大空间建筑正压送风排烟效果的模拟研究

霍昭磐，李思成

（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000）

[摘要]利用移动式排烟机正压送风可以很好地解决大空间建筑发生火灾时的排烟问题。本文利用FDS模拟研究了大空间建筑发生火灾时排烟口与送风口尺寸之间的关系对排烟效果的影响，结果表明：随着排烟口面积的增大，排烟效果越来越好，但排烟效能逐渐下降，综合考虑排烟效果及实际情况，认为排烟口面积为送风口面积的2倍时即可取得较为理想的排烟效果，研究结论可以为消防部队火场排烟提供一定的参考。

[关键词]排烟机；大空间；正压送风；排烟口面积；数值模拟[中图分类号] TU998. 12

0  引  言

 随着经济的高速发展，建筑形式和功能越来越多元化，建筑体量也逐渐增大，涌现出了一些剧场、会堂、展览中心和仓库等内部空间很大的大空间建筑。由于其结构和功能的特殊性，与一般建筑相比，大空间建筑的火也有着一些独有的特点：占地面积大、火灾荷载大、防火分隔难以实施、火灾探测难、蔓延迅速，易形成大规模火灾等。高火灾危险性意味着一旦发生火灾，若不能得到及时有效的控制，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。火灾中对人员危害最大的是火灾产生的高温有毒烟气，及时有效的进行排烟，对于人员疏散和灭火救援至关重要。关于大空间烟气控制的研究，侯立萌对某卷烟自动化立体仓库进行了火灾模拟，得出机械排烟可以提高排烟效果，且顶棚排烟要优于侧壁排烟；李树声通过对采用自然排烟的机场仓库进行模拟，得出加大通风口面积，可以提升烟气层高度，提高能见度；白旭宏利用FDS研究了某大空间地下车库的排烟口数量和位置及排烟量等对排烟效果的影响。但是，大空间建筑发生火灾时，自然排烟效果易受到高度的限制且排烟量难以满足疏散及救援的要求，固定式排烟系统在火灾情况下可能无法正常工作，且在280℃时将停止工作，而借助移动式排烟机的正压送风排烟可以克服这些缺点，获得更佳的排烟效果。苏琳通过实体实验，研究了移动排烟机在大空间排烟时的最佳安放距离以及排烟机的最佳组合方式。

 利用移动式排烟装备实施正压送风排烟时，经常会利用一些外窗或破拆口作为排烟口，使用建筑的入口作为送风口。在送风口位置和尺寸确定的情况下，排烟口的尺寸对烟气的控制效果有着重要的影响。杨国宏等对排烟口与送风口之间比例关系对正压送风排烟效果进行了理论分析，得出了二者的最佳比例，并开展实体实验对其进行了验证，但是该实验只是冷态实验，并未进行点火，仅仅通过各测点的风速来表征排烟效果，真实的火场情况较之更为复杂，此外该实验场地体量较小，建筑排烟口可开启面积最大仅为4.5 m2，与大空间建筑的实际情况差别较大。

 本文利用火灾动力学模拟软件FDS进行模拟，通过建立大空间建筑的模型，模拟在大空间建筑火灾中应用移动式排烟机正压送风进行排烟，在送风口位置和尺寸确定的情况下，改变不同的排烟口尺寸，分析其不同工况下的排烟效果。

1大空间建筑模型及火灾场景设定

 由于真实的火灾现场燃烧情况较为复杂，影响因素众多，通过缩尺寸实验完整的重复火场的真实情况较为困难，而全尺寸实验的成本较高，耗时长，且有些参数难以测量，故本文采用广泛应用于火灾烟气运动模拟的火灾动力学模拟软件FDS来进行数值模拟研究。FDS是由美国国家标准与技术研究院开发的一款火灾动力学模拟软件，利用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，通过将空间划分成一系列网格，求解方程，确定空间各点火灾基本参数随时间的变化，其准确性已经得到大量实验的验证。

1.1  物理模型

 本文所研究的大空间建筑进深80 m，宽20 m，净高6m，建筑在一侧开设有3 mx4 m的门。考虑较为不利的情况，火灾情况下建筑的外窗无法开启进行排烟，故在模拟时模型除了一侧设有人口时，其它部位均为封闭状态，排烟口通过消防人员到达现场后进行破拆来实现，因此模拟时假定5 min后消防人员到达场开始进行破拆，此时在建筑顶部开启排烟口进行排烟，通常较为理想的情况是在火源正上方破拆排烟，但是由于大空间建筑起火时，起火部位通过现场侦查难以确定，在本文的模拟中，把排烟口设置在建筑的顶棚，距起火部位30 m，借此来模拟更为不利的真实火场情况，模型网格尺寸为0. 25m×0. 25 mx0. 25 m，具体的火灾场景模型如图1所示。忽略壁面上的热损失，模型壁面设定为绝热壁面，建筑初始环境温度设定为20℃。

