蓋下列車運(yùn)用庫火災(zāi)工況機(jī)械排煙效果研究

胡 睿, 許淑惠, 楊 林

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 北京 100044)

1 概述

由于大城市土地資源日益緊張,帶上蓋物業(yè)開發(fā)模式蓋下建筑得到迅速發(fā)展。蓋下列車運(yùn)用庫(簡稱蓋下運(yùn)用庫)屬于地下超大空間,庫內(nèi)熱環(huán)境對(duì)于工作人員的健康和安全是必須考慮的因素[1]。由于蓋下運(yùn)用庫由多種不同類型的建筑體組合在一起,目前沒有具體標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)此類建筑的通風(fēng)、防排煙及消防設(shè)計(jì)。因此,此類建筑的通風(fēng)、防排煙及消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為近年來學(xué)者探討研究的熱點(diǎn)[2-7]。目前,在對(duì)蓋下運(yùn)用庫實(shí)際工程案例進(jìn)行通風(fēng)和排煙設(shè)計(jì)時(shí),主要參照地下車庫通風(fēng)和排煙模式,根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。而對(duì)于消防系統(tǒng),受傳統(tǒng)觀念影響,鮮有噴淋裝置對(duì)蓋下運(yùn)用庫消防系統(tǒng)影響的研究[8-9]。

目前,對(duì)于蓋下運(yùn)用庫通風(fēng)、防排煙、噴淋裝置的設(shè)計(jì)和研究基本上都是獨(dú)立的:通風(fēng)設(shè)計(jì)和研究集中在橫向通風(fēng)、縱向通風(fēng)的對(duì)比方面,防排煙設(shè)計(jì)和研究集中在機(jī)械排煙、混合排煙(自然排煙+機(jī)械排煙)比較方面,噴淋裝置設(shè)計(jì)和研究并非所有蓋下運(yùn)用庫均要求設(shè)置。此外,射流風(fēng)機(jī)協(xié)助排煙及噴淋裝置對(duì)蓋下運(yùn)用庫排煙效果的影響研究也較為少見。

本文以某蓋下運(yùn)用庫為例,對(duì)火災(zāi)工況下,不同排煙方式的效果進(jìn)行模擬分析。為方便闡述,本文不嚴(yán)格區(qū)分蓋下運(yùn)用庫、運(yùn)用庫、庫區(qū)等名稱。本文的噴淋裝置僅對(duì)火源熱釋放率產(chǎn)生影響。

2 工程概況

本文研究的蓋下運(yùn)用庫平面圖見圖1。蓋下運(yùn)用庫為列車停放、檢修、保養(yǎng)以及維護(hù)的重要場(chǎng)所。蓋下運(yùn)用庫的建筑面積為33 438.63 m2,總長285 m、寬142 m、高10 m,其間的列車道用長、寬均為2.3 m的混凝土柱隔開,各柱之間相距7.0～11.7 m。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),防火幕布在運(yùn)用庫中部將運(yùn)用庫分割成南北2個(gè)區(qū)域,選取運(yùn)用庫防火幕布分割的南區(qū)作為火災(zāi)發(fā)生時(shí)的研究對(duì)象。

圖1 蓋下運(yùn)用庫平面圖

3 數(shù)值模擬方法

3.1 物理模型

取運(yùn)用庫南區(qū)進(jìn)行研究,南區(qū)長×寬×高為285.0 m×51.2 m×10.0 m。運(yùn)用庫南區(qū)的三維物理模型見圖2。

A～I(xiàn)—射流風(fēng)機(jī)組編號(hào); 1～9—排煙支管編號(hào)。圖2 運(yùn)用庫南區(qū)的三維物理模型

運(yùn)用庫南區(qū)設(shè)置2套排煙系統(tǒng),排煙系統(tǒng)的1、2號(hào)排煙風(fēng)機(jī)位置見圖2,均距運(yùn)用庫地面10 m高度。西段排煙系統(tǒng)有并行的5根排煙支管,編號(hào)為1～5。東段排煙系統(tǒng)有并行的4根排煙支管,編號(hào)為6～9。排煙支管1距西墻13 m,排煙支管9距東墻19 m,排煙支管1～9中心間距分別為22、24、30、25、50、25、25、34 m。每個(gè)排煙支管斷面尺寸為2.0 m×0.8 m,底部距運(yùn)用庫地面7 m。

