機械排煙與細水霧對綜合體控火效率的影響

王祥林 王輝明

摘 要：商業(yè)綜合體作為新型特殊建筑，火災(zāi)荷載呈現(xiàn)平面分布，在原來羽流的基礎(chǔ)上，火勢橫向、豎向迅速擴展，使其空間防火措施變得極其重要。本文研究高壓細水霧與機械排煙兩種防水措施，結(jié)果表明，機械排煙對于較遠處的溫度具有明顯控制作用，平均溫度較高壓細水霧降低46.43%，高壓細水霧對于火源附近的溫度具有可觀的控制效果，溫度下降87.14%。機械排煙和細水霧單獨作用，火源附近平均濃度降低91.15%，而共同作用下，抵消或減弱了單獨作用的負面效應(yīng)，溫度和濃度可控制在指標(biāo)之內(nèi)，但兩者開啟時間須盡量相近且在火災(zāi)轟然之前。基于此，本文提出等效應(yīng)力來解釋等強度機械排煙與高壓細水霧的相互作用。

關(guān)鍵詞：綜合體;數(shù)值模擬;高壓細水霧;機械排煙;火源溫度

中圖分類號：TU967文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0024-04

Abstract： As a new special building， the fire load of commercial complex is distributed in plane. On the basis of the original plume， the fire expands rapidly in horizontal and vertical direction， so the space fire prevention measures are extremely important. In this paper， the effects of high pressure water mist and mechanical smoke exhaust are studied. The results show that the mechanical smoke exhaust has obvious control effect on the distant temperature， and the average temperature is 46.43% lower than that of high pressure water mist. The high pressure water mist has considerable control effect on the temperature near the fire source， and the temperature drops by 87.14%. The average concentration near the ignition source was reduced by 91.15% by the two actions alone. Under the combined action of mechanical smoke exhaust and water mist， the negative effect of the single action is offset or weakened. The temperature and concentration are controlled within the index， and the opening time of the two is as close as possible and before the fire. The "equivalent stress" is put forward to explain the interaction between the mechanical smoke exhaust and the high pressure water mist.

Keywords： complex;numerical simulation;high pressure water mist;mechanical smoke exhaust;the temperature of source

隨著城市化進程加快，綜合體建筑應(yīng)運而生并高速發(fā)展。商業(yè)綜合體火災(zāi)荷載呈平面分布，在原來羽流的基礎(chǔ)上，火勢橫向、豎向迅速擴展，其空間防火措施變得極其重要。空間功能特征使得煙氣快速流動且升溫，促使火焰蔓延，因此排煙系統(tǒng)不容忽視。依據(jù)相關(guān)研究[1-4]可知，高壓細水霧系統(tǒng)可有效控制火勢及煙氣。通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)高壓細水霧與機械排煙兩種措施對室內(nèi)控火的效果各有所長。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對綜合體防火做了深入研究。史聰靈等研究噴水排煙作用下大空間內(nèi)孤島火災(zāi)行為及煙氣運動過程，探究了共同作用下的溫度規(guī)律。張麗茹以北京某綜合體項目車庫通風(fēng)和消防排煙設(shè)計為例，指出了該車庫設(shè)計存在的問題[6]。高勛采用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS）對商業(yè)綜合體自然排煙系統(tǒng)的排煙效果進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：排煙窗有效面積占中庭地面面積的37.8%時，數(shù)值模擬與理論預(yù)測的排煙效果一致[7]。房玉東以實驗+數(shù)值模擬的方式研究了細水霧與煙氣的相互作用，發(fā)現(xiàn)若參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，則模擬和實驗測量結(jié)果吻合較好[8]。

1 物理模型及火災(zāi)場景參數(shù)

1.1 物理模型

通過Revit建立BIM三維模型，以DXF的格式導(dǎo)出，實現(xiàn)與動態(tài)火災(zāi)模擬軟件FDS的對接。綜合體的3D物理模型和計算模型分別如圖1和圖2所示。

1.2 邊界條件及參數(shù)

根據(jù)不利原則，將火源設(shè)定在離樓梯及消防電梯最遠的端部，火災(zāi)功率為10 MW，危險為輕質(zhì)窗簾，按t2超快速火發(fā)展。將火災(zāi)模型的網(wǎng)格分為5大塊，模型大部分邊界均勻劃分為1 m×1 m×1 m，其火源及細水霧噴頭處為了減小模擬精度影響，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，共303 084個網(wǎng)格細胞。排煙量為50 400 m3/h，采用位于樓層平面2 m以上的高位排煙口，大小為1 m×1 m，按照FDS設(shè)置煙氣粒子為默認，啟動閾值為3.28%/m。

噴頭采用下垂型或吊頂型，參數(shù)見表1。在切平面上監(jiān)測分析工況的火場溫度、CO濃度等參數(shù)的變化。

2 機械排煙和高壓細水霧單獨作用對綜合體火災(zāi)的控制作用

為了研究機械排煙和高壓細水霧單獨作用對綜合體火災(zāi)的控制效果，進行火災(zāi)自然發(fā)展、15 s啟動機械排煙以及90 s啟動高壓細水霧工況對比，火源上方2 m和7 m處溫度、CO濃度變化曲線見圖3至圖6。

