不同送、排風模式對樓梯井煙囪效應的影響

楊 林 解 宇 陳 文 盧國勝 蒲轢陽 袁 羅

（西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010）

隨著我國城市化進程不斷加快，城市土地資源越來越緊張，高層住宅已經成為城市居民住宅最主要的建筑形式。這些高層住宅建筑通常設置有天井、電梯井、樓梯井等豎向通道，其中樓梯井是火災發生時人員逃生的主要通道。發生火災時，有害煙氣可能進入樓梯井，進而形成煙囪效應，導致煙氣在樓梯井內的蔓延速度加快，給居民的生命安全和財產安全造成嚴重威脅。因此，研究火災時樓梯井內煙氣在煙囪效應作用下的運動規律，對人員逃生和火災煙氣控制具有重要意義。國內外許多學者對煙氣在豎向通道內的流動規律開展了深入研究，結果表明豎井內外的氣壓差與煙氣自身的浮力共同作用形成煙囪效應［1-3］，煙囪效應強度與豎井內外的氣壓差大小成正比［4-5］，豎井內外氣壓差與豎井尺寸、通風位置以及火源位置密切相關［5-7］。文獻［8-10］進一步闡明了電梯豎井內煙囪效應的成因機制，探討了高層建筑火災時利用電梯豎井排煙的可行性，揭示了影響電梯豎井排煙的主要因素。文獻［11-17］以自然通風窗口的位置為變量參數對煙氣在樓梯井內的流動進行仿真模擬，探究自然通風窗口位置的不同對煙氣流動和煙氣溫度上升的影響。通過設置不同開閉狀態的樓梯井并向樓梯井內加壓送風，研究了不同環境風速下和加壓送風下樓梯井內煙氣運動特性，發現僅向井內送風會加快煙氣的蔓延，進行加壓送風則能夠阻擋煙氣入侵，減小其蔓延速度，并發現向樓梯井內送風會抑制井內升溫。

從目前的研究現狀來看，學者們主要圍繞建筑豎井內煙氣運動的煙囪效應開展了系列研究，但從樓梯井豎直空間上壓力分布變化規律的角度來探析送排風模式對豎井煙囪效應強弱的影響的研究較少。因此，本文采用FDS火災模擬軟件對火災時采用不同送、排風模式的建筑樓梯井進行數值模擬，分析不同工況下樓梯井各層的氣壓規律、煙氣蔓延規律及溫度上升規律，研究影響煙囪效應強弱的主要因素，更好地控制煙氣的蔓延，減小對人員的生命威脅。

1 火災模擬場景設置

1.1 數值模擬介紹

FDS火災模擬軟件是由美國國家標準研究所（NIST）開發的產品，該軟件的計算重點是火災發生時煙氣和熱量傳遞的過程。煙氣持續流動的變化過程是基于黏性流體流動的Navier-Stokes方程進行描述的，其中包括連續方程、動量方程、能量方程和組分方程。

連續方程：

能量方程：

動量方程：

組分方程：

式中：Dl為組分擴散系數，m2／s；Yl為組分濃度，kg／kg；F→為體積力，N為燃燒的質量損失量，kg／s；q為輻射熱流量，W／m2；Φ為能量方程的耗散項；V→為速度矢量；μ為動力黏性系數，N·s／m2；P為壓力，Pa；k為導熱系數，W／mK；T為溫度，K；t為時間，s；ρ為密度，kg／m3；V為體積，m3；e為內能，J／m3。

1.2 火災模擬場景概況

現階段我國中小城市郊區的居民住房多為自建房屋，該類居民自建住宅樓多用于出租，其層數大多為9至10層，存在著管理不規范、雜物隨意堆放等安全隱患。本文以綿陽市郊區一棟10層居民自建住宅的樓梯井為原型，建立如圖1所示的樓梯井模型。

模型平面尺寸為5.2 m×2.6 m，總高為30.0 m，層高為3.0 m。模型中，初始溫度設為20℃，環境大氣壓的相對壓強設為0 Pa；為了對溫度、氣體壓力和煙氣進行實時檢測，每層于樓梯井中心線上選取1個檢測點，共10個檢測點。根據國家衛健委2020年報告，我國成年人平均身高為1.65 m，其呼吸高度大約為1.60 m，故本文在各樓層1.5 m處設置測點，檢測點布置如圖1所示。將火源設置在樓梯井底部，火源面積為1.0 m×1.0 m。文獻［18］指出客房、過道等有無噴淋的火災火源功率是不一致的，本文模擬一般室內火災合成材料燃燒時的火源功率且無噴淋系統，同時考慮最不利條件，選取本文的火源熱釋放速率為5 000 kW；Heskesta［19］指出火源燃燒過程前期遵循t2火的增長，因此本研究采用t2火進行模擬分析，將火災類型設為t2極快速增長火，增長因子為0.187 6 kW／s2。根據式（5）計算得熱釋放速率在164 s達到最大值，總燃燒時長設為350 s。為了使模擬結果更加接近真實結果，本次模擬網格采用火災特征直徑D*（Characteristic fire diameter）［20］公式進行計算，如式（6），計算的網格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

