一種多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置的研究與應(yīng)用

■ 趙志鵬 彭偉 石威 鄒浩 安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院

2020年1—10月間，共發(fā)生火災(zāi)19.6 萬起，相當(dāng)于每?jī)煞侄噻?，就有一起火?zāi)發(fā)生，火災(zāi)仍然是對(duì)我們的生活產(chǎn)生威脅最大的一種災(zāi)害。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣的高溫和毒性是致人傷亡的直接原因，煙氣中固態(tài)微粒的遮光作用會(huì)降低能見度，影響人員逃生，因此火災(zāi)煙氣對(duì)人員生命安全構(gòu)成的極大威脅?，F(xiàn)有的火災(zāi)防煙方式有防火門、防火卷簾、前室機(jī)械排煙、前室機(jī)械加壓、走廊排煙、空氣幕防煙、細(xì)水霧型水霧防煙等。防火門和防火卷簾的功能單一且完全密封較為困難并且為剛性阻斷，給逃生人員和消防人員的進(jìn)出帶來嚴(yán)重的阻礙作用；前室機(jī)械排煙會(huì)使煙氣擴(kuò)散蔓延至樓梯間，不利于人員的安全疏散；前室機(jī)械加壓、走廊排煙由于使樓梯間、前室維持足夠的正壓較困難，在實(shí)際應(yīng)用中難以起到很好的效果，大量的新鮮空氣流入會(huì)助長火勢(shì)，并且需要較大的送、排風(fēng)系統(tǒng)，占用較大的建筑空間，增加了建筑成本空間的占用；利用防煙空氣幕阻擋煙氣一方面會(huì)造成煙氣堆積，煙塵固體顆粒的遮光作用對(duì)能見度的衰減會(huì)引發(fā)恐慌，另一方面容易將煙氣吹至建筑下部空間、打破火災(zāi)煙霧的自然分層，易造成次生災(zāi)害；細(xì)水霧型水霧防煙效果好但會(huì)影響人員逃生的視野。各類防煙方式的應(yīng)用都有其局限性。

基于此，將空氣幕防煙和細(xì)水霧型水霧防煙兩種方法相結(jié)合，研究氣霧混流風(fēng)幕防煙技術(shù)并設(shè)計(jì)多功能防煙裝置，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防煙功能與日常凈化空氣功能相結(jié)合，能更好地解決火災(zāi)防煙問題。

一、氣霧混流風(fēng)幕防煙技術(shù)原理

（一）防煙原理

氣霧混流是由空氣和水霧顆粒組成，水霧顆粒與高溫?zé)煔庀嘤龊髸?huì)發(fā)生熱量交換，水霧顆粒從熱煙氣中吸收的熱量，水霧的吸熱作用降低了煙氣溫度，并導(dǎo)致熱浮力衰減，從而使煙氣失去了水平蔓延擴(kuò)散的動(dòng)力源。水霧顆粒和煙氣粒子相遇會(huì)發(fā)生凝并，形成水滴和炭黑粒子團(tuán)，炭黑粒子團(tuán)在重力和水霧顆粒的作用下沉降，改變了煙塵粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 氣霧混流捕集煙塵粒子示意圖

火災(zāi)中，煙氣在水平方向擴(kuò)散的流動(dòng)速度約為0.3 ～0.8m/s，防煙裝置產(chǎn)生垂直向下的氣霧混流風(fēng)幕的速度在8 ～12m/s，遠(yuǎn)大于煙氣的流動(dòng)速度，能在設(shè)置截面上形成具有一定強(qiáng)度的氣霧混流幕墻，幕內(nèi)外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動(dòng)，從而有效地減少空氣幕兩側(cè)區(qū)域的質(zhì)量、組分與能量交換，煙氣與之相遇后隨氣霧混流風(fēng)幕偏轉(zhuǎn)，從而煙氣被氣霧混流阻截。

（二）模擬分析

用FDS 模擬在存在與不存在氣霧混流風(fēng)幕的條件下高層建筑條形走廊的火災(zāi)過程，對(duì)比分析煙氣傳播規(guī)律，通過比較關(guān)鍵位置處的溫度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)，評(píng)估氣霧混流風(fēng)幕的防煙效果。圖2 和圖3 表明，當(dāng)存在氣霧混流風(fēng)幕時(shí)，走廊內(nèi)的溫度和CO 體積分?jǐn)?shù)都明顯下降，可見氣霧混流風(fēng)幕可用于解決火災(zāi)防煙的問題。

