防護工程水簾柜消煙策略模擬研究

茅靳豐鄧忠凱毛維周進邢哲理余南田

1解放軍理工大學國防工程學院 2總參工程兵第四設計研究院 3軍委后勤保障部建筑規劃設計研究院

0 引言

防護工程是一種相對封閉的地下空間，遇襲、工程內部線路老化或人員偶然因素都可能引起火災。統計表明，高溫煙氣是火災中最致命的因素，特別是地下火災，燃燒不完全將釋放出更多的有毒氣體[1-2]。現如今，對通風條件差的相對封閉空間煙氣消除技術主要有：機械排煙[3-5]、靜電消煙[6-8]、水幕消煙[9-10]和多種防排煙措施聯合運行等。但防護工程由于結構特點及偽裝要求不可對外設置排煙口；而靜電消煙不能消除有毒氣體和降低火場溫度，且在火場用高壓進行靜電消煙，會對消防和被困人員的生命造成威脅；其次，消防水幕耗水量大，工程排水困難，水漬污染嚴重，故水幕消煙在防護工程中也不適用。因此，針對防護工程特點，若能研發一種消煙系統將火災煙氣在工程內部消除，將有利于保障工程內部人員安全，提升工程防護能力。

基于以上考慮，課題組[]提出用水簾柜對地下工程相對封閉空間火災煙氣進行消除凈化。在前期研究的基礎上，利用火災動力學軟件Fire Dynamics Simulator（FDS）模擬火場溫度和能見度變化情況，綜合考慮高溫煙氣對人員安全逃生的影響，確定水簾柜消煙系統在防護工程中的應用策略。

1 數理模型

國內外眾多學者利用FDS對火災溫度場、速度場和壓力場進行了大量的驗證和研究，尤其是地下工程火災煙氣的消除[12-14]。FDS對于熱驅動流動的Navier-Stokes方程進行了數值求解，它包括DNS模型和LES模型[15]，本研究選擇廣泛應用于火災煙氣流動行為研究的LES模型。

1.1 數學模型

通過濾波函數對動量和能量方程進行處理，得到負責大尺度運動的紊流渦旋，進而得出大尺度運動的動量和能量傳遞方程[15]。

連續性方程：

動量方程：

能量守恒方程：

湍流粘度通過假設小尺度運動的能量產生和耗散相平衡得出。對于亞網格尺度的耗散過程采用Smgaorinsky亞格子尺度模型進行模擬，Smgaorinsky亞格子模型對湍流粘性的考慮為：

式中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs為 Smgaorinsky 常數，其值與流動有關，建議取值0.1～0.25。

1.2 物理模型

防護工程處于隔絕通風狀態時，一旦發生火災，將防火分區封閉，避免火災煙氣在工程內部大面積蔓延，內部人員向避難室疏散。本文為簡化煙氣凈化過程，將水簾柜消煙系統簡化成多個消煙口和一個出風口，消煙口沿走廊均勻布置?；馂陌l生時，煙氣通過管道送入消煙室進行處理，凈化后的氣體經出風口排到工程內。

以某防護工程的防火分區為研究對象，如圖1所示。該防火分區共500 m2，走廊長50 m，寬2 m，高3 m，沿走廊兩側分布功能不同的辦公房間，各房間門開啟，避難室靠近走廊端部。火源位于靠近走廊中部的房間，選用歐洲標準火——庚烷火[16]，模型為快速增長t2火模型，最大熱釋放速率為6 MW[17]。設置水簾柜啟動時間為火災發生后60 s，本文中不考慮消煙口和出風口大小對煙氣擴散的影響，假設其尺寸均為0.5 m×0.5 m。

圖1 水簾柜消煙系統示意圖

1.3 測點布置

在消煙凈化過程中，煙氣層應始終保持在一定高度，保證人員不會從煙氣中穿過或受到熱輻射威脅。取人眼特征高度處的煙氣特征參數為研究對象，沿走廊每隔5 m布置一個測點，共9個測點，同時監測走廊中間溫度分布云圖。

2 模擬結果

目前國際公認的火災中人員安全疏散判據是：火災發展到致使環境條件達到人體耐受極限的時間（Available Safe Egress Time,ASET）必須大于火災發生后人員疏散到安全地點所用的時間（Required Safe Egress Time,RSET），即：ASET>RSET[18]。環境耐受極限是指火災時煙氣特征參數（能見度和溫度）不超過人員安全逃生閾值。根據前人研究[19,20]，對建筑熟悉的疏散者在安全疏散時所需的能見度為4 m；火場中呼吸過熱的空氣會導致熱沖擊和呼吸道灼傷，一般認為可吸入空氣溫度不高于60℃才是安全的。

考慮消煙風量Q和消煙口個數N對煙氣擴散的影響，并以RSET時間內走廊人眼特征高度處的煙氣特征參數為依據判斷消煙凈化效率，確定最佳設計風量和消煙口個數。

2.1 消煙風量對溫度能見度影響

對于上述防火分區，考慮沿走廊均勻布置三個消煙口（位置為12.5 m，25 m和37.5 m），消煙風量Q分別為 10800 m3/h、12900 m3/h、15000 m3/h、17400 m3/h 和21600 m3/h時對走廊中間煙氣特征參數的影響。

