彭 婷 袁艷平 袁中原 曹曉玲

圓筒形地下立體停車庫通風(fēng)排煙形式的數(shù)值模擬研究

彭 婷 袁艷平 袁中原 曹曉玲

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

地下立體停車庫是有效解決城市停車難問題的方法之一，但其消防安全問題更值得關(guān)注。通風(fēng)排煙是改善地下車庫空氣品質(zhì)，預(yù)防及控制火災(zāi)的重要手段之一。而地下立體停車庫現(xiàn)缺乏相關(guān)設(shè)計規(guī)范，在通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計時可參考資料較少。因此，主要針對圓筒形地下立體停車庫的結(jié)構(gòu)特點，及自然通風(fēng)時的火災(zāi)特性，設(shè)計了頂部排煙、著火層內(nèi)車位定點排煙以及單一風(fēng)口排煙三種排煙形式。選用star-ccm+軟件，對比了在不同排煙形式作用下，車庫內(nèi)的煙氣濃度、溫度分布、周圍車輛熱輻射變化情況。確定出排煙效果相對較好的排煙形式，以對相關(guān)車庫設(shè)計規(guī)范的進(jìn)一步完善提供一定的參考依據(jù)。

圓筒形地下立體停車庫；火災(zāi)；數(shù)值模擬；通風(fēng)排煙系統(tǒng)；star-ccm+

0 引言

在建筑物中，通風(fēng)排煙是預(yù)防與控制火災(zāi)的重要手段之一[1]。地下立體停車庫本身在防排煙與通風(fēng)方面具有較大缺點，車庫除車輛進(jìn)出口外沒有與外界相通的通風(fēng)口，氣流不通暢。發(fā)生火災(zāi)時，僅靠自然通風(fēng)難以排出車庫內(nèi)部的高溫?zé)煔猓绻徊扇∮行У拇胧噹靸?nèi)進(jìn)行通風(fēng)排煙，勢必會加劇火勢。而通風(fēng)排煙可以將部分熱量帶出車庫，從而降低火場內(nèi)的溫度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，防排煙系統(tǒng)的不合理是導(dǎo)致近年來地下車庫火災(zāi)頻發(fā)的重要原因之一。因此，針對地下立體停車庫的建筑特點，設(shè)置合理有效的通風(fēng)排煙系統(tǒng)具有重要的工程意義。

張淑慧[2]等人通過FDS計算認(rèn)為：在大型地下平面式車庫中，機械排煙系統(tǒng)可以排出火場中的有毒氣體，降低煙氣濃度，提高車庫內(nèi)可見度。機械排煙系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)聯(lián)合作用，可以有效控制和撲滅初期火災(zāi)。奇亞[3]對某平面地下車庫中部發(fā)生火災(zāi)的場景進(jìn)行了計算，結(jié)果表明：采取機械通風(fēng)后，空間下部煙氣濃度明顯高于上層。張甫仁[4]通過FDS計算認(rèn)為：側(cè)排煙的排煙效果優(yōu)于下排煙，在地下車庫的排煙設(shè)計時，可優(yōu)先選用側(cè)面排煙的系統(tǒng)形式?？梢钥闯觯瑱C械排煙系統(tǒng)的地下車庫火災(zāi)控制起正面作用，而不同排煙形式的排煙效果不同。因此，本文設(shè)計了三種通排煙形式，并比較其排煙降溫效果。

1 模型的建立

1.1 物理模型

圖1 圓筒形立體停車庫平面圖

如圖1、圖2，該車庫共地下10層，每層設(shè)有12個車位，共計120個。車庫最上方為地面車輛進(jìn)出口，一般來說，除設(shè)備故障與發(fā)生火災(zāi)等特殊情況時，車庫內(nèi)無人員逗留。車庫總直徑20.6m，高26.6m，中部為車輛運輸通道。車庫內(nèi)的提升設(shè)備及其運動軌道等鋼架結(jié)構(gòu)所占空間小，對煙氣運動造成的影響可忽略不計。

圖2 圓筒形立體停車庫立面圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文選取star-ccm+（Computational Continuum Mechanics）軟件中的內(nèi)置火災(zāi)模塊用于地下立體停車庫火災(zāi)的模擬計算，其流體運動與傳熱的基本控制方程[5]包括：

