超高“Z型”中庭高度對自然排煙特性影響的數(shù)值模擬研究

徐蘊顥，姚 斌＊，楊盼盼，黃 斌

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200092；3.海南省海口市消防支隊，海口，570100）

0 引言

中庭因具有良好的采光、通風(fēng)等特性，目前被廣泛應(yīng)用到酒店、辦公樓等建筑物內(nèi)部設(shè)計中?！癦型”中庭是結(jié)構(gòu)較為特殊的一種中庭，設(shè)計時根據(jù)空氣自然對流原理，在中庭底部設(shè)置自然進(jìn)風(fēng)口，使高大中庭能不斷從室外獲得足夠多的新鮮空氣，并在中庭頂部設(shè)置自然排煙口，通過自然空氣流動把中庭內(nèi)氣體直接排出室外，這兩層開口處與中庭構(gòu)成類似于“Z型”的煙氣流通通道。

中庭發(fā)生火災(zāi)時，煙氣在上升過程中受到很多因素的影響，如火源功率、中庭尺寸、消防設(shè)施有效情況、中庭內(nèi)溫度分布和外界環(huán)境等，導(dǎo)致中庭排煙方式至關(guān)重要。根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》第8.2.2.5條說明，“凈高度低于12m的中庭可開啟的高側(cè)窗或天窗的面積不應(yīng)小于中庭面積的5%”。同時在第8.4.1.3條補充，在不具備進(jìn)行自然排煙條件或者是高度超過12m的中庭應(yīng)采用機(jī)械排煙系統(tǒng)［1］。從而基本明確了我國在規(guī)范中強制要求高大中庭不能采用自然排煙設(shè)計；我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第9.2.1條第1款規(guī)定了可以設(shè)置自然排煙系統(tǒng)的場所［2］，但也僅僅是對此做了原則性的規(guī)定，對于如何判定一個場所能否進(jìn)行自然排煙沒有給出進(jìn)一步的說明。

根據(jù)火災(zāi)動力學(xué)相關(guān)理論知識，煙氣排放實質(zhì)上就是熱煙氣與外界環(huán)境熱交換的過程?？紤]到建筑結(jié)構(gòu)本身特點及建筑節(jié)能減排等方面的影響，在中庭頂層設(shè)置自然排煙的優(yōu)勢明顯。對于凈高超過12m的大空間，國內(nèi)外有很多采用自然排煙方案的成功案例，如德國大空間公共建筑尤其展覽建筑大多使用自然排煙；日本對自然排煙的應(yīng)用范圍亦沒有限定使用高度，同時也都采用了自然排煙的方式；澳大利亞和英國也一直提倡自然排煙［3］；國內(nèi)也有較多大空間建筑采用自然排煙的方案，如國家會議中心、國家大劇院等。近些年越來越多的中庭采用自然排煙方式，鑒于大空間建筑中自然排煙的復(fù)雜性，需對影響自然排煙效果的因素進(jìn)行分析和研究，以便更有效地發(fā)揮自然排煙的優(yōu)勢。

建筑中煙氣蔓延驅(qū)動力主要是熱浮力、熱壓、室外風(fēng)等，由于室外風(fēng)風(fēng)速隨高度的增加成指數(shù)增長，導(dǎo)致高層建筑豎向通道中溫差和高度共同引起的煙囪效應(yīng)更加明顯，對火災(zāi)煙氣流動產(chǎn)生更大的影響［4－6］。周等［7］運用數(shù)值模擬的方法探究了不同排煙系統(tǒng)在超過12m的中庭建筑火災(zāi)中的排煙效果。李，馮等［8］研究了超高中庭建筑物排煙特性，結(jié)果表明一定條件下自然排煙可以代替機(jī)械排煙。阮［9］通過FDS軟件對建筑高度超過12m的扁平中庭高側(cè)窗及天窗兩種自然排煙模式的有效性進(jìn)行分析，結(jié)果表明條件允許的情況下可以采用高側(cè)窗和天窗相結(jié)合的自然排煙方式。郭［10］研究了某庭院式酒店中庭區(qū)域的煙氣蔓延，分析建筑自然排煙系統(tǒng)的有效性，對比排煙口布置位置對排煙效果的影響。李等［11］對熱浮力、煙囪效應(yīng)和室外風(fēng)作用下高層建筑火災(zāi)煙氣輸運規(guī)律研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出室外風(fēng)進(jìn)入建筑后對煙氣運動影響的研究工作有待進(jìn)一步的擴(kuò)展。黃等［12］開展了“Z型”中庭全尺寸火災(zāi)實驗研究，研究表明采用自然排煙方案，基本保障人員安全疏散要求。

