單室窗開度對(duì)著火房間一氧化碳濃度分布的影響

許 濤， 陳靜怡， 何其澤， 葉小曼， 張?jiān)婄?/p>

(1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2.應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 200032)

高層建筑玻璃幕墻窗戶打開方式往往為懸開，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，這在一定程度上會(huì)影響火災(zāi)煙氣的蔓延，甚至影響人員逃生?，F(xiàn)實(shí)生活中，絕大多數(shù)喪生火場的人不是被燒死的，而是吸入了過量的一氧化碳等有毒氣體中毒而死的，2017年6月22日，浙江省杭州市上城區(qū)鯤鵬路藍(lán)色錢江小區(qū)2幢1單元1802室發(fā)生縱火案。大火從22日04:55—06：48之間燃燒約1 h 53 min，該事故導(dǎo)致4人死亡，360 m2的住宅被燒成廢墟。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，4人被困房間位于整套房子最北側(cè)，面積約為20 m2，房間只有一面窗，窗體較窄，約一臂寬，窗戶為自動(dòng)懸開窗，按下開關(guān)窗戶會(huì)緩緩向外打開，但僅能張開較小角度，濃煙飄散極為困難，且樓層較高，無法通過窗戶對(duì)外呼救。四名被困人員幾乎是在一個(gè)封閉的環(huán)境中，吸入過量一氧化碳中毒死亡。因此，研究窗開度對(duì)著火房間一氧化碳濃度分布的影響具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有的大多數(shù)腔室火災(zāi)研究，往往集中于著火房間內(nèi)，但火災(zāi)煙氣的流動(dòng)往往伴隨著與外界氣體的交換，這就涉及火災(zāi)煙氣向外蔓延的情況。最早對(duì)火焰沿建筑外立面蔓延進(jìn)行研究的是Yokoi[1]，他建立了溢出熱羽流中心線上無量綱溫度和高度隨無量綱火源功率變化的關(guān)系式；隨后，Lee等[2-4]基于開口處火溢流形態(tài)和流動(dòng)情況的特征長度，包括通風(fēng)因子，水平慣性力與熱浮力的比值，展開了研究；J?rn[5-6]研究了不同窗戶類型的自然通風(fēng)效果；陳大宏等[7]研究了建筑窗戶形狀對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的影響；韓崢等[8]研究了平開窗和懸窗的自然排煙效果；張棟楠等[9]研究了不同類型懸窗對(duì)自然排煙的影響?？梢?，前人對(duì)窗戶排煙領(lǐng)域有一定涉足，但具體到平開窗還是懸窗，以及平開窗或懸窗開度的研究，并沒有太多相關(guān)成果。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出研究窗戶的打開角度對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，且主要的研究對(duì)象為一氧化碳濃度的分布。

1 數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)

火災(zāi)模擬器(fire dynamics simulator, FDS)已在多數(shù)研究領(lǐng)域有所應(yīng)用[10-12]，同樣使用FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬，依據(jù)弗洛德相似準(zhǔn)則[13-14]，建立1∶4縮尺寸模擬模型，如圖1所示，單室模型尺寸為1.2 m(長)×1.2 m(寬)×0.7 m(高)，門的尺寸為 0.25 m(寬)×0.5 m(高)，窗的尺寸為0.5 m(寬)×0.5 m(高)。如圖2所示，一氧化碳測點(diǎn)樹A布置在距離門0.21 m處，一氧化碳測點(diǎn)樹B布置在距離窗0.27 m處，一氧化碳測點(diǎn)樹C布置在窗戶面。樹A共6個(gè)濃度測點(diǎn)，從下到上依次記為CM1～CM6，相鄰測點(diǎn)間距0.1 m。樹B共6個(gè)濃度測點(diǎn)，從下到上依次記為CM7～CM12，相鄰測點(diǎn)間距0.1 m。樹C共4個(gè)濃度測點(diǎn)，從下到上依次編號(hào)為 CM13～CM16，相鄰測點(diǎn)間距0.1 m。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model graph

