鐘文杰

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

火災是高層建筑中最大的安全隱患[1]，當發(fā)生火災時，防煙樓梯間是內(nèi)部人員的主要疏散通道[2]。為滿足安全疏散需要，多在防煙樓梯間采用機械加壓送風方式來維持正壓，以此來阻止煙氣進入[3]。

對于需要設置機械加壓送風系統(tǒng)的樓梯間地上與地下部分，應分別獨立設置[4－5]。當受到條件限制，且地下部分為汽車庫或設備用房時，地上、地下可共用一套機械加壓送風系統(tǒng)[6]，但前提是需要采取有效措施分別滿足地上、地下部分的送風量要求[7]。

對于地上、地下兩部分樓梯間的送風量分配問題，若設計不合理，將會導致實際送風量與設計值有所出入，正壓值不能全部達到設計要求，影響防煙效果[8]。因此，本文使用CFD軟件對不同送風口尺寸和立管風速對送風量和送風風速進行模擬計算，分析其變化規(guī)律，以對系統(tǒng)進行合理設計。另針對送風機的兩種布置方式，分別對其進行模擬并分析各自送風量分配特點，以期對實際設計提供參考。

2 建筑概況及計算

2.1 建筑模型

第一棟建筑，地上七層，高度25.2 m；地下一層為汽車庫，加壓送風系統(tǒng)總負擔高度為28.8 m。第二棟高層建筑地上23層，高度99.8 m；地下兩層，分別為車庫和設備用房，埋深9.9 m，地上、地下可以合用一套機械加壓送風系統(tǒng)，系統(tǒng)總負擔高度為109.7 m。

2.2 送風量計算

選取式(1)、式(2)為送風量基本計算公式。門開啟時，達到規(guī)定風速值(維持加壓部位所需正壓值)所需的送風量L1，使用門洞風速法計算:

式中:Ak為1層內(nèi)開啟門的截面面積(m2)。第一棟建筑防煙樓梯間疏散門門洞尺寸為2.1×1.6 m，第二棟建筑地上部分防煙樓梯間門洞截面尺寸為2.4×1.5 m，地下部分為2.3 m×1.5 m。v為門洞斷面風速，第一棟建筑取1 m/s，第二棟建筑取0.7 m/s。N1為設計疏散門開啟的樓層數(shù)量，對于地上樓梯間:地上部分高度為99.8 m>24 m[9]，設計3層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝3；地上樓梯間為24 m以下時，設計2層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝2；對于地下樓梯間，設計1層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝1。

門開啟時，規(guī)定風速值下的其他門漏風總量L2使用壓差法[10－11]計算:

式中:A為每個疏散門的有效漏風面積，疏散門門縫寬度取0.003 m。ΔP為計算漏風量的平均壓力差(Pa)，開啟門洞處風速為0.7 m/s時，取ΔP＝6.0 Pa；開啟門洞處風速為1.0 m/s時，取ΔP＝12.0 Pa。n為修正指數(shù)(一般取2)。1.25為不嚴密處附加系數(shù)。N2為漏風疏散門數(shù)量，取N2＝加壓樓梯間的總門數(shù)－N1(設計疏散門開啟的樓層數(shù))。

門開啟時，達到規(guī)定風速值所需的送風量和其他門漏風總量計算得出之后，樓梯間總的機械加壓送風量Lj由兩項相加可得:

2.3 送風口截面尺寸計算

樓梯間的地上部分每3層設置1個送風口[12]，每個送風口的設計送風量平均分配；地下部分設置1個送風口。結(jié)合式(4)計算送風口截面面積。

式中:Q為設計送風量，m3/h；Ad為送風口的截面面積，m2；vd為設計風速，取7 m/s，計算結(jié)果見表1。

表1 風口參數(shù)設計

3 CFD模擬

分別模擬兩棟不同高度的建筑，防煙樓梯間正壓送風口布置均為:地上每3層設置1個出風口，地下部分設1個，位于地下1層。自上而下依次對出風口進行編號，見圖1。

圖1 兩棟建筑樓梯間送風立管模型

風管進風口設置為速度入口(velocity-inlet)，出風口設置為壓力出口邊界條件(pressure-outlet)；選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量(偏斜率)為0.9；選擇標準為k－ε湍流模型。

4 結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

由圖2可知，CFD計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合。在無閥調(diào)節(jié)條件下，靠近送風機的樓層，其前室壓力滿足規(guī)范要求。

圖2 實測數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果對比曲線

4.2 送風量隨立管流速變化情況

在總送風量維持恒定的情況下，研究各個出風口的出風量隨立管入口流速的變化情況。各個樓層出風口截面保持表1中的尺寸不變，調(diào)節(jié)風速和與其相對應的立管截面面積，在不同的入口流速下進行模擬。

