唐銘芳 曾 燁

(1.廈門市公安消防支隊思明大隊 福建廈門 361000； 2.廈門市公安消防支隊特勤大隊 福建廈門 361000)

內(nèi)走道機械排煙效率研究

唐銘芳1曾 燁2

(1.廈門市公安消防支隊思明大隊 福建廈門 361000； 2.廈門市公安消防支隊特勤大隊 福建廈門 361000)

機械排煙常應(yīng)用于內(nèi)走道排煙設(shè)計中，由于排煙量、補氣方式、排煙管道、排煙口與排煙風(fēng)機的設(shè)置不同，排煙效果將產(chǎn)生較大差別?；跓煔庠谂艧熆?、排煙管內(nèi)的流動過程分析，給出了排煙管道距離風(fēng)機不同位置處各排煙口排煙流速和流量計算的方法和步驟。采用數(shù)值模擬方法對不同總排煙量、不同補氣方式以及不同排煙量分布情形下走道火災(zāi)的排煙效果進行了分析比較，給出了提高排煙效果的優(yōu)化建議。建筑設(shè)計和消防滅火撲救過程中，應(yīng)充分考慮補氣方式以及排煙口流量不均勻分布對排煙效果的影響，以提高排煙系統(tǒng)的可靠性和選擇安全性較高的撲救路徑。

內(nèi)走道；機械排煙；排煙口；排煙效率；數(shù)值模擬

0 引言

隨著建筑規(guī)模、功能以及面積等因素多樣化的需求，建筑中往往會出現(xiàn)各種類型的內(nèi)走道。火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)煙氣由起火房間進入內(nèi)走道再進行蔓延。作為人員疏散的必經(jīng)通道，一旦煙氣進入內(nèi)走道，勢必將大大影響建筑內(nèi)人員的安全疏散，同時，內(nèi)走道通風(fēng)條件差，煙氣排出困難，給救援人員進入到火場撲救帶來了困難。因而，對內(nèi)走道進行煙氣控制是此類建筑消防設(shè)計中必須考慮的重要問題之一[1]。設(shè)置合理高效的防排煙系統(tǒng)是保障建筑火災(zāi)條件下人員安全的必要措施之一。我國的相關(guān)規(guī)范也對內(nèi)走道防排煙系統(tǒng)設(shè)計進行了規(guī)定，如《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》[2]第8.4.1條、《建筑防火設(shè)計規(guī)范》[3]第9.1.3和9.4.1條等。

機械排煙是利用排煙風(fēng)機通過排煙口和管道系統(tǒng)將火災(zāi)煙氣排至室外的一種排煙方式，其特點是穩(wěn)定、高效，但需要專門的管道、風(fēng)機和動力系統(tǒng)，對于大型建筑和復(fù)雜的內(nèi)走道，機械排煙是常采用的一種排煙方式。一個設(shè)計優(yōu)良的機械排煙系統(tǒng)在火災(zāi)中能排出大部分的火災(zāi)生成熱，使火場溫度大大降低，對人員安全疏散和滅火救援起到重要作用。然而，實際工程設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)機械排煙的排煙口、管道布置以及補氣設(shè)置不合理的情況，使排煙效率大大降低。排煙口位置，總排煙量、各排煙口排煙量的分配，以及補氣的設(shè)置，都將對排煙效果產(chǎn)生重大的影響[4-7]。在目前的內(nèi)走道機械排煙系統(tǒng)設(shè)計中，各排煙口處的排煙流速一般假設(shè)為相同，忽略了排煙口與風(fēng)機距離對排煙流速的影響，對各排煙口流量不均勻分布對排煙效果影響的研究并不多。同時，各消防規(guī)范對建筑內(nèi)走道排煙時的補氣設(shè)置也沒有具體規(guī)定，實際建筑內(nèi)走道機械排煙系統(tǒng)的補氣基本依靠自然方式進行。其實，補氣方式對排煙效果將會產(chǎn)生一定的影響，走道排煙效果直接影響建筑防排煙系統(tǒng)的設(shè)計和實際消防救援策略的制定。因此，對其開展研究具有較大的實際應(yīng)用價值。