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

該火災(zāi)模塊采用RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方法，即雷諾時均方程對湍流流動進(jìn)行模擬計算。同時，選取基于上述RANS方法的VHS體積熱源模型（Voumetric Heat Source Model）作為燃燒模型，即把火源設(shè)定為一個熱釋放速率恒定且體積固定的熱源，而不考慮火源內(nèi)部某一位置的具體燃燒情況[6]。

2 計算參數(shù)設(shè)置

2.1 火源參數(shù)設(shè)置

（1）火源功率設(shè)置

目前，對于火災(zāi)發(fā)展過程的描述，多采用2模型[7]，即：

程遠(yuǎn)平[8]教授所做小汽車火災(zāi)實驗表明：小汽車的熱釋放率最大值為4.08MW。Tohir[9]認(rèn)為：單輛客車的熱釋放率均值為4.7MW。上海市DGJ 08-88-2006《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[10]中建議：車庫內(nèi)有噴淋時，車輛熱釋放取值為1.5MW，無噴淋時為3MW；英國標(biāo)準(zhǔn)建議[11]：有噴淋時為4MW，無噴淋時為8MW。綜合上述數(shù)據(jù)，并結(jié)合目前學(xué)者常用數(shù)據(jù)，確定小汽車最大熱釋放速率為5MW。

（2）火源增長系數(shù)設(shè)置

程遠(yuǎn)平教授的實驗結(jié)論得出：火源的發(fā)展規(guī)律為：=0.00972，即火災(zāi)類型位于慢速火與中速火之間。實驗中，車輛的起火點為車內(nèi)裝飾物，如果起火原因為油箱爆炸，則火源增長的速度會更快。因此，目前常將汽車火災(zāi)定為快速火，即將汽車火災(zāi)增長系數(shù)定為=0.04689kW/s2。

（3）火源位置設(shè)置

以火源位于負(fù)六層為例，對機械通風(fēng)條件下的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計算。由于車庫橫截面的對稱性，僅需對同一樓層內(nèi)半數(shù)車輛及車位的實際情況進(jìn)行監(jiān)測。為方便數(shù)據(jù)分析，以著火車輛為起點，按逆時針方向?qū)ν瑢觾?nèi)一半的車輛進(jìn)行順序編號，具體編號按“樓層數(shù)——層內(nèi)車輛號”進(jìn)行，以負(fù)一層為例，圖1、圖2展示了具體編號方式及火源分布位置。

2.2 初始條件與邊界條件

車庫維護(hù)結(jié)構(gòu)和樓板的材料均為鋼筋混凝土，厚度為0.5m，導(dǎo)熱系數(shù)為1.28W/(m·K)，比熱容為880J/(kg·K)，密度為2200kg/m3。車庫上部車輛進(jìn)出口處設(shè)為開口，默認(rèn)風(fēng)速為0m/s。將模擬地點選在筆者所在的成都地區(qū)，中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)[12]顯示，成都地區(qū)年平均溫度為16.9℃，因此，將初始溫度定為16.9℃。

3 防排煙系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)

《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》[13]（以下簡稱《車規(guī)》）在總則中指出，該規(guī)范“適用于新建、擴建和改建的汽車庫、修車庫、停車場防火設(shè)計”，因此，對于本文的地下圓筒形立體停車庫，以《車規(guī)》作為通風(fēng)排煙相關(guān)設(shè)計的主要參考資料。

3.2 防煙分區(qū)與防火分區(qū)的劃分

《車規(guī)》第5.1.1條指出，地下汽車庫中一個防火分區(qū)所允許的最大建筑面積為2000m2，如果車庫內(nèi)設(shè)有自動滅火系統(tǒng)，則可擴大到4000m2。在本文的立體停車庫中，建筑面積共2718.58m2。而第7.2.1明確指出，機械式汽車庫應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)，因此默認(rèn)該車庫中設(shè)有自動噴水滅火系統(tǒng)，相應(yīng)的，可將防火分區(qū)的面積擴大到4000m2。因此，將整個車庫劃分為一個防火分區(qū)即可。

對于防煙分區(qū)的劃分，《車規(guī)》第8.2.1條規(guī)定，除敞開式汽車庫、建筑面積小于1000m2的地下一層汽車庫和修車庫外，汽車庫、修車庫應(yīng)設(shè)排煙系統(tǒng)，并應(yīng)劃分防煙分區(qū)。防煙分區(qū)的建筑面積不宜超過2000m2，一般來說，排煙系統(tǒng)不同時負(fù)擔(dān)兩個防煙分區(qū)，且防煙分區(qū)不應(yīng)跨越防火分區(qū)。本文的車庫建筑面積大于規(guī)范中的臨界值，但由于停車設(shè)備的運動需求，需保持車庫內(nèi)各層空間貫通，不適宜用梁或隔墻劃分防煙分區(qū)，因此可將整個車庫空間劃分為一個防煙分區(qū)。

