高層建筑豎井內煙氣流動特性及控制方法

張建榮

（重慶市沙坪壩公安消防支隊，重慶 400030）

隨著城市的發展，高層和超高層建筑越來越常見。高層建筑減小了土地使用面積，在一定程度上代表著城市的發展水平。但與此同時，高層建筑中火災問題也給生命財產安全帶來了很大的挑戰。火災對人們生命財產造成了極大的危害，這種危害可以分為2類：熱輻射引起的危害和非熱因素引起的危害［1］。對于熱輻射引起的危害研究較多，而針對非熱因素引起的危害的研究則起步較晚。然而，統計結果表明：火災中85%以上的死亡直接或間接的受到火災煙氣的影響，有毒煙氣的吸入更是造成火災中人員傷亡的主要原因［2］。同時，在高層建筑中含有大量的豎井，這給煙氣向非著火層的蔓延提供了條件。高層建筑樓的梯間、電梯間、管道井等豎向通道內容易形成“煙囪效應”，使火災煙氣在豎直方向擴散速度可以達到3～4m／s，對于人員的逃生造成了極大的威脅［3］。因此，研究煙氣在豎井內的流動規律并提出相應的控制方法就顯得很有必要。本文將對豎井煙氣流動特性與豎井煙氣控制方法的現有研究狀況進行綜述，并結合學術研究成果和工程實踐對豎井火災煙氣控制提出一些思考。

1 豎井中火災煙氣的流動特性研究

1.1 煙囪效應

煙囪效應是煙氣在高層建筑豎井中傳播的主要驅動力，也是造成豎井煙氣流速較快的原因［4］。煙囪效應是浮力和內外壓差共同作用的結果。有研究表明：在煙囪效應中浮力和內外壓差都是存在的，只是在不同的范圍內所起的作用不同。當火源距離豎井中心線較近時，豎井內煙氣的運動規律主要受內外壓差的決定。當火源距離豎井中心線較遠時，煙氣在豎井內的運動主要受浮力的作用［5］。當室外溫度小于豎井內溫度時，室外空氣從中性面以下開口進入豎井，從中性面以上的開口流出。如果著火層在中性面以下時，煙氣就會通過豎井傳播到中性面以上各層，而中性面以下則只有著火層是有煙氣的；如果著火層在中性面以上時，若無樓層之間的滲透，則只有著火層是有煙的。由于火災煙氣溫度相對較高，一般不存在建筑通風中存在的逆煙囪效應。

中性面的位置對于火災煙氣的傳遞方向有很大影響。由于火災情況下豎井內溫度一般大于室外溫度，所以提高中性面的高度可以減少受煙氣影響的樓層數目［6］。Klote［7］通過理論分析，推導出了不同開口下中性面位置的計算公式。Klote模型在預測中性面位置方面得到了廣泛的應用，然而它也具有局限性。Klote模型的一個重要假設就是豎井內溫度不隨高度發生變化，這對于高度較高的豎井顯然是不適應的。Zhang等［8］引進了雙區模型的概念，即將豎井劃分為近火源區和遠火源區，認為每個區內的溫度是恒定的，通過理論推導得到了預測中性面位置的數學模型。然而此模型仍然對豎井內的溫度分布做了簡化處理，具有一定的局限性。Yang等［9］在Klote模型的基礎上，考慮了豎井內空氣與豎井壁面之間的熱量交換，分別在恒壁溫和恒熱流的情況下給出了預測中性面的數學模型，與實際情況更為接近。

豎井中的煙氣流動不僅受到煙囪效應的影響，還有煙氣自身浮力的作用。為此，Cooper［10］、Chow 等［11］發展了考慮浮力驅動和自然對流驅動雙重作用的豎井煙氣運動模型。

1.2 豎井中煙氣主要參數的分布特性

豎井中煙氣中主要物理參數的分布與煙氣對冷空氣的卷吸量有很大關系。對此，Marshall［12］在一個1／5尺寸豎井模型中研究了煙氣流動過程中對空氣的卷吸特征，并建立了基于實驗的空氣卷吸模型，改進了豎井中煙氣羽流卷吸空氣的卷吸系數。Ergin－Ozkan等［13］研究了在樓梯井中的傾斜樓梯段區域冷熱空氣界面的形成以及影響因素。Peppes［14］、Qin等［15～16］針對樓梯井，利用數值模擬的方法，研究了火災過程中樓梯井內浮力驅動的煙氣流動特性及其溫度、壓力等參數的分布規律。Yang等［9］利用理論分析與數值模擬，發現當熱氣流與豎井壁面存在換熱時，氣流溫度在豎向上可能呈現指數分布的特性。