當(dāng)運(yùn)用庫設(shè)有噴淋裝置時(shí),排煙支管底面設(shè)置2個(gè)排煙口,排煙口尺寸為1.6 m×1.2 m,同1根排煙支管上的2個(gè)排煙口中心距為25 m。當(dāng)無噴淋裝置時(shí),排煙支管底面設(shè)置3個(gè)排煙口,排煙口尺寸為1.6 m×1.25 m,同1根排煙支管上的3個(gè)排煙口中心距為12.5 m。

蓋下運(yùn)用庫的通風(fēng)輔助裝置采用鴨嘴式射流風(fēng)機(jī),射流風(fēng)機(jī)安裝在旋轉(zhuǎn)裝置上,安裝高度為8.5 m,可實(shí)現(xiàn)水平180°旋轉(zhuǎn)、豎直45°調(diào)節(jié)。通風(fēng)系統(tǒng)自西向東共安裝9組射流風(fēng)機(jī),每組4臺(tái),共36臺(tái)。射流風(fēng)機(jī)組編號(hào)為A～I(xiàn),組與組中心間距為25 m,組中射流風(fēng)機(jī)中心間距為12 m。單臺(tái)射流風(fēng)機(jī)噴口寬×高為2.0 m×0.9 m。

庫區(qū)西側(cè)設(shè)置4扇自然補(bǔ)風(fēng)門,高×寬均為5.4 m×4.2 m,自然補(bǔ)風(fēng)門門邊間距8.6 m。每個(gè)自然補(bǔ)風(fēng)門上方均設(shè)置2臺(tái)送風(fēng)機(jī),送風(fēng)機(jī)直徑為1 m。在庫區(qū)東側(cè)同樣位置設(shè)置數(shù)量、設(shè)備參數(shù)均相同的排風(fēng)機(jī),當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),僅開啟自然補(bǔ)風(fēng)門,送、排風(fēng)機(jī)均不工作。

設(shè)置3種火源位置:火源點(diǎn)1位于3號(hào)排煙支管下方,火源點(diǎn)2位于運(yùn)用庫中部,火源點(diǎn)3位于8號(hào)排煙支管下方。火源點(diǎn)1～3均距庫區(qū)底部1 m高處。

無火災(zāi)時(shí),射流風(fēng)機(jī)不開啟。發(fā)生火災(zāi)并啟用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助機(jī)械排煙時(shí),原則上開啟距火源點(diǎn)30 m以外的射流風(fēng)機(jī),每組射流風(fēng)機(jī)的噴口均朝向火源方向且與南墻平行,風(fēng)機(jī)射流俯角分別設(shè)定為向下7.5°、向下15.0°、向下30.0°。

3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

單純機(jī)械排煙和射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙的計(jì)算均采用Fluent軟件模擬。采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證工況:火源位置為火源點(diǎn)1,開啟排煙支管3,不開啟射流風(fēng)機(jī)。火災(zāi)發(fā)生60 s時(shí),在火源點(diǎn)1豎直向上取2、6、8 m進(jìn)行CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到500×104后,CO體積分?jǐn)?shù)不再受網(wǎng)格數(shù)增加的影響,因此網(wǎng)格數(shù)選取500×104。

3.3 數(shù)學(xué)模型

火災(zāi)時(shí)煙氣的流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)過程,滿足質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分守恒方程,由于火災(zāi)煙氣流動(dòng)為湍流,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

3.4 初始條件、邊界條件

① 初始條件

運(yùn)用庫內(nèi)初始溫度為28 ℃,CO2、CO初始體積分?jǐn)?shù)均為0,自然補(bǔ)風(fēng)門開啟。

② 邊界條件

室外空氣溫度為27 ℃,室外CO2、CO體積分?jǐn)?shù)均為0,運(yùn)用庫各壁面、送、排風(fēng)機(jī)均為絕熱邊界。自然補(bǔ)風(fēng)門為壓力入口,排煙口為速度出口。不考慮庫區(qū)內(nèi)氧氣減少。

