基于大空間場所輔助排煙方法的火災(zāi)先期排煙效率研究

王培平 尚文權(quán) 張錦 周小丁 廣龍

(東莞新能德科技有限公司 廣東東莞 523443)

0 引言

現(xiàn)代大空間高層建筑通常是多群體多功能的綜合體，具有可燃物質(zhì)多、火災(zāi)時產(chǎn)煙量大等特點[1-3]，因此其在設(shè)計時特別注重暖通照明規(guī)范和消防設(shè)施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，一方面要滿足建筑消防工程竣工驗收，確保必要的消防設(shè)施依法配置和應(yīng)急滅火救援，另一方面結(jié)合自然通風(fēng)、空調(diào)新風(fēng)和應(yīng)急強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)來匹配新風(fēng)換氣量，以滿足職業(yè)健康的要求。通常大空間高層建筑結(jié)構(gòu)還具有儲煙屬性，在火情早期可延長人員安全疏散時間，但同時大空間場所扁長，且人群分布點多，儲煙后自然排煙的效果差，人員必要的安全疏散時間較一般場所要長，若煙氣不能及時排出建筑物，反而會造成火災(zāi)的快速蔓延[4-5]。大量煙氣的聚集不僅嚴(yán)重威脅建筑物內(nèi)部人員的安全疏散，而且導(dǎo)致現(xiàn)場條件惡劣，無法有效開展滅火救援行動，因此即便在建筑設(shè)計階段考慮了雙向樓梯和逃生層作為安全疏散通道，以便于人員的緊急逃生，但實際生產(chǎn)生活中，僅依靠建筑既有的消防滅火、應(yīng)急排煙設(shè)施和安全通道，并不能保證所有人員能及時有效逃生，反而經(jīng)常會因建筑排煙困難造成滅火救援耗時長，甚至人員窒息死亡[6-8]。

大量建筑火災(zāi)事故案例表明，即使火災(zāi)自動報警系統(tǒng)起到了一定的先期滅火防煙作用，但對于大空間場所火災(zāi)而言，火警后期的滅火不盡、排煙不及時、散煙效率低，進(jìn)而導(dǎo)致外部滅火救援力量無法準(zhǔn)確滅火施救，是人員煙氣中毒、窒息傷亡的主要原因[9-12]。因此強(qiáng)化大空間高層建筑火警情況下的排煙能力，額外增加風(fēng)道形成的逃生通道，是減少火災(zāi)時人員傷亡的一個有效途徑[13-16]。為此，本文以移動式大功率鼓風(fēng)排煙機(jī)和消防排煙機(jī)作為火災(zāi)應(yīng)急輔助排煙手段，通過組合模擬測試，分析輔助排煙條件下所形成的安全疏散通道大小，以及火災(zāi)先期的排煙效率，為優(yōu)化配置輔助排煙機(jī)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，以期更及時有效地開展消防應(yīng)急救援。

1 實驗設(shè)計

分別購置2臺正壓鼓風(fēng)機(jī)和2臺消防負(fù)壓排煙機(jī)，額定風(fēng)量分別為50 000 m3/h和5 000 m3/h，以1.0 m/s作為最低捕獲風(fēng)速，模擬室外大空間場所、室內(nèi)大空間建筑廠房和室內(nèi)大空間倉儲3種不同場景下的最大風(fēng)速作用距離，分析風(fēng)道對排煙效果的影響。室外大空間場所一般指一定范圍內(nèi)無遮擋條件的環(huán)境空間，如開放式展廳、大型歌舞臺和大型公共娛樂場所。室內(nèi)大空間建筑是具有固定面積的有限空間，根據(jù)其通風(fēng)情況又分為有風(fēng)道和無風(fēng)道場所，所謂風(fēng)道[17]，即是指在外部輔助抽風(fēng)或排風(fēng)情況下，可形成的若干近似非紊流風(fēng)力場，如高架倉儲。無風(fēng)道室內(nèi)大空間場所可以是地下停車場、大型辦公場所、電影院、會議室和生產(chǎn)車間，而有風(fēng)道室內(nèi)大空間場所一般有地下超市、地鐵、高架倉庫、物流倉儲等。

此外，針對某特定大空間高架倉儲，模擬約6 000 m3的儲煙環(huán)境，通過不同排煙組合方式確定風(fēng)道所形成的安全疏散通道大小，對比分析不同輔助排煙條件下的火災(zāi)先期排煙效率。