本文在黃等人開展的“Z型”中庭全尺寸火災(zāi)實驗研究基礎(chǔ)上，用數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究了無風(fēng)狀況下“Z型”中庭高度對自然排煙特性的影響，同時開展了外界環(huán)境風(fēng)情況下“Z型”中庭高度對自然排煙特性的初步研究，以期為工程應(yīng)用和實驗研究提供參考。

1 研究對象

本文以海南某超高“Z型”中庭為例，如圖1和圖2所示?！癦型”中庭高42.60m，貫穿該建筑十六至二十七層，層高3.55m，中庭寬16.20m，每層中庭面積約為400m2。其中十六層南面設(shè)有自然進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口尺寸為25.20m長，3.55m寬；二十七層北面設(shè)有自然排煙口，排煙口尺寸為43.20m長，3.55m寬，這兩層開口處都布置成室內(nèi)空中花園，屬于架空層，與中庭構(gòu)成了類似于“Z型”的煙氣流通通道。

圖1 中庭南北向剖面圖Fig.1 North－south sectional view of atrium

圖2 十六層（a）和二十七層（b）平面圖Fig.2 Ichnography of floor 16（a）and floor 27（b）

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文采用FDS（Fire Dynamics Simulator）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，F(xiàn)DS用于模擬火災(zāi)煙氣流動，采用的理論基礎(chǔ)堅實，可描述很寬范圍的火災(zāi)現(xiàn)象，其三維動態(tài)模擬結(jié)果可通過后處理軟件smokeview圖形化顯示，代表目前火災(zāi)煙氣運動數(shù)值模擬的世界級水平。

圖3是根據(jù)設(shè)計參數(shù)所搭建的FDS模型，自然進(jìn)風(fēng)口和自然排煙口分別設(shè)置在模型底層和頂層，模型網(wǎng)格劃分為0.50m×0.50m×0.50m，周圍環(huán)境壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，室外和室內(nèi)溫度分別為38℃和34.5℃，火源的屬性為柴油，墻壁的屬性設(shè)置為混凝土。

圖3 FDS模型Fig.3 FDS simulation model

2.2 網(wǎng)格獨立性驗證

與在此建筑物內(nèi)進(jìn)行的全尺寸實驗一樣，如圖4在模型中庭底層中央處放置功率為1.50MW的火源，周圍環(huán)境設(shè)置與實驗時情況一致。在模型中間、南側(cè)、北側(cè)豎向布置三串熱電偶，其中中間位置熱電偶串位于底層中央東側(cè)3m處，最高點熱電偶高度40.87m。南側(cè)和北側(cè)位置熱電偶串位于底層中央南側(cè)、北側(cè)8m處，南側(cè)最高點熱電偶高度40.28m，北側(cè)最高點熱電偶高度41.20m。分別選取模擬結(jié)果中間、南側(cè)、北側(cè)三串熱電偶中的最上部熱電偶溫度變化規(guī)律，與實驗數(shù)據(jù)相比較［12］，得到溫度對比的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 中庭和熱電偶所在位置Fig.4 Location of atrium and thermocouple

圖5 數(shù)值模擬與全尺寸實驗熱電偶溫度對比圖Fig.5 Comparison chart about thermocouple temperature in numerical simulation and full－scale experiment

由圖5可知，數(shù)值模擬中分布在南北中三個位置最上部的熱電偶，其溫度變化和實驗中的趨勢基本一致，尤其在200s后，火源功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度一直維持在恒定的某個數(shù)值。從以上結(jié)果得出，受大空間建筑體量的限制，計算網(wǎng)格尺寸設(shè)計結(jié)果與實際情況比較符合，此“Z型”中庭大空間建筑采用該FDS模型進(jìn)行計算模擬可行。

