孫　煥，李元洲

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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火源功率對(duì)豎井負(fù)壓控?zé)熜Ч绊懙膶?shí)驗(yàn)研究

孫煥，李元洲*

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

摘要:基于豎井的煙囪效應(yīng)原理，利用小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變油盤的尺寸，對(duì)豎井內(nèi)的煙氣溫度、壓力、速度以及通風(fēng)口處的壓力、氣流速度進(jìn)行測(cè)量，研究了火源功率對(duì)房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)熜Ч挠绊?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明:一方面隨著火源功率的增大，室內(nèi)溫度升高，熱煙氣形成的熱壓增大，使煙氣向外膨脹;另一方面，豎井底部的煙氣溫度升高，豎井底部的負(fù)壓值增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，排煙速度增大，新鮮空氣補(bǔ)入的速度增大，逐漸抑制住煙氣從通風(fēng)口向外溢出，達(dá)到了負(fù)壓控?zé)煹男Ч?/p>

關(guān)鍵詞:豎井;煙囪效應(yīng);火源功率;通風(fēng)口;負(fù)壓控?zé)?/p>

0　引言

火災(zāi)的發(fā)生往往伴隨著煙氣的產(chǎn)生，而火災(zāi)中的死亡大多是由于煙氣窒息或中毒造成的。高層建筑內(nèi)存在大量豎井、樓梯井、電梯等豎向通道，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣進(jìn)入豎向通道，在煙囪效應(yīng)的作用下，易造成火災(zāi)及煙氣的快速蔓延，給建筑內(nèi)的人員安全造成很大威脅。所以采取措施及時(shí)有效地組織控制著火房間內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)，將煙氣控制在一定的范圍內(nèi)，使之不在整個(gè)高層建筑內(nèi)蔓延，對(duì)防止火災(zāi)蔓延，保護(hù)人員的安全是非常有意義的。

室內(nèi)燃燒是一種受限空間中的燃燒，通常室內(nèi)存在可燃物，而燃燒所用的空氣需由外界供給，房間一側(cè)的通風(fēng)口為新鮮空氣流入及煙氣流出的通道［1］。顯然熱煙氣從通風(fēng)口上半部流出，冷空氣從通風(fēng)口下半部流入，兩者之間存在壓力中性面。然而通過(guò)在房間的頂部連通一個(gè)豎井，其自然形成的煙囪效應(yīng)可以在房間內(nèi)形成負(fù)壓，該負(fù)壓的存在會(huì)對(duì)著火房間內(nèi)的煙氣流動(dòng)產(chǎn)生重大影響，當(dāng)負(fù)壓足夠大的時(shí)候，通風(fēng)口處只會(huì)有新鮮空氣流入，煙氣則不會(huì)從通風(fēng)口處溢出，而是直接從豎井排出。從而有效地將煙氣控制在著火房間內(nèi)，達(dá)到防止火災(zāi)蔓延的目的。

人們對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣的流動(dòng)與控制進(jìn)行了大量的研究，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的研究［2-9］主要集中在煙囪效應(yīng)的形成機(jī)理及在樓梯井、豎井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和模型方面，對(duì)于利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行排煙、控?zé)煹难芯枯^少。張［10］對(duì)高層建筑中利用豎井排煙的可行性進(jìn)行了研究，李［11］進(jìn)行了高層建筑房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)煹目尚行匝芯?。但利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)煹男Ч艿皆S多因素的影響，本文通過(guò)建立小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)，研究了火源功率對(duì)高層建筑房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)熜Ч挠绊憽?/p>

1　理論分析

煙囪效應(yīng)是高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣向上蔓延的主要因素。一般情況下，建筑物內(nèi)部較熱而外部較冷，存在與外界相通的開(kāi)口時(shí)，由于內(nèi)外界壓差，空氣通常呈現(xiàn)出下進(jìn)上出的流動(dòng)模式。

