李思成，劉海嘯

(武警學(xué)院 a.消防指揮系； b.研究生隊(duì)，河北 廊坊　065000)

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高層建筑防煙樓梯間加壓送風(fēng)效果影響因素的網(wǎng)絡(luò)模擬分析

李思成a，劉海嘯b

(武警學(xué)院 a.消防指揮系； b.研究生隊(duì)，河北 廊坊065000)

目前機(jī)械加壓送風(fēng)是高層建筑防煙樓梯間中最常用的防煙方法，在加壓送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工過程中，需要考慮多種因素，才能保證系統(tǒng)的防煙效果。因此，有必要對(duì)影響高層建筑防煙樓梯間加壓送風(fēng)效果的幾個(gè)重要因素進(jìn)行研究。以一18層高層建筑為例，利用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件CONTAM模擬分析前室送風(fēng)口數(shù)量及尺寸對(duì)防煙樓梯間加壓送風(fēng)效果的影響。結(jié)果表明：在高層建筑防煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，前室的送風(fēng)口尺寸可以按照隨著距風(fēng)機(jī)距離增大而呈指數(shù)遞增的規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)；在前室送風(fēng)系統(tǒng)中，在保證加壓送風(fēng)量合理的基礎(chǔ)上，只開啟著火層的送風(fēng)口，其防煙效果比較好。

高層建筑；防煙樓梯間；機(jī)械加壓送風(fēng)；CONTAM；門洞風(fēng)速

0　引言

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通電梯不能用作人員疏散，防煙樓梯間作為人員安全疏散的必要通道，一旦被火災(zāi)煙氣侵入，會(huì)嚴(yán)重影響建筑內(nèi)人員的安全疏散[1-3]。眾多火災(zāi)事故表明，火災(zāi)煙氣是造成建筑火災(zāi)中人員傷亡的主要因素，因此建筑防煙樓梯間采取的防煙方法可靠與否，直接關(guān)系到建筑內(nèi)人員的生命安全。對(duì)于建筑防煙樓梯間，目前普遍采用的防煙方式是機(jī)械加壓送風(fēng)，一般應(yīng)用于建筑物的防煙樓梯間及其前室、消防電梯前室或合用前室，通過向這些部位送入新鮮空氣使其維持一定的正壓，防止煙氣侵入疏散通道[4-5]。有多種因素會(huì)影響防煙樓梯間的加壓送風(fēng)效果，例如：送風(fēng)口的開啟數(shù)量以及送風(fēng)口尺寸等等。在加壓送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工過程中，需要考慮多種因素，才能保證系統(tǒng)的防煙效果。因此，有必要對(duì)影響高層建筑防煙樓梯間加壓送風(fēng)效果的幾個(gè)重要因素進(jìn)行研究。本文以一18層公寓樓為例，利用數(shù)值模擬軟件CONTAM，對(duì)改變不同因素條件下該建筑防煙樓梯間的加壓送風(fēng)效果進(jìn)行分析討論。

1　CONTAM軟件簡(jiǎn)介

CONTAM[6]是由NIST下屬的建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(BFRL)開發(fā)的用于模擬建筑物內(nèi)多區(qū)域空氣流動(dòng)和壓力分布、污染物擴(kuò)散等情況的網(wǎng)絡(luò)模型軟件。目前越來越廣泛地應(yīng)用于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及煙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究中，CONTAM具有算法可靠、數(shù)據(jù)庫豐富、可視界面簡(jiǎn)潔明了、計(jì)算速度快等優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)絡(luò)模型從宏觀角度進(jìn)行研究，將整個(gè)建筑看成與室外相通的空氣流通網(wǎng)絡(luò)。而建筑內(nèi)的房間、樓梯間等區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，軟件假設(shè)各節(jié)點(diǎn)具有均勻的壓力、溫度及污染物濃度，通過門窗、墻壁縫隙等空氣流通路徑將各區(qū)域連通起來，各類空氣流通路徑即為網(wǎng)絡(luò)連線，空氣通過網(wǎng)絡(luò)連線從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)。建筑物內(nèi)的各類垂直豎井(樓梯豎井、電梯井、管道井、風(fēng)道、電纜井、排氣道等)，若考慮其空氣流動(dòng)阻力，可假想成每層有地面的一系列區(qū)域垂直疊加而成。該軟件將建筑中的每個(gè)區(qū)域(或稱節(jié)點(diǎn))作為一個(gè)控制體，對(duì)整個(gè)建筑物的空氣流動(dòng)、壓力分布、污染物的傳播和分布情況進(jìn)行研究，軟件遵循質(zhì)量守恒和能量守恒等方程。