依據(jù)溫度指標(biāo)，機械排煙的啟動使溫度平均峰值降低了100 ℃，縮短了火源附近安全疏散時間，對較遠處的溫度具有明顯控制作用;高壓細水霧對于火源附近的溫度具有可觀的控制效果，溫度下降87.14%。依據(jù)CO濃度指標(biāo)，兩措施單獨作用平均濃度降低91.15%，比火災(zāi)自然發(fā)展增加了160 s的時間裕度。機械排煙將遠離火源處CO濃度控制在臨界指標(biāo)之內(nèi)，而90 s啟動高壓細水霧工況濃度幅值是單獨啟動機械排煙的4倍之多。

3 機械排煙和高壓細水霧共同作用于綜合體火災(zāi)的研究

在綜合體防火措施中，機械排煙和高壓細水霧單獨作用都具有相應(yīng)缺陷，因此在對較大功率火源實施高壓細水霧滅火措施時，還應(yīng)有足夠強度的機械排煙措施的輔助，使二者在空間與時間存在的某種力達到等效平衡，來消除負面影響，最終使火災(zāi)整體區(qū)域危險狀態(tài)降到最低。

為了研究兩者共同作用時開啟時間對等效應(yīng)力的影響，設(shè)計表2工況。

3.1 溫度的分析

圖7是機械排煙與高壓細水霧共同作用下火源上方2 m高度處的溫度分布曲線。相比于單獨機械排煙作用，共同作用下火源上方整體溫度大幅度下降（89.28%），但隨著機械排煙啟動時間的延遲，前期對煙氣的不利擾動減小，曲線第一溫度波峰逐漸下降，到機械排煙與高壓細水霧同時間開啟時，波峰最接近單獨高壓細水霧作用工況。結(jié)合圖8發(fā)現(xiàn)共同作用后遠離火源處溫度最高達40 ℃，溫度控制在室溫左右，相比于單獨作用溫度降低了76.92%，對火災(zāi)過程中人員疏散創(chuàng)造了有利環(huán)境。

3.2 一氧化碳的分析

各工況下火源上方2 m高度處CO分布規(guī)律如圖9所示。從圖9可知，10個工況CO濃度都有超標(biāo)（大于1.0E-03 mol/mol）的情況。其中，工況1和工況2濃度峰值大于其他工況，且工況2具有較大濃度波動，說明機械排煙與高壓細水霧共同作用對CO濃度控制效果明顯，在衰退階段與熄滅階段CO濃度降低迅速，具有100 s的時間差額。隨著機械排煙開啟時間與高壓細水霧開啟時間接近，達臨界指標(biāo)的時間節(jié)點向后偏移，CO濃度變化相對平穩(wěn)。結(jié)合圖10發(fā)現(xiàn)除工況3的結(jié)果波動大，濃度接近臨界指標(biāo)之外，其他共同作用工況濃度在臨界指標(biāo)之內(nèi)。

4 結(jié)論

①機械排煙對于較遠處的溫度具有明顯控制作用，平均溫度較高壓細水霧降低46.43%;高壓細水霧對于火源附近的溫度具有可觀的控制效果，溫度下降87.14%。兩者單獨作用，火源附近平均濃度降低91.15%。

②機械排煙和細水霧共同作用下，抵消或減弱了單獨作用的負面效應(yīng)，溫度和濃度控制在指標(biāo)之內(nèi)，另外兩者開啟時間盡量相近且在火災(zāi)轟然之前。

③對于同一類型火災(zāi)，功率越大，共同開啟時間延后;同一功率，不同類型火災(zāi)，共同開啟時間隨火災(zāi)增長速率增大而提前。

④本文提出等效應(yīng)力來解釋等強度機械排煙與高壓細水霧的相互作用。由于機械排煙的抵消作用，此應(yīng)力應(yīng)小于單獨高壓細水霧作用時的應(yīng)力。

參考文獻：

[1]王健.機械排煙和細水霧對地下商場火災(zāi)控制作用的研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2015.

[2]潘登.室內(nèi)高壓脈沖細水霧滅火性能數(shù)值模擬研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

[3]房玉東，蘇國峰，廖光煌，等.細水霧作用下煙氣運動速度變化規(guī)律研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2007（3）：98-101.

[4]劉江虹，廖光煊，厲培德，等.細水霧滅火技術(shù)研巧與進展[J].科學(xué)通報，2003（8）：761-767.

[5]史聰靈，鐘茂華，劉鐵民，等.噴水排煙作用下大空間內(nèi)孤島火災(zāi)行為及煙氣運動過程實驗研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012（6）：519-528.

[6]張麗茹.北京某城市綜合體項目車庫通風(fēng)和消防排煙及補風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2020（1）：76-79.

[7]高勛，朱國慶.基于煙氣特性的商業(yè)綜合體防排煙研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014（6）：636-638.

[8]房玉東.細水霧與火災(zāi)煙氣相互作用的模擬研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006