圖2 存在與不存在氣霧混流風(fēng)幕時(shí)走廊溫度變化情況

圖3 存在與不存在氣霧混流風(fēng)幕時(shí)走廊CO 體積分?jǐn)?shù)的變化情況

二、送排風(fēng)方式選擇

傳統(tǒng)空氣幕防煙研究中，多采用單吹式，氣流由上而下送出，實(shí)現(xiàn)煙氣的阻隔。利用流體力學(xué)模擬軟件Fluent模擬利用單吹式空氣幕與吹吸式空氣幕阻擋煙氣擴(kuò)散的火災(zāi)過程，對(duì)比分析的煙氣傳播規(guī)律。圖4 表明，這種空氣幕一方面不僅易發(fā)生卷吸，防煙效率低，而且送風(fēng)量大、容易將煙氣吹至建筑下部空間、打破了火災(zāi)危險(xiǎn)地區(qū)煙霧的自然分層，易造成次生災(zāi)害。另一方面單純利用空氣幕阻隔煙氣，會(huì)導(dǎo)致煙氣堆積，煙塵固體顆粒的遮光作用會(huì)導(dǎo)致能見度的衰減，不利于人員逃生。因此，單吹式空氣幕防煙是以幕墻火災(zāi)側(cè)環(huán)境條件惡化為代價(jià)的，故不宜采用。

圖4 單吹式空氣幕阻擋煙氣擴(kuò)散云圖

該技術(shù)采用吹吸式空氣幕的方式，即在上方設(shè)有吹風(fēng)口，正下方設(shè)有排煙口。圖5 表明吹吸式空氣幕阻斷能力更強(qiáng)，且克服了單吹式空氣幕打破了火災(zāi)危險(xiǎn)地區(qū)煙霧的自然分層的弊端，通過在氣霧混流風(fēng)幕的下方設(shè)置排煙口，可使煙氣被阻擋后及時(shí)從下方排風(fēng)口處排出，不會(huì)影響人員逃生的視野。故本技術(shù)采用吹吸式空氣幕，吹吸式氣霧混流風(fēng)幕防煙不會(huì)破壞幕墻火災(zāi)側(cè)環(huán)境條件，阻斷能力更強(qiáng)，從而獲得較高的防煙效率。

圖5 吹吸式空氣幕阻擋煙氣擴(kuò)散云圖

三、多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置及技術(shù)實(shí)施

（一）防煙裝置設(shè)計(jì)

多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置結(jié)構(gòu)圖

其主要結(jié)構(gòu)包括：包括外殼、電機(jī)、葉輪、擋風(fēng)板、過濾塊、儲(chǔ)水箱、控制盒、煙霧報(bào)警器、超聲波霧化器、混合室、排氣室、過濾室。

①煙霧報(bào)警器實(shí)時(shí)檢測(cè)煙霧濃度；②蓄水箱儲(chǔ)存一定量的水，為霧化提供水源；③超聲波霧化器可發(fā)出高頻諧振，產(chǎn)生水霧顆粒；④電機(jī)為葉輪提供動(dòng)力；⑤擋風(fēng)板調(diào)節(jié)氣流走向，實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；⑥混合室將空氣與水霧充分混合，形成氣霧混流；⑦排氣室將氣流排出形成風(fēng)幕；⑧過濾室將空氣進(jìn)行層層過濾，凈化空氣；⑨控制盒實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程操控。

