49%，其敏感度系數(shù)為0.05061;煙氣層溫度從43.63℃線性上升到199.66℃，上升357.62%，其敏感度系數(shù)為0.19074。所以，火源功率對于煙氣層高度和煙氣層溫度均有影響，尤其是對煙氣層溫度有非常顯著的影響，火源功率越大，煙氣層溫度會越高，對防排煙系統(tǒng)有效性越不利。

4.機(jī)械排煙量

當(dāng)機(jī)械排煙量從0m3/s增加到12.18m3/s時，煙氣層高度從3.57m下降到3.52m，微弱下降了1.4%，其敏感度系數(shù)為0.00115;煙氣層溫度從125.96℃下降到125.49℃，輕微下降了0.37%，其敏感度系數(shù)為0.00038。所以，機(jī)械排煙量的大小對于煙氣層高度和煙氣層溫度的影響并不顯著。

5.自然排煙高度

排煙高度逐漸升高時，煙氣層高度輕微降低，從3.64m下降到3.51m，下降了3.57%，其敏感度系為0.00992;煙氣層溫度是先從119.84℃上升到125.96℃，再下降到123.91℃，呈現(xiàn)輕微波動趨勢，整體微弱上升了3.39%，其敏感度系數(shù)為0.00942。因此，自然排煙高度煙氣層高度和煙氣層溫度的影響并不顯著。

6.自然排煙面積

當(dāng)排煙面積從5.04m2增加到40.32 m2時，煙氣層高度從3.53m上升到3.64m，總體呈輕微上升趨勢，上升了3.12%，其敏感度系數(shù)為0.00089;煙氣層溫度從126.29下降到111.39℃，整體下降了13.38%，其敏感度系數(shù)為0.00381。煙氣層溫度下降的原因可能是排煙面積的增大，導(dǎo)致排煙效果增強(qiáng)，煙氣與外界冷空氣接觸面積增加，導(dǎo)致煙氣層溫度降低。因此，排煙面積對于煙氣層高度和煙氣層溫度有較強(qiáng)影響。

7.噴淋水量

當(dāng)噴淋水量從0L/min增加到1.5L/min時，煙氣層高度從3.58m下降到3.54m，略微下降了1.12%，其敏感度系數(shù)為0.00747;煙氣層溫度整體呈微弱下降的趨勢，先從125.96℃下降到120.39℃，接著從120.39℃上升到123.41℃，整體下降了2.02%，其敏感度系數(shù)為0.01347。原因是噴淋水量的增大，造成煙氣層溫度下降。總之，噴淋水量對于煙氣層高度和煙氣層濃度具有微弱影響。

依據(jù)以上分析，補(bǔ)風(fēng)面積、擋煙垂壁、火源功率、機(jī)械排煙量、自然排煙高度、自然排煙面積、噴淋水量對煙氣層高度的敏感度系數(shù)分別為0.00105、0.05025、0.05061、0.00115、0.00992、0.00089、0.00747;對煙氣層溫度的敏感度系數(shù)分別為0.00789、0.09398、0.19074、0.00038、0.00942、0.00381、0.01347。

三、結(jié)語

本文通過火災(zāi)計算機(jī)仿真，采用敏感度分析法，分析了各參數(shù)單獨變化時如何影響煙氣層高度和煙氣層溫度變化，計算了敏感度系數(shù)并進(jìn)行了排序，最后根據(jù)模擬的數(shù)據(jù)和敏感度排序找出三個對防煙排系統(tǒng)影響較大的參數(shù)，得到各參數(shù)對煙氣層高度的敏感度排序為：火源功率>擋煙垂壁高度>自然排煙高度>噴淋水量>機(jī)械排煙量>補(bǔ)風(fēng)面積>自然排煙面積;各參數(shù)對煙氣層溫度敏感度排序為：火源功率>擋煙垂壁高度>噴淋水量>自然排煙高度>補(bǔ)風(fēng)面積>自然排煙面積>機(jī)械排煙量。

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資助基金項目：浙江省科技計劃項目（2017C33150）。