1.2火源、风机及排烟口设置

 为反映真实的火灾场景，需要设置合适的火灾规模。在本文的研究中不考虑喷淋对火灾的影响，由《防排烟设计规范（报批稿）》可知，无喷淋的公共场所、厂房热释放速率为8 MW，故模拟中火源最大热放速率取为8 MW，采用超快速t2火，火灾增长系数为0. 1878。为贴近真实的灭火作战过程，设置火源在达到最大热释放速率后稳定燃烧200 s，之后由于消防队员的灭火措施缓慢熄灭。模拟设定的热释速率曲线如图2所示。

 风机安放位置距离入口2m，风机仰角约为15。，风量为10×104 m3/h，风机设置为正方形，尺寸为2mx2 m。同排烟口一样，风机也是在消防队员到场后开启，故开启时间同样设定在火灾发生后300 s。

 通常情况下，火场排烟利用建筑的入口作为送风口，因而其面积一般是确定的。为研究不同排烟口尺寸对烟气控制效果的影响，共设置了6个工况，排烟口面积分别为4 m2、6m2、12 m2、18 m2、24m2以及36m2，具体设置见表1，模拟时间设为600 s。为了比较不同工况下的烟气控制效果，需要监测建筑内能见度、烟气层高度等参数。本模拟中，在过火源中心沿着建筑进深方向，每隔2m在距地面1.8m处设置测点监测温度、能见度的变化，每隔5m设置热电偶树测量空间内的烟气层高度，在排烟口附近设置测点监测整个过程中通过排烟口的烟气排出速率。

2  结果与分析

2.1  烟气参数随时间变化的分析

 图3是工况5情况下过火源中心沿建筑进深纵剖面上的烟气层高度随时间的变化图，图4是工况5情况下该剖面能见度随时间的变化图，图5是工况5情况下该剖面温度随时间的变化图。从图3—图5中可以看出，火灾刚开始处于初期阶段，产生的烟气并不多，散发的热量也不多，对大空间内大部分区域影响并不大，烟气层高度、温度以及能见度均保持在初始值。随着时间的推移，火势越来越大，产生的烟气越来越多，烟气在到达顶棚之后，开始集聚、下沉，整个建筑内烟气层高度随之下降，能见度急剧降低，同时由于高温热烟气的蔓延，建筑内部温度也开始上升；模拟中设定火源在200 s时达到最大热释放速率，之后稳定燃烧200 s，在300 s时通过破拆形成排烟口，并利用移动式排烟机进行正压送风，由于风机的开启，大量的新鲜空气涌人了空间内部，烟气通过排烟口被排出，整个火场的烟气层高度开始上升，能见度明显得到改善，温度也开始急剧降低，经过一段时间的排烟，在350 s之后，火场各参数均趋于稳定值。从最终的烟气层高度、能见度和温度来看，利用移动式排烟机正压送风排烟对于改善大空间建筑内的烟气状况效果明显。

2.2  不同工况下烟气分布云图分析

 图6a~图6f为不同工况600 s时烟气分布云图，从图6中可以看出，随着排烟口面积逐渐增大，建筑内滞留的烟气逐渐减少，排烟效果越来越好。工况1及工况2（即排烟口面积为4 m 2和6 m2的场景）在模拟结束时，烟气仍然充满了整个建筑，对人员疏散及消防救援是极为不利的；工况3到工况6，建筑内烟气状况得到了明显改善，且随着排烟口面积的增大，排烟效果越来越好，但是效果增加的趋势逐渐减缓，烟气分布从直观上看已差别不大。从图6中还可以看出建筑左侧即入口与火源之间的烟气浓度要高于建筑其它部位，这主要是由于在火灾燃烧过程中，热烟气在自身浮力的作用下，会不断上升直到到达顶棚，之后沿着顶棚向四周做水平流动，当遇到侧墙时，烟气就会集聚下沉，故烟气浓度在建筑侧墙位置要较高一些，加之大空间建筑高度大，常用的移动式排烟机吹出的气流在进入建筑内时，无法

把高度较高处的烟气吹向排烟口，因而在人口与火源之间顶棚下方的烟气浓度较其他部位要较高一些。

2.3  不同工况下正压送风排烟效果分析

 从图3—图5可以看出，在模拟过程中，烟气层高度，能见度以及温度均在350 s之后趋于一稳定值，考虑到模拟中火灾为非稳态发展，为分析不同工况下正压送风排烟效果，选取350 s至模拟结束这一段时间内的均值来进行分析。