3.3 系統(tǒng)形式的設(shè)計

由于圓筒形地下立體停車庫特殊的結(jié)構(gòu)形式，無法確定普通的上排下補，或上排上補的排煙系統(tǒng)形式是否適用。因此，本文探討了在三種不同排煙系統(tǒng)形式下，車庫內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時各點溫度和各車輛所受熱輻射的變化情況。通過與自然通風(fēng)條件下的狀態(tài)相對比，尋求最適合該類型車庫的排煙系統(tǒng)形式。

（1）頂部排煙系統(tǒng)

因高溫?zé)煔庀蛏线M(jìn)行熱運動，煙氣產(chǎn)生后會持續(xù)上升至建筑物頂棚，因此，對于現(xiàn)有的車庫，工程上多將排煙口設(shè)在建筑物的上部，一般為建筑頂棚處或側(cè)墻的頂部。以此為參考，設(shè)計第一種適用于圓筒形地下立體停車庫的通風(fēng)排煙系統(tǒng)，即頂部排煙。

將排煙口設(shè)在車庫本體的最上方，風(fēng)口以車庫橫截面中點為圓心呈環(huán)形分布，補風(fēng)口設(shè)在車庫下部設(shè)備通道，沿外墻呈環(huán)形分布，具體系統(tǒng)形式如圖3與圖4所示。共計排煙口12個，補風(fēng)口6個。當(dāng)車庫內(nèi)某車發(fā)生火災(zāi)時，通過消防聯(lián)動系統(tǒng)或人工手動打開排煙系統(tǒng)，頂部所有排煙口啟動，著火車輛燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾匀簧仙?，到達(dá)車庫上部后被排煙口抽走。同時利用車庫下部的補風(fēng)口滿足補風(fēng)量不小于排煙量50%的工程需求。

圖3 頂部排煙系統(tǒng)平面圖

圖4 頂部排煙系統(tǒng)立面圖

（2）著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)

根據(jù)筆者前期對自然排煙條件下的火災(zāi)場景分析，火源產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵饕杏谄鸹疖囕v所在的停車層空間內(nèi)?；诖私Y(jié)論，設(shè)計出第二種適用于圓筒形地下立體停車庫的通風(fēng)排煙系統(tǒng)，在著火層內(nèi)對煙氣進(jìn)行排出，即著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)。

這一排煙系統(tǒng)是將排煙口設(shè)在每個車位外墻的上部，補風(fēng)口設(shè)在車庫下部設(shè)備通道，車庫內(nèi)共設(shè)排煙口120個，補風(fēng)口6個。每個樓層的12個排煙口由一套排煙系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)車庫內(nèi)某車發(fā)生火災(zāi)時，啟動著火車輛所在樓層的12個排煙口，布置形式如圖5與圖6所示?；馂?zāi)發(fā)生后，著火車輛產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥芍饘犹幍呐艧熆谥苯映樽?，同時利用車庫下部的補風(fēng)口進(jìn)行新鮮空氣的補充。

圖5 著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)平面圖

圖6 著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)立面圖

（3）單一風(fēng)口定點排煙系統(tǒng)

考慮到當(dāng)車庫某車發(fā)生火災(zāi)時，僅開啟離著火車輛最近的一個風(fēng)口，或可最大效率地直接抽走火源產(chǎn)生的煙氣。因此，設(shè)計第三種排煙形式。這一排煙形式是在第二種排煙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，僅啟動著火車輛附近的一個排煙口進(jìn)行排煙。同樣的，在車庫最下部開設(shè)補風(fēng)口，滿足補風(fēng)需求。風(fēng)口開啟示意如圖7和圖8。

圖7 單一風(fēng)口定點排煙系統(tǒng)平面圖

圖8 單一風(fēng)口定點排煙系統(tǒng)立面圖

3.4 最小排煙量的確定

綜合各標(biāo)準(zhǔn)，將排風(fēng)量與排煙量的確定方法匯總于表1。

表1 風(fēng)量計算表[14]

