正壓送風位置和風量對高層建筑火災煙氣控制的影響

李曉戀， 葉小曼， 陳靜怡， 張詩琪， 謝啟苗， 何其澤

(1.上海海事大學海洋科學與工程學院， 上海 201306； 2.應急管理部上海消防研究所， 上海 200032)

高層建筑中由于煙囪效應的影響，極易造成火災煙氣的大范圍蔓延，從而造成嚴重的人員傷亡和財產損失。近年來高層建筑火災頻發。2010年上海靜安公寓火災造成58人遇難，70多人受傷，財產損失高達1.58億元；2015年湖北一住宅發生火災，造成7人死亡，12人受傷；2019年桂林群租房樓梯間發生火災，造成29名租客死傷。火災煙氣是造成人員死傷的重要原因，如何科學控制煙氣蔓延仍是高層建筑消防救援存在的難題。

高層建筑火災中，固定防排煙設施在煙氣控制方面發揮著重要的作用，但在大型火場中消防救援往往面臨的是固定設施已經失效的惡劣情況，此時，只能依靠消防救援隊伍配備的移動防排煙裝備開展現場排煙作業。正壓送風控煙(positive pressure ventilation, PPV)是高層建筑救援煙氣控制的重要手段。Klote等[1]總結前人研究成果，結合自身理論，系統闡述了煙氣流動和正壓送風煙控等基本概念，為高層建筑內防排煙系統的設計提供了理論依據。此后許多研究表明正確使用正壓送風控煙能有降低火場溫度，抑制火災煙氣進入豎向通道[2-3]。中外學者對移動式正壓送風技術在火場救援方面的應用開展了初步的研究[4-5]。Svensson[6]研究了不同風機設置位置對火場排煙效果的影響，發現盡管正壓送風能夠改善救援條件，但可能造成火源熱釋放速率增大，并使得相鄰房間的人員出現危險。楊國宏等[7]研究了單個房間移動正壓送風情況下，排煙口與送風口的設置對排煙效果的影響，發現排煙口面積為送風口面積2倍時，排煙效果較好。關于PPV救援在高層建筑中的應用研究，Kerber等[8]開展了無火源的實體試驗，證明了移動正壓送風能夠在高層建筑中產生足夠大的風壓，從而具有控制煙氣的潛力。李思成等[9]、荀迪濤等[10]、胡緒鑫等[11]分析對比了不同高層建筑正壓送風策略，為國內救援人員實施高層建筑PPV救援戰術奠定了一定理論基礎。然而，上述針對高層建筑正壓送風的研究均未考慮火源本身對煙氣運動的影響，而在高層建筑中由浮力誘導的煙囪效應對豎向的煙氣運動和壓力分布具有至關重要的影響[12-14]，因此，有必要進一步開展真實火災條件下的高層建筑正壓送風影響規律研究。目前，高層建筑PPV救援還未形成完善的戰術體系，如何在火場救援中正確使用正壓送風控煙技術，仍是救援人員關注的重要問題。

以電梯豎井為代表的豎直通道是高層建筑煙氣縱向蔓延的主要路徑，在煙囪效應的影響下，火災煙氣往往會通過豎井蔓延至其他樓層[15-16]，從而造成更大規模的危害。為研究正壓送風位置和送風風量對高層建筑火災煙氣運動的影響，現針對一個1/4縮尺寸的7層樓模型，開展了高層建筑正壓送風效果的數值模擬研究，考慮從著火層的上方或下方分布采取正壓送風措施，比較兩種移動正壓送風位置及不同風量對煙氣控制效果的影響。研究結果對高層建筑消防救援煙氣控制具有指導意義。

1 數值模擬設置

在高層建筑正壓送風控煙縮尺寸實驗研究[17]的基礎上[圖1(a)]，進一步開展正壓送風位置和送風風量對煙氣控制效果的數值模擬研究，并用縮尺寸實驗數據驗證數值模擬的結果。利用基于大渦模擬的火災動力學模擬軟件(FDS 6.5)開展數值模擬，數值模型為7層，模型尺寸為1.0 m(長)×0.5 m(寬)×4.2 m(高)，與真實高層建筑的比例約為1∶4，模型主要包括豎井和前室，按照電梯豎井考慮豎井和前室的開口情況，在真實火災場景中電梯門往往是關閉的，參照電梯豎井煙氣蔓延的研究[12-13]，考慮電梯門狹縫為煙氣流動的通道，面積為0.008 m2在著火層和正壓送風層打開電梯門，電梯門和前室門的尺寸均為0.2 m×0.4 m，數值模型如圖1(b)所示，測點布置如圖1(c)所示。

圖1 7層樓模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of 7-story building

(1)

參照Kerber等[20]開展的一系列典型PPV風機送風研究確定的最佳送風距離，典型PPV風機參數如表1所示。按照伯努利方程進行送風風量的縮比例計算，在送風出口同一高度的流線方向上應滿足：

表1 典型PPV風機參數Table 1 Parameters of typical PPV fan

(2)