圖2 一氧化碳濃度測點(diǎn)布置圖Fig.2 Carbon monoxide concentration points graph

1.2 模擬工況

單室窗戶打開角度的大小，會(huì)影響著火房間內(nèi)煙氣擴(kuò)散和空氣流動(dòng)，進(jìn)而影響人的逃生?；诖?，選取有代表性的4個(gè)角度，分別為0°、15°、45°、75°。窗戶尺寸選擇為500 mm×500 mm。因上懸窗在日常生活中較為常見，故模擬模型中選取的懸窗類型為上懸窗。具體工況模型示例見圖3。

圖3 工況模型示例Fig.3 Experimental scenarios

2 模擬結(jié)果分析

2.1 同一高度下一氧化碳濃度

因模型為縮尺寸模型，窗戶面0.15 m高度處相當(dāng)于實(shí)際生活中的0.6 m，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，有人會(huì)選擇匍匐前進(jìn)逃生，或者選擇趴在窗戶面逃生等類似降低自己重心的逃生方法，而0.6 m可以視為人匍匐前進(jìn)或趴在地上時(shí)的高度，因此將窗戶面0.15 m高度處的一氧化碳濃度作為研究對(duì)象。如圖4所示，為窗戶面0.15 m高度處一氧化碳濃度分布。同時(shí)，窗戶面0.25～0.45 m高度范圍相當(dāng)于實(shí)際生活中的1～1.8 m，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，還有人會(huì)選擇站立逃生，而老人、小孩、成年男子和成年女子的身高又各不相同，但總體身高在1～1.8 m，因此本文選取該范圍內(nèi)有代表性的3個(gè)高度，同時(shí)將窗戶面0.25、0.35、0.45 m高度處的一氧化碳濃度作為研究對(duì)象。如圖5～圖7所示，為窗戶面0.25、0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度分布。

圖4 不同窗開度下窗戶面0.15 m高度處一氧化碳濃度分布Fig.4 The distribution of CO concentration at the height of 0.15 m on window under different window opening angle

圖5 不同窗開度下窗戶面0.25 m高度處一氧化碳濃度分布Fig.5 The distribution of CO concentration at the height of 0.25 m on window under different window opening angle

圖6 不同窗開度下窗戶面0.35 m高度處一氧化碳濃度分布Fig.6 The distribution of CO concentration at the height of 0.35 m on window under different window opening angle

圖7 不同窗開度下窗戶面0.45 m高度處一氧化碳濃度分布Fig.7 The distribution of CO concentration at height of on window under different window opening angle

從圖4中可以看出，窗戶面0.15 m高度處一氧化碳濃度各不相同。窗開度越大，一氧化碳濃度越低。且窗開0°和15°時(shí)，一氧化碳濃度相差值較大，前者為后者的好幾倍，說明打開窗戶可以降低窗戶面0.15 m高度處一氧化碳濃度，且可以降低的濃度值很大。

窗開45°和75°時(shí)，一氧化碳濃度集中在0附近波動(dòng)，說明此時(shí)窗開45°和75°對(duì)窗戶面0.15 m高度處的一氧化碳濃度降低作用是幾乎相同的，

對(duì)比窗開15°時(shí)一氧化碳的濃度和窗開45°及75°一氧化碳的濃度可以發(fā)現(xiàn)，窗開15°時(shí)一氧化碳濃度雖有所降低，但并不為0。而窗開45°和75°時(shí)一氧化碳濃度幾乎為0，這也間接說明15°～45°可能存在一個(gè)臨界角度，當(dāng)達(dá)到這一臨界角度或比臨界角度更大時(shí)，窗戶面0.15 m高度處一氧化碳的濃度可以降到很低，甚至幾乎為0。

