高大空間建筑自然排煙系統(tǒng)性能化防火設(shè)計(jì)

于烽

（江蘇省消防總隊(duì)泰州市消防支隊(duì)，江蘇泰州 225300）

高大空間建筑自然排煙系統(tǒng)性能化防火設(shè)計(jì)

于烽

（江蘇省消防總隊(duì)泰州市消防支隊(duì)，江蘇泰州 225300）

基于性能化防火設(shè)計(jì)的方法，以自然排煙量等于煙氣產(chǎn)出量為基本要求，利用火災(zāi)煙氣模型和火災(zāi)動力學(xué)理論，計(jì)算出高大空間建筑火場煙氣各物性參數(shù)，較系統(tǒng)的提出了大空間建筑的自然排煙系統(tǒng)開窗面積的理論計(jì)算方法。以某室內(nèi)商業(yè)步行街為例，理論計(jì)算分析了不利火災(zāi)場景下煙氣流動和排煙效果，該建筑現(xiàn)有排煙口面積滿足排煙要求。

自然排煙，大空間建筑，性能化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，大空間建筑越來越多的出現(xiàn)在城市建筑群中［1］，大空間建筑具有可燃物品多，火災(zāi)荷載大，疏散人數(shù)多等特點(diǎn)。由于高大空間建筑特殊的建筑體量和功能需求，常規(guī)消防設(shè)計(jì)方法很難滿足此類建筑消防設(shè)計(jì)要求［2］。傳統(tǒng)處方式的防火設(shè)計(jì)方法對大空間建筑排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出了硬性的排煙量規(guī)定［3，4］，對于不同的建筑類型，不同火源大小，不同的建筑高度，機(jī)械地按照處方式要求設(shè)置排煙系統(tǒng)排煙量難免存在不科學(xué)之處。隨著消防科學(xué)的發(fā)展，建筑消防性能化防火設(shè)計(jì)的方法被越來越多的提出和應(yīng)用，消防性能化防火設(shè)計(jì)方法的核心即采用火災(zāi)動力學(xué)的基本理論，以建筑的具體消防問題為研究點(diǎn)，根據(jù)建筑的具體情況，采用科學(xué)的理論計(jì)算與數(shù)值模擬方法，對建筑的消防設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。本文將以某室內(nèi)商業(yè)步行街為案例，利用性能化防火設(shè)計(jì)的方法對該建筑排煙系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 自然排煙基礎(chǔ)理論

1.1 火源等效直徑

為了研究方法，采用火源等效直徑的方法對火源大小進(jìn)行描述。火源等效直徑計(jì)算公式如下:

式中:D——火源等效直徑，m;

Q——火源熱釋放速率，kW;

qe——單位面積熱釋放速率，kW/m2，可參考表1。

表1 英國CIBSE規(guī)范中建議的單位面積熱釋放速率［5］

1.2 火焰平均高度

火焰區(qū)由兩部分組成:穩(wěn)定區(qū)和間歇區(qū)。火焰的平均高度是這樣定義的:在火焰的羽流中心線上火焰出現(xiàn)概率為50%的點(diǎn)到可燃物表面的距離。其中ISO 16734:2006給出了在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，燃燒產(chǎn)生的火焰的平均高度的計(jì)算方法，如下式［6］:

式中:L——火焰的平均高度，m;

D——著火源的直徑，m。

1.3 虛擬點(diǎn)源

著火源的半徑與著火源的熱釋放速率決定了虛擬點(diǎn)源即虛點(diǎn)源所在的位置。ISO 16734:2006給出了可燃物在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下燃燒時(shí)計(jì)算產(chǎn)生火焰的虛擬點(diǎn)源的位置zv的具體方法，如式（3）:

其中，zv為虛擬點(diǎn)源的位置，m。

1.4 羽流的質(zhì)量流量

羽流的質(zhì)量流量的組成分為三部分:可燃物燃燒時(shí)所必需的空氣量、燃燒時(shí)可燃物的質(zhì)量損失速率以及可燃物燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣在上升過程中所能夠卷吸的空氣的量。ISO 16734:2006給出了在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下計(jì)算平均火焰上方軸對稱型羽流的質(zhì)量流量mp的具體方法，如式（4）。羽流的質(zhì)量流量mp由著火源的熱釋放速率的對流部分Qc、著火源中心到熱煙氣層的垂直距離z以及虛擬點(diǎn)源的位置zv三個(gè)參數(shù)所決定。

1.5 羽流中心線的軸向溫度

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ISO 16734:2006給出了計(jì)算火焰平均高度以上部分的羽流中心線軸向溫度ΔT0的具體方法，如式（5）:

1.6 羽流平均溫度

ISO 16734:2006給出了可燃物燃燒時(shí)，計(jì)算火焰上方的羽流的平均溫度的方法。其中羽流的平均溫升與著火源的熱釋放速率的對流部分成正比，而與羽流的質(zhì)量流量成反比。ISO 16734∶2006給出的計(jì)算羽流的平均溫度ΔTp的具體公式如式（6）:

1.7 計(jì)算排煙量

當(dāng)排煙量等于煙氣產(chǎn)量時(shí)，煙氣層將維持在一定高度。由美國的規(guī)范NFPA92B［7］以及英國規(guī)范CIBSE TM-19［8］得出建筑所需的排煙量可通過式（7）計(jì)算得到:

如果系統(tǒng)采用自然排煙的方式，則自然排煙量的大小由三個(gè)主要煙氣參數(shù)決定:燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣的厚度、自然排煙口的面積的大小以及產(chǎn)生煙氣的溫度的高低。具體排煙量的計(jì)算方法如式（8）:

其中，T0為大氣的溫度，K;Cd為煙氣流量系數(shù)，根據(jù)規(guī)范建議取為0.7;ρ0為大氣空氣密度，kg/m3;d為火場煙氣層的厚度，m;Ts為火場煙氣層的絕對溫度，K;Avo為自然排煙口的面積大小，m2;Avi為自然補(bǔ)風(fēng)口的面積大小，m2。

當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)火源的煙氣生成量與排煙量相等時(shí)，煙氣層保持在一個(gè)穩(wěn)定的平面，即排煙系統(tǒng)需滿足式（9）:

聯(lián)立式（1）～式（4）以及式（9），求解高大空間建筑理論排煙量，同時(shí)聯(lián)立式（5）～式（8），求解Avo，即可得到大空間建筑自然排煙系統(tǒng)的開窗面積。

2 案例剖析

某大型建筑室內(nèi)商業(yè)街步行街為地上3層大空間建筑，建筑高度15.85m，總建筑面積35 100m2。步行街中央為10m寬的人行通道，通道兩側(cè)為商業(yè)店鋪。在步行街兩側(cè)設(shè)置12個(gè)貫通上下3層的中庭。其中有兩個(gè)大型中庭，中庭面積分別為530 m2和745 m2，中庭高度為15.85 m。人行走道上空設(shè)置多個(gè)自然排煙口，主要依靠自然排煙方式排煙，排煙口的面積占室內(nèi)步行街走道地面面積的25%，室內(nèi)商業(yè)步行街依靠對外出口補(bǔ)風(fēng)，補(bǔ)風(fēng)口面積為200 m2，建筑平面圖如圖1所示。現(xiàn)有排煙口面積能否滿足火災(zāi)時(shí)排煙量的要求，需要進(jìn)一步進(jìn)行理論論證。

圖1 商業(yè)街建筑平面圖

2.1 商業(yè)步行街火災(zāi)煙氣理論分析場景設(shè)置

商業(yè)步行街火災(zāi)煙氣理論分析時(shí)，為了研究方便，對室內(nèi)步行街進(jìn)行火災(zāi)煙氣理論計(jì)算時(shí)作出如下科學(xué)假設(shè):火源為穩(wěn)態(tài)火，羽流形式為軸對稱羽流，采用雙區(qū)域模型對以上大型建筑室內(nèi)商業(yè)街步行街的排煙口面積進(jìn)行分析。

參考表1中英國CIBSE規(guī)范的數(shù)據(jù)，本案例中將設(shè)定該步行街發(fā)生火災(zāi)時(shí)單位面積的可燃物的熱釋放速率為500 kW/m2。火災(zāi)增長系數(shù)為0.046 89 kW/s2（t2快速火）［9-11］。

當(dāng)步行街內(nèi)自動噴水滅火系統(tǒng)失效，考慮到我國消防隊(duì)員在接警后5 min到達(dá)火場，并在火災(zāi)發(fā)生后10 min開展有效的滅火戰(zhàn)斗并控制火勢的發(fā)展。可以設(shè)定自動噴水滅火系統(tǒng)失效時(shí)步行街的火災(zāi)最大熱釋放速率為Q=0.046 89×6002=16 884 kW，約16.9 MW。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣將通過屋面的排煙窗排送至室外，不可能無限制的蔓延，為了研究的方便，根據(jù)計(jì)算機(jī)煙氣模擬結(jié)果確定如圖2所示黑框內(nèi)部分為火災(zāi)煙氣影響區(qū)域，即可認(rèn)為煙氣僅局限于影響區(qū)域內(nèi)，不向其他區(qū)域擴(kuò)散。

圖2 商業(yè)步行街理論分析起火源與研究區(qū)域

根據(jù)商業(yè)步行街的建筑特點(diǎn)和使用功能，選取圖2所示1號火源點(diǎn)。根據(jù)起火點(diǎn)位置、煙氣影響區(qū)域以及火源規(guī)模，確定如表2所示的步行街煙氣理論分析火災(zāi)場景。下面將利用火災(zāi)煙氣理論分析各火源起火后影響區(qū)域內(nèi)的煙氣特性參數(shù)。