（二）除塵技術(shù)實(shí)施

一種多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置，包括外殼。外殼前側(cè)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，外殼底部設(shè)有儲(chǔ)水箱，外殼內(nèi)部設(shè)有用于氣霧混合的混合室?；旌鲜蚁聜?cè)設(shè)有蓄水池，混合室與蓄水池之間設(shè)有通風(fēng)口，儲(chǔ)水箱通過自動(dòng)補(bǔ)水閥與蓄水池相連接。蓄水池內(nèi)有少量的水，液面下設(shè)置有超聲波霧化器，超聲波霧化器可發(fā)出高頻諧振，將水分子打散成小分子云霧，小分子云霧從通風(fēng)口進(jìn)入混合室內(nèi)?；旌鲜覂?nèi)固定安第二電機(jī)和攪拌葉輪，第二電機(jī)帶動(dòng)攪拌葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將混合室內(nèi)的空氣與小分子云霧充分混合，混合室與排氣室通過出風(fēng)板連通，排氣室下側(cè)設(shè)有出風(fēng)口，排氣室內(nèi)固定安裝第一電機(jī)和風(fēng)機(jī)葉輪，第一電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成負(fù)壓，使空氣與小分子云霧進(jìn)入混合室內(nèi)，并從排氣室下側(cè)的出風(fēng)口處排出，形成一道氣霧混流風(fēng)幕，阻擋火災(zāi)煙氣擴(kuò)散。其次，通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板關(guān)閉排氣室下側(cè)的出風(fēng)口，使空氣經(jīng)過濾室后排出，可以起到凈化空氣的作用。

其中，蓄水池的底部安裝有超聲波霧化器，超聲波霧化器設(shè)置在蓄水池內(nèi)的液面以下，超聲波霧化器可產(chǎn)生高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生水霧顆粒，水霧顆粒在負(fù)壓的作用下通過通風(fēng)口進(jìn)入混合室內(nèi)。第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成負(fù)壓使空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入混合室內(nèi)，與混合室內(nèi)水霧顆?；旌虾筮M(jìn)入排氣室，最后從出風(fēng)口被排出形成一定速度的氣霧混流風(fēng)幕，出風(fēng)口處設(shè)有擋風(fēng)板，用來調(diào)節(jié)出風(fēng)口的角度。控制盒內(nèi)設(shè)有PLC 控制器和無線通信接收模塊，PLC 控制器分別與第一電機(jī)和第二電機(jī)連接，通過控制盒內(nèi)的PLC 控制器控制第一電機(jī)和第二電機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝置的啟動(dòng)。無線通信接收模塊與遠(yuǎn)程遙控器上的無線通信發(fā)射模塊配合，可以實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程控制。

四、氣霧混流風(fēng)幕防煙技術(shù)特點(diǎn)

（一）高效阻擋煙氣擴(kuò)散

防煙裝置產(chǎn)生一定速度的氣霧混流風(fēng)幕，通過幕內(nèi)外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動(dòng)，從而有效地減少空氣幕兩側(cè)區(qū)域的質(zhì)量、組分與能量交換，阻斷火災(zāi)煙氣擴(kuò)散。由于水霧顆粒有捕捉煙塵粒子塵和降溫的作用，氣霧混流風(fēng)幕的防煙效率大大提高。

（二）有效阻隔區(qū)域的溫度

氣霧混流風(fēng)幕能有效阻隔火場(chǎng)區(qū)域的高溫，水霧顆粒密度大、速度高，可以快速地吸收火場(chǎng)的熱量。

（三）解決消防設(shè)備使用率低的難題

防煙裝置實(shí)現(xiàn)了日常凈化空氣功能與火災(zāi)防煙功能相結(jié)合，成本降低，提高了防煙裝置的使用率，便于市場(chǎng)推廣。

五、結(jié)語

通過對(duì)氣霧混流風(fēng)幕防煙技術(shù)的研究，針對(duì)傳統(tǒng)防煙技術(shù)防煙效率低、消防設(shè)備功能單一、使用率低、維護(hù)成本高等弊端，設(shè)計(jì)了一種多功能氣霧混流風(fēng)幕防煙裝置，通過該裝置及相關(guān)技術(shù)能有效阻擋火災(zāi)煙氣擴(kuò)散。

（一）通過氣霧混流風(fēng)幕阻擋煙氣擴(kuò)散，可高效阻隔高溫?zé)煔獾穆?，延長人員疏散時(shí)間且不影響人員的自由出入。

（二）該技術(shù)采用吹吸式空氣幕的方式，通過設(shè)置排煙口來提高空氣幕的阻斷能力，并避免破壞火災(zāi)煙氣的自然分層與煙氣堆積，有利于人員逃生。

（三）防煙裝置實(shí)現(xiàn)了日常凈化空氣功能與火災(zāi)防煙功能相結(jié)合，提高了防煙裝置的使用率，且無須定期維護(hù)，成本降低，有利于市場(chǎng)推廣。