1.3 煙氣的上升速度

雖然豎井內的煙氣受到周圍卷入冷空氣的影響較小，但卻要受到豎井壁面換熱和壁面粘滯力的作用。因此，在豎井這樣的受限空間中，煙氣上升時間也與開放環境中有很大不同。同時，豎井內煙氣上升時間又直接反應了煙氣在高層建筑中的傳播速度與對上部樓層的危害性大小。

Zukoski等［17］在豎井頂部與底部開口和側壁連續開口的條件下，通過理論推導得到了煙氣上升時間的數學模型，并通過鹽水模型試驗進行了驗證。Tanaka［18］則通過小尺寸和全尺寸實驗，給出了在完全開放環境、開放豎井和封閉豎井條件下煙氣上升時間的實驗擬合模型?；鹪吹臒後尫潘俾屎涂臻g幾何結構被認為是影響豎井煙氣上升速度的最重要的因素。然而由于開放豎井與封閉豎井結構不同（前者頂部打開，后者封閉），開放豎井中煙氣的驅動力與封閉豎井以及完全開放環境也有所區別。后兩者中煙氣僅在浮力的作用下向上運動，而開放豎井中的煙氣不僅受到浮力的作用，還受到豎井內外壓差的作用。但是，Tanaka等人卻沒有考慮這一點。Zhang等［19］在Tanaka的基礎上，運用實驗分別得到了開放豎井和封閉豎井內煙氣上升時間的數學模型。以上模型的建立都沒有考慮煙氣與豎井壁之間的熱量交換，這對于分析高層建筑豎井內煙氣的流動還是會帶來一定的偏差。Sun等［20］則考慮了煙氣與豎井壁面之間的對流換熱，得到了煙氣上升時間的數學模型并進行了實驗驗證。然而該模型仍然沒有全面、詳盡的考慮豎井內煙氣與豎井壁面的實際換熱特點，仍然需要更詳盡的研究。

2 豎井煙氣控制方法的研究與工程實踐

2.1 常用煙氣控制方法

由于建筑火災中煙囪效應導致的煙氣沿垂直方向的流動速度比沿水平方向上的流動速度大得多，若不進行有效阻止，在幾分鐘時間內就可以擴散到幾十層的樓層中，從而對遠離著火點的人員構成危害［21］。因此，必須對高層建筑豎井中的煙氣進行控制。高層建筑中常用的煙氣控制遠離主要有：阻擋或隔斷、疏導排煙與加壓防煙［4］。

阻擋或隔斷指的是利用墻、門、樓板等隔斷煙氣的傳播。在高層建筑中，可以利用阻擋或隔斷手段阻止煙氣串入豎井，從而從源頭上控制煙氣利用豎井進行跨樓層傳播。具體做法是在建筑物內劃分防火分區和防煙分區。防煙分區設在防火分區內部，利用隔墻、梁或垂直擋板等阻擋煙氣流動。防火分區和防煙分區的面積及劃分原則參見文獻［22－23］。

疏導排煙可以分為自然排煙和機械排煙。自然排煙是利用熱煙自身的浮力、熱壓及其他自然力將煙氣從窗戶或專設的排煙口排出，具有設施簡單，投資少，日常維護容易等優點。為防止煙氣串入樓梯井或電梯井等人員聚集空間，可以考慮修建專門的排煙豎井進行排煙，且使排煙豎井不與非著火層進行交互。Tamura［24］研究了利用排煙豎井進行自然排煙的可能性。隨后，Tamura等［25］進一步計算了可以達到理想排煙效果的排煙豎井尺寸。張靖巖［26］也對利用豎井進行自然排煙進行了理論分析和數值模擬，并提出了達到理想排煙的豎井高度臨界值的概念。為了提高建筑的利用面積，Ding等［27］則嘗試利用太陽能煙囪將自然通風與豎井排煙系統合二為一，并通過模型實驗及數值模擬驗證了其有效性。機械排煙則是利用排煙風機將煙氣抽走，同時也要補入新鮮空氣。建筑火災情況下的排煙過程就是室內煙氣和室外新鮮空氣的置換過程［28］。如果補氣不足將導致排煙區出現負壓而不利于排煙，補氣過多又會擾亂煙氣層進而危及人員的安全疏散。文獻［29］指出補氣量應該略大于排煙量，然而具體數值仍需要進一步根據火源功率進行量化。