圖1　豎井水力分析圖Fig.1 Hydraulic analysis in shaft

從流體力學(xué)可知，當(dāng)空氣在豎井內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如圖1所示，對(duì)于豎井入口與出口的總水頭可用伯努利方程表示:

式中: P1、P2分別為豎井入口、出口截面處絕對(duì)壓力，Pa; h1、h2分別為豎井入口、出口截面處的高度，m;ρ0、ρs分別為空氣密度、煙氣密度，g/cm3; v1、v2分別為豎井入口、出口截面處煙氣的流動(dòng)速度，m/s;ΔPs1為豎井入口、出口兩截面之間的煙氣流動(dòng)阻力，Pa。

地面的大氣壓力為P，在任一截面處空氣的絕對(duì)壓力等于其表壓力和大氣壓力之和，即:

式中，Ph1、Ph2分別為豎井入口、出口截面處的表壓力，Pa; P為地面處的大氣壓力，Pa。

兩截面的表壓力差為:

式中，ΔPsd為由于介質(zhì)速度變化而引起的壓力水頭損失稱速度損失，Pa;

ΔPzs為由于密度變化而引起的流動(dòng)損失，稱自生通風(fēng)力，Pa，記為:

豎井入口、出口的壓差決定了豎井空氣流動(dòng)的方向，由式(4)可知，兩截面的壓差主要由沿程阻力損失、速度阻力損失和自生通風(fēng)力組成。速度損失是由于通過(guò)截面變化或介質(zhì)溫度變化引起的介質(zhì)速度變化造成。根據(jù)假設(shè)，對(duì)于在無(wú)截面變化的豎井內(nèi)流動(dòng)的一定質(zhì)量的空氣，可忽略速度損失造成的影響。流動(dòng)水力損失是介質(zhì)沿壁面流動(dòng)而產(chǎn)生的沿程摩擦阻力，它始終與氣流方向相反。因此，在無(wú)外力作用下，ΔPzs對(duì)于豎井內(nèi)空氣流動(dòng)的方向和大小起到了重要的作用。

建筑物內(nèi)外的壓差變化與大氣壓相比要小得多，因此可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得:

由此可以看出，自生通風(fēng)力ΔPzs與煙氣的溫度有關(guān)，當(dāng)豎井底部的溫度升高，自生通風(fēng)力增大，而溫度又與火源功率有關(guān)。

熱釋放速率是表示火災(zāi)發(fā)展的一個(gè)主要參數(shù)，其可以通過(guò)下式計(jì)算得到［12］。

火源功率增大，室內(nèi)溫度升高，進(jìn)入豎井底部的煙氣溫度亦會(huì)升高，則會(huì)對(duì)煙氣的流動(dòng)有不同的影響。一方面，室內(nèi)溫度的升高會(huì)使得房間內(nèi)的熱壓增大，使得煙氣向外膨脹，易從通風(fēng)口處溢出;另一方面豎井底部的溫度升高會(huì)使得豎井底部的負(fù)壓值增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，排煙速度增大，通風(fēng)口處補(bǔ)入新鮮空氣的速度增大，則可能會(huì)抑制住煙氣溢出房間。因此本文便以此為研究點(diǎn)，通過(guò)改變油盤尺寸的大小，研究火源功率對(duì)利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)熜Ч挠绊?，能否抑制煙氣從通風(fēng)口處溢出。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是在火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大空間實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)的樓梯井實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的小尺寸實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。起火房間尺寸是0.8 m(長(zhǎng))×0.8 m(寬) ×1 m(高)，豎井高度為10 m，截面為0.2 m(長(zhǎng)) ×0.2 m(寬)。