 图7为各工况过火源中心沿建筑进深纵剖面上1.8 m处温度分布图，由图7可知，距离火源较近处温度较高，随着与火源距离的增大，温度开始下降并趋于稳定；随着排烟口-面积的增大，建筑内温度越来越低，排烟口面积从6m2增大到12m2时，整个过程的排烟降温效果提升非常明显，之后面积继续增大，温度持续降低，但变化程度越来越小。

 图8所示为该剖面上1.8 m高度能见度分布图，模拟中能见度的初始值为30 m，从图8中可以看出，工况1、2（即排烟口面积为4m2和6m2）时的能见度与其他工况相比要差很多，工况5、6（即排烟口面积为24m2和36m2），空间内能见度大都恢复到初始值；随着排烟面积的增大，空间内的能见度效果越来越好，同样是工况2到工况3的效果提升最为明显。

 图9所示为各工况过火源中心纵剖面烟气层高度对比图，从图中可以看出，排烟口面积越大，同一位置烟气层高度越高。通过对比火灾发生后，不同工况下建筑内部温度、能见度以及烟气层高度分布情况，可以得出：在排烟机送风量及送风口大小确定的情况下，排烟口面积越大，排烟效果越好，排烟口面积从6m2增大到12 m2时，排烟效果有明显的提升，之后增大排烟口面积，提升的效果越来越不明显，当排烟口面积达到送风口面积的2倍时，已经有了很好的排烟效果，继续增大排烟口面积，排烟效果提升有限。

 火灾时产生的烟气成分较为复杂，本文选取碳烟粒子soot作为参考依据来评价系统的排烟效果。图10为不同工况下碳烟粒子soot的质量排出速率随时间的对比图，从图中可以看出，随着排烟口面积的增大，soot的排出速率越来越大，且排烟口面积为24m2和36m2时两条曲线相差无几，说明2种工况下的排烟效果几乎相同。

 为分析不同工况下的排烟效果，分别计算其排烟率η，即在一定时间内通过排烟口排出的烟气质量占该时间内烟气总生成量的百分比，见式(1)。

 不同工况下排烟率的计算结果见表2，其中me通过在排烟口附近监测soot的排出速率在整个排烟过程中积分所得，me通过火灾的燃烧速率与烟气生成率计算所得。

 由于各工况的火源设定是相同的，故soot的生成量几乎是一致的，从表2中可以看出，随着面积的增大，排烟率越来越高，工况5达到了68. 017%．工况6达到了70. 989%，工况5的排烟率已经达到了工况6的95. 81%．说明两种工况下的排烟效果已经非常接近。为更好地表征排烟口面积变化对排烟率的影响，采用排烟效能即单位排烟口面积增加对排烟率提升的贡献效率来作为评价指标，见式(2)。

 各工况下的排烟效能见表2，图11为排烟效能随面积比的变化曲线，从图中可以看出排烟口与送风口面积比越大，排烟口面积每增大单位面积对排烟效率的贡献率逐渐下降，从1：3增大道1：2，排烟效能为3. 8%，当从2:1增大到3:1时，排烟效能仅为0. 25%，说明排烟口面积增大到一定值的时候，继续增大单位排烟口面积对排烟效率的提升效果下降，综合考虑排烟效率与排烟效能，认为排烟口与送风口面积为2：1时，即可获得较为理想的排烟效果。同时考虑到，排烟口面积增大的同时不仅会使排烟量得到一定的增加，也会影响排烟机对整个建筑内部的增压效果。此外，在实际火场中，在对建筑进行破拆时，受到各种因素的制约，尤其是需避免对建筑承重构件造成破坏，破拆面积不宜过大，故综合考虑建筑发生火灾时的排烟效果和灭火救援中实际操作等问题，建议在火场利用移动式排烟机进行排烟时，最好使排烟口面积为送风口的2倍。

3  结  论

 利用移动式排烟机正压送风可以很好地解决大空间建筑发生火灾时的排烟问题。在运用该战术进行排烟时，排烟口与送风口之间的大小关系对排烟效果有直接的关系。本文利用FDS对大空间建筑火灾进行模拟，在送风口位置和尺寸不变的情况下，通过改变排烟口面积，研究了二者之间的比例关系对排烟效果的影响，得到了以下结论：

 1)大空间建筑发生火灾时，利用排烟机正压送风排烟，能够很好地排出火场烟气，改善火场环境，为人员疏散和消防救援提供一个较为有利的条件。

 2)利用移动式排烟机正压送风排烟时，排烟口面积不能过小，否则无法满足排烟量的需求，不能及时排出火场的烟气，影响排烟效果。

 3)增大排烟口面积可以改善排烟效果，提高排烟效率，但是当排烟口面积增大到一定程度时，排烟效果逐渐趋于一致，继续增大排烟口面积，效果提升的并不明显，且排烟效能急剧降低。

 4)综合考虑排烟效果及实际应用的限制，建议在火场实施正压送风排烟时，尽量保证排烟口面积为送风口面积的2倍。