該軟件中建立模型時(shí)由用戶在界面上畫出建筑每層的基本情況，并將具體的尺寸數(shù)值輸入，需要輸入數(shù)據(jù)主要包括：建筑室外溫度、壓力等環(huán)境條件；建筑物外部尺寸，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的墻體和門窗尺寸、面積及各區(qū)域內(nèi)的溫度、污染物濃度等基本特征；建筑物內(nèi)主要空氣流通路徑的類型、流通面積、流通系數(shù)等等。此外，還可以通過設(shè)置風(fēng)機(jī)和風(fēng)口，輸入具體的風(fēng)量和尺寸來模擬加壓送風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。

2　建筑模型

本文選用一18層的公寓樓為建筑模型，建筑高度59.7 m，地上18層，1層層高為4.8 m，2、3層層高均為4.2 m，4～18層為公寓，層高均為3.1 m。首層設(shè)置兩扇直通室外的門，尺寸為8.3 m×3.15 m，標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置17個(gè)房間，房間門尺寸為2.1 m×1.0 m，外窗有兩種規(guī)格，分別為2.4 m×1.55 m和2.7 m×1.55 m，除假定著火房間以外，其他房間的門窗均保持關(guān)閉，著火房間尺寸為8.4 m×4.1 m×3.1 m，門窗均為開啟狀態(tài)。建筑模型內(nèi)每個(gè)防火分區(qū)均有兩個(gè)安全出口，設(shè)兩部防煙樓梯間均通至屋頂層，1#樓梯間連接獨(dú)立前室，樓梯間的橫截面積是21.6 m2；2#樓梯間與消防電梯合用前室，樓梯間的橫截面積為20 m2。兩部樓梯間的門及前室門均為防火門，1#樓梯間及其前室門為雙扇門，尺寸均為2.1 m×1.2 m，2#樓梯間的門為單扇門，尺寸為2.1 m×1.2 m，其合用前室門為2.1 m×1.5 m的雙扇門。

本文模擬主要針對(duì)1#樓梯間進(jìn)行，樓梯間內(nèi)共設(shè)兩個(gè)機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(送審稿，以下簡(jiǎn)稱《防排煙規(guī)范》)中風(fēng)量的計(jì)算方法對(duì)建筑模型的加壓送風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，由計(jì)算法和查表法得到只對(duì)前室加壓送風(fēng)的防煙方式所需的加壓送風(fēng)量。經(jīng)計(jì)算，只對(duì)前室加壓送風(fēng)的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果為11 699 m3·h-1，根據(jù)建筑模型的高度查表得到送風(fēng)量取19 120 m3·h-1。根據(jù)《防排煙規(guī)范》5.1.1條規(guī)定，當(dāng)建筑高度大于24 m時(shí)，應(yīng)按計(jì)算值與查表值中的較大值確定加壓送風(fēng)量，因此，本文模擬中，前室的加壓送風(fēng)量取19 120 m3·h-1，風(fēng)機(jī)設(shè)置于屋頂層。樓梯間首層開始每隔兩層設(shè)置一個(gè)常開送風(fēng)口，前室及合用前室采用常閉型加壓送風(fēng)口，每層均設(shè)置送風(fēng)口。建筑模型標(biāo)準(zhǔn)層平面布局如圖1所示。

