單室不同自然排煙口面積的排煙效能分析

茍卡西

摘要：自然排煙口面積是自然排煙系統(tǒng)的重要影響因素，而現(xiàn)行規(guī)范中自然排煙口面積對凈高不大于6m的房間來說，僅要求不小于房間建筑面積的2%;這一指標(biāo)在建筑防火設(shè)計(jì)中顯得較為簡單籠統(tǒng)。通過對單室不同自然排煙口面積的情況下進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，分析不同自然排煙口面積在排煙效能中的表現(xiàn)，為后續(xù)研究和防火設(shè)計(jì)提供一些參考和建議。

關(guān)鍵詞：自然排煙;面積;效能分析;數(shù)值模擬

自然排煙系統(tǒng)是建筑常用的排煙形式，具備經(jīng)濟(jì)、簡單、易維護(hù)、易操作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧采光和通風(fēng)的功能;但其排煙可靠性一直受人詬病，主要表現(xiàn)在其排煙效能影響因素較多，如排煙口有效面積、高度、形式、平面布局、自動滅火設(shè)施、外部環(huán)境等。目前現(xiàn)行規(guī)范[1]對自然排煙設(shè)計(jì)較為簡單籠統(tǒng);就房間自然排煙設(shè)計(jì)來說，對于凈高不大于6m的房間其自然排煙口面積僅要求不應(yīng)小于房間建筑面積的2%。通常設(shè)計(jì)人員僅按照規(guī)范最低要求進(jìn)行設(shè)計(jì)并不會對其他影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和論證。鑒于以往對于自然排煙研究的深度以及目前設(shè)計(jì)應(yīng)用的現(xiàn)狀，本文僅對單室自然排煙口面積的排煙效能進(jìn)行初步研究和分析。

1? 數(shù)值模型

1.1? 模型初始條件假定

本文建立10m（長）×10m（寬）×3m（高）的房間作為實(shí)體模型，其中四面隔墻居中設(shè)置自然排煙口，不考慮門洞設(shè)置，不考慮任何障礙物的設(shè)置（圖1）;這樣設(shè)置的目的是確保自然排煙有效順暢且不受漏風(fēng)量的影響。按照現(xiàn)行規(guī)范[1]相關(guān)要求，本文統(tǒng)一將自然排煙口高度設(shè)置于房間最小清晰高度（H=1.6+0.1×3=1.9m）以上，即自然排煙口底邊距地面高度為1.9m[2]。

為加速FDS試驗(yàn)收斂，本文火源假定為辦公室未設(shè)置噴淋系統(tǒng)的情況[3]，按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）相關(guān)規(guī)定，其火源最大功率6000kW，熱釋放速率參照t2極快速增長模型;火源設(shè)于地面中央1m×1m的區(qū)域[4]。其設(shè)置目的是盡可能保證煙氣羽流均勻?qū)ΨQ擴(kuò)散。按照t2火增長模型公式Q=at2推算得到，當(dāng)t=184s時(shí)房間火源達(dá)到最大功率。本次試驗(yàn)計(jì)算時(shí)長取500s且不考慮火源下降段模擬。環(huán)境因素由軟件默認(rèn)。

1.2? 試驗(yàn)工況

房間內(nèi)設(shè)置6個不同面積自然排煙口作為不同的試驗(yàn)工況，各工況四面隔墻上居中設(shè)置相同尺寸的自然排煙口[5]，且各工況僅改變自然排煙口的寬度，盡量避免排煙口高度變化帶來的影響。其中工況1的自然排煙口面積為0，即未設(shè)置自然排煙口的情況。工況列表見表1。

1.3? 安全指標(biāo)

根據(jù)以往的研究[6]，火災(zāi)煙氣致命的因素主要是溫度、能見度和煙氣毒性三項(xiàng)指標(biāo)，并提出多種評價(jià)模型和判定方式[7]。本文安全指標(biāo)將采用溫度、能見度和氧濃度并采用分類判定的方式。通過研究發(fā)現(xiàn)煙氣毒性的危害性往往滯后于溫度和能見度，且毒性物質(zhì)種類較多，其對人員的影響也不盡相同，所以本文采用氧氣濃度等效代替煙氣毒性作為安全指標(biāo)。

由于本文選取的三項(xiàng)安全指標(biāo)均是隨時(shí)間和空間變化的量，而且人員耐受度也是隨時(shí)間和空間變化[7]。要精確描述其危害性變化是不現(xiàn)實(shí)的。本文結(jié)合以往研究的經(jīng)驗(yàn)將選取最小清晰高度范圍內(nèi)的加權(quán)平均值作為安全指標(biāo)判定的標(biāo)準(zhǔn)。

①最小清晰高度內(nèi)溫度加權(quán)平均值不大于120℃[8];②最下清晰高度內(nèi)能見度加權(quán)平均值不小于5m;③最小清晰高度能氧濃度加權(quán)平均值不小于10%。