圖1 樓梯井模型Fig.1 Stairwell model

t2火模型公式：

其中：Q為熱釋放速率，kW；α為火災增長系數，kW／s2；t為時間，s。

火災特征直徑：

其中：D*為火災特征直徑；g為重力加速度；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ0為空氣密度，kg／m3；Cp為定壓比熱容，kJ／（kg·K）；T0為環境空氣溫度，單位為K。

1.3 火災工況介紹

為研究不同送排風模式對樓梯井火災煙氣蔓延、溫度及相對氣壓的影響，選擇如表1所示的6種排風和送風組合工況進行模擬。

表1 模擬工況匯總Table 1 Summary of simulated working conditions

各個樓層自然排風窗、機械排風窗和機械送風窗的面積和其在樓層的位置如圖2所示。自然排風窗的面積為1.44 m2，機械排風窗與機械送風窗的面積分別為1.44 m2和1.00 m2，機械排風速度和送風速度均為1 m／s。模型中只有一樓樓梯間防火門打開，其他樓層的防火門全部關閉，門與墻、門與門之間的縫隙忽略不計。

圖2 排風窗與送風窗的位置Fig.2 Positions of smoke exhaust window and air supply window

2 結果與分析

2.1 不同工況下各樓梯層氣壓的變化情況

由于可燃物在樓梯井的一樓燃燒，一樓的溫度變化迅速，相較于其他樓層的溫度變化規律，一樓具有一定的特殊性，故本文只對第二層及以上樓層的模擬結果進行分析。模擬研究發現，工況1、工況2、工況3、工況4下各樓層氣壓變化規律相似，而工況5、工況6下各樓層氣壓變化規律相似，故分別列出工況2、工況4和工況6下各樓層氣壓變化規律如圖3所示，并選擇第2層、第6層和第10層分別代表樓梯井底部樓層、中部樓層和頂部樓層。

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，自然排煙工況和機械送風與自然排煙組合工況的氣壓變化規律相似，但在這兩種工況下底部和中部樓層的峰值負壓的大小有很大的差別，說明機械送風設備加入后明顯減小了中部和頂部樓層的峰值負壓；對比圖3（b）和圖3（c）可以看出，機械送風與自然排煙組合工況和機械送風與機械排風組合工況底部樓層氣壓開始下降的時刻有較大的差距，且中部樓層氣壓變化規律有明顯的區別，后者中部樓層氣壓在穩定后呈較大的正壓狀態，說明機械排風設備加入后會改變樓梯井內的氣壓變化規律。

圖3 工況2、工況4和工況6下第2層樓、第6層樓和第10層樓氣壓變化規律Fig.3 Variation Laws of air pressure in layers 2，6 and 10 under conditions 2，4 and 6

圖4為不同工況下樓梯井頂部與底部的氣壓差值和中部與底部的氣壓差值圖。從圖4（a）可以看出，隔層自然排煙工況下頂部與底部的氣壓差值最大，機械排風和機械送風組合工況下頂部與底部的氣壓差值最小。從圖4（b）可以看出，機械排風和機械送風組合工況下中部與底部的氣壓差值明顯比另外幾種工況大得多，說明機械送風設備和機械排風設備同時加入工況時在減小頂部與底部氣壓差的同時也會明顯增大中部與底部的氣壓差。

圖4 不同工況下樓梯井頂部與底部的氣壓差值、中部與底部的氣壓差值Fig.4 Air pressure differences between the top and bottom of stairwell and between the middle and bottom under different working conditions

2.2 不同排風通風模式下各樓層煙氣蔓延情況

各工況下煙氣蔓延情況相似，圖5為在工況1下火災發生40，80，120，153，160，350 s后煙氣蔓延的情況，可以看出在火災開始發生時煙氣迅速向上蔓延，在153 s時煙氣充滿整個樓梯間，直至模擬結束都未見消散。