圖2　豎井實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Experiment table

為了研究火源功率對(duì)高層建筑房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)煹挠绊懀ㄟ^(guò)改變油盤尺寸來(lái)改變火源功率，故設(shè)計(jì)了不同尺寸的油盤: 0.08 m×0.08 m、0.1 m×0.1 m、0.12 m×0.12 m、0.14 m×0.14 m、0.2 m×0.2 m。油盤放置在天平上，位于房間的中間位置，采用無(wú)水乙醇作為燃料，其平均熱值為3.0×104kJ/kg。通過(guò)天平記錄質(zhì)量損失速率，從而計(jì)算火源的熱釋放速率，所有燃料效率取為0.8。為了測(cè)量豎井內(nèi)和房間內(nèi)的溫度變化情況，分別在豎井內(nèi)設(shè)置了一串11個(gè)間隔為1 m的熱電偶，在房間內(nèi)一側(cè)設(shè)置了一串5個(gè)從室內(nèi)高度0.6 m到1.0 m間隔為0.1 m的熱電偶，共計(jì)16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，熱電偶的型號(hào)均為K型，直徑為1 mm。同樣為了記錄豎井內(nèi)的壓力變化情況，在豎井內(nèi)設(shè)置了一串6個(gè)間隔為2 m的壓力傳感器。除此之外在豎井底部設(shè)置了一個(gè)速度探頭，用于測(cè)量排煙速度。在房間的側(cè)壁上設(shè)置有通風(fēng)口，并在通風(fēng)口上邊緣的中間位置處分別設(shè)置了一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)和一個(gè)速度測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

3　結(jié)果分析

3.1火源功率對(duì)煙囪效應(yīng)的影響

表1給出了各尺寸油盤在穩(wěn)態(tài)燃燒階段的熱釋放速率值，圖3給出了所有工況下室內(nèi)溫度的變化情況。可以知道，隨著室內(nèi)高度的增大，溫度在不斷升高。隨著油盤尺寸的增大，火源功率增大，室內(nèi)頂部的溫度不斷增大，因此進(jìn)入豎井底部的煙氣溫度也將會(huì)不斷升高。

表1　實(shí)驗(yàn)工況表Table 1　 List of test conditions

圖3　室內(nèi)溫度的變化曲線Fig.3 Variation of indoor temperatures

由圖4豎井內(nèi)的溫度分布情況可以知道，隨著火源功率的增大，豎井底部的溫度不斷增大，與上述室內(nèi)頂部的溫度的變化情況一致;且當(dāng)火源功率一定時(shí)，豎井內(nèi)的溫度隨著相對(duì)豎井底部高度的增大而減小。豎井底部的溫度越大，室內(nèi)外的溫差便會(huì)越大，從而使得豎井底部的壓差越大，煙囪效應(yīng)越強(qiáng)烈，排煙速度越大。

由圖5不同工況下，豎井內(nèi)的壓力分布情況可以看出，所有的工況下，豎井內(nèi)的壓力均為負(fù)壓，且對(duì)于同一個(gè)火源功率來(lái)說(shuō)，豎井內(nèi)的負(fù)壓值隨著相對(duì)豎井底部的高度的升高，而不斷減小，逐漸趨近于室外壓力。豎井底部的負(fù)壓值隨著油盤尺寸的增大不斷增大，這是由于火源功率增大，使得進(jìn)入豎井底部的煙氣溫度不斷增大，室內(nèi)外溫差亦不斷增大。豎井底部的負(fù)壓值越大，煙囪效應(yīng)越劇烈。從圖5中可看出，火源功率較小時(shí)，最下部測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓差小于第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓差，但隨著火源功率增加，最低點(diǎn)的絕對(duì)壓差又逐漸增大，并最終大于第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓差。這是因?yàn)樵跓焽栊?yīng)作用下，煙氣是傾斜著流動(dòng)進(jìn)入豎井的，當(dāng)火源功率較小時(shí)，在豎井底部的流動(dòng)并不劇烈［13，14］，動(dòng)壓較小;而火源功率增大時(shí)，流動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)豎井底部的擾動(dòng)增加，動(dòng)壓增大，使壓差又變大。由圖6可以看出，隨著火源功率的增大，豎井底部的排煙速度不斷增大。