通過表1可以看出，系統(tǒng)的排風(fēng)與排煙量均按換氣次數(shù)法進(jìn)行計算，且均需大于6次/h。當(dāng)換氣次數(shù)=6次/h時，計算所得排煙量為：

air=6Sh=6×π×9.82×24.25=43900.26m3/h

《車規(guī)》中表8.2.4規(guī)定，車庫凈高超過9米的車庫，每個防煙分區(qū)排煙風(fēng)機的排煙量不應(yīng)小于40500m3/h。取上述兩值的較大值為該車庫排煙量的最小取值，即為43900.26m3/h。

3.5 機械排煙下的模擬工況設(shè)置

根據(jù)前文的討論，在各工況下，應(yīng)確保風(fēng)量不小于43900.26m3/h，并保證排風(fēng)口的風(fēng)速小于等于10m/s。查詢常用風(fēng)口尺寸表，與本文的模型尺寸進(jìn)行比對，最終確定頂部排煙系統(tǒng)與著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)中的排煙風(fēng)口尺寸為400mm×300mm，設(shè)定排煙風(fēng)口風(fēng)速為10m/s，其排風(fēng)量為：

out1,2=3600××out×out=3600×12×0.4×0.3×10=51840m3/h

確定單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)中的排風(fēng)口尺寸為2400mm×600mm，設(shè)定排煙風(fēng)口風(fēng)速為10m/s，其排風(fēng)量為：

out3=3600××out×out=3600×1×2.4×0.6×10=51840m3/h

由此保證三個排煙系統(tǒng)下的排風(fēng)量相同，且均滿足3.4中對最小風(fēng)量的討論值。同時，確定三種排煙系統(tǒng)中補風(fēng)口尺寸為800mm×600mm，設(shè)定補風(fēng)風(fēng)速為2.5m/s，以滿足最小50%的補風(fēng)量需求，補風(fēng)風(fēng)量的具體計算公式為：

in=3600××S×in=3600×6×0.8×0.6×2.5=25920m3/h

同時，加入自然通風(fēng)作為對比。將上述討論中各排煙系統(tǒng)下的排（補）風(fēng)量、風(fēng)口尺寸、風(fēng)口數(shù)量、風(fēng)口風(fēng)速等值匯總于表2。

表2 通風(fēng)形式的討論

4 分析指標(biāo)與結(jié)果討論

4.1 分析指標(biāo)

當(dāng)某物體表面所受的熱輻射超過某一臨界值，將被引燃。在地下車庫中，主要考慮因熱輻射引起的的火災(zāi)蔓延情況，當(dāng)車輛所受熱輻射超過其表面材料能承受的最大值時，將會被引燃?；鹪锤浇囕v所受的熱輻射可依據(jù)下式進(jìn)行計算[16-18]：

式中：為火源周圍物體表面熱輻射，kW/m2；為熱釋放速率，kW；為著火汽車中心到相鄰汽車表面的距離，m。

賈春芬等人認(rèn)為，汽車表面所受輻射熱流量的臨界值為＝16kW/m2，一旦超過該值車輛即被引燃。根據(jù)上述火災(zāi)蔓延分析指標(biāo)的討論，對于不同排煙系統(tǒng)形式下的排煙降溫效果主要從車庫的內(nèi)部的煙氣濃度分布、溫度分布以及車輛表面的熱輻射值展開。

4.2 模擬結(jié)果分析

（1）庫內(nèi)煙氣濃度分布

圖9 自然通風(fēng)煙氣濃度分布

圖10 頂部排煙煙氣濃度分布

對比四種不同排煙形式下，火場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，車庫內(nèi)部環(huán)形截面的煙氣濃度分布云圖9至圖12可以看出：加設(shè)機械排煙系統(tǒng)后，車庫內(nèi)的濃煙仍主要聚集在相對車位處。在頂部排煙下，相對車位處有明顯的煙氣沉降，車庫內(nèi)的煙氣濃度最高可達(dá)3829mg/m3，而自然排煙下，車庫內(nèi)煙氣濃度的最高值為3958mg/m3，二者相差不多。在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)下，可以看到，相對車位內(nèi)的煙氣濃度明顯降低。對比具體數(shù)值，車庫內(nèi)煙氣濃度的最高值為2119mg/m3，較自然通風(fēng)條件下下降了1839mg/m3，下降幅度約為46.5%。而單一風(fēng)口定點排煙系統(tǒng)的排煙效果介于上述二者之間，車庫內(nèi)煙氣濃度最大值為2785mg/m3，與自然通風(fēng)相比下降了約29.6%。