2.1.1 煙氣特征參數影響

圖2給出了RSET時間內不同消煙風量下走廊中間的溫度分布云圖，黑色線為T=60℃溫度安全閾值線。從圖中可知，不同消煙風量下，沿走廊溫度分布呈明顯的熱分層。對比分析不同風量時溫度安全閾值線高度，可以發現消煙風量越大，安全閾值線高度越高，主要因為消煙風量越大，經水簾柜凈化的煙氣量越大，對煙氣沉降具有更好的控制效果，故煙氣層厚度越薄，走廊平均溫度越低。圖2（a）給出了無消煙措施情況下走廊煙氣自然填充時的溫度云圖，對比分析有水簾柜消煙凈化時的溫度云圖可知：水簾柜消煙時的煙氣層沉降速度均慢于無消煙措施時煙氣沉降速度。由圖 2（f）可知，當消煙風量過大（Q=21600 m3/h）時，靠近消煙室走廊溫度較低，主要由于水簾柜出風口風速較大，消煙室與消煙口1距離較近，經水簾柜處理后排出的冷卻空氣出現氣流短路現象；而消煙風速較大也導致走廊右側消煙口3處發生煙氣層吸穿現象。

圖3給出了不同工況下RSET時間內各測點溫度沿走廊變化曲線。由圖可知，靠近著火房間走廊溫度最高，從著火房間向走廊兩側溫度逐漸降低，著火房間左側走廊溫降大于右側，主要由于消煙口消煙和出風口空氣冷卻的共同作用；右側走廊溫度較高是因為走廊左側水簾柜出風口空氣排出加速了頂棚煙氣射流向走廊右端的擴散速率，同時誘導從著火房間溢出的高溫煙氣流向走廊右側，導致該側煙氣層厚度增加，溫度升高。對比分析走廊各測點溫度與安全閾值溫度可知，當消煙風量Q不小于17400 m3/h時，走廊溫度滿足人員安全逃生要求。

圖2 走廊煙氣溫度分布云圖

圖3 各測點溫度沿走廊變化曲線

圖4給出了不同工況下RSET時間內各測點能見度沿走廊變化曲線。由圖可知，無消煙措施時走廊各處能見度較差，不能滿足人員安全逃生要求。當消煙風量較小時（Q=10800 m3/h），走廊各處能見度較低，且在著火房間右側能見度接近安全閾值，人員疏散存在危險性，而當風量Q不小于17400 m3/h，在走廊各處能見度滿足人員疏散要求。走廊左側消煙口1附近能見度較低，主要由于出風口空氣和煙氣射流前鋒在此處相遇，而出風口風速較大，射流前鋒煙氣回流，且煙氣在回流過程中卷吸大量的冷空氣同時與周圍壁面換熱導致溫度降低，煙氣層下降，故能見度降低。當消煙風量Q=21600 m3/h時，消煙口消煙風速較大發生煙氣層吸穿現象，故著火房間右側走廊能見度大于左側。

圖4 各測點能見度沿走廊變化曲線

2.2 消煙口個數對溫度能見度影響

圖5給出了消煙風量為Q=17400 m3/h，消煙口個數N=2、3和4時走廊中間溫度云圖。由圖可知，當消煙口個數N=3時，走廊溫度安全閾值線高度最高，即水簾柜消煙凈化效果最好。當N=4時，走廊煙氣層溫度比N=2時高，主要由于消煙口風速較小，消煙效率較低導致。當N=2時，消煙口風速較大，左側和右側消煙口均發生煙氣層吸穿現象，消煙效率低，水簾柜處理煙氣量少，故消煙效果差。

圖5 走廊煙氣溫分布度云圖

圖6 各測點溫度沿走廊變化曲線

圖6給出了不同消煙口個數情況下RSET時間內各測點溫度沿走廊變化曲線。由圖可知，當N=3時走廊各測點溫度最低，除靠近著火房間測點外，其余各測點均低于溫度安全閾值，消煙效果好，有利于人員逃生。當N=4時，走廊左側溫度低于N=2，但右側溫度高于N=2，且右側部分測點溫度超過或接近溫度安全閾值，消煙效果差，不利于人員安全逃生。

圖7給出了不同消煙口個數情況下RSET時間內各測點能見度沿走廊變化曲線。由圖可知，當N=2時，走廊平均能見度最差；出風口空氣補風對N=3時走廊能見度影響最大，此時走廊平均能見度最高，消煙效果最好；N=4時走廊能見度相對波動較小，主要由于消煙口風速較小，走廊速度場湍流強度較小。

圖7 RSET時間走廊各測點能見度衰減曲線圖

3 結論

1）當使用水簾柜消煙時，溫度沿走廊分布呈明顯的熱分層；消煙風量越大，煙氣沉降控制效果越好；但消煙風量過大（Q=21600 m3/h）時，走廊左側經水簾柜處理后冷卻空氣冷卻補風與消煙口消煙出現氣流短路，且在走廊右側出現明顯的煙氣層吸穿現象，消煙效率低。

2）當消煙口個數N=3時，走廊溫度安全閾值線高度最高，即水簾柜消煙凈化效果最好。當消煙風量一定時，消煙口個數少會導致明顯的煙氣層吸穿現象，走廊溫度高、能見度差，但消煙口過多導致消煙效率較低。

3）對于防護工程單個防火分區，當消煙口個數N=3時，消煙風量Q=17900 m3/s時，水簾柜消煙凈化效率高，走廊各處能見度和溫度滿足人員安全逃生要求。

4）消煙室和著火房間之間的左側走廊安全性較高，避難室宜設置在靠近水簾柜消煙室一端的走廊。