內(nèi)走道機(jī)械排煙效率研究

唐銘芳 曾 燁

(1.廈門市公安消防支隊(duì)思明大隊(duì) 福建廈門 361000； 2.廈門市公安消防支隊(duì)特勤大隊(duì) 福建廈門 361000)

內(nèi)走道機(jī)械排煙效率研究

唐銘芳1曾 燁2

(1.廈門市公安消防支隊(duì)思明大隊(duì) 福建廈門 361000； 2.廈門市公安消防支隊(duì)特勤大隊(duì) 福建廈門 361000)

機(jī)械排煙常應(yīng)用于內(nèi)走道排煙設(shè)計(jì)中，由于排煙量、補(bǔ)氣方式、排煙管道、排煙口與排煙風(fēng)機(jī)的設(shè)置不同，排煙效果將產(chǎn)生較大差別?；跓煔庠谂艧熆凇⑴艧煿軆?nèi)的流動(dòng)過程分析，給出了排煙管道距離風(fēng)機(jī)不同位置處各排煙口排煙流速和流量計(jì)算的方法和步驟。采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同總排煙量、不同補(bǔ)氣方式以及不同排煙量分布情形下走道火災(zāi)的排煙效果進(jìn)行了分析比較，給出了提高排煙效果的優(yōu)化建議。建筑設(shè)計(jì)和消防滅火撲救過程中，應(yīng)充分考慮補(bǔ)氣方式以及排煙口流量不均勻分布對(duì)排煙效果的影響，以提高排煙系統(tǒng)的可靠性和選擇安全性較高的撲救路徑。

內(nèi)走道；機(jī)械排煙；排煙口；排煙效率；數(shù)值模擬

0 引言

隨著建筑規(guī)模、功能以及面積等因素多樣化的需求，建筑中往往會(huì)出現(xiàn)各種類型的內(nèi)走道?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)煙氣由起火房間進(jìn)入內(nèi)走道再進(jìn)行蔓延。作為人員疏散的必經(jīng)通道，一旦煙氣進(jìn)入內(nèi)走道，勢必將大大影響建筑內(nèi)人員的安全疏散，同時(shí)，內(nèi)走道通風(fēng)條件差，煙氣排出困難，給救援人員進(jìn)入到火場撲救帶來了困難。因而，對(duì)內(nèi)走道進(jìn)行煙氣控制是此類建筑消防設(shè)計(jì)中必須考慮的重要問題之一[1]。設(shè)置合理高效的防排煙系統(tǒng)是保障建筑火災(zāi)條件下人員安全的必要措施之一。我國的相關(guān)規(guī)范也對(duì)內(nèi)走道防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定，如《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]第8.4.1條、《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第9.1.3和9.4.1條等。

機(jī)械排煙是利用排煙風(fēng)機(jī)通過排煙口和管道系統(tǒng)將火災(zāi)煙氣排至室外的一種排煙方式，其特點(diǎn)是穩(wěn)定、高效，但需要專門的管道、風(fēng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)于大型建筑和復(fù)雜的內(nèi)走道，機(jī)械排煙是常采用的一種排煙方式。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)械排煙系統(tǒng)在火災(zāi)中能排出大部分的火災(zāi)生成熱，使火場溫度大大降低，對(duì)人員安全疏散和滅火救援起到重要作用。然而，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械排煙的排煙口、管道布置以及補(bǔ)氣設(shè)置不合理的情況，使排煙效率大大降低。排煙口位置，總排煙量、各排煙口排煙量的分配，以及補(bǔ)氣的設(shè)置，都將對(duì)排煙效果產(chǎn)生重大的影響[4-7]。在目前的內(nèi)走道機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各排煙口處的排煙流速一般假設(shè)為相同，忽略了排煙口與風(fēng)機(jī)距離對(duì)排煙流速的影響，對(duì)各排煙口流量不均勻分布對(duì)排煙效果影響的研究并不多。同時(shí)，各消防規(guī)范對(duì)建筑內(nèi)走道排煙時(shí)的補(bǔ)氣設(shè)置也沒有具體規(guī)定，實(shí)際建筑內(nèi)走道機(jī)械排煙系統(tǒng)的補(bǔ)氣基本依靠自然方式進(jìn)行。其實(shí)，補(bǔ)氣方式對(duì)排煙效果將會(huì)產(chǎn)生一定的影響，走道排煙效果直接影響建筑防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際消防救援策略的制定。因此，對(duì)其開展研究具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 走道機(jī)械排煙示意圖