圖4　豎井內(nèi)不同高度的溫度變化曲線Fig.4 Variation of temperature in the shaft

圖5　豎井內(nèi)的壓力變化曲線Fig.5 Variation of pressure in the shaft

因此在其它條件一定的情況下，火源功率增大，豎井底部的負(fù)壓值增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，排煙速度增大，越易將煙氣從豎井內(nèi)排出。

圖6　豎井底部的排煙速度Fig.6 Variation of velocity at the bottom of shaft

3.2火源功率對(duì)負(fù)壓控?zé)熜Ч挠绊?/p>

如上述所述，火源功率的增大一方面會(huì)使在豎井底部的負(fù)壓值增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng);另一方面溫度升高也會(huì)使熱壓增大，煙氣向外膨脹的壓力也增大。壓力測(cè)點(diǎn)布置在通風(fēng)口的上邊緣處的中間位置，若測(cè)得此處的內(nèi)外壓差是負(fù)值，說(shuō)明室外的壓力大于室內(nèi)的壓力，在通風(fēng)口處不存在中性面，沒(méi)有煙氣溢出，煙氣都是從豎井排出;若測(cè)得壓力大于0，說(shuō)明在通風(fēng)口處存在壓力中性面，新鮮空氣從中性面以下流入室內(nèi)，煙氣從中性面以上溢出房間。圖7給出了通風(fēng)口處的壓力變化情況。由圖7可知，通風(fēng)口處的壓力隨著火源功率的增大而減小，由正值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明煙氣逐漸由有溢出轉(zhuǎn)變?yōu)闆](méi)溢出。

同樣在通風(fēng)口上邊緣的中間位置設(shè)置速度測(cè)點(diǎn)，圖8給出了通風(fēng)口處的風(fēng)速隨火源功率的變化情況?？梢灾?，隨著火源功率的增大，通風(fēng)口處的風(fēng)速不斷增加。這是因?yàn)殡S著火源功率增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，排煙速度增大，所以為了補(bǔ)充更多空氣，通風(fēng)口處的風(fēng)速亦會(huì)隨之增大。與圖6豎井底部的排煙速度的變化情況是相對(duì)應(yīng)的。如圖8所示氣流速度小于0，說(shuō)明此測(cè)點(diǎn)處氣流流動(dòng)方向是由室內(nèi)到室外，煙氣溢出。氣流速度大于0代表此測(cè)點(diǎn)處氣流流動(dòng)方向是由室外到室內(nèi)，外界新鮮空氣流入室內(nèi)。

由上述分析可以知道，當(dāng)火源功率為20.4 kW和29.8 kW時(shí)，通風(fēng)口上邊緣的壓力均大于0，速度均為負(fù)值，說(shuō)明室外壓力小于室內(nèi)壓力，這兩種工況均有煙氣從房間內(nèi)溢出，一方面是因?yàn)楫?dāng)火源功率較小時(shí)，豎井底部的溫度不高，其所產(chǎn)生的負(fù)壓值不大，煙囪效應(yīng)并不強(qiáng)烈，因?qū)嶒?yàn)條件的限制，房間與豎井的連接有一段彎道，且受到阻力的影響，沒(méi)有使煙氣迅速?gòu)呢Q井內(nèi)排出;另一方面，房間的熱煙氣所形成的熱壓迫使煙氣向外膨脹，以至于煙氣從通風(fēng)口處溢出。當(dāng)火源功率分別為41.6 kW、54.3 kW 和85.4 kW時(shí)，此3種工況通風(fēng)口上邊緣的壓力均小于0，速度均大于0，說(shuō)明室外壓力大于室內(nèi)壓力，沒(méi)有煙氣從房間內(nèi)溢出，整個(gè)通風(fēng)口都用于補(bǔ)充新鮮空氣。這說(shuō)明火源功率增大，豎井底部的溫度升高，其對(duì)煙囪效應(yīng)的影響要大于對(duì)熱壓的影響，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，新鮮空氣補(bǔ)入的速度較快，致使煙氣均從豎井排出，抑制了煙氣從通風(fēng)口處溢出。