Fluent軟件中的設(shè)置:選用瞬態(tài),壓力基求解,開啟能量方程,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,開啟組分傳輸模型。無噴淋裝置時(shí):火源熱釋放率為8.0 MW,火源燃燒時(shí)間為600 s,CO2、CO生成速率分別為5.616、0.561 6 kg/s[10],排煙口風(fēng)速為9.76 m/s。有噴淋裝置時(shí):火源熱釋放率為2.5 MW,火源燃燒時(shí)間為600 s,CO2、CO生成速率分別為1.755、0.175 5 kg/s[10],排煙口風(fēng)速為8.029 m/s。射流風(fēng)機(jī)風(fēng)速為13.51 m/s。重力加速度豎直向下,9.81 m/s2。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明第6.3.8條對(duì)汽車庫通風(fēng)的相關(guān)規(guī)定指出,只要保證CO體積分?jǐn)?shù)排放達(dá)標(biāo),其他有害物即使有一些分布不均勻,也有足夠的安全倍數(shù)保證將其通過排風(fēng)帶走,因此以CO為標(biāo)準(zhǔn)來考慮車庫通風(fēng)量是合理的。文獻(xiàn)[11]對(duì)火災(zāi)壞境的CO體積分?jǐn)?shù)限值選取為0.04%。文獻(xiàn)[12]指出當(dāng)?shù)叵麓罂臻g中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)大于0.06%時(shí),1～2 h內(nèi)會(huì)引起窒息死亡。因此,本文僅考慮火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的CO體積分?jǐn)?shù),并將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的CO體積分?jǐn)?shù)限值設(shè)定為0.000 5。

4 工況設(shè)置及實(shí)測(cè)驗(yàn)證

4.1 工況

無噴淋裝置工況、有噴淋裝置工況分別見表1、2。

表1 無噴淋裝置工況

表2 有噴淋裝置工況

4.2 模型實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,對(duì)豎直監(jiān)測(cè)線1、2上的風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較。豎直監(jiān)測(cè)線1、2的位置見圖2中藍(lán)色線段。豎直監(jiān)測(cè)線1在B組射流風(fēng)機(jī)與C組射流風(fēng)機(jī)中間,距庫南墻19.2 m,B組射流風(fēng)機(jī)開啟,射流風(fēng)機(jī)射流俯角為向下7.5°。豎直監(jiān)測(cè)線2在D組射流風(fēng)機(jī)與E組射流風(fēng)機(jī)中間,距庫南墻44.8 m,D組射流風(fēng)機(jī)開啟,射流風(fēng)機(jī)射流俯角為向下7.5°。在豎直監(jiān)測(cè)線上,每隔1 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn),采用AR866A型風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速。豎直監(jiān)測(cè)線1、2上的風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值分別見圖3、4。由圖3、4可知,沿豎直監(jiān)測(cè)線1、2高度方向,風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值吻合度較好,平均相對(duì)誤差的絕對(duì)值為8.6%。因此,模型的準(zhǔn)確性較高。