圖11 著火層內(nèi)車位定點排煙煙氣濃度分布

圖12 單一風(fēng)口排煙煙氣濃度分布

同時，對比上層車位中的煙氣濃度，緊鄰著火層的5-1車位中，頂部排煙時的煙氣濃度為1318mg/m3，著火層內(nèi)車位定點排煙時為183mg/m3，單一風(fēng)口排煙時為256mg/m3，而自然通風(fēng)時該值為1192mg/m3，著火層內(nèi)車位定點排煙和單一風(fēng)口排煙時分別能達(dá)到84.6%和78.5%的降幅?？梢哉J(rèn)為，著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)都可以有效減少向上層蔓延的煙氣。而頂部排煙系統(tǒng)因其排煙口位置在車庫上部，受頂部風(fēng)口的抽吸作用，濃煙向上運動，反而使上部空間內(nèi)的煙氣濃度稍有上升。

綜合上文的結(jié)論可得：在本文提出的三種排煙形式中，當(dāng)排風(fēng)量與補風(fēng)量相同時，利用頂部排煙口排煙幾乎沒有起到降低車庫內(nèi)部煙氣濃度的效果。在上述排煙形式下，大量的濃煙仍聚集在著火層內(nèi)，且相對車位處情況最為嚴(yán)重，著火汽車上部空間內(nèi)也有濃煙分布。僅對著火層所在空間進(jìn)行定點排煙，對降低庫內(nèi)煙氣濃度，排出火源產(chǎn)生的濃煙效果較好。而開啟著火車輛附近單一排煙口時，其排煙效果介于上述兩系統(tǒng)之間。

（2）庫內(nèi)溫度場分布

圖13 自然通風(fēng)溫度分布

圖14 頂部排煙溫度分布

圖15 著火層內(nèi)車位定點排煙溫度分布

圖16 單一風(fēng)口排煙溫度分布

四種排煙形式下車庫豎向截面的溫度分布云圖（=400s）如圖13至圖16，可以看出，在頂部排煙系統(tǒng)作用下，著火層內(nèi)的溫度較高，車庫中部的設(shè)備通道也處于高溫環(huán)境。對于處在著火層上部的各停車位，受火源和煙氣的影響，其溫度出現(xiàn)不同程度的上升。分析具體數(shù)值，頂部排煙系統(tǒng)下車庫內(nèi)的最高溫度約為1027.1℃，而自然排煙下，車庫內(nèi)溫度的最高值約為1047.3℃。頂部排煙系統(tǒng)使溫度最值下降了20.2℃，下降幅度僅為1.9%，通過通風(fēng)排煙能達(dá)到的降溫效果很小。同使，由于頂部排煙系統(tǒng)將高溫?zé)煔獬橹淋噹祉敳?，?dǎo)致火源上部空間均有大量高溫?zé)煔獬涑狻垥曾漑19]等人認(rèn)為，火源附近的油箱溫度達(dá)到200℃即可認(rèn)為該車輛被引燃。在該排煙形式下，5-1車位油箱高度處的溫度為202℃，可能使原本未燃燒的5-1車輛發(fā)生油箱爆炸。

在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)下，車庫內(nèi)各點的溫度明顯降低，上部空間發(fā)生大幅度溫升的點也明顯減少。車庫內(nèi)溫度的最高值為736.9℃，與自然通風(fēng)的情況相比，下降了310.4℃，下降幅度為29.6%，其降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂部排煙系統(tǒng)。在單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)下，車庫內(nèi)的最高溫度值最小，為807℃，可達(dá)到23%的降幅。

因單一風(fēng)口排煙時，著火車位附近的排煙量最大，從而使火源附近的溫度降低，車庫內(nèi)的溫度極值為三個系統(tǒng)的最低值。但就車庫內(nèi)部溫度的總體分布情況而言，在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)下，車位豎向的溫度分層較為明顯，車庫中部豎向通道的溫度值也較低。

圖17 6-1車位頂棚溫度

對比著火點附近頂棚溫度在不同通風(fēng)排煙形式下的變化情況，首先是6-1點。頂部排煙時，火源正上方頂棚溫度（見圖17）的上升幅度較自然通風(fēng)時有所放緩，但在計算時間400s時刻，該點溫度可達(dá)913℃，與自然通風(fēng)條件下的920℃相差較小，降幅僅為0.76%。而當(dāng)僅有著火層內(nèi)車輛附近的排煙口開啟時，該點的溫度值較自然通風(fēng)條件下降低了近200℃，降幅約為22%，且溫度的上升速率更慢。單一風(fēng)口排煙時該點的溫度值變化情況與之接近。

