王 艷， 吳超鵬

（1.安徽省合肥市公安消防支隊(duì)，安徽 合肥 230001；2.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，安徽 合肥 230027）

0 引 言

商業(yè)綜合體建筑的主要特點(diǎn)是平面布局上采用室內(nèi)步行街將沿街商鋪、百貨、娛樂等功能業(yè)態(tài)相連接，各層間通過中庭貫通，如圖1所示?？紤]到人員疏散的順暢性，室內(nèi)步行街廊道、沿街店鋪和中庭一般劃分為一個(gè)大的防火分區(qū)，人員通過室內(nèi)步行街廊道進(jìn)行疏散。煙氣是火災(zāi)中威脅人員安全最關(guān)鍵的因素，因此，研究作為人員安全疏散關(guān)鍵通道的室內(nèi)步行街區(qū)域的防排煙方案具有重要的意義。

室內(nèi)步行街區(qū)域的防排煙系統(tǒng)可分為如下3部分：店鋪內(nèi)排煙、室內(nèi)步行街各層廊道排煙和中庭頂部排煙，如圖2所示。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，店鋪內(nèi)排煙一般采用機(jī)械排煙方式；回廊排煙有時(shí)按機(jī)械排煙方式設(shè)計(jì)，有時(shí)不設(shè)排煙；而中庭頂部排煙在部分工程按機(jī)械排煙方式設(shè)計(jì)（排煙口設(shè)在天窗側(cè)面或頂部），部分工程按自然排煙方式設(shè)計(jì)（排煙口設(shè)在天窗側(cè)面或頂部）。

圖1 典型室內(nèi)步行街平面布局

圖2 室內(nèi)步行街排煙示意圖

目前，研究人員對(duì)單一中庭排煙方案的研究較多，文獻(xiàn)［1］對(duì)中庭火災(zāi)煙氣的流動(dòng)做了理論和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究；文獻(xiàn)［2］對(duì)中庭煙氣控制方法及相應(yīng)的防排煙措施做了討論；文獻(xiàn)［3］對(duì)商場(chǎng)中庭自然排煙有效性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［4］對(duì)帶回廊的超高中庭機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙效果進(jìn)行研究，分析了機(jī)械排煙量對(duì)排煙效果的影響。對(duì)室內(nèi)步行街形式的防排煙方案研究較少，現(xiàn)有研究主要是針對(duì)某個(gè)特定的商業(yè)街，設(shè)定幾個(gè)機(jī)械排煙或者自然排煙的工況進(jìn)行模擬分析，其分析重點(diǎn)往往在于求解該商業(yè)街排煙系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和有效性，即求出最小有效機(jī)械排煙量或自然排煙口面積，較少考慮室內(nèi)步行街3個(gè)區(qū)域排煙（店鋪內(nèi)排煙、室內(nèi)步行街各層廊道排煙和中庭頂部排煙）的相互關(guān)聯(lián)［5］。因此，本文擬對(duì)室內(nèi)步行街3個(gè)區(qū)域的不同排煙組合方式進(jìn)行數(shù)值模擬，分析煙氣的蔓延情況，研究室內(nèi)步行街區(qū)域防排煙方案的排煙效果。

模擬火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)可用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，CFD方法的思想是對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分為數(shù)量眾多的網(wǎng)格單元，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元求解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、組分守恒方程等獲得數(shù)值解，方便地計(jì)算出建筑空間的溫度場(chǎng)、能見度等參數(shù)分布情況。

本文采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）作為研究工具。

1 FDS介紹

FDS模擬軟件是使用大渦模擬技術(shù)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，通過數(shù)值方法求解Navier－Stokes方程來(lái)分析燃燒過程中煙氣流動(dòng)過程和傳熱過程［1］。FDS中的燃燒模型通常采用混合分?jǐn)?shù)模型，認(rèn)為燃料和氧氣的反應(yīng)速度無(wú)限快。反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物可以聯(lián)合氣體狀態(tài)方程以及組分守恒方程求解得到。求解FDS控制方程組的核心算法是一種顯式的預(yù)估－校正方法，時(shí)間和空間的精度都為2階［6］。下面給出FDS基本控制方程組。

連續(xù)方程：

組分守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量輸運(yùn)方程：

狀態(tài)方程：

其中，ρ為流體密度；u流體速度；˙mb?為火災(zāi)噴淋或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的煙顆粒等源項(xiàng)；t為時(shí)間；Yα為α組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dα為α組分的擴(kuò)散系數(shù)；˙mα?為α組分的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)；˙mb，α?為α組分化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的煙顆粒等源項(xiàng)；p為流體壓力；g為重力加速度；fb為外界力；τij為流體剪切力；hs為流體顯焓；˙q?為熱釋放 速率；˙qb?為噴淋液滴吸收熱量速率；˙q″為熱傳導(dǎo)和熱輻射速率；ε為黏性耗散湍動(dòng)能；R為氣體常數(shù)；T為氣體溫度；為氣體平均分子量。

