排煙口的設(shè)置對宿舍走道能見度的影響

張宇金

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，四川 遂寧 629000)

0 引言

宿舍由于其自身的特殊性，其走廊的寬度窄，縱深長，往往成了消防防御的重要部位。宿舍一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣以火源為中心，在充滿著火寢室后，通過門窗向走廊兩端蔓延。若火災(zāi)未得到及時撲救，加之走廊布局不合理，煙氣就會進入走廊，迅速蔓延開來，危及著火層及以外樓層中人員的安全，造成更加嚴重的影響[1]。其蔓延的范圍取決于火災(zāi)發(fā)生的規(guī)模和走道的通風(fēng)狀況，對于整個宿舍來說，一般火災(zāi)都是由一個宿舍引起的，火災(zāi)的區(qū)域只是局部的范圍，如果火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)及時或者走道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計合理，則可以有效地控制煙氣的蔓延，將火災(zāi)區(qū)域控制在最小的范圍，然后集中力量將其撲滅，為人員逃生創(chuàng)造條件，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。因此，開展宿舍走廊火災(zāi)煙氣運動規(guī)律的研究具有一定的現(xiàn)實意義[3]。

煙氣運動規(guī)律的研究方法目前主要有理論分析、實驗研究，實驗研究又分為實體實驗和數(shù)值模擬實驗。一些國家已經(jīng)把重點放在研究更加智能、簡單和實用的模型上，以使廣大工程施工人員能掌握更多的理論知識。國內(nèi)在火災(zāi)煙氣研究方面起步較晚。在實體實驗方面，目前國內(nèi)僅中科大有條件做這樣的實驗。因此，本課題主要采用國際上最常用的FDS軟件進行模擬分析。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準研究所的建筑與火災(zāi)研究實驗室合作共同研究開發(fā)的一款基于場模型的計算流體動力學(xué)軟件[4]。模擬火場被分割為許多長方體的小單元，假設(shè)每個小單元內(nèi)部氣體的溫度和速度是一致的，模擬過程中小單元的數(shù)量決定了模擬的準確性[5]。當(dāng)今社會，隨著現(xiàn)代化進程不斷加快，各種建筑正向多元化發(fā)展，人們對安全的重視程度越來越高，對模擬精度的要求也在不斷提高，在這樣的背景和要求下，性能化防火設(shè)計規(guī)范如雨后春筍般興起。FDS火災(zāi)模擬軟件被國內(nèi)外很多專家學(xué)者都認為是最有效、最方便、最實用的研究火災(zāi)煙氣的數(shù)值模擬軟件。本文應(yīng)用基于場模型的計算流體動力學(xué)軟件(FDS)，模擬研究了在宿舍走道兩端不設(shè)置自然排煙口、設(shè)置排煙口及設(shè)置不同開口高度的自然排煙口情況下，宿舍發(fā)生火災(zāi)時走道能見度的變化規(guī)律。希望能為新宿舍建設(shè)設(shè)計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災(zāi)煙氣的有效控制提供一定的理論依據(jù)。為新宿舍建設(shè)設(shè)計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災(zāi)煙氣的有效控制提供了一定的理論依據(jù)。

當(dāng)今社會，隨著現(xiàn)代化進程不斷加快，各種建筑正向多元化發(fā)展，人們對安全的重視程度越來越高，對模擬精度的要求也在不斷提高，在這樣的背景和要求下，性能化防火設(shè)計規(guī)范如雨后春筍般興起。FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準研究所的建筑與火災(zāi)研究實驗室合作共同研究開發(fā)的一款基于場模型的計算流體動力學(xué)軟件。被國內(nèi)外很多專家學(xué)者都認為是最有效、最方便、最實用的研究火災(zāi)煙氣的數(shù)值模擬軟件。本文基于場模型的計算流體動力學(xué)軟件(FDS)，模擬研究了在宿舍走道兩端不設(shè)置自然排煙口、設(shè)置排煙口及設(shè)置不同開口高度的自然排煙口情況下，宿舍發(fā)生火災(zāi)時走道能見度的變化規(guī)律。希望能為新宿舍建設(shè)設(shè)計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災(zāi)煙氣的有效控制提供一定的理論依據(jù)。為新宿舍建設(shè)設(shè)計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災(zāi)煙氣的有效控制提供了一定的理論依據(jù)。

1 宿舍概況

通過調(diào)研多所學(xué)校宿舍走道，實地測量走道的尺寸大小(包括長度、高度和寬度)和查看宿舍走道的整體布局，本文建立一宿舍走道第一層的全尺寸數(shù)值模擬模型，走道的長度確定為54m(綜合考慮兩個排煙口間距離如果大于60m便要設(shè)置機械排煙設(shè)施)，走廊的寬度為2.0m，走道的高度為3.0m(綜合考慮排煙口位置設(shè)置在走道凈高二分之一以上)。寢室里放置了四張多用床，下邊是書桌，上邊是床，書桌上擺放的是書籍、文具等學(xué)習(xí)用品，書桌之間是木質(zhì)衣柜。如圖1所示，為走廊平面圖。運用FDS進行數(shù)值模擬最基本的就是文本文件的編寫，其中，包括：建立網(wǎng)格；模擬時間的設(shè)定；邊界條件的設(shè)定；起火點設(shè)定；定義床體；定義輸出文件等。