圖1 走道機械排煙示意圖

1 走道排煙效果影響因素

1.1總排煙量

排煙量是機械排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，防火規(guī)范對于走道所在防煙分區(qū)的排煙量均有相應(yīng)下限規(guī)定。排煙量越大，單位時間排出的煙氣越多，因而對疏散和救援越有利。但是隨著排煙量的增加，排煙口處的流速增大，易出現(xiàn)“吸穿效應(yīng)”，使煙氣層下部的空氣也被大量吸入排煙管排出至室外，降低了排煙效率。同時，排煙管內(nèi)氣體流速的增加，也提高了對風(fēng)機壓力和功率能耗的要求，降低了排煙系統(tǒng)的經(jīng)濟性。因此，實際機械排煙系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下充分考慮經(jīng)濟流速的要求，選擇適當?shù)呐艧熈?，而不是一味地追求大排煙量?/p>

1.2機械排煙口流量分布

機械排煙系統(tǒng)通常由風(fēng)機和管道系統(tǒng)組成，對于同一管道上不同位置處的排煙口，由于距離風(fēng)機位置的差別，排煙時排煙口內(nèi)外壓差一般是不同的，因而各排煙口的排煙流量也將不同。距離風(fēng)機近(管道距離)處排煙口的排煙流量較大，遠離風(fēng)機處排煙口的排煙流量較小。對于較長的排煙管道，加上管道的漏風(fēng)，距離風(fēng)機最近排煙口的排煙流量與最遠排煙口排煙量甚至可相差數(shù)倍以上。而且，距離風(fēng)機最近的排煙口處流速易超過規(guī)范規(guī)定的最大流速(可能會導(dǎo)致“吸穿”效應(yīng))。由于排煙口流速和流量的不均勻分布，排煙效果隨火災(zāi)發(fā)生的位置不同而不同，火源位于排煙量大排煙口附近時，排煙效率一般會高于比火源位于排煙量較小排煙口附近。

考慮內(nèi)走道的機械排煙系統(tǒng)如圖1所示，機械排煙系統(tǒng)由排煙風(fēng)機、排煙管道和排煙口組成，排煙口均勻分布于排煙管道(編號1,2…n)，啟動排煙系統(tǒng)時各排煙口開啟面積為Ai，相鄰排煙口間距為Δl，假設(shè)排煙管截面尺寸均勻，面積為Ad。排煙系統(tǒng)啟動后，氣體由走道進入排煙管道并由風(fēng)機排出。理想情況下，排煙管道內(nèi)壁沒有摩擦阻力存在，則各排煙口流速是均勻分布的，各排煙口排煙量相等。而實際上，由于各排煙口距離風(fēng)機距離不同，氣體流動時受到的摩擦阻力和壓力損失不同，因而各排煙口處氣體流速與流量將各不相同，流速與流量的分布將與排煙口、排煙管尺寸、風(fēng)機流量、壓頭、排煙口間距、管道壁面阻力系數(shù)等因素有關(guān)[8]。

對于未發(fā)生火災(zāi)情形，氣體在走道與排煙系統(tǒng)中的流動可視為正壓流體流動，由于流動過程中氣體的壓力變化相對于大氣壓力小得多，因而可將氣體視為不可壓流體。對排煙口i，流動的質(zhì)量守恒和能量守恒方程為：

vi-1ρAd+Cdui-1ρAi=viρAd

(1)

(2)

(3)

其中vi為排煙口i處前方排煙管道內(nèi)氣體的平均流速，ms-1；ui為排煙口i處的氣體流速，ms-1；ρ為氣體密度，kgm-3；Cd為無量綱流通系數(shù)；pi為排煙管內(nèi)排煙口i上方處靜壓，Pa；ζxi和ζyi為匯流局部壓力損失系數(shù)；λ為排煙管內(nèi)無量綱沿程阻力系數(shù)；d為排煙管當量直徑，m；p0i為排煙口i下方處靜壓，Pa。一般來說，走道的截面積遠大于排煙管道截面積，因此走道內(nèi)的p0i可視為環(huán)境壓力p0。

邊界條件：

v1=0

(4)

(5)

聯(lián)立式(1)～(5)，采用數(shù)值方法便可求出排煙管和各排煙口處的流速和流量分布。

考慮內(nèi)走道機械排煙系統(tǒng)，走道尺寸為2m寬，3m高，50m長，排煙管尺寸1000mm×500mm，排煙口尺寸為600mm×600mm，風(fēng)機排煙量為10m3/s，排煙口共5個，均勻分布于排煙管，相鄰排煙口間距為10m，風(fēng)機與最近排煙口距離為5m。利用式(1)～(5)計算得各排煙口處平均流速如圖2所示。

由圖2可見，各排煙口流速并非均勻分布，隨著與排煙風(fēng)機距離的減小，排煙口處流速增加較快。上例中，距離風(fēng)機最近的排煙口與最遠排煙口排煙量差別超過6倍。