1 走道排煙效果影響因素

1.1總排煙量

排煙量是機(jī)械排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，防火規(guī)范對(duì)于走道所在防煙分區(qū)的排煙量均有相應(yīng)下限規(guī)定。排煙量越大，單位時(shí)間排出的煙氣越多，因而對(duì)疏散和救援越有利。但是隨著排煙量的增加，排煙口處的流速增大，易出現(xiàn)“吸穿效應(yīng)”，使煙氣層下部的空氣也被大量吸入排煙管排出至室外，降低了排煙效率。同時(shí)，排煙管內(nèi)氣體流速的增加，也提高了對(duì)風(fēng)機(jī)壓力和功率能耗的要求，降低了排煙系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，實(shí)際機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下充分考慮經(jīng)濟(jì)流速的要求，選擇適當(dāng)?shù)呐艧熈?，而不是一味地追求大排煙量?/p>

1.2機(jī)械排煙口流量分布

機(jī)械排煙系統(tǒng)通常由風(fēng)機(jī)和管道系統(tǒng)組成，對(duì)于同一管道上不同位置處的排煙口，由于距離風(fēng)機(jī)位置的差別，排煙時(shí)排煙口內(nèi)外壓差一般是不同的，因而各排煙口的排煙流量也將不同。距離風(fēng)機(jī)近(管道距離)處排煙口的排煙流量較大，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)處排煙口的排煙流量較小。對(duì)于較長的排煙管道，加上管道的漏風(fēng)，距離風(fēng)機(jī)最近排煙口的排煙流量與最遠(yuǎn)排煙口排煙量甚至可相差數(shù)倍以上。而且，距離風(fēng)機(jī)最近的排煙口處流速易超過規(guī)范規(guī)定的最大流速(可能會(huì)導(dǎo)致“吸穿”效應(yīng))。由于排煙口流速和流量的不均勻分布，排煙效果隨火災(zāi)發(fā)生的位置不同而不同，火源位于排煙量大排煙口附近時(shí)，排煙效率一般會(huì)高于比火源位于排煙量較小排煙口附近。

考慮內(nèi)走道的機(jī)械排煙系統(tǒng)如圖1所示，機(jī)械排煙系統(tǒng)由排煙風(fēng)機(jī)、排煙管道和排煙口組成，排煙口均勻分布于排煙管道(編號(hào)1,2…n)，啟動(dòng)排煙系統(tǒng)時(shí)各排煙口開啟面積為Ai，相鄰排煙口間距為Δl，假設(shè)排煙管截面尺寸均勻，面積為Ad。排煙系統(tǒng)啟動(dòng)后，氣體由走道進(jìn)入排煙管道并由風(fēng)機(jī)排出。理想情況下，排煙管道內(nèi)壁沒有摩擦阻力存在，則各排煙口流速是均勻分布的，各排煙口排煙量相等。而實(shí)際上，由于各排煙口距離風(fēng)機(jī)距離不同，氣體流動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力和壓力損失不同，因而各排煙口處氣體流速與流量將各不相同，流速與流量的分布將與排煙口、排煙管尺寸、風(fēng)機(jī)流量、壓頭、排煙口間距、管道壁面阻力系數(shù)等因素有關(guān)[8]。