加壓防煙指的是通過風機加壓送風，使樓梯間和前室或合用前室保持正壓，從而防止煙氣的侵入。孫曉乾［30］對影響樓梯井加壓送風效果的因素進行了數值模擬研究，指出防煙樓梯間的加壓送風量、門縫寬度及門的開啟數量對加壓送風效果具有重要的影響。

為了提高高層建筑中煙氣控制的效率，也有一些新的方法被提出。Guyonnaud等［31］首先從理論上研究了空氣幕的作用機理，進而提出了可以使用空氣幕阻止火災煙氣的傳播，并通過實驗研究驗證了其有效性。杜峰等［32］通過數值模擬的方法研究了空氣幕在高層建筑樓梯間防煙中的應用，并結合空氣幕阻擋煙氣的機理和工程實際情況，提出了針對高層建筑樓梯間的空氣幕使用方案，并指出了影響空氣幕使用效果的主要因素。Krajewski等［33］利用CFD研究使用空氣幕防煙的可靠性，并提出了優化的方法。然而，要使空氣幕在防煙中得到更好的工程應用，空氣幕的一些定量參數還需要進一步的實驗研究。

2.2 工程實踐中存在的問題

在工程實踐中，豎井防排煙系統和措施仍有不盡人意之處。特別是在正壓防煙方面，工程中還有一些缺陷，主要表現為：1）風機風量偏低。防煙樓梯間及前室、合用前室和消防電梯間前室的機械加壓送風量，應由計算確定，當計算值和規范規定的值不一致時，應按兩者中較大值確定。但在設計中，往往存在直接按規范給定風量選型的情況，導致風機選型偏小。2）防煙樓梯間、前室防火門縫隙過大，造成漏風量很大，難以保證正壓。3）防煙樓梯間送風口形式不合理。送風量與壓力值不僅與風口大小有關，還與風口的形式有關。目前多采用固定百頁窗式常開風口，風阻較大，使離風機較遠的風口風量不足，壓力偏低。由于目前規范中對于風口的形式也沒有十分明確的要求，這給風口的選型造成了一定的困惑。為了保證對前室和樓梯間的正壓送風，目前張建安等［34］提出可以設置一些專門的送風管道或豎井。張賓［35］還提出了使用服務電梯井作為高層建筑防煙樓梯間的加壓送風豎井的方案。發生火災時，電梯廂的運行模式為自動降至底層，所有樓層的電梯門處于關閉狀態，這為電梯井作為加壓送風豎井提供了條件。

3 結 語

1）煙囪效應是豎井內煙氣流動的主要動力，所以在火災煙氣控制中，若煙氣進入豎井，應該盡量減小煙囪效應以減慢煙氣傳播速度，延長煙氣層上升時間，為人員逃生爭取更多的時間。同時，應利用已有的中性面計算模型，找出在具體高層建筑中改變中性面位置的因素，在防排煙策略中考慮主動改變中性面位置的方法，盡量減少受煙氣影響的層數。

2）在前室入口處應使用有效的正壓防煙手段，阻止煙氣進入建筑豎井，從源頭上避免豎井加快煙氣豎向傳播的不利局面。

3）可以利用專門的排煙豎井疏導煙氣，使煙氣不向樓梯井、電梯井等人員密集空間傳播；合理規劃排煙豎井的結構，在設計中就要考慮利用現有的自然通風系統（如太陽能煙囪、通風幕墻等）進行火災工況下的自然排煙，以減小成本和提高建筑利用空間。

4）加強科學研究與工程實踐、規范編訂的結合；結合豎井防排煙工程中遇到的實際問題開展定量的科學研究，及時將研究的結果用于指導工程實踐以及相關規范的編制和修訂。

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