典型土建風(fēng)道對防排煙效率的影響及關(guān)鍵參數(shù)研究

摘要：為了解決建筑工程應(yīng)用中，建筑排煙系統(tǒng)煙氣排出段使用土建風(fēng)道時與規(guī)范規(guī)定相沖突的問題，應(yīng)用FDS數(shù)值模擬對其進(jìn)行分析評估，并通過實體實驗給予驗證分析，探索出煙氣排出段使用土建風(fēng)道時對建筑防排煙系統(tǒng)效率的影響及關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)論為土建風(fēng)道作為煙氣排出段時，長度多在10.0m以內(nèi)，管壁粗糙度對防排煙系統(tǒng)效率的影響較小，改變土建風(fēng)道尺寸則會對防排煙系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響，但影響亦較小。

關(guān)鍵詞：建筑防排煙；煙氣排出段；壓差；絕對當(dāng)量粗糙度；截面面積

中圖分類號：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0095-03

GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）已頒布實施，其中第3.3.7條及4.4.7條作為強(qiáng)條，規(guī)定機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)應(yīng)采用管道送風(fēng)和排煙，且不應(yīng)采用土建風(fēng)道，由于《標(biāo)準(zhǔn)》中未明確說明機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的取風(fēng)段和機(jī)械排煙系統(tǒng)的煙氣排出段使用土建風(fēng)道是否可行，在《標(biāo)準(zhǔn)》編制過程中及《標(biāo)準(zhǔn)》管理來函中，針對此方案可行性的來函及相關(guān)提問較多，設(shè)計人員也比較困惑，工程驗收時，驗收人員針對此問題反映較多。通常認(rèn)為煙氣排出段是非關(guān)鍵部件，長度較短，通常在10.0m內(nèi)，因此在工程中直接應(yīng)用土建風(fēng)道，此種方案是否會對防排煙系統(tǒng)帶來影響，是本研究的重點。

土建風(fēng)道與鐵皮等金屬風(fēng)道相比，管道絕對當(dāng)量粗糙度有較大差異，從而影響管道內(nèi)風(fēng)量的沿程損耗，國內(nèi)外已開展了較多相關(guān)研究[1-6]，如研究管道粗糙度對管道內(nèi)壓降、流量、沿程阻力等方面的影響，但針對防排煙系統(tǒng)中，土建風(fēng)道管道內(nèi)壁粗糙度及管道尺寸對防排煙效率的影響，甚至造成防排煙系統(tǒng)失效等研究較少，故本文對此進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬實驗

模型參考GB/T2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第2部分：孔板》、GB/T1236—2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗》、GB/T16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，依據(jù)伯努利方程中流體在重力場中流動時的能量守恒原理，通過改變機(jī)械排煙系統(tǒng)煙氣排出段的粗糙度和尺寸等參數(shù)，考察已設(shè)置的孔板前后段壓差的數(shù)值變化并進(jìn)行分析比較，以此判斷煙氣排出段對防排煙效率的影響因素及關(guān)鍵參數(shù)。模型見圖1。

豎向管道為機(jī)械防排煙系統(tǒng)的煙氣排出段，土建風(fēng)道整體高度取值為5.0m，橫向管道為模擬鐵皮等金屬風(fēng)道及防排煙系統(tǒng)，開口尺寸為1.1m×1.1m，長度為11.0m。本研究借鑒伯努利方程能量守恒定律，在管道中設(shè)置孔板，以模擬防排煙系統(tǒng)壓差，孔板開口尺寸為0.7m×0.7m，在參考各類實驗標(biāo)準(zhǔn)的情況下，考慮孔板位置在鐵皮管道進(jìn)口長度設(shè)置為6D（D為管道內(nèi)徑），鐵皮管道出口長度設(shè)置為4D，此長度能形成充分發(fā)展的紊流速度分布，而且使這種分布形成均勻的軸對稱形。在參考相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)定土建風(fēng)道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度參數(shù)為0.50～2.0mm，鐵皮等金屬風(fēng)道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度參數(shù)為0.05～0.30mm。

按照土建風(fēng)道開口尺寸及當(dāng)量粗糙度不同，分別開展了17種工況模擬。土建風(fēng)道開口尺寸不變，改變其粗糙度的部分模擬工況見表1。

土建風(fēng)道粗糙度不變，改變其開口尺寸，開口尺寸每增加0.1m設(shè)置1個工況，共計14個工況。模型管道內(nèi)設(shè)計風(fēng)量為43000～43200m3/h，設(shè)置風(fēng)速測量切片1個，風(fēng)壓矢量切片1個。由于該模擬在10s后即會進(jìn)入穩(wěn)定的流體運動狀態(tài)，壓力測點數(shù)值變化較小，故模擬時間設(shè)置為30s。由于金屬管道表面及土建風(fēng)道壁的粗糙度較小，因此，網(wǎng)格尺寸的大小將對模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響，故正式模擬開始前，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，為了兼顧求解精度和計算速度，需對計算域的網(wǎng)格劃分進(jìn)行無關(guān)性驗證[7]，筆者對工況2設(shè)置了3組不同密度的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為108000、162000、337500個，使用以上3個模型計算得到壓差數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計分析，選取其中測點1和4兩個點的壓差值統(tǒng)計見表2。由表2可知，網(wǎng)格系統(tǒng)A與B壓差數(shù)值相差約為64%，網(wǎng)格系統(tǒng)B與C數(shù)值相差約為9.5%，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量逐漸增大時，測點壓差同時變大，當(dāng)增大到33萬后，網(wǎng)格B與C的壓差數(shù)值變化減小到10%以內(nèi)，數(shù)值相差已不大，為此，綜合考慮計算精度與計算時間，選擇較適中的B網(wǎng)格尺寸0.1m×0.1m×0.1m來進(jìn)行模擬計算，較為合理。