對(duì)于未發(fā)生火災(zāi)情形，氣體在走道與排煙系統(tǒng)中的流動(dòng)可視為正壓流體流動(dòng)，由于流動(dòng)過程中氣體的壓力變化相對(duì)于大氣壓力小得多，因而可將氣體視為不可壓流體。對(duì)排煙口i，流動(dòng)的質(zhì)量守恒和能量守恒方程為：

vi-1ρAd+Cdui-1ρAi=viρAd

(1)

(2)

(3)

其中vi為排煙口i處前方排煙管道內(nèi)氣體的平均流速，ms-1；ui為排煙口i處的氣體流速，ms-1；ρ為氣體密度，kgm-3；Cd為無量綱流通系數(shù)；pi為排煙管內(nèi)排煙口i上方處靜壓，Pa；ζxi和ζyi為匯流局部壓力損失系數(shù)；λ為排煙管內(nèi)無量綱沿程阻力系數(shù)；d為排煙管當(dāng)量直徑，m；p0i為排煙口i下方處靜壓，Pa。一般來說，走道的截面積遠(yuǎn)大于排煙管道截面積，因此走道內(nèi)的p0i可視為環(huán)境壓力p0。

邊界條件：

v1=0

(4)

(5)

聯(lián)立式(1)～(5)，采用數(shù)值方法便可求出排煙管和各排煙口處的流速和流量分布。

考慮內(nèi)走道機(jī)械排煙系統(tǒng)，走道尺寸為2m寬，3m高，50m長，排煙管尺寸1000mm×500mm，排煙口尺寸為600mm×600mm，風(fēng)機(jī)排煙量為10m3/s，排煙口共5個(gè)，均勻分布于排煙管，相鄰排煙口間距為10m，風(fēng)機(jī)與最近排煙口距離為5m。利用式(1)～(5)計(jì)算得各排煙口處平均流速如圖2所示。

由圖2可見，各排煙口流速并非均勻分布，隨著與排煙風(fēng)機(jī)距離的減小，排煙口處流速增加較快。上例中，距離風(fēng)機(jī)最近的排煙口與最遠(yuǎn)排煙口排煙量差別超過6倍。

圖2 排煙口流量與距風(fēng)機(jī)距離關(guān)系

1.3補(bǔ)氣方式

由于自身位置與幾何特性的原因，火災(zāi)發(fā)生時(shí)走道與外界的開口包括與起火房間相通的門以及走道兩端的窗。機(jī)械排煙過程中走道進(jìn)行自然補(bǔ)氣時(shí)，若氣體通過走道兩端的開口進(jìn)入(直接補(bǔ)氣)，則進(jìn)入的氣體為新鮮空氣。而若氣體通過起火房間與走道間的門進(jìn)入(間接補(bǔ)氣，外界環(huán)境空氣先通過起火房間與外界的通風(fēng)口進(jìn)入起火房間，再通過起火房間進(jìn)入走道)，此時(shí)進(jìn)入走道的新鮮空氣量較少，而大部分氣體為煙氣，補(bǔ)氣效率顯著降低。因而補(bǔ)氣的設(shè)置也將會(huì)對(duì)排煙效果產(chǎn)生影響。

2 數(shù)值模擬

以前文所述內(nèi)走道及其機(jī)械排煙系統(tǒng)為物理模型，采用火災(zāi)場模擬軟件FDS程序?qū)馂?zāi)后走道煙氣控制情況進(jìn)行模擬，物理模型如圖3所示?；馂?zāi)發(fā)生于與走道相通的某個(gè)房間(走廊端部或走廊中部)，起火房間尺寸為4m×3m×3m，與走廊聯(lián)通的門尺寸為1.0m×2.0m，與外界聯(lián)通窗戶尺寸為2.0m×1.5m，離地高度為1m；火源位于起火房間地面中間，火源為穩(wěn)態(tài)火源，功率為1MW；排煙口均勻分布于走道上部，相鄰排煙口間距為10m，兩端排煙口距走道盡頭距離為5m，各排煙口排煙流量按均勻與不均勻兩種條件設(shè)置。對(duì)于均勻排煙工況，各排煙口排煙流量均為2m3/s，平均流速均為5.56m/s；對(duì)于非均勻排煙工況，風(fēng)機(jī)位于走道靠近房間3一端，各排煙口排煙量和平均流速按圖2設(shè)定。環(huán)境溫度為20℃，共進(jìn)行8個(gè)工況模擬計(jì)算，各模擬工況如表1所示。