圖2 排煙口流量與距風(fēng)機距離關(guān)系

1.3補氣方式

由于自身位置與幾何特性的原因，火災(zāi)發(fā)生時走道與外界的開口包括與起火房間相通的門以及走道兩端的窗。機械排煙過程中走道進行自然補氣時，若氣體通過走道兩端的開口進入(直接補氣)，則進入的氣體為新鮮空氣。而若氣體通過起火房間與走道間的門進入(間接補氣，外界環(huán)境空氣先通過起火房間與外界的通風(fēng)口進入起火房間，再通過起火房間進入走道)，此時進入走道的新鮮空氣量較少，而大部分氣體為煙氣，補氣效率顯著降低。因而補氣的設(shè)置也將會對排煙效果產(chǎn)生影響。

2 數(shù)值模擬

以前文所述內(nèi)走道及其機械排煙系統(tǒng)為物理模型，采用火災(zāi)場模擬軟件FDS程序?qū)馂?zāi)后走道煙氣控制情況進行模擬，物理模型如圖3所示?；馂?zāi)發(fā)生于與走道相通的某個房間(走廊端部或走廊中部)，起火房間尺寸為4m×3m×3m，與走廊聯(lián)通的門尺寸為1.0m×2.0m，與外界聯(lián)通窗戶尺寸為2.0m×1.5m，離地高度為1m；火源位于起火房間地面中間，火源為穩(wěn)態(tài)火源，功率為1MW；排煙口均勻分布于走道上部，相鄰排煙口間距為10m，兩端排煙口距走道盡頭距離為5m，各排煙口排煙流量按均勻與不均勻兩種條件設(shè)置。對于均勻排煙工況，各排煙口排煙流量均為2m3/s，平均流速均為5.56m/s；對于非均勻排煙工況，風(fēng)機位于走道靠近房間3一端，各排煙口排煙量和平均流速按圖2設(shè)定。環(huán)境溫度為20℃，共進行8個工況模擬計算，各模擬工況如表1所示。

編號總排煙量(m3/s)排煙口流速分布火源位置補氣位置C0110均勻房間1起火房間窗戶C0210均勻房間2起火房間窗戶C0310均勻房間3起火房間窗戶C0410非均勻房間1起火房間窗戶C0510非均勻房間2起火房間窗戶C0610非均勻房間3起火房間窗戶C075均勻房間2走道兩端窗戶C0810均勻房間2走道兩端窗戶

3 結(jié)果分析

風(fēng)機啟動后，火災(zāi)煙氣通過門蔓延至走道并被排煙系統(tǒng)排出，空氣通過起火房間窗戶或走道兩端窗戶補充進入走道。從計算結(jié)果可看出，風(fēng)機啟動約350s后，走道內(nèi)煙氣分布基本進入準穩(wěn)定狀態(tài)。圖4給出了各工況起火后600s時走廊中截面的溫度分布，從等溫線分布可以對比不同影響因素對走道機械排煙效果的影響。

圖4 各工況600s時走道中截面溫度分布(單位：℃)

3.1總排煙量的影響

對比工況C07和C08準穩(wěn)態(tài)時走道煙氣溫度分布云圖，從走道內(nèi)氣體40℃等溫線可看出，在這兩種排煙工況下，煙氣均被有效地控制在走道上部空間，且工況C08中溫度高于40℃的氣體區(qū)域面積要較工況C07中小，說明增大排煙量對排煙效果具有一定的提升作用。從溫度分布云圖也可看出，兩個工況的部分排煙口處均出現(xiàn)了“吸穿”效應(yīng)。

3.2排煙量分布的影響

從工況C01-C06的溫度分布云圖可看出，火源位置與排煙口的設(shè)置對排煙效果均產(chǎn)生明顯的影響：

起火房間位于走廊端部時，在走廊遠離火源端出現(xiàn)溫度較低的區(qū)域(低于40℃)，低溫區(qū)域面積與排煙方式相關(guān)，非均勻排煙條件下，距離起火房間最近的排煙口靠近風(fēng)機時，低溫區(qū)域面積最大，排煙效果最好。距離起火房間最近的排煙口遠離風(fēng)機時，低溫區(qū)域面積最小，排煙效果較差。均勻排煙工況中的低溫區(qū)域面積介于兩者之間。

當起火房間位于走廊中部時，在走廊兩端區(qū)域的溫度較低，均勻排煙工況下，兩端的低溫區(qū)基本呈對稱分布。非均勻排煙工況下，排煙量大(靠近風(fēng)機)一側(cè)的低溫區(qū)域面積較大。