2 大空間場所模擬輔助排煙時的安全疏散通道

2.1 不同大空間場景下的最大風(fēng)速作用距離

借助移動大功率鼓風(fēng)機(jī)和移動式消防排煙機(jī)，分別對若干空曠室外大空間、室內(nèi)大空間建筑和室內(nèi)大空間倉儲模擬測試額定功率情況下的風(fēng)速分布，以及最大風(fēng)速作用距離。經(jīng)模擬測試，移動鼓風(fēng)機(jī)額定功率下的最近端風(fēng)速最大為22 m/s，消防排煙機(jī)額定功率下的伸縮風(fēng)管最近端風(fēng)速最大為18 m/s，隨著距離的增加，風(fēng)速逐漸衰減，如表1所示。

表1 不同大空間場景下的最大風(fēng)速作用距離 m

經(jīng)實測顯示，以上3種不同場景下的最大風(fēng)速作用距離略有差異。在最低捕獲風(fēng)速1.0 m/s時，總體上移動式消防排煙風(fēng)機(jī)輔助抽風(fēng)時相對移動大功率鼓風(fēng)機(jī)輔助鼓風(fēng)時的最大風(fēng)速作用距離稍小，室內(nèi)大空間倉儲場所在二者作用下的最大風(fēng)速作用距離最大，其中采用移動式大功率鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)時最大風(fēng)速作用距離約29.8 m，采用移動消防排煙機(jī)抽風(fēng)時的最大風(fēng)速作用距離為17.5 m。結(jié)果表明，最大風(fēng)速作用距離不僅與風(fēng)機(jī)本身的功率、摩阻有關(guān)，還與其存在的場景有關(guān)，有明顯風(fēng)道的場景風(fēng)速作用距離最大。

2.2 不同組合輔助排煙方式的風(fēng)道大小

采用不同組合輔助排煙方式，人為釋放約6 000 m3儲煙量，對某大型聚合物鋰離子電池成品倉庫進(jìn)行了風(fēng)道模擬測試，如圖1所示。該成品倉庫長度約為100 m，寬度約為60 m，成品按照預(yù)先劃定的區(qū)域堆放，堆放高度約1.6 m。成品倉庫大致由延長度方向的過道分為兩側(cè)擺放，中間過道寬度為1.8 m，倉庫建筑層高約4.5 m。模擬測試中選用任一排煙方式來測試風(fēng)速場，發(fā)現(xiàn)沿倉庫中間過道和臨近的高架中間過道都形成了未封閉的風(fēng)道。

圖1 某成品倉庫不同組合排煙方式的風(fēng)道模擬

實測結(jié)果表明，僅僅使用墻壁事故排煙機(jī)，其最大作用距離只有6.5 m左右，而增加輔助排煙后所形成的風(fēng)道有所增加，如表2所示。如使用移動式消防排煙風(fēng)機(jī)排煙時，形成的風(fēng)道約20 m；使用移動式鼓風(fēng)排煙機(jī)排煙時，形成的風(fēng)道約38 m；使用以上3種組合方式排煙時，橫向風(fēng)道約為64 m。由此可見，風(fēng)道大小與輔助排煙的組合方式以及數(shù)量有關(guān)。另外，作者也特別模擬了非線性組合排煙的場景，其所形成的風(fēng)道長度介于對應(yīng)的單一排煙方式之間，說明風(fēng)道大小也與組合排煙風(fēng)機(jī)的位置有關(guān)。

表2 某成品倉庫不同組合排煙方式的風(fēng)道長度

2.3 不同組合輔助排煙方式的安全疏散通道面積

傳統(tǒng)的安全疏散通道一般是指建筑內(nèi)的疏散走道、樓梯、電梯以及逃生層，但是往往在火災(zāi)時先期濃煙難以在短時間內(nèi)消散，一方面是視線被遮擋，另一方面是煙氣會造成人員呼吸困難甚至中毒，人員并不能及時通過這些安全通道快速逃生，因此需要在開窗通風(fēng)、事故排煙的基礎(chǔ)上輔以強(qiáng)化排煙措施來快速排煙，在建筑內(nèi)部短時間內(nèi)形成若干風(fēng)道，即輔助安全疏散通道，以便于人員迅速疏散逃生[18-20]。通過以上模擬測試，煙氣的風(fēng)速場可近似于風(fēng)道徑向風(fēng)速組成的弧形區(qū)域(淺色區(qū))，那么，輔助安全疏散通道則可視為煙氣風(fēng)速場之外的區(qū)域(深色區(qū))，如圖2所示。