2 室內(nèi)步行街模型

本文模擬的室內(nèi)步行街模型共3層，長(zhǎng)60m、寬40m、高15m、每層高5m，如圖3所示。火災(zāi)位置位于一層商鋪，為考察室內(nèi)步行街溫度、能見度的變化，在A、B、C 3個(gè)位置分別設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度為13～15m，相鄰2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度方向間距為1m。

圖3 室內(nèi)步行街圖示

3 模擬工況設(shè)計(jì)

3.1 熱釋放速率

火災(zāi)規(guī)?？赏ㄟ^熱釋放速率來(lái)表征，通常認(rèn)為火災(zāi)中熱釋放速率是按時(shí)間的平方增長(zhǎng)的，常稱為t2火，文獻(xiàn)［7］給出了火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間的關(guān)系［7］，即

其中，為熱釋放速率；t為時(shí)間；tg為標(biāo)準(zhǔn)增長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)，商鋪火災(zāi)一般為快速增長(zhǎng)火，取值為150s。

［8］，本文模擬3、8MW 2種最大熱釋放速率的火災(zāi)情況。

3.2 防排煙方案設(shè)計(jì)

3.2.1 商鋪及回廊排煙設(shè)計(jì)

商鋪采用機(jī)械排煙方式，排煙量按房間面積每平方米60m3／h設(shè)計(jì)?；乩炔捎脵C(jī)械排煙方式，排煙量按防煙分區(qū)面積每平方米60m3／h設(shè)計(jì)。本文將考察回廊排煙在正常動(dòng)作和失效2種工況下的煙氣蔓延情況。

3.2.2 中庭頂部排煙設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械排煙方式。參考NFPA92B，中庭的機(jī)械排煙量可根據(jù)以下方程組計(jì)算［1］：

其中，m為高度z處的羽流質(zhì)量流率；Qc為火災(zāi)釋熱的對(duì)流部分，取值為的0.7倍；z為煙氣層界面到火源上表面的距離，本文取值12m；zl為火焰高度；V為機(jī)械排煙量；ρ為煙氣密度；patm為大氣壓，取值為101 325Pa；R為氣體常數(shù)，取值為8.314J／（mol·K）；Ts為煙氣的絕對(duì)溫度；T0為環(huán)境溫度，取值為293K；cp為空氣的定壓比熱，取值為1.02kJ／（kg·K）。

根據(jù)（7）～（12）式可計(jì)算得到本文室內(nèi)步行街模型發(fā)生3MW火災(zāi)時(shí)，中庭機(jī)械排煙量的理論值約為19×104m3／h。

（2）自然排煙方式。參考文獻(xiàn)［8］第 5.2.7條的規(guī)定，采用自然排煙方式所需自然排煙口面積可根據(jù)下式計(jì)算：

其中，Av為排煙口的截面積；A0為所有進(jìn)氣口的總面積，室內(nèi)步行街模型的進(jìn)氣口為首層聯(lián)通室外的門，所有門全部開啟，總面積為40m2；Cv為排煙口流量系數(shù)（通常選定在0.5～0.7之間），計(jì)算中取0.5；C0為進(jìn)氣口流量系數(shù)（通常約為0.6）；g為重力加速度；db為排煙窗下煙氣的厚度，排煙窗開設(shè)在采光頂側(cè)墻1m高時(shí)，取值為4m。

根據(jù)（7）～（13）式可計(jì)算得到本文室內(nèi)步行街模型發(fā)生3MW火災(zāi)時(shí)，中庭自然排煙口面積的理論值約為48m2。

3.3 模擬工況匯總

綜上所述，結(jié)合回廊排煙動(dòng)作與否、中庭排煙方式、中庭頂部排煙口布置位置等因素，本文對(duì)16個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，考察不同防排煙方案的煙氣蔓延情況。模擬工況匯總見表1所列。所有工況的模擬初始溫度均為20℃，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，工況5～8、13～16的排煙面積為48m2。

表1 火災(zāi)工況設(shè)計(jì)結(jié)果

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 中庭上層煙氣溫度

本文采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫度來(lái)表征中庭上層空間的煙氣溫度，即

3、8MW火災(zāi)時(shí)中庭上層空間的溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。從圖4可以看出，3MW火災(zāi)時(shí)，采用機(jī)械排煙方式的工況1、2、3、4的溫度分別比相同條件下采用自然排煙方式的工況5、6、7、8的溫度要低；8MW火災(zāi)時(shí)，同樣是采用機(jī)械排煙方式的工況9、10、11、12的溫度比相同條件下采用自然排煙方式的工況13、14、15、16的溫度要低。結(jié)果表明，相同條件下，中庭頂部采用機(jī)械排煙方式比自然排煙方式排煙效果更好。