2.3 模擬計算工況設(shè)置

為了研究中庭高度對中庭自然排煙的影響，設(shè)置7組模擬工況。研究火源不同位置時中庭高度對自然排煙的影響，設(shè)置工況1～工況3，分別將火源放置在中庭底層西南角，中庭底層中央和中庭底層?xùn)|北角；考慮火源位置在中庭底層中央處，中庭寬度發(fā)生變化，中庭高度對自然排煙的影響，設(shè)置工況2、工況4和工況5；資料顯示海南當(dāng)?shù)厝觑L(fēng)向以正南為多，平均風(fēng)速在3m／s左右，工況6考慮火源位置在中庭底層中央，正南風(fēng)向3m／s時中庭高度對自然排煙的影響。同時考慮逆風(fēng)情況，工況7火源位置在中庭底層中央，正北風(fēng)向3m／s時空氣會倒灌進(jìn)中庭，中庭高度對自然排煙的影響，具體工況設(shè)置見圖6和表1。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》DGJ08－88－2006［13］，火源選取無噴淋的中庭火災(zāi)荷載為4MW，采用t2快速火，火災(zāi)增長系數(shù)為0.047，模擬時間1200s。

表1 模擬工況表Table 1 Simulation conditions

圖6 模型中火源所在位置Fig.6 Location of fire source in simulation mode

2.4 危險判據(jù)

煙氣如果在中庭內(nèi)無法及時排除，沉降的煙氣會對中庭內(nèi)人員造成一定危害，火災(zāi)危害因素主要包括煙氣溫度、能見度，CO濃度等，而各危害因素臨界危險判據(jù)是煙氣對建筑內(nèi)人員所造成的危險情況臨界值，本文取值如表2所示［14］。工況1～工況6取煙氣在中庭頂層四周回廊最先到達(dá)危險時間值為到達(dá)危險時間，工況7考慮到煙氣受風(fēng)力影響可能會倒灌進(jìn)中庭，取中庭頂層四周回廊與底層中庭最先到達(dá)危險時間值為到達(dá)危險時間。發(fā)生火災(zāi)時，到達(dá)危險時間越長，自然排煙效果越強。

表2 臨界危險判據(jù)Table 2 Index of dangerous criterion

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 不同火源位置時高度對中庭火災(zāi)自然排煙效果分析

工況1、工況2和工況3到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)中庭高度增加，到達(dá)危險時間增加。高度在14.20m～28.40m之間到達(dá)危險時間增長較慢，高于28.40m到達(dá)危險時間有較大的增長幅度，此后中庭高度對自然排煙影響較為明顯。高度一定時，火源位置在中庭底層西南角到達(dá)危險時間最長，在中庭底層西南角時自然排煙效果優(yōu)于火源位置在中庭底層中央和中庭底層?xùn)|北角。

表3是對工況1～工況3到達(dá)危險時間曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到各工況對應(yīng)的到達(dá)危險時間曲線擬合方程。對比各工況擬合方程可以看出，在相關(guān)度R值接近于1的情形下，危險時間數(shù)值t與中庭高度h之間滿足指數(shù)增長公式：t＝y(tǒng)0＋Aexp（h／α），y0、A和α值依次降低，可能是煙氣上升過程受底層單側(cè)進(jìn)風(fēng)口補風(fēng)的影響，引起中庭內(nèi)熱浮力、熱壓的變化。根據(jù)進(jìn)風(fēng)口對該中庭自然排煙效果影響狀況，建議家具等設(shè)施布置在中庭靠近進(jìn)風(fēng)口處。

圖7 中庭寬度16.2m時到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線Fig.7 Hazard occurrence time curve when atrium width is 16.2mat different atrium heights

3.2 不同中庭寬度時高度對中庭火災(zāi)自然排煙效果分析

對工況2、工況4和工況5進(jìn)行分析研究，從圖8到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線同樣可以看出，中庭高度增加，到達(dá)危險時間也增加。高度在14.20m～35.50m之間，到達(dá)危險時間增長較慢，高度35.50m之后到達(dá)危險時間增長幅度提高。中庭高度為固定值時，三種工況到達(dá)危險時間依次縮短。

表3 工況1～工況3到達(dá)危險時間曲線擬合方程Table 3 Fitting equation for hazard occurrence time curve of condition 1～3