從圖5～圖7可以看出，窗戶打開對(duì)于不同高度處的一氧化碳濃度都能起到降低作用，且對(duì)于同一高度處的一氧化碳濃度而言，窗開度越大，一氧化碳濃度越低。

2.2 同一窗開度下一氧化碳濃度

理論上講，上懸窗能夠向外打開的角度范圍為0°～90°，考慮到現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)偶爾存在窗戶打不開的情況，故將窗開0°作為研究對(duì)象，又因窗開90°在日常生活中并不常見，故選擇將75°作為上懸窗能夠打開的最大角度。同時(shí)選擇窗開15°和45°分別代表窗開較小角度和較大角度。

從圖8中可以看出窗開0°時(shí)，0.15、0.25、0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度明顯不同，但0.25、0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度比較相同。因?yàn)榇藭r(shí)窗開0°，即窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)，透過窗戶排煙的可能性幾乎為0。故0.15 m高度處一氧化碳濃度之所以較低，是因?yàn)橐谎趸嫉南鄬?duì)空氣密度較小，即燃料燃燒產(chǎn)生的一氧化碳都飄向了高處。故窗開0°時(shí)，除0.15 m高度處一氧化碳濃度明顯較低，0.25、0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度相差不大。

圖8 窗開0°時(shí)窗戶面不同高度處一氧化碳濃度分布Fig.8 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 0°

從圖9中可以看出，窗開15°時(shí)，0.15 m和0.25 m高度處一氧化碳濃度明顯不同，但0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度較接近，從2.1節(jié)中已經(jīng)得出結(jié)論：窗戶打開對(duì)不同高度處一氧化碳濃度都有降低作用，故窗開15°時(shí)0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度一定低于窗開0°時(shí)0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度。觀察圖10發(fā)現(xiàn)，此時(shí)0.35 m和0.45 m高度處正前方被窗戶面板遮擋，所以在窗開15°時(shí)，0.35 m和0.45 m高度處是通過窗戶面板與模型外壁之間形成的夾角部分排煙的，窗開0°時(shí)，0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度已經(jīng)較為相似，而窗開15°時(shí)，0.35 m和0.45 m

圖9 窗開15°時(shí)窗戶面不同高度處一氧化碳濃度分布Fig.9 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 15°

圖10 窗開15°時(shí)不同高度處側(cè)面有效投影面積Fig.10 Side effective projection area at different heights with window opened at 15°

高度處一氧化碳濃度仍較為相似，說明窗開15°對(duì)0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度的降低值幾乎相同，進(jìn)而說明降低作用幾乎相同，理論上0.35 m 和0.45 m高度不同，排煙效果理應(yīng)不同，但實(shí)際情況與理論分析不符，因此此時(shí)側(cè)面排煙效果并不理想。

又因?yàn)榇伴_0°時(shí)，0.25 m、0.35 m和0.45 m有效投影高度處一氧化碳濃度幾乎相同，而窗開15°時(shí)，0.25 m高度處一氧化碳濃度明顯低于0.35 m和0.45 m高度處一氧化碳濃度，只有0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度較相似，再觀察圖10發(fā)現(xiàn)窗開15°時(shí)，0.25 m的正前方也被窗戶面板擋著，但濃度降低效果如此明顯，說明此時(shí)側(cè)面排煙是有效的，從表2中發(fā)現(xiàn)0.25 m高度處側(cè)面排煙的有效投影面積大于0.35、0.45 m高度處的有效投影面積，2S1>2S2>2S3，因此，可以推斷只有當(dāng)側(cè)面有效投影面積達(dá)到一定值時(shí)，側(cè)面排煙才有效。

從圖11中可以看出，窗開45°時(shí)0.35、0.45 m高度處一氧化碳濃度較接近，從圖12中可以看出窗開45°時(shí)，0.35、0.45 m高度處正前方被窗戶面板遮擋，因此火災(zāi)煙氣無法通過正前方排出，只能通過側(cè)面排出，而0.35、0.45 m一氧化碳濃度幾乎相同只能說明側(cè)面排煙的效果不佳，對(duì)降低一氧化碳濃度的作用很有限。