從圖4還可看出，無(wú)論中庭頂部采用機(jī)械排煙方式還是自然排煙方式，回廊設(shè)置排煙的工況1、2、5、6、9、10、13、14的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8、11、12、15、16的溫度低。結(jié)果表明，回廊設(shè)置排煙有助于降低商鋪火災(zāi)對(duì)中庭的煙氣危害。

從中庭排煙口布置方式角度分析可以看出，對(duì)于中庭機(jī)械排煙方式，排煙口按側(cè)面布置的工況1、3、9、11的溫度與按頂部布置的工況2、4、10、12的溫度差異較??；對(duì)于中庭自然排煙方式，排煙口按高側(cè)窗布置的工況5、7、13、15的溫度與按天窗布置的工況6、8、14、16的溫度要明顯高些。這是因?yàn)闄C(jī)械排煙主要依靠排煙風(fēng)機(jī)提供的出口風(fēng)速作為主動(dòng)力，而自然排煙主要依靠煙氣羽流的上升浮力作為驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果表明，中庭采用機(jī)械排煙方式時(shí)，中庭排煙口布置方式對(duì)排煙效果影響不大；而中庭采用自然排煙方式時(shí)，中庭排煙口按天窗方式布置比按高側(cè)窗方式布置排煙效果更好。

圖4 3、8MW火災(zāi)各工況中庭上層溫度隨時(shí)間變化情況

4.2 中庭上層煙氣能見度

能見度是火災(zāi)煙氣遮光性的特征參數(shù)，是煙氣濃度的直接反映，能見度越高，煙氣濃度越低。本文采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均能見度來(lái)表征中庭上層空間的煙氣能見度，即

3、8MW火災(zāi)時(shí)中庭上層空間的能見度隨時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5a可以看出，相同條件下，中庭頂部采用機(jī)械排煙方式工況1、2、3、4分別比自然排煙方式的工況5、6、7、8的能見度高，即機(jī)械排煙方式的排煙效果更好?；乩仍O(shè)置排煙的工況1、2、5、6的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8的能見度高，說明回廊設(shè)置排煙有助于將煙氣及時(shí)排除。中庭采用機(jī)械排煙方式時(shí)，中庭排煙口布置方式對(duì)能見度影響不大；而中庭采用自然排煙方式時(shí)，中庭排煙口按天窗方式布置時(shí)的能見度比按高側(cè)窗方式布置時(shí)更高。從圖5b可以看出，8MW火災(zāi)時(shí)能見度在400～600s時(shí)間段的斜率很大，600s后能見度隨時(shí)間變化曲線趨向平穩(wěn)。結(jié)果表明，發(fā)生8MW火災(zāi)時(shí)，按3MW設(shè)計(jì)的中庭排煙方案難以及時(shí)將煙氣排除。

圖5 3、8MW火災(zāi)各工況中庭上層能見度隨時(shí)間變化情況

4.3 過中庭剖面煙氣溫度

3、8MW火災(zāi)1 200s時(shí)各工況過中庭剖面煙氣溫度分布分別如圖6、圖7所示。

圖6 3MW火災(zāi)各工況1 200s時(shí)過中庭剖面溫度

圖7 8MW火災(zāi)各工況1 200s時(shí)過中庭剖面溫度

從圖中可以看出，在同一高度層上，中庭頂部采用機(jī)械排煙方式工況1、2、3、4、9、10、11、12分別比相同條件下采用自然排煙方式的工況5、6、7、8、13、14、15、16的溫度更低，這表明機(jī)械排煙方式的排煙效果更好；回廊設(shè)置排煙的工況1、2、5、6、9、10、13、14的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8、11、12、15、16的溫度低，這表明回廊設(shè)置排煙是有利的；中庭采用機(jī)械排煙方式時(shí)，中庭排煙口無(wú)論按側(cè)面或者按頂部布置，中庭剖面溫度的大小范圍及分布相似；而中庭采用自然排煙方式時(shí)，中庭排煙口按天窗方式布置時(shí)的中庭剖面溫度比按高側(cè)窗方式布置時(shí)更高，且高于環(huán)境溫度的煙氣層下壓得更低。

5 結(jié) 論

（1）在火災(zāi)功率、商鋪和回廊排煙、中庭頂部排煙口布置方式相同的條件下，中庭頂部采用機(jī)械排煙方式比自然排煙方式排煙效果更好。

（2）在火災(zāi)功率、商鋪排煙、中庭頂部排煙方式相同的條件下，在中庭回廊設(shè)置排煙有助于將商鋪火災(zāi)溢出的煙氣及時(shí)排除。

（3）在火災(zāi)功率、商鋪和回廊排煙設(shè)置相同條件下，中庭采用機(jī)械排煙方式時(shí)，中庭排煙口布置方式對(duì)排煙效果影響不大；而中庭采用自然排煙方式時(shí)，中庭排煙口按天窗方式布置比按高側(cè)窗方式布置排煙效果更好。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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