圖8 火源位于中庭底層中央處到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線Fig.8 Hazard occurrence time when fire is located in central of the ground floor at different atrium heights

表4 工況2、工況4和工況6到達(dá)危險時間曲線擬合方程Table 4 Fitting equation for hazard occurrence time curve of condition 2，4and 6

表4是對工況2、工況4和工況6到達(dá)危險時間曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到各工況對應(yīng)的到達(dá)危險時間曲線擬合方程。對比各工況擬合方程可以看出，在相關(guān)度R值接近于1的情形下，危險時間數(shù)值t與中庭高度h之間同樣滿足指數(shù)增長公式：t＝y(tǒng)0＋Aexp（h／α），y0值依次降低，A和α值依次增加，可能是受煙囪效應(yīng)和中庭體積量變化的影響。

3.3 外界風(fēng)變化時高度對中庭火災(zāi)自然排煙效果分析

考慮到外界風(fēng)會影響“Z型”中庭自然排煙，本文通過工況2、工況6和工況7對無風(fēng)和有風(fēng)情況下該中庭自然排煙特性進(jìn)行初步研究。三種工況到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線如圖9所示，正南風(fēng)向3m／s時，中庭高度增加，到達(dá)危險時間先增加，后期到達(dá)危險時間為模擬時間。正北風(fēng)向3m／s時，到達(dá)危險時間較低。

工況6中庭自然排煙效果優(yōu)于工況2和工況7，可能是因為首層和頂層開口處與中庭構(gòu)成煙氣流通通道，在正南風(fēng)作用下，煙氣流動加快，到達(dá)危險時間較長。從表5中各工況自然排煙情況可以看出，工況7中風(fēng)從頂層排煙口進(jìn)入，使得上升的煙氣出現(xiàn)紊亂，致使煙氣從頂層排煙口排出時遇到一定阻力，煙氣在底層停留、擴(kuò)散蔓延，使得底層煙氣濃度增高，到達(dá)危險時間縮短，排煙效果減弱。

綜合圖9和表5可知，中庭高度增加，正南風(fēng)向3m／s自然排煙效果增強，正北風(fēng)向3m／s排煙效果減弱。說明外界風(fēng)對“Z型”中庭的排煙能力有較大的影響，在正南風(fēng)向時，自然排煙效果增強，在設(shè)計類似中庭時應(yīng)綜合考慮該地區(qū)常年風(fēng)向。

4 結(jié)論

通過FDS軟件數(shù)值模擬某地超高“Z型”中庭發(fā)生火災(zāi)，中庭不同高度對自然排煙的影響。在本文條件下，分析各工況的到達(dá)危險時間并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到以下結(jié)論：

（1）超高中庭傳統(tǒng)機(jī)械排煙模式不能完全適用條件下，自然排煙是一種有效的排煙方式，超高“Z型”中庭采用自然排煙可為人員疏散提供足夠的安全時間；

（2）無風(fēng)情況下，中庭高度增加，到達(dá)危險時間增加。對到達(dá)危險時間曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出到達(dá)危險時間t與中庭高度h之間滿足一定指數(shù)增長關(guān)系：t＝y(tǒng)0＋Aexp（h／α），火源在中庭不同位置和中庭寬度對y0、A和α有一定影響。

（3）對外界環(huán)境風(fēng)影響自然排煙情況進(jìn)行初步研究，外界風(fēng)向與進(jìn)風(fēng)口方向一致時，中庭自然排煙效果優(yōu)于無風(fēng)狀況。在外界風(fēng)向與排煙口方向相反時，自然排煙效果較弱。

（4）“Z型”中庭本質(zhì)上一側(cè)進(jìn)風(fēng)，一側(cè)排風(fēng)，其特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致風(fēng)向?qū)ζ渥匀慌艧熜Ч忻黠@的影響，建議在設(shè)計類似中庭時應(yīng)綜合考慮地區(qū)適用性。

圖9 火源位于中庭底層中央處外界風(fēng)影響時到達(dá)中庭不同高度點的危險時間變化曲線Fig.9 Hazard occurrence time curve when fire is located in central of the ground floor under external wind conditions at different atrium height

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