高層建筑走廊防排煙方式的數值模擬分析*

劉秀玉 戴 圣

0 引言

高層建筑因其結構復雜,人員密度大,可燃物較多,火災正成為建筑最大的安全隱患。火災產生的煙氣具有毒性,易使人窒息死亡。國內外大量火災實例統計表明,因火災造成的傷亡者中,受煙害直接致死的約占1/3～2/3。由于火災煙氣的極大危害性,建筑物的防排煙設計成為建筑設計和消防工作人員十分關注的問題[1]。建筑的防排煙主要有三種方式:自然排煙,機械防煙,機械排煙。筆者通過數值模擬的方法,比較了三種排煙方式下的煙氣擴散特點,為建筑的防排煙設計提供理論依據。

1 物理模型

該模型為某高層辦公樓,共15層,建筑長、寬、高分別為30 m,13 m和47 m,單室進深5 m。本文選取的計算區域為該寫字樓的第10層,走廊寬度為2.5 m,高度為3 m,走廊的兩端為常開窗戶。火源位于走廊東側盡頭的一房間,根據DGJ 08-88-2006上海市建筑防排煙技術規程,火災功率設1.5 MW。樓梯間在走廊中部,前室設有機械送風系統。排煙口尺寸為1000mm×800mm。

2 數學模型

火災發生后,煙氣在建筑內部進行的流動是一種高度復雜的三維非穩態、帶旋轉的不規則運動。煙氣的流動遵循著能量質量的守恒定律,即:能量方程、動量方程、連續性方程和組分方程。這些方程的通用形式為:

其中,四項分別為時間項,對流項,擴散項和源項;φ為通用變量;Γ為擴散系數[2]。

3 模擬方案

目前我國高層建筑的防排煙方式主要有自然排煙、機械防煙、機械排煙三種,為了探討不同煙氣控制模式下的煙氣流動形態,確定三種防排煙各自的優缺點,擬采用的煙氣控制方式有以下三種:

1)自然通風下的建筑內部煙氣流動情況,不設置機械防排煙系統。

2)在樓梯間前室設置正壓送風系統。

3)在走廊設置機械排煙口,樓梯間前室設置正壓送風系統。

4 邊界條件

4.1 入口邊界條件

模擬中,考慮到自然排煙條件下,室外風速風向對煙氣排出有很大的影響。火災發生房間的窗口設為速度入口。入口處的

風速由下式計算[3]:

4.2 出口邊界條件

走廊的窗戶設置為壓力出口條件,機械排煙口設置為風機出口,在出口處加一個壓力躍升。

4.3 壁面函數

對于壁面速度分量(u,v,w)均采用無滑移邊界條件。對于能量方程,圍護結構傳熱按一維傳熱處理,且采用定外壁面溫度條件,即壁面溫度不變,壁面的熱流量為0,即是絕熱壁面。假定固定壁面煙流不可滲透,即在壁面處擴散通量為0的邊界條件。

4.4 火源

本文的火源模擬采用體積熱源法,在gambit建模時設置一獨立的立方體作為火源,在fluent中采用UDF編程給火源增加能量源項和質量源項。在真實條件下,火源的燃燒不會立即達到穩定燃燒的最大釋熱速率,通常被看做是時間的函數。本文中火源的釋熱由以下公式計算[4]:

其中,Q為火源放熱量,kW;a為火源釋熱增長系數,kW/s2,設計取值0.047。

4.5 煙氣

本文重點討論火災發生后,不同煙氣的控制方式下煙氣流動的特性。所以,在模擬中,不考慮可燃物燃燒生成的各種有毒氣體,而是假設火焰完全燃燒,生成的產物為CO2,其生成量的計算符合耗氧原理,即每生成1.32×107的熱量,就有1 kg的氧氣被消耗[5]。通過氧氣的消耗量,進而求出CO2的產生量。