在電梯豎井中心位置設置溫度和壓力測點，測點的垂直間距為0.2 m，在電梯門開口處監測質量流量。數值模擬工況如表2所示，風量范圍為432～864 m3/h，共20組工況。

表2 數值模擬工況Table 2 Numerical simulation details

在數值模型中，網格單元δx與火源特征直徑D*有關，采用無量綱參數D*/δx檢查網格分辨率[23]。研究表明，當D*/δx在4～16時，FDS能夠準確地模擬火災的傳熱傳質過程，由此計算的網格尺寸為0.013～0.052 m，通過網格敏感性分析比較不同網格對計算結果的影響，確定選用0.03 m的網格尺寸(共計724 500個網格單元)進行數值模擬研究。將模擬結果與實驗結果進行比較，兩者誤差在20%左右(圖2)，證明該模型的計算結果準確性較高。

圖2 實驗結果與數值模擬結果對比Fig.2 Comparation of experimental and simulated result

2 結果與討論

2.1 豎井內的溫度分布

圖3 不同工況下電梯井內豎直溫度分布Fig.3 The vertical temperature distribution in the elevator shaft for different cases

圖4 送風風量為720 m3/h時電梯井內豎直溫度分布Fig.4 The vertical temperature distribution in the elevator shaft with air supplying at the rate of 720 m3/h

從溫度分布的結果可以得到以下兩點結論：①高層建筑正壓送風防煙必須要選用風量足夠的送風裝備，豎井內防煙成功所需風量在720～864 m3/h，按照風量的所比例關系，計算得到對應的實際風量為23 040～27 648 m3/h，現有的PPV排煙機產品能夠達到這一范圍的風量，但在實際情況中，高層建筑內氣流流動的路徑遠比本研究考慮的情況復雜，因此，在救援中應選擇大于此風量的排煙機。②從高層建筑火災著火層下部進行正壓送風比上部更具有優勢，當從著火層上方樓層送風時，由于煙囪效應的影響，需要更大的送風風量才能有效控制煙氣，且當正壓送風強度不足時，還會造成豎井內流動受阻、溫度顯著上升的情況，從而威脅到建筑內部人員的安全。

2.2 豎井內的壓力分布

豎井內外的壓差決定了建筑各層煙氣流動的方向，高層建筑著火后豎井內往往會形成煙囪效應，這時豎井內的壓力分布主要呈現上正下負的分布特征[24]。正壓送風同樣也會導致高層建筑豎井內壓力分布出現變化，如圖5所示。

圖5 不同工況下電梯井內壓力分布Fig.5 The vertical pressure distribution between elevator doors for different cases

2.3 有效擋煙質量流量比

(3)

表3 不同工況的Table with different cases

(4)

豎井中正壓送風情況下各部分的流動如圖6所示。為了比較不同樓層正壓送風控煙效果的差異，定義有效擋煙質量流量比λ，其為有效氣流質量與風機風量的比值，即：

P為壓力；T為溫度；下標atr表示前室，shaft表示豎井，atr_fire表示著火前室，atr_PPV表示送風前室圖6 豎井內氣流運動示意圖Fig.6 Airflow diagram in the vertical shaft

(5)

顯然，在正壓送風時，λ越大，防排煙效果越好。這一參數與Li等[22]在高層建筑正壓控煙的研究中采用的無效擋煙質量流量比類似，在其研究中無效擋煙質量流量比能夠用于評價不同通風狀態下正壓送風的控煙效果，即λ隨正壓送風風量的增大而逐漸增大，如圖7所示。根據溫度和壓力數據分析得到的防煙效果情況，當防煙效果較好時，λ為20%～30%，即70%～80%的氣流由其他樓層流出豎井，在正壓送風時，通過改變通風狀況有效減少其他樓層氣流質量的損失具有重要的意義。

圖7 不同工況下下λ分布Fig.7 Distribution of λ for different cases

3 結論

在高層建筑正壓送風控煙縮尺寸實驗研究的基礎上，進一步利用數值模擬方法研究不同正壓送風位置與送風風量對高層建筑煙氣控制的影響，研究得到以下結論。

(1) 正壓送風風量對高層建筑煙氣控制效果具有重要的影響，存在最小送風風量來保證正壓送風的有效性，在實際的高層建筑正壓送風控煙中，應選用風量大于23 040～27 648 m3/h移動排煙風機，才能保證控煙效果。

(2)從高層建筑火災中著火層下部進行正壓送風比上部更具優勢，在著火層上方樓層送風時，由于煙囪效應的影響，需要更大的送風風量才能有效控制煙氣，且當正壓送風強度不足時，還會造成豎井內溫度的顯著上升，從而威脅到建筑內部人員的安全。

(3) 有效擋煙質量流量比λ是判斷正壓送風效果的重要參數，在著火層下部送風的情況中，送風風機與著火層的距離也對λ有一定的影響，當風機位于著火層下部并且與著火層保持一定距離時，λ的比值更大，控煙效果更好。