在實際工程走道的機械排煙系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮風(fēng)機位置和排煙管、排煙口設(shè)置對排煙效果的影響。如果一個排煙管上排煙口太多，風(fēng)機遠端的排煙口很可能不能發(fā)揮排煙效果，而距離風(fēng)機較近的排煙口又很可能會發(fā)生“吸穿”效應(yīng)，大大降低排煙效率。因此，在設(shè)計走道機械排煙系統(tǒng)后，還應(yīng)對走道防煙分區(qū)、排煙口和排煙管道內(nèi)氣體的流量、流速等參數(shù)進行核算和優(yōu)化，以充分利用排煙系統(tǒng)的排煙效能；在消防滅火救援過程中，也可以根據(jù)起火位置以及走道排煙系統(tǒng)的風(fēng)機位置選擇較為安全的撲救路徑。

3.3補氣方式的影響

對比工況C02和C08走道的溫度分布云圖，相同總排煙量和排煙口流量分布條件下，不同的補氣方式對排煙效果具有決定性的影響。利用走道兩端與外界相通的窗戶進行直接補氣對排煙效果的提升具有很大的作用；而利用起火房間與外界相通的窗戶進行間接補氣時排煙效果較差。間接補氣時，空氣進入起火房間后大部分被卷吸至火源上方的羽流中變?yōu)闊煔?，進入走道的新鮮空氣量很少，因而排煙效果差。

4 結(jié)論

(1)總排煙量是走道內(nèi)機械排煙系統(tǒng)的重要設(shè)計參數(shù)之一，總排煙量越大，排煙效果越好，但隨著排煙量的增加，排煙口處氣體流速增大，易出現(xiàn)“吸穿”效應(yīng)，降低排煙量的利用效率。

(2)由于與風(fēng)機的距離不同，各排煙口的排煙量產(chǎn)生了不均勻分布。排煙口流量分布的不均勻性對排煙效果將產(chǎn)生影響，若起火區(qū)域位于距離風(fēng)機較近的排煙口附近，則排煙效果較排煙口排煙量均勻分布的理想情形有所提高，反之，排煙效果下降。

(3)補氣方式對排煙效果具有關(guān)鍵性的影響。采用走道與外界通風(fēng)口進行直接補氣時，其排煙效果要遠好于利用起火房間開口進行間接補氣。

走道是兩側(cè)房間人員疏散和消防力量進行滅火救援的必經(jīng)之路，因而起火后保證走道的安全可維持狀態(tài)，對人員的安全疏散以及消防撲救具有非常關(guān)鍵的作用。在走道的機械排煙系統(tǒng)設(shè)計中，為充分利用排煙系統(tǒng)的排煙能力，應(yīng)重點考慮其補氣方式，盡量采用直接補氣方式，并對排煙口和排煙管道內(nèi)氣體的流量、流速等參數(shù)進行核算和優(yōu)化，根據(jù)實際需要選擇合適的排煙量分布形式。在消防滅火救援過程中，則可以根據(jù)起火位置以及走道排煙系統(tǒng)的風(fēng)機位置選擇安全性較高的撲救路徑。

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StudyonExhaustEfficiencyofCorridorwithMechanicalExhaustSystem

TANGMingfangZENGYe

(Xiamen Fire Detachment Siming Fire Brigade, Xiamen 361000)

Mechanical exhaust is frequently applied in smoke control in corridor.However, the exhaust efficiency varies much with different configuration of total exhaust rate, air makeup, exhaust inlet, smoke duct and exhaust fan.Based on theoretical analysis of smoke movement in smoke duct and through exhaust inlet, method and procedure for calculating exhaust rate of each exhaust inlet in a smoke exhaust duct with an exhaust fan were proposed.Numerical simulation with FDS software package was also performed to study the exhaust efficiency under different exhaust and air makeup setting.Exhaust rate of each exhaust inlet was assumed to be uniform and non-uniform was applied in the numerical simulations, respectively.Recommendation for enhancement of exhaust efficiency is proposed.In practical design of building smoke management system and planning of fire fighting strategy, consideration on effect of air makeup and non-uniform exhaust rate distribution on smoke exhaust efficiency should be taken to increase the reliability of smoke control system and choose relatively-safe rescue routine.

Corridor; Mechanical exhaust; Exhaust inlet; Exhaust efficiency; Numerical simulation

TU834.1

A

1004-6135(2017)10-0100-04

唐銘芳(1990.9- ),女，工程師。

E-mail:1127212650@qq.com

2017-08-09