5 模擬結果及分析

5.1 自然排煙

從自然排煙下的煙氣擴散圖中可以看出,火災發生60 s后,煙氣已經從火災發生的房間里蔓延至走廊上,并在走廊頂部聚集。120 s時,火災煙氣已經從走廊蔓延至樓梯間前室附近。180 s時,火災產生的煙氣已經侵入樓梯間前室,并有少量煙氣進入了樓梯間。至火災發生后240 s,煙氣已經充滿樓梯間。

5.2 樓梯間加壓送風

在樓梯間前室設置機械送風口,并使前室相對于走廊保持25 Pa的正壓。在火災發生后,建筑內部的煙氣分布情況如圖1所示。

從圖1中可以看出,在火災發生后120 s,煙氣到達樓梯間處,但由于前室的機械加壓送風系統的作用,煙氣未能進入前室內。至180 s,有少量煙氣進入前室,240 s時,煙氣進入樓梯間,但樓梯間煙氣濃度維持在一個較低的水平。相對于自然排煙,在樓梯間前室設置加壓送風系統后,煙氣進入前室的時間得到了很大的延遲。在大量室外新風作用下,即使煙氣侵入前室后,整個樓梯間溫度上升的較為緩慢,且最高溫度相對于自然排煙下的樓梯間溫度低了約60℃。但此時樓梯間的溫度較高,高溫煙氣的存在,對人員的逃生仍然造成很大危害。

5.3 樓梯間加壓送風和走廊機械排風聯合作用

在樓梯間前室設置機械送風口,使前室相對于走廊保持25 Pa的正壓。在走廊東側頂部設置機械排煙口。排煙風機排煙量為7200 m3/h。

從圖2中可以看出,火災發生后60 s由于產生的煙氣還比較少,走廊頂部排煙系統開始運行后,走廊基本沒有煙氣。在120 s時,由于排煙系統工作后形成的負壓,致使排煙風機附近2 m范圍內,煙氣沉積大于走廊其他部位。若排煙口設置在樓梯間前室處,那么造成的負壓會使前室門口沉積大量的煙氣,阻礙人員的逃生。這也印證了《高規》上“排煙口與附近安全出口沿走道方向最小水平距離不應小于1.5 m”的條例。180 s,煙氣在前室附近走廊內繼續聚積,仍然未能進入前室。240 s,煙氣少量進入前室。火災發生240 s時,前室的最高溫度只有45℃,而樓梯間溫度在41℃左右。在此溫度下,逃生人員能夠忍受。從圖3中可以看出,240 s時前室的最大煙氣濃度約為0.08,而樓梯間的煙氣濃度在0.06左右。火災中CO2體積分數達到3%時對人體造成較大傷害[6],即CO2質量分數小于0.046時為安全狀態。此時樓梯間內的溫度和煙氣濃度,對逃生人員的生命安全不會造成傷害。

6 結語

1)高層建筑發生火災后,自然排煙的效果不明顯,火災發生后2 min內煙氣就已經進入前室。建筑內部缺乏將煙氣和熱量排出室外的有力工具,溫度和煙氣的濃度上升較快。

2)前室設置正壓送風口,雖然相對于自然排風能很有效的遏制煙氣進入前室,但由于走廊聚積的大量煙氣無法排出室外,在火災發生4 min后,由于熱壓的作用最終還是進入了樓梯間。

3)走廊頂部設置機械排煙口,在排煙風機和送風風機的聯合作用下,走廊內的煙氣和熱量被大量的排出室外,走廊相對于前室的熱壓降低到最低程度,煙氣很難進入前室,前室內的溫度和含煙量不會對逃生人員的生命安全構成威脅。

[1] 王漢青.通風工程[M].北京:機械工業出版社,2007:201.

[2] 陶文銓.數值傳熱學[M].第 2版.西安:西安交通大學出版社,2001:33.

[3] 張吉光.高層建筑與地下建筑通風和防排煙[M].北京:中國建筑工業出版社,2005:88-91.

[4] DGJ 08-88-2006,上海市建筑防排煙技術規程[S].

[5] 靖成銀.高層建筑火災煙氣控制模式的數值分析[J].建筑科學,2009,25(7):17.

[6] Shields T J,Boyce K E.A study of evacuation from large retail room[J].Fire Safety Journal,2000(35):25-49.