2 實驗驗證工作

實驗共選取了5個場景進(jìn)行驗證，實驗場景的尺寸大小與相對應(yīng)的模擬場景完全相同，豎向土建風(fēng)道采用紅磚砌筑，高度為5.0m，5個實驗場景截面尺寸及相關(guān)信息見表3。

研究人員在實驗場景搭建時對各連接處進(jìn)行了嚴(yán)密的封堵，實驗由1臺軸流風(fēng)機(jī)運行產(chǎn)生風(fēng)量和風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)安裝于橫向鐵皮風(fēng)管內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)變頻器裝置及管道內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)量測量設(shè)備進(jìn)行調(diào)試控制，使管道內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量與FDS模擬場景數(shù)值基本相同。實驗使用差壓顯示送變器DP系列進(jìn)行差壓測量，送變器的壓差受空氣密度和溫度的影響都通過儀器內(nèi)部場景設(shè)置進(jìn)行補(bǔ)償。

3 FDS模擬結(jié)果及實體實驗結(jié)果呈現(xiàn)

本實驗?zāi)Ｐ拖冉y(tǒng)計每個壓力點在模擬10～30s時間內(nèi)的壓力均值P，再用孔板后端對應(yīng)點位壓力均值減去前端對應(yīng)點位壓力均值，得到對應(yīng)點位的ΔP均值，簡稱ΔPx（x為測點名稱），然后用5個點的ΔP均值再取其平均值，得到整個工況孔板前后端整個面的ΔP′，即ΔP′=（ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4+ΔP5）/5，此ΔP′最終可作為模擬防排煙系統(tǒng)的壓力差值，并通過ΔP′的變化情況做判斷比較。模擬工況的ΔP′值見圖2。

實體實驗開始后，調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使之與模擬工況相近，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后計時開始，每測點間隔5s同時取一個壓差數(shù)據(jù)Ps，30s時間內(nèi)取得6個壓差值，進(jìn)行平均后得到ΔPs，簡稱ΔPsx（x為測點名稱），然后用4測點的ΔPs均值再取其平均值，得到整個工況孔板前后端整個面的ΔPs′，由于實驗中風(fēng)機(jī)接口變徑及儀器測量誤差等因素影響，實驗結(jié)果與FDS模擬結(jié)果相比，壓差數(shù)據(jù)小一些，但變化趨勢是相同的，實驗工況ΔPs′值見圖3。

4 結(jié)束語

典型土建風(fēng)道中的機(jī)械排煙系統(tǒng)煙氣排出段，長度通常在10.0m以內(nèi)，通過改變排煙系統(tǒng)中煙氣排出段的管道壁面粗糙度及管道截面尺寸，應(yīng)用FDS數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行分析評估，并通過實體實驗給予驗證分析，探索出土建風(fēng)道對建筑防排煙系統(tǒng)效率的影響及關(guān)鍵參數(shù)，研究結(jié)果如下：

①在開口尺寸不變，改變其管壁粗糙度的情況下，各壓力測點的數(shù)值變化較小。FDS模擬結(jié)果中，工況2為規(guī)整紅磚砌筑表面、混凝土現(xiàn)澆表面等，在實際工程中應(yīng)用較多，與工況1即鐵皮風(fēng)管相比，其孔板前后平均ΔP′變化幅度僅為0.28%；工況3為不規(guī)整紅磚砌筑表面、抹灰較為粗糙表面等，與工況1相比，其孔板前后平均ΔP′變化幅度為0.18%，亦較小。實體實驗中，工況二與工況一相比，其孔板前后平均ΔPs′變化幅度僅為0.2%；工況三與工況一相比，其孔板前后平均ΔPs′變化幅度僅為0.06%。實體實驗結(jié)果與模擬結(jié)果相比較，壓差變化均較小，因此，可認(rèn)為土建風(fēng)道管壁粗糙度對防排煙效率的影響非常有限。

②在土建風(fēng)道粗糙149d36e3f482f704c4c27a3855b6e491度相同，改變其截面開口尺寸的情況下，截面尺寸從（1.1m×1.1m）～（2.4m×2.4 m），F(xiàn)DS模擬了共計14個工況，由結(jié)果可知，孔板前后平均ΔP′的數(shù)值總體呈下降趨勢；工況17與工況2相比，其孔板前后平均ΔP′變化幅度為1.8%。實體實驗中，工況四與工況二相比，其孔板前后平均ΔPs′變化幅度為0.7%。隨著土建風(fēng)道截面尺寸變大，實體實驗結(jié)果與模擬結(jié)果相比較，均有相同變化趨勢，而改變其截面尺寸的壓差與改變壁面粗糙度壓差變化幅度相比要大一些，因此，可認(rèn)為土建風(fēng)道截面開口尺寸對防排煙效率具有一定的影響，但影響亦較小。

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