誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)用于地下停車場煙氣控制的數(shù)值模擬

李倩倩 王旭

摘 要：為了研究誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)對地下停車場火災(zāi)煙氣控制的影響。文章以某地下停車庫為模型，應(yīng)用FLUENT軟件分別模擬不同誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、不同排煙量時停車場內(nèi)煙氣溫度以及CO2濃度的分布情況。模擬結(jié)果顯示：誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)可以有效控制火災(zāi)煙氣任意擴(kuò)散，加速煙氣向排煙口運(yùn)動；降低火源上游煙氣溫度和煙氣濃度，從而提高能見度，為人員逃生和消防人員進(jìn)行救援提供一條有效路徑。

關(guān)鍵詞：誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)；火災(zāi)；煙氣控制；地下停車場；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU926 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0058-03

Abstract： In order to study the influence of induced ventilation system on fire smoke control in underground parking lot. This paper takes an underground parking garage as a model and simulates the distribution of flue gas temperature and CO2 concentration in the parking lot with different induced fan outlet wind speed and different exhaust smoke quantity respectively by using fluent software. The simulation results show that the induced ventilation system can effectively control the arbitrary diffusion of fire smoke， accelerate the movement of smoke to the flue gas outlet， reduce the smoke temperature and smoke concentration in the upper reaches of the fire source， and thus improve the visibility， so as to provide an effective path for the personnel escape and rescue fire personnel.

Keywords： induced ventilation system； fire； smoke control； underground parking lot； numerical simulation

1 概述

近年來，隨著汽車數(shù)量的增加、城市地下空間的開發(fā)利用，地下停車庫被大量興建。由于地下車庫是相對封閉的受限空間、通風(fēng)條件差，一旦發(fā)生火災(zāi)，會造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和大量的人員傷亡。因此，排煙系統(tǒng)的合理有效性對地下車庫消防安全問題至關(guān)重要。

目前我國地下車庫通風(fēng)與排煙系統(tǒng)中，通常將送風(fēng)系統(tǒng)兼做排煙時的補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)共用管道和風(fēng)機(jī)[1]。然而對于地下車庫這樣層高低，面積大的空間，風(fēng)管排煙系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)問題：第一，車庫頂部空間管道相互重疊、上下交錯，這既影響了美觀和視覺障礙感，也影響了車庫的使用空間，并給工程技術(shù)人員現(xiàn)場勘查、施工帶來了較大的困難；第二，排煙口不可能進(jìn)行非常密集的布置，排煙風(fēng)速有一定限制，將造成車庫內(nèi)氣流流動不均衡，易出現(xiàn)氣流“死區(qū)”。隨著射流技術(shù)的發(fā)展，縱向通風(fēng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地下車庫類大空間建筑的通風(fēng)，這種系統(tǒng)稱為無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由送風(fēng)風(fēng)機(jī)、多臺誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)以及排風(fēng)風(fēng)機(jī)組成，借助于噴嘴高速噴出的少量氣體來接力誘導(dǎo)周圍的大量空氣至排風(fēng)口， 該通風(fēng)方式能夠在無風(fēng)管的條件下， 形成從送風(fēng)機(jī)到排風(fēng)機(jī)的定向空氣流動， 達(dá)到通風(fēng)換氣的目的。這種系統(tǒng)與常規(guī)通風(fēng)方式相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)[2]：一是節(jié)省車庫空間，施工簡單，無需平衡風(fēng)量，系統(tǒng)美觀大方；二是氣流組織好，可消除氣流停滯死區(qū)；三是可有效降低建筑層高，節(jié)省土建投資；四是系統(tǒng)日常維修、維護(hù)方便。本文將應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)用于地下停車場火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

模擬采用FLUENT14.5，計(jì)算域?yàn)?0m×30m×3m的兩端開口的矩形停車場。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)為長597mm、半徑為140mm的圓柱體，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)水平安裝、底部距車庫地面2.5m，共均勻布置30臺。補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在頂棚西側(cè)，大小為2.5m×1.5m，排煙口在頂棚遠(yuǎn)離補(bǔ)風(fēng)口的對角一側(cè)，大小為2m×1.5m。火源位置設(shè)置在地下車庫的中央位置。

本文采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算精度、加快計(jì)算收斂速度，在網(wǎng)格劃分時對補(bǔ)風(fēng)口、排煙口、火源、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。計(jì)算域內(nèi)最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為1m，補(bǔ)風(fēng)口、排煙口和火源網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為0.1m，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)處網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為0.01m，最小體網(wǎng)格為1.435972e-06，最終生成網(wǎng)格數(shù)量為475082。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

2.2.1 排煙量的計(jì)算

按照《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50067-2014）[3]中對地下車庫排煙量的計(jì)算采用換氣次數(shù)方法進(jìn)行估算：

Lp=S×H×N （1）

Lb=0.8Lp （2）

其中，Lp為排煙量（m3/h）；S為停車場面積（m2）；H為車庫層高（m）；N為換氣次數(shù)（次/h）；Lb為補(bǔ)風(fēng)量（m3/h）。

2.2.2 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

火源燃燒模型選用體積熱源法進(jìn)行模擬，根據(jù)英國BS7346-7-2006[4]規(guī)范對小汽車燃燒最大熱釋放速率的建議，選取火源功率為4MW，火源大小為2m×5m；選用Heskestad羽流模型[5]計(jì)算煙氣的釋放量為13.2kg/s。