圖2 輔助安全疏散通道面積示意

假設(shè)排煙時間為t時的風(fēng)道橫向距離可近似為弧形橢圓區(qū)域的長軸長，記為H。當(dāng)t=0時，排煙風(fēng)機(jī)剛啟動并未形成風(fēng)速場，H為0，隨著排煙時間的延長，整個儲煙場所的煙氣向出風(fēng)口流動并在某個時間t0時，橢圓會與場所界面相切，此時的長軸長最大，等于冒煙場所內(nèi)部或者外部走廊的寬度H0，此t0可認(rèn)為是煙氣先期消散時間；隨后煙氣開始迅速消散，H隨著衰減。

當(dāng)t

圖3 煙氣風(fēng)速場半橢圓面積與排煙時間的關(guān)系

當(dāng)t=t0時，先期消散時間此時的輔助安全疏散通道面積的大小等于冒煙場所(矩形)的面積減去煙氣風(fēng)速場(半橢圓)面積，因此最大半橢圓的面積和此時的輔助安全疏散通道面積分別為

(1)

(2)

由于給定的輔助排煙機(jī)的風(fēng)速一定，而排煙量不同，因此煙氣風(fēng)速場從無到最大與從最大到快速消失所需的時間也不同，它們與排煙量成正比。根據(jù)實際煙氣濃度測試，半橢圓煙氣風(fēng)速場的煙氣濃度在一段時間內(nèi)幾乎沒有變化，直至某個時間t1時，煙氣濃度才開始慢慢減小，此時半橢圓才開始變小，直至消失。經(jīng)Fluent數(shù)值模擬，半橢圓面積增長或消減的大小符合二次函數(shù)關(guān)系，因此輔助安全疏散通道的面積S變化規(guī)律可用圖4來表示。

圖4 輔助安全疏散通道面積與排煙時間的關(guān)系

如圖4所示，輔助安全疏散通道的面積S是關(guān)于排煙時間t的一個分段函數(shù)，即為

(3)

式中，S為輔助安全疏散通道面積，m2；H為風(fēng)道橫向距離或煙氣風(fēng)速場弧形區(qū)域長軸長，m；H0為風(fēng)道最大橫向距離或橢圓最大長軸長，m，其取值與排煙機(jī)的位置有關(guān)，一般為冒煙場所內(nèi)或者是外部走廊的寬度；L為風(fēng)道長度, m；L0為風(fēng)道徑向長度,一般為冒煙場所內(nèi)或者是外部走廊的長度，m；t為排煙時間, min；t0為煙氣先期消散時間, min。

3 大空間場所模擬輔助排煙時的先期排煙效率

通常排煙系統(tǒng)的排煙效率定義為:在風(fēng)機(jī)作用下單位時間內(nèi)所有開啟排煙閥的排出煙量之和占煙氣生成量的百分比，也就是所有組合排煙風(fēng)機(jī)排煙效率之和，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(式(4))或體積百分?jǐn)?shù)(式(5))可表示為[21-22]

(4)

(5)

式中,η為排煙系統(tǒng)的排煙效率，%；mei為第i個排煙風(fēng)機(jī)排出的煙氣質(zhì)量，kg/min；mP為火災(zāi)時可生成的煙氣總質(zhì)量，kg/min；Vei為第i個排煙風(fēng)機(jī)排出的煙氣流量，m3/min；VP為火災(zāi)時可生成的煙氣流量，m3/min。

由于火災(zāi)現(xiàn)場煙氣產(chǎn)生是一個非穩(wěn)態(tài)過程，其產(chǎn)生的位置、速率隨著時間的變化而變化，且煙氣濃度在不同的時刻排出的煙氣密度也是不同的，因此煙氣質(zhì)量生成量和煙氣排出量均難以測定，無法準(zhǔn)確表征排煙效率[23-25]。對于火災(zāi)先期排煙效率，本文假定該時刻形成的煙氣流場在半橢圓邊界上的任一點煙氣濃度呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)分布，采用煙氣量來表征先期消散時段內(nèi)的排煙效率，即以輔助安全疏散通道與煙層高度之積作為t0時刻的煙氣排出總量，以輔助風(fēng)機(jī)排出的煙氣總流量作為t0時刻產(chǎn)生的煙氣總流量，如下表示：

(6)