圖18 6-2車位頂棚溫度

圖19 6-7車位頂棚溫度

圖20 5-1車位頂棚溫度

與火源同層的其余各車位頂棚溫度在三種通風(fēng)系統(tǒng)形式下的變化規(guī)律與6-1點相似，其中在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)的作用下，各點的溫度上升速率均變慢，且終溫均有不同程度的降低。如相鄰車位6-2點溫度（見圖18）下降了約60℃，相對車位6-7點（見圖19）下降了81℃。單一風(fēng)口排煙時，6-2點溫度比著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)更低40℃。但與之不同的是，在頂部排風(fēng)系統(tǒng)下，上述兩點的溫度與自然通風(fēng)時相比，沒有降低反而有繼續(xù)上升的趨勢。特別地，在自然通風(fēng)下，相對車位油箱高度處（距下層樓板約0.7m）的空氣溫度約為244℃。而在著火層內(nèi)車位定點排煙下，該點空氣溫度約為154℃。單一風(fēng)口排煙時稍高，為162℃。根據(jù)由溫度引發(fā)的油箱爆炸相關(guān)理論，上述兩值均低于引發(fā)油箱爆炸的溫度，可以使相對車輛避免因溫度過高而引發(fā)的油箱爆炸危險。

對于處在火源上方空間各點的溫度變化情況，以6-1車輛正上方的5-1車輛頂棚處為例（見圖20）。當(dāng)開啟頂部的排風(fēng)口時，該點的溫度上升速率加快，且達(dá)到的溫度最值也升高。在計算時間400s時刻可以達(dá)到191℃，比自然通風(fēng)時上升了約78℃，且仍有繼續(xù)上升的趨勢。與前文對煙氣濃度的討論結(jié)果相似，本文認(rèn)為頂部排煙系統(tǒng)會將火源產(chǎn)生的煙氣帶至火源上部空間，使得上部空間各點的溫度反而有較大幅度的上升。同時，頂部排煙系統(tǒng)的抽吸作用會加劇煙氣的運動速度，使上部各點溫度的上升速率也變快。當(dāng)僅開啟著火層內(nèi)的全部排煙口和著火車輛附近的單一風(fēng)口時，該點的溫度最高值約67℃，下降了46℃?？偟膩碚f，頂部排煙系統(tǒng)對火源上部空間不利，其頂部排煙口的抽吸作用使高溫?zé)煔飧嗟倪\動到上部空間各點，從而導(dǎo)致溫度的上升。

圖21 7-1車位頂棚溫度

對于處在火源下方空間各點的溫度變化情況，以6-1車輛正下方7-1車輛頂棚（見圖21）為例，與自然排煙相比，三種機械通風(fēng)排煙形式下該點的溫度值均有不同程度的降低，且溫度的上升速率均放緩。在著火層內(nèi)排風(fēng)口開啟和單一風(fēng)口開啟時，該點的溫度值下降了52℃左右。而在頂部排風(fēng)排煙系統(tǒng)下，在計算時間內(nèi)，該點的溫度值基本保持初始溫度不變，可以使下部空間各點基本不出現(xiàn)溫升。由此可以認(rèn)為，頂部排煙系統(tǒng)的抽吸作用將高溫?zé)煔獬橹淋噹焐喜?，使得下部空間溫度受火源的影響達(dá)到最小，對火源下部的排煙降溫效果最好，而著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)的效果次之。

（3）車輛表面所受熱輻射值

對于熱輻射值的變化，主要關(guān)注著火點的相鄰車輛、相對車輛與上方車輛。對于相鄰車輛與相對車輛，頂部排煙系統(tǒng)對車輛所受熱輻射的降低效果不理想。與自然通風(fēng)相比上升速率稍有變小，但最終值卻有所增加。而著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)作用時，各車輛表面的熱輻射變化情況幾乎一致。在上述兩排煙系統(tǒng)作用下，相鄰車輛6-2所受熱輻射值的最大值（見圖22）約為24700kW/m2，下降了12100kW/m2，降幅約為32.9%。同時，相對車輛6-7的熱輻射（見圖23）峰值為6000kW/m2，下降了10000kW/m2，降幅約為37.5%。而頂部排煙時，6-2車輛的熱輻射值為40914.5kW/m2，比自然通風(fēng)時上升了11.2%?？偟膩碚f，著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)對降低火源同層各車輛所受熱輻射值的效果較好。