2.2.3 邊界條件設(shè)置

車庫兩端汽車出入口設(shè)置為壓力邊界條件，相對總壓為0Pa；其他墻壁包括地面與頂棚均為無滑移壁面邊界條件，其材料為鋼筋混泥土，密度為2551kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為1.74w/m·k、比熱容為1500J/kg·k、傳熱系數(shù)為0.58w/m2·k，壁面厚度設(shè)為0.2m；誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的邊界條件設(shè)定為FLUENT自帶的fan內(nèi)部邊界條件。

2.3 模擬工況的設(shè)置

為了研究排煙量、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速對排煙效果的影響，本章共設(shè)計(jì)了6種模擬工況進(jìn)行計(jì)算，其具體工況參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 模擬結(jié)果與分析

圖1為模擬不同排煙量時，y=15m縱剖面處煙氣溫度分布對比圖，圖2為模擬不同排煙量時，地下車庫內(nèi)CO2濃度分布對比圖。

3.1 不同排煙量的模擬研究

通過圖1（a）-（c）我們可以看出：（1）火源及其上方煙氣溫度最高，火源上游的溫度低于火源下游的溫度；（2）當(dāng)排煙量從64800m3/h（圖1a）增加到81000m3/h（圖1b）時，火源上游溫度降低，冷空氣區(qū)域增加，但變化幅度較小，這說明這兩種排煙量時都不能將風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)至排煙口的煙氣及時排除，導(dǎo)致煙氣回流；（3）當(dāng)排煙量增加到97200m3/h（圖1c）時，火源上游的煙氣溫度明顯減低，冷空氣區(qū)域顯著增加，這是由于排煙風(fēng)機(jī)在該排煙量下能及時將下游聚集的煙氣排出地下車庫。

通過圖2（a）-（c）中我們可以看出：（1）車庫內(nèi)火源和火源上方附近CO2濃度最高，火源下游的CO2濃度高于火源上游，這是由于車庫補(bǔ)風(fēng)和誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)共同作用的結(jié)果；（2）當(dāng)排煙量從64800m3/h（圖2a）增加到81000m3/h（圖2b）時，車庫內(nèi)CO2濃度分布變化不明顯；（3）當(dāng)排煙量增加到97200m3/h（圖2c）時，火源上游的CO2濃度減小，這是由于排煙風(fēng)機(jī)在該排煙量下能及時將下游聚集的煙氣排出地下停車場。因此，增加排煙量會降低地下車庫煙氣濃度，從而提高停車場內(nèi)能見度。

3.2 不同誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的模擬研究

通過圖1（a）、（d）、（e）和圖2（a）、（d）、（e）可以看出：在排煙量均為64800m3/h，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速從13m/s提高到15m/s時，火源上下游溫度均顯著提高，而出口風(fēng)速繼續(xù)增加到18m/s時，火源下游溫度不僅沒有繼續(xù)降低反而會有稍許回升。這是由于誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)速過高時，誘導(dǎo)至排煙口的煙氣因不能及時排出而聚集在下游，另外風(fēng)速越高帶給煙氣的動量增加，煙氣撞擊到下游墻壁的力增加，導(dǎo)致煙氣回流現(xiàn)象加強(qiáng)。由圖1（c）、（f）和圖2（c）、（f）可以看出，在煙排量均為97200m3/h時，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)速從13m/s增加到18m/s時，車庫內(nèi)溫度和CO2濃度均明顯降低，排煙效果顯著改善。由此可以說明，提高誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)速可以提高排煙效果，但同時在排煙量較低的時候，一味地過度增速則不能達(dá)到提高排煙效率的目的。

4 結(jié)束語

通過對地下停車場誘導(dǎo)通風(fēng)輔助排煙系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出結(jié)論如下：在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速一定時，排煙量的增大會改善排煙效果；在合適的排煙量下，增大誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速可以提高誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)的排煙能力，但誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的提高會受到排煙量的限制。

參考文獻(xiàn)：

[1]任進(jìn).地下車庫通風(fēng)及排煙系統(tǒng)分析與應(yīng)用[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

[2]張靖巖，肖澤南.射流風(fēng)機(jī)用于地下車庫類建筑防排煙的可行性探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2008（01）：21-24.

[3]GB50067- 2014.汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[4]BS7346-7：2013，“Components for Smoke and Heat Control Systems Part /： Code of Practice on Functional Recommendations andCalculation Methods for Smoke and Heat Control Systems for CoverCar Parks”， The British Standards Institution， 2013.

[5]張學(xué)魁.火災(zāi)煙氣生成量的實(shí)驗(yàn)測量及其工程計(jì)算方法[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2006（10）：21-25.

[6]劉茁.地下車庫通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（04）：167.

[7]賈天耀，王俊，孫春光.地下停車庫實(shí)地全尺寸熱煙測試試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（08）：53-54.