圖3、圖4分別為兩棟建筑的立管入口風速在9～18 m/s變化時，各個樓層出風口風量和平均流速的變化情況。送風機設置在上部時，對第一棟建筑，隨著立管流速增加，距離送風入口最近的出風口1的風量持續(xù)減小，位于中間的出風口2風量基本維持穩(wěn)定，而距離最遠的出風口3的風量則隨著立管流速的增加而增大。由于出風口截面面積保持不變，風口的平均出口風速與出風量完全成正比。對于第二棟建筑，出風口數(shù)量多，風管長度大，變化沒有第一棟建筑明顯，但距離頂部送風入口最近出風口的風量隨立管流速的增加而減小，位于中間部位的風口(出風口5、6)出風量稍有波動但總體變化不大，底部的出風口(出風口7、8和9)隨立管流速增加，風量隨之增大，其中最底部出風口9最為明顯。

圖3 第一棟高層建筑送風機在上部時出風口風量及平均風速

圖4 第二棟高層建筑送風機在上部時出風口風量及平均風速

圖5、圖6分別為兩棟建筑正壓送風系統(tǒng)風機置于系統(tǒng)底部時的模擬結(jié)果?？梢姡鲗映鲲L口的風量分布與上送風的情況相似。

圖5 第一棟高層建筑送風機在下部時出風口風量及平均風速

圖6 第二棟高層建筑送風機在下部時出風口風量及平均風速

送風機設置在上部或下部，系統(tǒng)風量分布基本一致:距離送風入口越近，送風量和送風速度相對越小，且出口風量與立管入口風速成反比；距離最遠的出風口風量和出口風速最大，出口風量與立管入口風速成正比。另外，單純靠改變立管的入口風速難以使地下部分滿足風量要求，且易造成地上部分出風口風量分配不均。

4.3 送風量隨送風口尺寸變化情況

為達到設計要求，除控制立管入口風速外，還需對出風口尺寸進行調(diào)整。

以第一棟建筑為例，取豎向風道入口風速15 m/s，調(diào)整出風口尺寸，直至地上與地下樓梯間總風量滿足設計要求，且地上部分各出風口風量盡量均勻，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 中高層建筑出風口尺寸調(diào)整

送風口3距離立管入口最遠，送風量最大，遠超設計風量，所以需要減小面積，控制送風量。對于地上的兩個風口，出風口1距離立管入口最近，出風量最小，所以需要增大風口面積來增加風量；風口2雖在調(diào)整前出風量與設計風量最為接近，但由于總風量保持不變，三個樓層的送風口之間相互影響，隨著送風口3面積的減小和送風口1面積的增大，若其尺寸仍維持850×850不變，出風量將會大幅增加，所以出風口2的尺寸應適當減小。

經(jīng)對出風口尺寸進行調(diào)整，地上、地下及各層送風量基本滿足設計要求。結(jié)果顯示，不管上送風或下送風，為滿足設計風量，樓層送風口的面積始終沿立管內(nèi)空氣流動方向呈遞減趨勢。此外，調(diào)節(jié)樓層送風口的截面面積可使各樓層送風量滿足設計要求，但風口面積的減小可能導致送風口風速超過規(guī)范推薦的7 m/s。

第二棟建筑，取豎向風道最大風速17 m/s。表3、表4計算結(jié)果與第一棟相似。但不同的是，第二棟建筑層數(shù)多，豎向風道長，送風口數(shù)量多，地上不同樓層送風口靜壓或送風量的不平衡率減小，風口尺寸調(diào)整后，各送風口風速基本在7 m/s左右。而且將送風機放置在系統(tǒng)上部時更有利于減少地上樓層送風量的不平衡率。

表3 高層建筑送風機位于上部時出風口尺寸調(diào)整

表4 高層建筑送風機位于下部時出風口尺寸調(diào)整

5 結(jié)論

本文以地上、地下防煙樓梯間合用一套機械加壓送風系統(tǒng)的高層建筑為研究對象，使用CFD軟件對其機械加壓送風量進行模擬，得到以下結(jié)論:

(1)按傳統(tǒng)設計方法，會導致各樓層送風口風量、送風風速與設計設定值偏差明顯，致使個別樓梯空間超壓時，另外樓梯空間靜壓不能滿足規(guī)范要求，且豎向立管長度越短，其斷面風速越大，這一現(xiàn)象越為明顯。

(2)為使地上、地下樓梯間的風量都能達到設計值且出風量盡量均勻，在設計出風口尺寸時，地上部分的出風口截面積應沿空氣流動方向呈遞減變化，地下部分的送風口視送風機位置而定:送風機在上部時，地下風口的截面積應適當縮小，送風機在下部時，風口面積要適當加大，尺寸可根據(jù)具體情況模擬計算確定。

(3)送風機設置在頂部相較于設置在底部，其地上、地下風量偏差有所減小，地上部分的出風口風量分配更加均勻。所以在條件允許的情況下，應優(yōu)先考慮將送風機置于系統(tǒng)頂部。

(4)從數(shù)值模擬結(jié)果看，采用等截面豎向風道與變送風口面積的方法，可避免傳統(tǒng)設計方法帶來的送風量或靜壓偏離規(guī)范要求的問題。但這容易造成個別風口風速超7 m/s情況，建議適當放寬對每個樓層正壓送風口送風速度的限定。