圖22 6-2車輛表面熱輻射

圖23 6-7車輛表面熱輻射

而正上方5-1車輛的熱輻射變化情況如圖24所示，三種機械排煙系統(tǒng)下，該車的熱輻射上升速率均有所下降，但開啟頂部排煙口時，該車熱輻射的終值反而有所上升，其值為25621.9kW/m2，且存在進(jìn)一步上升的趨勢。而在其余兩系統(tǒng)作用下，該車所受熱輻射的最大值有所降低，約為10500kW/m2，下降了13300kW/m2，降幅為55.9%?？偟膩碚f，頂部排煙系統(tǒng)對降低火源上部車輛的熱輻射值仍然不利，而僅開啟著火層內(nèi)的排煙口或開啟單一風(fēng)口時，上部車輛表面所受熱輻射的最大值可以得到有效降低。

對于下部車輛7-1所受熱輻射，通過圖25可以看出，自然通風(fēng)下該值最高，其余的依次為頂部排煙、著火層內(nèi)車位定點排煙和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)。在單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)下，該車表面所受的熱輻射值最低。較自然通風(fēng)而言，該車表面熱輻射值達(dá)到峰值的時間最少推遲了64s，且峰值為2150kW/m2，下降了750kW/m2（自然通風(fēng)時為2900kW/m2）?？梢?，僅開啟著火車輛附近的單一排煙口對降低下部車輛表面熱輻射最為有效。

圖24 5-1車輛表面熱輻射

圖25 7-1車輛表面熱輻射

4.3 通風(fēng)排煙形式的確定

通過對比頂部排煙、著火層內(nèi)車位定點排煙和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)作用時，車庫內(nèi)的煙氣濃度分布、溫度場分布以及各車輛表面的熱輻射值變化，可以發(fā)現(xiàn)：著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)對排出濃煙，降低車庫內(nèi)各點的溫度，減小車輛表面熱輻射值，同時延長車輛被引燃時間的效果較好，而頂部排煙系統(tǒng)的效果較差。

對于車庫內(nèi)的煙氣濃度而言，與自然通風(fēng)相比，三種排煙系統(tǒng)均可以使車庫內(nèi)的煙氣濃度減低，但降低的幅度有所差異。頂部排煙系統(tǒng)作用下，庫內(nèi)煙氣濃度降幅很小，且頂部的排煙口將煙氣抽吸到上部空間，導(dǎo)致上部空間內(nèi)的煙氣濃度升高。而其余兩系統(tǒng)可以有效降低車庫內(nèi)的煙氣濃度，同時減少由起火層向其他停車層擴散的濃煙，且著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)的排煙效果更優(yōu)于單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)。

對于溫度而言，首先是火源同層各車位的頂棚溫度，著火層內(nèi)車位排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)的降溫效果都較好。且對于離火源較近的點，單一風(fēng)口排煙時的溫度會更低。單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)作用時，能使同層頂棚溫度有60～101℃的降幅。而在頂部排煙系統(tǒng)下，各車位頂棚的溫度比自然通風(fēng)時相比反而稍有上升。其次是上部車位的頂棚溫度，三種通風(fēng)形式下的變化趨勢與同層車位相同，但在頂部排煙系統(tǒng)下的溫升更大。對于下方車輛，三種排煙系統(tǒng)對溫度的降低以及上升速率的放緩均起正面作用，按溫度降幅從高到低排序分別為：頂部排煙系統(tǒng)、著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)，其中在頂部排煙系統(tǒng)下，下部車位頂棚的溫度較初始狀態(tài)基本不會有變化。

對各車輛表面所受熱輻射而言，著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)對各值的降低作用非常接近，而頂部排煙時各車表面熱輻射與自然通風(fēng)相比并不明顯。其中，因排煙系統(tǒng)二和三的有效排煙降溫，可使在自然排煙下會因熱輻射被引燃的5-1車輛不被單車起火而引燃，在一定時間內(nèi)控制了火勢的蔓延。而正下方的7-1車輛表面熱輻射在單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)作用下最小。