圖7　通風(fēng)口上邊緣處壓力Fig.7 Variation of pressure at the upper edge of the air vent

圖8　通風(fēng)口上邊緣處的風(fēng)速Fig.8　 Variation of velocity at the upper edge of the air vent

4　結(jié)論

本文利用小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變油盤尺寸大小，分析了房間內(nèi)的溫度變化，豎井內(nèi)的溫度、壓力、速度變化情況以及通風(fēng)口處壓力、速度的變化情況，研究了火源功率對(duì)高層建筑房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)煹男Ч挠绊憽?/p>

1)基于煙囪效應(yīng)的原理，理論分析了高層建筑房間利用豎井進(jìn)行負(fù)壓控?zé)煹幕?，了解到火源功率的變化?duì)負(fù)壓控?zé)熜Ч幸欢ǖ挠绊憽?/p>

2)隨著火源功率的增大，一方面進(jìn)入豎井底部的煙氣溫度升高，內(nèi)外溫差增大，在豎井底部產(chǎn)生的負(fù)壓值增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，房間內(nèi)的負(fù)壓值增大;另一方面溫度升高也會(huì)使熱壓增大，煙氣向外膨脹的壓力也增大。當(dāng)通風(fēng)口處的負(fù)壓足夠大的時(shí)候，通風(fēng)口處將不會(huì)存在中性面，不會(huì)有煙氣溢出。

3)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)其它條件不變的情況下，在油盤尺寸較小時(shí)，火源功率比較小，煙囪效應(yīng)不強(qiáng)烈，但熱煙氣形成的熱壓使得煙氣向外膨脹，新鮮補(bǔ)入的速度不足以抑制煙氣的溢出;當(dāng)火源功率增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，但其對(duì)熱壓的影響相對(duì)較小，在通風(fēng)口處形成負(fù)壓，室外壓力大于室內(nèi)壓力，抑制了煙氣的溢出。說(shuō)明對(duì)于本實(shí)驗(yàn)條件下，隨著火源功率的增大，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，房間內(nèi)的煙氣由溢出通風(fēng)口到?jīng)]有煙氣溢出，負(fù)壓控?zé)熜Ч鰪?qiáng)。

4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，利用豎井產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)在房間內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓，可以有效地抑制煙氣溢出起火房間。

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Influence of fire source on the negative pressure smoke control by shaft stack effect: Experimental studies

SUN Huan，LI Yuanzhou
(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Abstract:Based on the principle of stack effect，a set of experiments were carried out by varying the pool size in a small scaled configuration，and the effect of the fire power on smoke control in the room using a shaft was studied.The temperature，pressure，velocity in the shaft，as well as the pressure and velocity in the vent were measured and studied.Results showed that with the increase of fire power，the temperature in the room and the pressure produced by hot smoke increased，making the smoke expands outward.On the other hand，the temperature and the negative pressure at the bottom of shaft increased，with enhancement of stack effect，and the increase of the smoke velocity and the velocity in the vent，inhabiting the smoke overflow from the fire room gradually.By these effects，the smoke can be successfully controlled by negative pressure.

Keyword: Shaft; Stack effect; Fire power; Vent; Negative pressure

通訊作者:李元洲，E-mail: yzli@ustc.edu.cn

作者簡(jiǎn)介:孫煥，女，安徽人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士，研究方向?yàn)榻ㄖ琅艧熝芯俊?/p>

基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目;江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(BE2016643)資助。

收稿日期:2015-03-20;修改日期: 2015-04-24

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.02

文章編號(hào):1004-5309(2015) -00129-07

中圖分類號(hào):TU998.1; X923; X932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A