表2 商業(yè)步行街煙氣理論分析火災(zāi)場景

2.2 商業(yè)步行街火災(zāi)煙氣理論計(jì)算分析

利用上述火災(zāi)煙氣理論計(jì)算方法，對商業(yè)步行街火災(zāi)場景中煙氣特性參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算分析，分析結(jié)果如表3所示。通過表3理論計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)商業(yè)步行街自動噴水滅火系統(tǒng)失效時(shí)，如果依靠消防隊(duì)人員進(jìn)行控制火災(zāi)，即發(fā)生火災(zāi)的熱釋放速率為16.9 MW時(shí)，屋頂面下方的2 m處（即:13.85 m標(biāo)高處）煙氣羽流的質(zhì)量流量為194.96 kg/s，而且面積為166.8 m2的排煙口可以將發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣全部排放至室外區(qū)域。于是理論計(jì)算要求排煙口的面積166.8 m2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的大小為606 m2排煙口的面積。因此，認(rèn)為該建筑的商業(yè)步行街內(nèi)現(xiàn)有的排煙口面積滿足排煙量的要求。

表3 該步行街理論計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

基于性能化防火設(shè)計(jì)的方法，利用ISO 16734∶2006以及英國規(guī)范CIBSE TM-19中火災(zāi)煙氣理論，較系統(tǒng)的提出了大空間建筑的排煙系統(tǒng)理論計(jì)算方法。在設(shè)定的具體火災(zāi)場景的條件下，分析研究煙氣溫度、煙氣質(zhì)量流量、羽流質(zhì)量流量等特性參數(shù)，從而計(jì)算出所需排煙口面積。

自然排煙的基礎(chǔ)理論，在工程案例應(yīng)用中方便簡單、操作容易，可以為發(fā)生火災(zāi)時(shí)自然排煙面積的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在該文案例中，通過用這種方法的理論計(jì)算可知，該建筑的室內(nèi)商業(yè)步行街內(nèi)現(xiàn)有的排煙口面積滿足排煙量的要求。

在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)建筑具體形態(tài)和消防設(shè)計(jì)難題，設(shè)置最不利的火災(zāi)場景。分析研究不利火災(zāi)場景下煙氣溫度、煙氣質(zhì)量流量以及煙氣層厚度等基本參數(shù)變化，通過理論計(jì)算確定建筑所需的排煙口面積和補(bǔ)風(fēng)口面積。通過將計(jì)算排煙口面積與建筑現(xiàn)有排煙口面積進(jìn)行對比，從而可以對現(xiàn)有的排煙口面積能否滿足排煙要求做出定性、定量判斷，同時(shí)為大空間建筑排煙口面積的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

［1］孫楠.地下商業(yè)建筑的火災(zāi)特點(diǎn)與滅火救援［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2010（7）：37-38.

［2］楊淑江.大空間建筑防排煙系統(tǒng)性能化設(shè)計(jì)［J］.安全與環(huán)境工程，2010，17（5）：55-56.

［3］GB 50016-2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［4］DGJ 08-88-2006，上海市工程建設(shè)規(guī)范——民用建筑防排煙規(guī)程［S］.

［5］The Chartered Institution of Building Services Engineers Delta House.CIBSE.

［6］ISO 16734∶2006，F(xiàn)ire safety engineering-requirements governing algebraic equation-fire plumes［S］.Published in Switzerland，2006.

［7］NFPA 92B，Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria and Large Sapaces，2005.

［8］The Chartered Institution of Building Services Engineers Delta House.CIBSE.

［9］國家十五重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目專題四研究報(bào)告——火災(zāi)增長分析的原則和方法［R］.2004.

［10］程遠(yuǎn)平，陳亮，張孟君.火災(zāi)過程中火源熱釋放速率模型及其實(shí)驗(yàn)測試方法［J］.火災(zāi)科學(xué)，2002，11（2）：41-42.

［11］王志剛，倪照鵬.設(shè)計(jì)火災(zāi)時(shí)火災(zāi)熱釋放速率曲線的確定［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4（11）：20-22.

Performance-based fire safety design of natural draft system of large-space building

YU Feng

（Taizhou Fire Control Branch Angency，Jiangsu Fire Control Headquarter，Taizhou 225300，China）

Based on performance-based fire safety design，as the basic requirements of the smoke natural emission equal to the flue gas volume of output，use of fire smokemodel and fire dynamics theory，calculate the physical parameters of fire flue gas in the large space building，put forward systematic theoretical calculationmethod on the fenestration area of natural smoke exhaust system in the large space.An indoor commercialwalking street as example，by theoretical calculation，analysis of flue gas flow and smoke exhaust effects under the adverse fire scene，the existing exhaust port area of the buildingmeet the exhaust requirements.

natural draft，large-space building，performance-based design

TU972.4

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.005

1009-6825（2012）19-0144-03

2012-05-08

于烽（1981-），男