式中，η0為煙氣先期排煙效率, %；S為輔助安全疏散通道面積，m2；Hf為煙層高度或煙層厚度，m；t0為煙氣先期消散時間, min；∑V風(fēng)機(jī)為煙氣先期消散時間內(nèi)的排煙風(fēng)機(jī)總流量, m3/min。

排煙風(fēng)機(jī)在額定功率下的風(fēng)速只與風(fēng)機(jī)特性有關(guān)，從以上公式可知，先期排煙時間越短，煙層厚度越大，先期排煙時間內(nèi)形成的輔助安全疏散通道越大或者風(fēng)道越長，煙氣的先期排煙效率就越高。由于煙層厚度的大小與火災(zāi)產(chǎn)生源和建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)，人為無法改變，但如果通過加大風(fēng)道長度或縮短形成輔助安全疏散通道的時間[26-27]，那么就可以提高先期排煙效率。

前文已驗證增加輔助排煙風(fēng)機(jī)，可以加大風(fēng)道長度，且相對單一或者二重組合方式而言，配以墻壁排煙風(fēng)機(jī)、移動式消防排煙機(jī)和移動式鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)的多重組合方式，其風(fēng)道是最長的。此外，依舊針對某特定大空間高架倉儲，模擬約6 000 m3的儲煙環(huán)境，對不同排煙組合方式的先期消散時間和排煙效率進(jìn)行了模擬測算，如表3。其中Hf以層高的一半的計算依據(jù)，墻壁事故排煙機(jī)的額定風(fēng)速為20 m/s，移動鼓風(fēng)機(jī)額定功率下的最近端風(fēng)速最大為22 m/s，消防排煙機(jī)額定功率下的伸縮風(fēng)管最近端風(fēng)速最大為18 m/s。

表3 某成品倉庫不同組合排煙方式的先期消散時間、排煙效率

煙氣先期消散時間是指在輔助排煙的作用下即將形成輔助安全疏散通道時的排煙時間，煙氣先期排煙效率并不是某段時間的排煙效率，而是指能夠剛好形成輔助安全疏散通道時的排煙效率，經(jīng)模擬測試，組合方式1即無輔助排煙時的先期排煙效率為16.6%，組合方式2和3的先期排煙時間分別11 min、8 min，相對無輔助排煙時分別縮短了7 min、10 min，先期排煙效率分別為20.0%、34.4%，說明增加輔助排煙風(fēng)機(jī)可有效提高排煙效率，且移動式鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)的作用更為顯著；采用組合方式4，其先期消散時間僅需4 min，先期排煙效率達(dá)到67.3%，相對無輔助排煙時排煙效率提高了4倍，說明多組合輔助排煙的排煙效果更佳。

4 結(jié)論

通過模擬不同大空間場所和某特定場景的高架成品倉庫火災(zāi)場景，借助移動式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助排煙，得出以下結(jié)論：

(1)具有明顯風(fēng)道的室內(nèi)大空間場所，排煙風(fēng)速作用距離最大，增加輔助排煙風(fēng)機(jī)后可明顯增加風(fēng)道的長度，不同組合排煙方式，其風(fēng)道長度也不同，采用移動式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙機(jī)的多組合輔助排煙方式，風(fēng)道長度最長，達(dá)到64 m。

(2)當(dāng)煙氣風(fēng)速場與倉庫邊界相切時，半橢圓風(fēng)速場界任一點的煙氣濃度基本相同，此時煙氣風(fēng)速場之外的安全區(qū)域形成了安全疏散通道，經(jīng)過一段持續(xù)排煙時間后，半橢圓風(fēng)速場逐漸縮小，輔助安全疏散通道面積隨之?dāng)U大，其大小可表征為關(guān)于排煙時間t的分段函數(shù)，而排煙時間的長短與輔助排煙風(fēng)機(jī)的數(shù)量和方位有關(guān)。

(3)針對某特定高架成品倉庫儲煙6 000 m3的風(fēng)道模擬，推導(dǎo)出先期排煙效率公式，排煙效率與輔助疏散安全通道面積成正比，與先期消散時間t0成反比。對于特定場所而言，初期形成的輔助安全疏散通道面積是一定的，因此通過增加輔助排煙風(fēng)機(jī)來縮短先期煙氣消散時間，可以提高火災(zāi)先期排煙效率。

(4)通過模擬測試，同時使用墻壁事故風(fēng)機(jī)、移動式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙進(jìn)行排煙，先期煙氣消散時間可以縮短至4 min，先期排煙效率達(dá)到67.3%，相對無輔助排煙時排煙效率提高了4倍。