圖1　建筑模型標(biāo)準(zhǔn)層示意圖

模型中處于關(guān)閉狀態(tài)的房間門、外窗及墻壁的縫隙的氣流通路采用空氣泄漏特征值模型(Leakage Area)，處于開啟狀態(tài)的房間門、樓梯間門及前室門的氣流通路采用單開口模型(Single Opening)，防煙樓梯間的氣流通路類型為Stairwell，送風(fēng)豎井的氣流通路類型為Shaft，風(fēng)機(jī)采用定體積流量模型(Constant Volume Flow Fan)設(shè)置。室外溫度為20 ℃，著火防煙溫度為500 ℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬過程為瞬態(tài)模擬。模擬時(shí)在假定著火房間內(nèi)設(shè)置CO作為污染源模擬火災(zāi)時(shí)生成的煙氣，考慮到一般可燃物在燃燒一段時(shí)間后煙氣生成速率會(huì)趨于定值，模擬中將煙氣生成速率設(shè)為定值，根據(jù)NFPA 92B推薦公式[7]，求得煙氣生成速率為4.2 kg·s-1。

3　加壓送風(fēng)效果影響因素模擬結(jié)果分析

3.1前室送風(fēng)口數(shù)量的影響

本節(jié)將針對(duì)前室送風(fēng)系統(tǒng)中送風(fēng)口開啟數(shù)量對(duì)防煙效果的影響進(jìn)行模擬分析。建立模型時(shí)，采用前室單獨(dú)送風(fēng)的防煙方式，按照《防排煙規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算方法對(duì)建筑模型的加壓送風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，由計(jì)算法和查表法得到：當(dāng)只開1層加壓送風(fēng)口時(shí)，其加壓送風(fēng)量取19 120 m3·h-1，同時(shí)開啟著火層及其上層的送風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)量取22 536 m3·h-1，同時(shí)開啟著火層及其上下兩層的送風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)量取33 372 m3·h-1。選取4層、8層、12層和16層為假定著火層，模擬時(shí)打開相應(yīng)的前室送風(fēng)口及樓梯間門和前室門，得到開門門洞風(fēng)速，其他參數(shù)保持不變，在保證加壓送風(fēng)量合理的基礎(chǔ)上，模擬得到前室開啟的送風(fēng)口數(shù)量不同時(shí)，風(fēng)量的分配情況，結(jié)果見表1。

表1　前室送風(fēng)口開啟數(shù)量與門洞風(fēng)速的關(guān)系

由表中數(shù)據(jù)可知，同時(shí)打開著火層及其上下兩層的送風(fēng)口，并打開3層的疏散門時(shí)，分配到著火層疏散門的門洞風(fēng)速值均≤0.4 m·s-1，約為其上層樓梯間門洞風(fēng)速值的50%。假定16層著火，當(dāng)開門樓層數(shù)為3層時(shí)，17層的樓梯間門洞風(fēng)速值為0.78 m·s-1，而對(duì)防煙效率需求最高的16層的門洞風(fēng)速值僅為0.4 m·s-1；當(dāng)開門樓層數(shù)為2層時(shí)，17層的樓梯間門洞風(fēng)速值為0.61 m·s-1，而對(duì)防煙效率需求最高的16層的門洞風(fēng)速值僅為0.42 m·s-1；僅開1層送風(fēng)口及疏散門時(shí)，16層的樓梯間門洞風(fēng)速值則為0.82 m·s-1，提高了0.4 m·s-1。由此可見，在前室單獨(dú)送風(fēng)的加壓送風(fēng)方式中，開啟3層或2層前室送風(fēng)口及疏散門時(shí)，著火層的疏散門得不到有效的保護(hù)，而只開啟著火層的送風(fēng)口，其防煙效果比較好。

3.2前室送風(fēng)口尺寸的影響

在實(shí)際工程中，影響防煙效果的諸多問題只能在施工及驗(yàn)收過程中發(fā)現(xiàn)及解決[8-9]，而如何在建筑防煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)解決當(dāng)著火層位置不同時(shí)，開門門洞風(fēng)速值的差異問題，可以從改變前室送風(fēng)口的尺寸方面考慮。

本節(jié)模擬時(shí)采用前室單獨(dú)送風(fēng)的防煙方式，加壓送風(fēng)量取19 120 m3·h-1，分別選取4層、8層、12層、15層、18層為假定著火層，設(shè)置著火層前室送風(fēng)口及樓梯間門和前室門為打開狀態(tài)。建筑模型中前室送風(fēng)口的尺寸為0.4 m×0.4 m，當(dāng)各層送風(fēng)口尺寸相同時(shí)，模擬得到各假定著火層開門門洞風(fēng)速值如表2所示。可見，距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的4層樓梯間門洞風(fēng)速值為0.51 m·s-1，著火層為18層時(shí)的門洞風(fēng)速值為0.82 m·s-1，約為4層的1.6倍，要使距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)樓層的門洞風(fēng)速值均達(dá)到18層的數(shù)值，可以改變各層送風(fēng)口的尺寸以提高其防煙效果。