圖12 窗開45°時(shí)不同高度處側(cè)面有效投影面積Fig.12 Side effective projection area at different heights with window opened at 45°

圖11 窗開45°時(shí)窗戶面不同高度處一氧化碳濃度分布Fig.11 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 45°

再比較表1和表2中的數(shù)據(jù)大小，發(fā)現(xiàn)：2S′1>2S′2>2S1>2S′3>2S2>2S3，窗開15°，0.35 m和0.45 m 高度處一氧化碳濃度降低不明顯，其側(cè)面投影面積為2S2和2S3，面積大小位列第五和第六；0.25 m高度處一氧化碳濃度降低明顯，其側(cè)面投影面積為2S1，面積大小位列第三。

表1 窗開15°時(shí)不同高度處側(cè)面有效投影面積

表2 窗開45°時(shí)不同高度處側(cè)面有效投影面積

窗開45°，0.45 m高度處一氧化碳濃度降低不明顯，其側(cè)面投影面積為2S′3，面積大小位列第四；而0.25 m和0.35 m高度處一氧化碳濃度降低較明顯，其側(cè)面投影面積為2S′1和2S′2，面積大小位列第一和第二，顯然，位列前三的濃度降低效果明顯，而位列后三的濃度降低效果并不明顯，而后三中有一組窗開度為45°。因此盡管窗開45°，仍然有某高度處的一氧化碳濃度降低不明顯，這說明窗開度的大小并不是決定一氧化碳濃度降低效果的唯一因素，側(cè)面排煙的有效投影面積也是影響因素，這一點(diǎn)也符合只有當(dāng)側(cè)面有效投影面積達(dá)到一定值時(shí)，側(cè)面排煙才有效的推斷。

從圖13中可以看出，窗開75°時(shí)，0.15、0.25、0.35、0.45 m高度處的一氧化碳濃度各不相同，說明窗開75°時(shí)，對(duì)0.15、0.25、0.35、0.45 m高度處的一氧化碳濃度都起到了降低的作用。從圖14中可以看出，窗開75°時(shí)，0.15、0.25、0.35、0.45 m的正前方全都沒有窗戶面板的遮擋，因此窗開75°時(shí)，火災(zāi)煙氣既可以通過側(cè)面排走，也可以通過正前方排走，且正前方排走為主要排煙方式。再觀察圖4～圖7可以發(fā)現(xiàn)，窗開75°時(shí)，無論哪一高度處的一氧化碳濃度值均為最低值，因此正前方的排煙效果要比側(cè)面的排煙效果好。

圖13 窗開75°時(shí)窗戶面不同高度處一氧化碳濃度分布Fig.13 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 75°

圖14 窗開75°時(shí)模型側(cè)面圖Fig.14 Side view of window opening model with window opened at 75°

3 結(jié)論

(1)窗戶打開能夠降低窗戶面一氧化碳的濃度，窗開度越大，不同高度處一氧化碳濃度越低。

(2)在15°～45°存在一個(gè)臨界角，當(dāng)窗開度大于等于該臨界角時(shí)，對(duì)窗戶面0.15 m高度處一氧化碳濃度的降低作用幾乎相同。

(3)窗開度并不是降低一氧化碳濃度的唯一因素，側(cè)面排煙的有效投影面積也能影響一氧化碳濃度的降低值，但推斷側(cè)面排煙的有效面積只有達(dá)到一定值時(shí)，側(cè)面排煙才有效。

(4)窗開75°時(shí)，無論哪一高度一氧化碳濃度均為最低值，而窗開75°時(shí)的主要排煙方式為正前方排煙，因此正前方排煙的效果要好于側(cè)面排煙的效果。