圖1 走廊平面圖

2 參數(shù)的確定

2.1 網(wǎng)格的確定

網(wǎng)格是FDS中最基本的單元，網(wǎng)格的劃分不光關(guān)系到計算時間的長短，更重要的是其直接關(guān)系到計算的精確程度。網(wǎng)格劃分得越細，網(wǎng)格數(shù)量越大，其計算結(jié)果就越準確，但是由此帶來的問題是計算時間的增加。在確定網(wǎng)格大小時，必須注意的是模擬對象網(wǎng)格的大小必須在一定的范圍內(nèi)才能準確地計算出流場中的粘滯應(yīng)力。在這里引入火災(zāi)的特征直徑D，即火災(zāi)煙柱的最小尺度。

(4-1)

式中，D—火災(zāi)特征直徑，單位m；

ρ—空氣密度，單位kg/m3；

C—空氣比熱，單位kj/kg.k；

Q—總熱釋放速率，單位kw；

T—空氣溫度，單位k；

g—重力加速度，m/s2。

FDS的所有計算都是在一個矩形界面下進行的，用MESH命令建立網(wǎng)格時，首先要通過IJK參數(shù)來指定網(wǎng)格的數(shù)量，其次用XB參數(shù)來定義矩形區(qū)域的位置和尺寸，根據(jù)兩個參數(shù)就可以看出所劃分網(wǎng)格的大小，本文所選取的網(wǎng)格大小為0.1×0.1×0.1m3。XB參數(shù)是由6個數(shù)字(X1,X2；Y1,Y2；Z1,Z2)組成，X2-X1就是矩形區(qū)域在X軸方向的長度，Y2-Y1就是矩形區(qū)域在Y軸方向的長度，Z2-Z1就是矩形區(qū)域在Z軸方向的長度。其中一種宿舍網(wǎng)格的編寫程序如下：

&MESH IJK=76,30,32,XB=-2.3,5.3,0.0,3.0,0.0,3.2/著火房間網(wǎng)格

&MESH IJK=16,540,32,XB=5.3,6.9,0.0,54.0,0.0,3.2/走廊網(wǎng)格

2.2 模擬時間設(shè)定

本論文確定模擬時間為1300s。

&TIME T_END=1300.0 /

2.3 邊界條件設(shè)定

MISC是用于定義各類輸入?yún)?shù)的命令，且一個文本文件只能有一個MISC行。MISC命令包含有很多參數(shù)，本研究中MISC命令的編寫程序如下：

&MISC TMPA=20.0,SURF_DEFAULT=‘WALL’/

&MATL ID=‘GYPSUM PLASTER’

FYI=‘Quintiere,Fire Behavior’

CONDUCTIVITY=0.48

SPECIFIC_HEAT =0.84

DENSITY=1440. /

&SURF ID=‘WALL’

RGB=200,200,200

MATL_ID=‘GYPSUM PLASTER’

THICKNESS=0.012 /

2.4 定義起火點

通過SURF命令的 HRRPUA參數(shù)來定義著火源的熱釋放速率，火源起火后再引燃室內(nèi)其他一些可燃物。具體的程序如下所示：

&SURF ID=‘FIRE’,HRRPUA=1500,PART_ID=‘smoke’ /

&PART ID=‘smoke’,MASSLESS=TRUE,SAMPLING_FACTOR=1/

&VENT XB=1.6,1.7,2.6,2.7,0.8,0.8,SURF_ID=‘FIRE’ /(著火房間)

2.5 定義床體

通過MATL命令來定義物品的材料組成，通過SURF命令將MATL命令定義的材料進行組合，通過OBST命令將其應(yīng)用到具體的物品上。床的主體結(jié)構(gòu)為一種OAK木材，其中OAK的主要成分有CELLULOSE,WATER和LIGNIN。床上的被褥和衣柜中的衣物用UPHOLSTERY表示，其中UPHOLSTERY的主要成分有FABRIC和FOAM，二者的一些參數(shù)如：比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、反應(yīng)熱和燃燒熱等是通過MATL來定義的。具體的程序如附錄1所示。

bed1

&OBST XB=1.1,1.2,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,2.4,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=2.4,4.0,2.2,3.0,0.0,1.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=4.0,5.2,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=5.2,5.3,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=3.15,3.25,2.2,3.0,1.8,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,3.1,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