綜合上述對煙氣濃度、溫度、熱輻射值的討論，本文認(rèn)為采用著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)和單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)，對降低庫內(nèi)煙氣濃度、各點溫度、各車位表面熱輻射值，同時使溫度、熱輻射值上升速率變慢均較為有效。兩系統(tǒng)的作用效果各有利弊：對于溫度變化而言，對于離火源較近的點，單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)可以達(dá)到更大的降幅。但在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)作用下，車庫內(nèi)的溫度分層更加明顯，煙氣濃度更低，能為實際工程救援提供更好的視線。

同時，在實際工程中，一個風(fēng)機往往連接多個風(fēng)口，風(fēng)機一旦啟動則帶動多個風(fēng)口同時啟動，若僅開啟一個排風(fēng)口會對系統(tǒng)的控制提出更多要求。且風(fēng)量相同時，風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的最大允許值10m/s時，單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)所需的風(fēng)口尺寸為2400mm×600mm。如果風(fēng)速進(jìn)一步縮小，則所需風(fēng)口的尺寸更大。大尺寸的風(fēng)口會給系統(tǒng)管路的連接帶來困難，同時，較高的風(fēng)速也對風(fēng)管的材質(zhì)提出要求，從而增加工程成本。所以，工程中極少使用僅開啟一個風(fēng)口的系統(tǒng)。因此，就本文中的三種通風(fēng)系統(tǒng)而言，著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)的效果較好，且設(shè)計較為合理。

5 結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對本文的車庫模型進(jìn)行防排煙系統(tǒng)的設(shè)計，提出三種不同的排煙系統(tǒng)形式，分別為：頂部排煙系統(tǒng)、著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)與單一風(fēng)口排煙系統(tǒng)。結(jié)合自然通風(fēng)的計算結(jié)果，對比在同一位置發(fā)生相同功率火災(zāi)的情況下，三種通風(fēng)排煙系統(tǒng)對降低煙氣濃度和溫度，延緩火災(zāi)蔓延的作用效果。在此過程中得出以下結(jié)論：

（1）在著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)作用下，車庫內(nèi)的煙氣濃度降低，各車輛表面熱輻射上升速率變緩且最值減小。同時，各車位頂棚的溫度值變低，豎向溫度分層更加明顯。

（2）單一風(fēng)口排煙時，火源附近點的溫度比著火層內(nèi)車位定點排煙系統(tǒng)時稍低。

（3）頂部排煙系統(tǒng)會使著火層上方及同層的各車位頂棚溫度增加，且各車輛的熱輻射值與自然通風(fēng)相比變化不大。頂部排煙系統(tǒng)對于降低同層車位頂棚溫度，減小同層車輛表面熱輻射幾乎沒有效果。

（4）將風(fēng)口直接開設(shè)在各車附近，可以在起火后盡可能短的時間內(nèi)排出煙氣與熱量。而同時開啟著火層內(nèi)各車位處的全部排煙口，其排煙效果更好。同時，為使風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)管尺寸符合工程實際，選用著火層內(nèi)各車位定點排煙系統(tǒng)更為合理。

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Numerical Simulation of Ventilation and Smoke Exhaust Form in Cylindrical Underground Parking Garage

Peng Ting Yuan Yanping Yuan Zhongyuan Cao Xiaoling

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Underground garage provides solutions to the urban parking problems, but its fire safety problem needs more attention. Ventilation and smoke exhaust is one of the most important means to improve the air quality, fire prevention and control of underground garage. However, the underground parking garage lacks relevant design specifications, and there are few references for its ventilation and smoke exhaust system. Therefore, according to the structural characteristics of cylindrical underground parking garage, and the fire characteristics with natural ventilation. This paper designs three ventilation and smoke extraction systems: top smoke exhaust system, the smoke exhaust system of parking spaces at the same height as fire source, and the smoke exhaust system with one smoke outlet. And this paper chooses star-ccm+ as software for calculation. By comparing the smoke concentration, temperature distribution in the garage and the thermal radiation of surrounding vehicles under different smoke exhaust systems, a better smoke exhaust form is determined. Therefore, it can provide some reference basis for the improvement of relevant garage design specifications.

underground cylindrical parking garage; fire; numerical simulation; ventilation and smoke exhaust system; star-ccm+

TU926

A

1671-6612（2020）01-111-11

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊項目（2015TD0015）

彭婷（1994.04-），女，在讀碩士研究生，E-mail：pengting1994@yeah.net

袁中原（1983.08-），男，博士，講師，E-mail：zhongyuan.yuan@home.swjtu.edu.cn

2019-06-08