編號(hào)總排煙量(m3/s)排煙口流速分布火源位置補(bǔ)氣位置C0110均勻房間1起火房間窗戶C0210均勻房間2起火房間窗戶C0310均勻房間3起火房間窗戶C0410非均勻房間1起火房間窗戶C0510非均勻房間2起火房間窗戶C0610非均勻房間3起火房間窗戶C075均勻房間2走道兩端窗戶C0810均勻房間2走道兩端窗戶

3 結(jié)果分析

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，火災(zāi)煙氣通過門蔓延至走道并被排煙系統(tǒng)排出，空氣通過起火房間窗戶或走道兩端窗戶補(bǔ)充進(jìn)入走道。從計(jì)算結(jié)果可看出，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)約350s后，走道內(nèi)煙氣分布基本進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。圖4給出了各工況起火后600s時(shí)走廊中截面的溫度分布，從等溫線分布可以對(duì)比不同影響因素對(duì)走道機(jī)械排煙效果的影響。

圖4 各工況600s時(shí)走道中截面溫度分布(單位：℃)

3.1總排煙量的影響

對(duì)比工況C07和C08準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)走道煙氣溫度分布云圖，從走道內(nèi)氣體40℃等溫線可看出，在這兩種排煙工況下，煙氣均被有效地控制在走道上部空間，且工況C08中溫度高于40℃的氣體區(qū)域面積要較工況C07中小，說明增大排煙量對(duì)排煙效果具有一定的提升作用。從溫度分布云圖也可看出，兩個(gè)工況的部分排煙口處均出現(xiàn)了“吸穿”效應(yīng)。

3.2排煙量分布的影響

從工況C01-C06的溫度分布云圖可看出，火源位置與排煙口的設(shè)置對(duì)排煙效果均產(chǎn)生明顯的影響：

起火房間位于走廊端部時(shí)，在走廊遠(yuǎn)離火源端出現(xiàn)溫度較低的區(qū)域(低于40℃)，低溫區(qū)域面積與排煙方式相關(guān)，非均勻排煙條件下，距離起火房間最近的排煙口靠近風(fēng)機(jī)時(shí)，低溫區(qū)域面積最大，排煙效果最好。距離起火房間最近的排煙口遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)時(shí)，低溫區(qū)域面積最小，排煙效果較差。均勻排煙工況中的低溫區(qū)域面積介于兩者之間。

當(dāng)起火房間位于走廊中部時(shí)，在走廊兩端區(qū)域的溫度較低，均勻排煙工況下，兩端的低溫區(qū)基本呈對(duì)稱分布。非均勻排煙工況下，排煙量大(靠近風(fēng)機(jī))一側(cè)的低溫區(qū)域面積較大。

在實(shí)際工程走道的機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮風(fēng)機(jī)位置和排煙管、排煙口設(shè)置對(duì)排煙效果的影響。如果一個(gè)排煙管上排煙口太多，風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)端的排煙口很可能不能發(fā)揮排煙效果，而距離風(fēng)機(jī)較近的排煙口又很可能會(huì)發(fā)生“吸穿”效應(yīng)，大大降低排煙效率。因此，在設(shè)計(jì)走道機(jī)械排煙系統(tǒng)后，還應(yīng)對(duì)走道防煙分區(qū)、排煙口和排煙管道內(nèi)氣體的流量、流速等參數(shù)進(jìn)行核算和優(yōu)化，以充分利用排煙系統(tǒng)的排煙效能；在消防滅火救援過程中，也可以根據(jù)起火位置以及走道排煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)位置選擇較為安全的撲救路徑。