&OBST XB=3.3,5.2,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

2.6 定義輸出文件

通過SLCF(Slice File)命令，生成一種可視化的二維數(shù)據(jù)，保存在后綴名為smv的文件中(如Corridor_smoke.smv)。本文主要是從能見度考慮，可視化的二維數(shù)據(jù)程序為：

&SLCF PBX=6.3,QUANTITY=‘VISIBILITY ’/走廊中間煙氣能見度分布

通過DEVC命令測量煙氣能見度物理參量。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 煙氣的減光性

煙氣的減光性能夠降低能見度，使疏散速度下降，煙氣的減光性體現(xiàn)在：(1)煙氣中的固體和液體顆粒對光有吸收、反射和折射等作用；(2)有些煙氣中含有HCl、NH3和Cl2等，這些氣體對眼睛有刺激作用，嚴重影響人的視覺?；馂?zāi)現(xiàn)場的能見度受多種因素的影響，其中包括煙氣的濃度、物體的亮度、煙氣的顏色、背景的亮度以及觀察者對光線的敏感程度等因素；由于煙氣的減光性，實際能夠達到的能見距離將遠遠小于極限視程。實驗證明，對環(huán)境熟悉的人員在能見距離低于5m時便難以成功疏散。人能夠忍受的能見度極限值如下表1。

表1 人能忍受的能見度極限值[6]

3.2 火災(zāi)煙氣的能見度在走廊的變化

如圖2所示，給出了不同時間點走道中間切面能見度截圖。

(1)300s時走道中間切面能見度截圖

(2)1000s時走道中間切面能見度截圖

如圖3所示，給出了火災(zāi)發(fā)生時走道內(nèi)不同時間點煙氣能見度變化曲線。其中，上面(左邊)為走廊封閉的情況，中間為走廊兩端設(shè)有自然通風(fēng)(通風(fēng)口為走廊2.5m高度到走廊頂部)，下面(右邊)為走廊兩端設(shè)有自然通風(fēng)(通風(fēng)口為走廊1.8m高度到走廊頂部)的情況。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》GB51251-2017中第 4.3.3款規(guī)定:自然排煙窗(口)應(yīng)設(shè)置在排煙區(qū)域的頂部或外墻，并應(yīng)符合下列規(guī)定：1當(dāng)設(shè)置在外墻上時，自然排煙窗(口)應(yīng)在儲煙倉以內(nèi)，但走道、室內(nèi)空間凈高不大于3m的區(qū)域的自然排煙囪(口)可設(shè)置在室內(nèi)凈高度的1/2以上。所以本文選取通風(fēng)口都是設(shè)置在走道凈高1.5m以上。

在截圖中，藍色(豎軸第四道)代表能見度為0.5-8.0m，綠色(豎軸第三道)代表能見度為8.0-21.5m，黃色(豎軸第二道)代表能見度為21.5-24.5m，紅色(豎軸第一道)代表能見度為24.5-30.5m以上。

(1)500s時走廊能見度變化曲線

(2)600s時走廊能見度變化曲線

(3)800s時走廊能見度變化曲線

4 結(jié)論

與其他建筑相比，宿舍類建筑由于走道狹長，導(dǎo)致在火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)煙氣極易在走道聚集，火災(zāi)危險及危害性更高。為了分析排煙口對宿舍走道煙氣運動規(guī)律的影響，本研究通過對某大學(xué)圖書館宿舍樓進行模擬，得出排煙口對走道能見度的變化情況：

第一，高度越高，能見度越低。在走廊13m和40m距離處，能見度略高于周圍，這是因為此處為樓梯間及出口其前室，煙氣到達這里后，一部分煙氣便通過出口蔓延出去。

第二，通過對三組曲線的分析可知，隨著燃燒的加劇，走廊內(nèi)能見度不斷下降，走廊為封閉狀態(tài)時煙氣能見度都低于走廊兩端設(shè)有自然通風(fēng)口時的能見度。三種情況中，500s時，1.8m高度處煙氣的能見度都已經(jīng)低于人體的極限視距了，此時，必須迅速撤離火場。因此，建議學(xué)校在宿舍走廊內(nèi)增設(shè)逃生疏散指示標志等。

第三，走道兩端未設(shè)置自然排煙口時，在2.6m高度范圍內(nèi)，能見度變化不大，說明在此高度范圍內(nèi)煙氣濃度比較集中。因此，若設(shè)置機械排煙口，設(shè)置高度不應(yīng)低于2.6m。

第四，走道兩端設(shè)置自然排煙口時，能夠有效地降低煙氣濃度，增加能見度。且沿走道越往遠處走，煙氣濃度越高，能見度越低。

第五，走道兩端自然排煙口設(shè)置位置靠上有利于排煙，但是對能見度的影響不是很大。

綜上，在一些新建和改建的宿舍樓中，應(yīng)在走道兩端增設(shè)自然排煙口；若自然排煙口不能滿足要求還應(yīng)增設(shè)機械排煙口，以增加火災(zāi)時走道能見度，便于安全疏散。