2? 數(shù)值模擬分析

2.1? 溫度分析

圖2為各工況下溫度時(shí)間曲線，通過圖形和試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表可得到：工況1和工況2分別在137s達(dá)到219℃的峰值溫度和202s達(dá)到253℃的峰值溫度，兩個工況均出現(xiàn)拐點(diǎn)，最小清晰高度內(nèi)的煙氣溫度達(dá)到峰值后持續(xù)下降。這里出現(xiàn)拐點(diǎn)的情況是由于當(dāng)煙氣濃度達(dá)到一定程度后導(dǎo)致氧氣濃度相對降低以至室內(nèi)環(huán)境不再支持火源繼續(xù)燃燒;工況1曲線出現(xiàn)低于環(huán)境溫度甚至達(dá)到負(fù)值的情況是由于軟件計(jì)算離散數(shù)據(jù)的表現(xiàn)，不影響本文的研究;實(shí)際情況煙氣溫度將會無限趨近于環(huán)境溫度。由于工況1未開設(shè)自然排煙口，其火源熄滅的時(shí)間必將比工況2出現(xiàn)的早，通過圖2也能看出工況1拐點(diǎn)較工況2提前，而且溫度峰值也相對較低。工況3至工況6均未出現(xiàn)拐點(diǎn)即環(huán)境氧濃度能夠保持火源持續(xù)燃燒，煙氣溫度峰值均在峰值功率達(dá)到后出現(xiàn)，其中工況3穩(wěn)定在190℃上下、工況4穩(wěn)定在140℃上下、工況5穩(wěn)定在110℃上下、工況6穩(wěn)定在90℃上下。通過比較，其峰值溫度隨排煙口面積增大而呈梯度下降的趨勢。

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內(nèi)的煙氣溫度控制是較為顯著的。在火源持續(xù)燃燒的情況下，煙氣溫度隨著排煙口面積的增大能夠有效降低，但效果逐步降低;當(dāng)排煙口面積達(dá)到房間面積16%以上時(shí)才符合本文溫度安全指標(biāo)。盡管排煙口面積較小的情況下能更快地阻止火源持續(xù)燃燒和蔓延，但按照火源增長的速率也將更短時(shí)間能讓房間達(dá)到更高溫度，對人員疏散和停留是極其不利的。

2.2? 能見度分析

圖3為能見度時(shí)間曲線，通過圖形和數(shù)據(jù)列表可得到：各工況下煙氣始終會充滿整個房間，這是由于火源和煙氣的增長是隨時(shí)間冪次方的增長，煙氣增長速率明顯大于排煙口的排煙速率。通過圖3看出，隨著排煙口面積的增大能見度突破安全指標(biāo)限值的時(shí)間逐漸延遲，但差別不大。其中工況1至工況6最小清晰高度內(nèi)能見度突破5m的時(shí)間分別為61s、63s、70s、74s、82s、86s，基本上火源功率尚未達(dá)到最大即出現(xiàn)能見度極限。其中工況1和工況2上文提到會導(dǎo)致火源熄滅溫度下降，但其根源是熱輻射耗損，并非煙氣持續(xù)排出所致;當(dāng)火源熄滅后溫度下降導(dǎo)致火風(fēng)壓降低，其自然排煙速率相應(yīng)下降，所以能見度并不能因?yàn)榛鹪聪缍玫礁纳啤?/p>

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內(nèi)煙氣能見度控制不顯著。自然排煙口排煙機(jī)理主要是被動排煙，火風(fēng)壓是其排煙的主要驅(qū)動力;在火源和煙氣快速增長的情況下自然排煙口的排煙速率顯得微不足道[9]。這里推論，若采用較低速率的火源增長模型進(jìn)行試驗(yàn)，各工況下煙氣也必將充滿房間，能見度始終會在火源達(dá)到最大功率之前突破安全指標(biāo)，僅在時(shí)間上相對延遲而已。

2.3? 氧濃度分析

圖4為氧濃度時(shí)間曲線，通過圖形和數(shù)據(jù)列表可得到：工況1由于沒有排煙口，煙氣急速蔓延，在137s時(shí)房間內(nèi)最小清晰高度內(nèi)氧濃度達(dá)到不支持火源繼續(xù)燃燒的極限后火源熄滅;同時(shí)圖4中也能看到工況1的曲線在此時(shí)發(fā)生微小突變，即火源不再按照原先的速率產(chǎn)生煙氣，而以相對較慢的速率產(chǎn)生，直至180s時(shí)房間內(nèi)氧氣耗盡，最小清晰高度內(nèi)氧濃度降為0，幾乎是火源功率達(dá)到最大時(shí)出現(xiàn)。工況2和工況6，空氣能夠不斷的補(bǔ)充，其氧濃度不會降至0;但隨著排煙口面積的增大其氧濃度能保持更高的水平，其效果呈梯度下降，最終無限趨近于初始氧濃度。從圖中還可看出，工況2至工況6在約100～200s的階段均呈現(xiàn)出不同曲率的氧濃度下降段，此時(shí)間段相當(dāng)于火災(zāi)的增長階段，氧濃度降低和煙氣增長打破平衡，導(dǎo)致這樣的急速下降段。在約200s時(shí)火源功率達(dá)到最大或火源熄滅導(dǎo)致煙氣增長趨緩，其氧濃度和煙氣增長再度保持平衡，于是出現(xiàn)圖中的水平段。