3.3補(bǔ)氣方式的影響

對(duì)比工況C02和C08走道的溫度分布云圖，相同總排煙量和排煙口流量分布條件下，不同的補(bǔ)氣方式對(duì)排煙效果具有決定性的影響。利用走道兩端與外界相通的窗戶進(jìn)行直接補(bǔ)氣對(duì)排煙效果的提升具有很大的作用；而利用起火房間與外界相通的窗戶進(jìn)行間接補(bǔ)氣時(shí)排煙效果較差。間接補(bǔ)氣時(shí)，空氣進(jìn)入起火房間后大部分被卷吸至火源上方的羽流中變?yōu)闊煔?，進(jìn)入走道的新鮮空氣量很少，因而排煙效果差。

4 結(jié)論

(1)總排煙量是走道內(nèi)機(jī)械排煙系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，總排煙量越大，排煙效果越好，但隨著排煙量的增加，排煙口處氣體流速增大，易出現(xiàn)“吸穿”效應(yīng)，降低排煙量的利用效率。

(2)由于與風(fēng)機(jī)的距離不同，各排煙口的排煙量產(chǎn)生了不均勻分布。排煙口流量分布的不均勻性對(duì)排煙效果將產(chǎn)生影響，若起火區(qū)域位于距離風(fēng)機(jī)較近的排煙口附近，則排煙效果較排煙口排煙量均勻分布的理想情形有所提高，反之，排煙效果下降。

(3)補(bǔ)氣方式對(duì)排煙效果具有關(guān)鍵性的影響。采用走道與外界通風(fēng)口進(jìn)行直接補(bǔ)氣時(shí)，其排煙效果要遠(yuǎn)好于利用起火房間開口進(jìn)行間接補(bǔ)氣。

走道是兩側(cè)房間人員疏散和消防力量進(jìn)行滅火救援的必經(jīng)之路，因而起火后保證走道的安全可維持狀態(tài)，對(duì)人員的安全疏散以及消防撲救具有非常關(guān)鍵的作用。在走道的機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為充分利用排煙系統(tǒng)的排煙能力，應(yīng)重點(diǎn)考慮其補(bǔ)氣方式，盡量采用直接補(bǔ)氣方式，并對(duì)排煙口和排煙管道內(nèi)氣體的流量、流速等參數(shù)進(jìn)行核算和優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的排煙量分布形式。在消防滅火救援過程中，則可以根據(jù)起火位置以及走道排煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)位置選擇安全性較高的撲救路徑。

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[2] GB50045-95(2005版) 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2015.

[3] GB50016-2006 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

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StudyonExhaustEfficiencyofCorridorwithMechanicalExhaustSystem

TANGMingfangZENGYe

(Xiamen Fire Detachment Siming Fire Brigade, Xiamen 361000)

Mechanical exhaust is frequently applied in smoke control in corridor.However, the exhaust efficiency varies much with different configuration of total exhaust rate, air makeup, exhaust inlet, smoke duct and exhaust fan.Based on theoretical analysis of smoke movement in smoke duct and through exhaust inlet, method and procedure for calculating exhaust rate of each exhaust inlet in a smoke exhaust duct with an exhaust fan were proposed.Numerical simulation with FDS software package was also performed to study the exhaust efficiency under different exhaust and air makeup setting.Exhaust rate of each exhaust inlet was assumed to be uniform and non-uniform was applied in the numerical simulations, respectively.Recommendation for enhancement of exhaust efficiency is proposed.In practical design of building smoke management system and planning of fire fighting strategy, consideration on effect of air makeup and non-uniform exhaust rate distribution on smoke exhaust efficiency should be taken to increase the reliability of smoke control system and choose relatively-safe rescue routine.

Corridor; Mechanical exhaust; Exhaust inlet; Exhaust efficiency; Numerical simulation

TU834.1

A

1004-6135(2017)10-0100-04

唐銘芳(1990.9- ),女，工程師。

E-mail:1127212650@qq.com

2017-08-09