圖5 工況1下煙氣蔓延圖Fig.5 Smoke spread under working condition 1

圖6顯示了不同工況下煙氣蔓延至樓梯井10樓所需時間。從圖6可知，從工況1到工況4煙氣蔓延至樓梯井10樓所需要的時間逐漸增加，對比工況1、工況2、工況3、工況4的兩種氣壓差值可知，從工況1到工況4中部與底部的氣壓差值相近，但頂部與底部的氣壓差值逐漸減小，從而導致煙氣蔓延至頂樓的時間增大，說明在中部與底部的氣壓差值相近的情況下，樓梯井內頂部與底部的氣壓差值越小，煙氣蔓延的速度越小，煙囪效應強度越弱。對比前4種工況送、排風方式的區別可知，火災發生時機械送風設備能夠減小樓梯井內的氣壓差，減小煙氣的蔓延速度，從而減弱煙囪效應。工況5和工況6下煙氣蔓延至頂樓所需時間小于工況3和工況4，對比工況3、工況4、工況5、工況6的兩種氣壓差值可知，中部與底部的氣壓差大于頂部與底部的氣壓差，表明中部與底部的氣壓差過大則會加快煙氣蔓延的速度，從而導致煙囪效應增強。對比工況3、工況4、工況5、工況6的送、排風方式的區別可知，火災發生時機械排風對煙囪效應的抑制效果不如自然排風。

圖6 不同工況下煙氣蔓延至第10層樓所需時間Fig.6 Time required for smoke to spread to the 10th floor under different working conditions

2.3 不同排風通風模式下樓梯井頂部樓層的溫度變化情況

圖7為不同工況下第10層樓樓梯井的溫度變化圖。由圖7可知，工況1、工況2下第10層樓樓梯井的峰值溫度最高，工況4下第10層樓樓梯井的峰值溫度最低，對比工況1、工況2和工況3、工況4的送、排風方式區別可知，機械送風設備加入后會明顯降低樓梯井內的峰值溫度。工況5、工況6下第10層樓樓梯井的峰值溫度明顯高于工況4下的峰值溫度，通過對比工況4和工況6送排風方式的區別可得，在送風方式相同的情況下，機械排風設備對降低樓梯井頂部樓層峰值溫度的作用不如自然排風。根據以上分析可知，機械送風與自然排煙的組合工況對峰值溫度的抑制效果最好，機械送風與機械排風的組合工況次之，自然排煙工況的效果最差。

圖7 不同工況下第10層樓的溫度變化Fig.7 Temperature change of 10th floor under different working conditions

霍然等［21］研究發現人類處于65℃的環境中將無法進行呼吸，但火災發生時溫度上升迅速，為了安全起見把50℃作為溫度危險臨界點。頂部樓層在不同工況下溫度達到50℃所需要的時間不同，具體時間如表2所示。

表2為不同工況下第8、第9、第10層樓溫度到達50℃所需時間表。由表2可知，從工況1到工況4，上部3個樓層溫度到達50℃所需的時間逐漸增大，在工況4下只有第8層在205 s時達到50℃以上，第9、第10層樓均未達到50℃，說明機械送風設備在降低樓層峰值溫度的同時也會減小溫度上升的速率。在工況5、工況6下上部樓層溫度達到50℃所需時間大于工況1和工況2所需時間，但小于工況3、工況4所需時間，說明機械送風與機械排風組合工況也會降低溫度上升的速率，但其效果并不如機械送風與自然排煙組合工況。

表2 不同工況下第8、第9、第10層樓溫度達到50℃所需時間Table 2 Time required for building 8，9 and 10 to reach 50℃under different working conditions

3 結論

基于對不同送、排風模式下樓梯井模型的火災過程模擬分析，得出如下結論與建議：（1）在樓梯井采用自然排風方式基礎上，加入機械送風設備能夠較好地減弱火災時樓梯井的煙囪效應，同時能夠降低樓梯井頂部樓層的峰值溫度并減小樓梯井內溫度上升的速率；在樓梯井采用機械送風方式基礎上，加入機械排風設備能夠降低樓梯井內的峰值溫度和溫升速率，但同時也會增強樓梯井的煙囪效應；送、排風窗口或設備越多，對煙囪效應的減弱效果越好，同時對峰值溫度和溫升速率的抑制效果也越好。（2）自然排煙和機械送風的組合工況對樓梯井煙囪效應減弱效果最好，隨著自然排風窗口和機械送風設備的增加，樓梯井底部與頂部的氣壓差逐漸減小，煙氣蔓延速率和溫度上升的速率逐漸減小。（3）機械排風與機械送風組合工況對樓梯井內煙囪效應的減弱效果較差。（4）對于中小城市郊區居民自建9至10層房屋，住宅樓梯井的通風排煙設施設計時應采用自然排煙窗與機械送風設備相組合的方式，火災發生時，將自然排風窗全部打開并啟動機械送風設備，有利于減弱煙囪效應，減緩煙氣蔓延，增加人員的安全逃生時間，但不能盲目增設送、排風設備，避免增大火災發生時人員的危險性。