表2　各層送風(fēng)口尺寸相同時(shí)的風(fēng)速值

建立模型時(shí)分別改變4層、8層、12層和15層的送風(fēng)口尺寸設(shè)置，且只改變送風(fēng)口面積而不改變其形狀，其他參數(shù)保持不變，模擬得到送風(fēng)口尺寸與門洞風(fēng)速值之間的關(guān)系，結(jié)果見表3。由表可知，要保證著火層位置不同時(shí)，開門門洞風(fēng)速值基本相同，則隨著樓層位置的降低，其送風(fēng)口尺寸呈遞增趨勢(shì)，此外，當(dāng)著火層位于12層時(shí)，送風(fēng)口尺寸為0.50 m×0.50 m，而8層時(shí)，尺寸增大至0.65 m×0.65 m，即著火層位于建筑中部時(shí)，要保證相同的風(fēng)量，不同樓層間送風(fēng)口尺寸變化最為明顯。因此，在高層建筑防煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為保證著火層位置的變化不影響到前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)的防煙效果，設(shè)計(jì)人員可以按照隨距風(fēng)機(jī)距離增大而遞增的規(guī)律來設(shè)計(jì)前室的送風(fēng)口尺寸。

表3　送風(fēng)口尺寸與門洞風(fēng)速的關(guān)系

對(duì)送風(fēng)口尺寸隨送風(fēng)口位置與風(fēng)機(jī)距離的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)符合指數(shù)規(guī)律，其公式為：

(1)

式中，s為送風(fēng)口面積，m2；x為送風(fēng)口距風(fēng)機(jī)的距離，m。擬合結(jié)果如圖2所示，R2為0.982 1。

圖2　　　　前室送風(fēng)口面積與距風(fēng)機(jī)距離

4　結(jié)論

在高層建筑的防煙系統(tǒng)中，有多種因素會(huì)影響防煙樓梯間的加壓送風(fēng)效果，本文采用模擬的方法建立網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)影響加壓送風(fēng)效果的幾個(gè)因素進(jìn)行了討論分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)在高層建筑防煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為保證著火層位置的變化不影響到前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)的防煙效果，設(shè)計(jì)人員可以按照隨著距風(fēng)機(jī)距離增大而呈指數(shù)遞增的規(guī)律來設(shè)計(jì)前室的送風(fēng)口尺寸；(2)對(duì)前室單獨(dú)送風(fēng)的加壓送風(fēng)方式中，在保證加壓送風(fēng)量合理的基礎(chǔ)上，只開啟著火層的送風(fēng)口，其防煙效果比較好。

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(責(zé)任編輯、校對(duì)李蕾)

Network Simulation on the Influence Factors of the Mechanical Air Supply Effect of Smoke-proof Staircase in High-rise Buildings

LI Sichenga, LIU Haixiaob

(a.DepartmentofFireCommanding;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Mechanical air supply method is the most common method used in vertical means of escape to control the spread of smoke. In order to ensure smoke-proof effect, plenty of factors need to be considered into the progress of design and construction for mechanical air supply system. So, studying the factors which influence the smoke-proof effect of the staircase in high-rise building is useful for designing reasonable smoke control system. In this paper, an 18-floors building is used as a sample, and the network simulation software CONTAM is used to simulate the influence of the number and size of outlets on the smoke-proof effect of staircase. The results show that: Designers can design the size of outlets by exponential increasing law with the increasing distance between the fan and the opening air supply outlet. Besides, when the outlet of the fire floor is opened individually, it showed better smoke-proof effect.

high-rise building; smoke-proof staircase; mechanical air supply; CONTAM; air velocity of escape door

2016-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278493)

李思成(1977—)，男，山東鄆城人，副教授； 劉海嘯(1995—)，女，天津武清人，安全技術(shù)及工程專業(yè)在讀碩士研究生。

●火災(zāi)預(yù)防

TU972.4

A

1008-2077(2016)04-0044-04