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內(nèi)氧濃度控制較為顯著。當(dāng)排煙口面積達(dá)到房間面積的20%時(shí)，基本能一直保持最小清晰高度內(nèi)的氧濃度不受煙氣影響，始終保持初始氧濃度的水平，當(dāng)排煙口面積達(dá)到房間面積8%時(shí)才符合氧濃度安全指標(biāo)。

3? 結(jié)語

本文分類判定的方式有效分析了排煙口對各安全指標(biāo)控制的顯著性，試驗(yàn)驗(yàn)證自然排煙口在排煙過程中對煙氣溫度和氧氣濃度的控制比較好，且隨排煙口面積的增大其排煙控制效能呈梯度下降，對能見度的控制效能幾乎忽略不計(jì)。

自然排煙口面積與火源燃燒緊密聯(lián)系。過小的排煙口能阻止火源燃燒和蔓延，但其產(chǎn)生的煙氣溫度增長較快且溫度峰值相對較高，其造成氧氣濃度降低較快且長時(shí)間維持較低水平;過大的排煙口不能阻止火源燃燒，但其產(chǎn)生的煙氣溫度增長較為緩慢且峰值溫度相對較低，其造成氧氣濃度降低緩慢且長時(shí)間維持較高水平。實(shí)際情況下，越大的排煙口越能助長火源持續(xù)充分燃燒，因?yàn)楦蟮呐艧熆诟谑覂?nèi)空氣的流動和補(bǔ)充，其煙氣危害性持續(xù)時(shí)間將會更長。所以排煙口面積并不是越大越好，也不是越小越好，合適的排煙口面積應(yīng)當(dāng)是取最優(yōu)值，這也是后續(xù)需要研究的內(nèi)容。

通過6個工況的試驗(yàn)，自然排煙口面積需要較大占比才能符合安全指標(biāo)的要求，若考慮自然排煙口其他設(shè)置因素的不利影響或煙氣毒性的增大，其排煙效能將大打折扣或完全失效。當(dāng)然安全指標(biāo)是建立在人員安全疏散的前提下，其允許疏散時(shí)間內(nèi)的煙氣危害性和排煙效能也是一個相對的概念。本文雖然未結(jié)合人員疏散時(shí)間進(jìn)行排煙效能分析，但通過本文試驗(yàn)的橫向?qū)Ρ饶軌蛄私獾阶匀慌艧熆诿娣e和排煙效能方面的單一關(guān)系，為今后研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB51251-2017.建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]陳寅，王蔚.開窗高度對室內(nèi)走道自然排煙的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2013，32（4）：376-378.

[3]王曉嵐，朱國慶，張國維.小型辦公室類建筑自然排煙效果的數(shù)值模擬與分析[J].中國科技論文在線，2010.

[4]孫昊，王佰順.火源位置的不同對自然排煙的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：23-26.

[5]熊筠，劉方圓，張文華，等.相同自然排煙面積條件下不同設(shè)置形式排煙效果的數(shù)值模擬研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2017（3）：13-15.

[6]王新民，姚建，彭欣.火災(zāi)時(shí)期致命因素危害時(shí)間的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2005，24（1）：3.

[7]李山嶺，蔣勇，邱榕，等.火災(zāi)煙氣危害定量評價(jià)模型THVCH及其應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，12（2）：250-256.

[8]童慶杰，權(quán)高峰，邵力.火災(zāi)事故中人的心理及行為分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2004（3）：159-162.

[9]周云斐，易亮，楊洋.環(huán)境風(fēng)作用下室內(nèi)火災(zāi)自然排煙研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（12）：63-67.

Ventilation efficiency of single

room with different areas

of natural smoke outlet

Gou Kaxi

（Anshun Fire and Rescue Brigade，Guizhou? Anshun? 561000）

Abstract：The area of natural smoke vent is an important influencing factor of natural smoke exhaust system， and the area of natural smoke vent in the current code is only required to be not less than 2% of the room floor area for rooms with net height not more than 6 m; this index seems to be simple and general in the building fire protection design. The article analyzes the performance of different natural smoke vent areas in smoke extraction efficiency through numerical simulation of fires in single rooms with different natural smoke vent areas， and provides some references and suggestions for subsequent research and fire protection design.

Keywords：natural smoke outlet; area; efficiency analysis; numerical simulation