圖3 豎直監(jiān)測(cè)線1上的風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值

圖4 豎直監(jiān)測(cè)線2上的風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值

5 模擬結(jié)果分析

5.1 無噴淋裝置

模擬時(shí),以火源點(diǎn)為原點(diǎn)展開模擬,Oz方向的模擬長度為260 m。以工況1-2為例,分析庫區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)分布,見圖5。圖5a為火災(zāi)發(fā)生600 s時(shí),庫區(qū)中間豎直截面的CO體積分?jǐn)?shù)分布。圖5b～5f分別為火災(zāi)發(fā)生60、180、300、420、600 s時(shí),庫區(qū)10 m高度水平截面(簡稱10 m高度截面)的CO體積分?jǐn)?shù)分布。由圖5a可知,當(dāng)火源點(diǎn)1單獨(dú)燃燒時(shí),CO由火源點(diǎn)向上擴(kuò)散,由于開啟的排煙支管在火源點(diǎn)正上方,CO并未大面積擴(kuò)散至庫區(qū)其他位置。圖5b～5f可知,在火災(zāi)發(fā)生60 s時(shí),CO已擴(kuò)散至庫頂處。隨著時(shí)間推移,CO繼續(xù)擴(kuò)散,在火災(zāi)發(fā)生300 s時(shí)幾乎將庫區(qū)西側(cè)完全污染。在火災(zāi)發(fā)生600 s時(shí),CO有擴(kuò)散至庫區(qū)東側(cè)的趨勢(shì),但在射流風(fēng)機(jī)和排煙系統(tǒng)的共同作用下,擴(kuò)散趨勢(shì)被抑制。

圖5 工況1-2庫區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)分布

無噴淋裝置時(shí),各工況庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)(指CO平均體積分?jǐn)?shù))、煙氣溫度(指煙氣平均溫度)隨距火源點(diǎn)距離(指水平距離)的變化分別見圖6～11。由圖6～11可知,對(duì)于3種火源點(diǎn)位置,工況1-1、1-5、1-9的CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度最高,工況1-2、1-6、1-10的CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度最低。由于CO由火源點(diǎn)向上擴(kuò)散,庫區(qū)頂部為煙氣聚集區(qū),當(dāng)庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)低于0.000 5時(shí),認(rèn)為庫區(qū)其他區(qū)域的CO體積分?jǐn)?shù)也低于限值。

圖6 無噴淋裝置時(shí)工況1-1、1-2、1-3、1-4庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖7 無噴淋裝置時(shí)工況1-5、1-6、1-7、1-8庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖8 無噴淋裝置時(shí)工況1-9、1-10、1-11、1-12庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖9 無噴淋裝置時(shí)工況1-1、1-2、1-3、1-4庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖10 無噴淋裝置時(shí)工況1-5、1-6、1-7、1-8庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖11 無噴淋裝置時(shí)工況1-9、1-10、1-11、1-12庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

因此,無噴淋裝置時(shí),與單純采取機(jī)械排煙相比,開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙可有效降低CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度,使遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的大部分區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)低于限值。射流風(fēng)機(jī)射流俯角向下7.5°時(shí),可最大限度降低CO體積分?jǐn)?shù)及煙氣溫度。

5.2 有噴淋裝置

有噴淋裝置時(shí),各工況庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化分別見圖12～17。圖12～17僅給出單純機(jī)械排煙工況與射流風(fēng)機(jī)射流俯角向下7.5°的射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙工況的CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度。由圖12～17可知,有噴淋裝置時(shí),開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙可降低CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度,但效果不顯著。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),對(duì)于有噴淋裝置的運(yùn)用庫,發(fā)生火災(zāi)時(shí),可不開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙。

圖12 有噴淋裝置時(shí)工況2-1、2-2庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖13 有噴淋裝置時(shí)工況2-5、2-6庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖14 有噴淋裝置時(shí)工況2-9、2-10庫區(qū)10 m高度截面CO體積分?jǐn)?shù)隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖15 有噴淋裝置時(shí)工況2-1、2-2庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖16 有噴淋裝置時(shí)工況2-5、2-6庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

圖17 有噴淋裝置時(shí)工況2-9、2-10庫區(qū)10 m高度截面煙氣溫度隨距火源點(diǎn)距離的變化

6 結(jié)論

① 無噴淋裝置時(shí),與單純采取機(jī)械排煙相比,開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙可有效降低CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度,使遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的大部分區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)低于限值。射流風(fēng)機(jī)射流俯角向下7.5°時(shí),可最大限度降低CO體積分?jǐn)?shù)及煙氣溫度。

② 有噴淋裝置時(shí),開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙可降低CO體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度,但效果不顯著。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),對(duì)于有噴淋裝置的運(yùn)用庫,發(fā)生火災(zāi)時(shí),可不開啟射流風(fēng)機(jī)輔助機(jī)械排煙。