焦 濤,李 鈺,王 凡

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

火災(zāi)煙氣是造成建筑物火災(zāi)人員傷亡的主要原因[1]，因此建筑物的防排煙系統(tǒng)能否有效控制火災(zāi)煙氣已成為人們安全撤離的前提。由于樓梯是建筑物通往樓層的唯一疏散通道，樓梯的防煙效果決定了整個(gè)建筑物內(nèi)的人員能否順利逃生[2]。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018年版)[3]中規(guī)定，機(jī)械加壓送風(fēng)可作為樓梯間的防煙設(shè)施。許多學(xué)者對(duì)高層建筑機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如朱杰等[4]研究了火災(zāi)時(shí)樓梯間煙氣溫度、壓力以及流場(chǎng)的分布特性；田桂花等[5]對(duì)高層建筑加壓送風(fēng)系統(tǒng)正壓值的影響因素進(jìn)行了探討，包括風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)、送風(fēng)口設(shè)置不合理、門縫過(guò)大等因素；游宇航等[6]對(duì)加壓送風(fēng)時(shí)樓梯間內(nèi)壓力與空氣流速進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了加壓送風(fēng)的效果；王渭云[7]對(duì)高層建筑樓梯井直灌式與傳統(tǒng)式加壓送風(fēng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明直灌式加壓送風(fēng)可使樓梯間壓力更均勻；樂(lè)增等[8]基于FDS軟件對(duì)高校宿舍火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出煙氣、溫度和氧氣運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律;伍穎等[9]對(duì)高層建筑火災(zāi)人群疏散進(jìn)行了分析，提出增設(shè)機(jī)械加壓送風(fēng)可以增加安全疏散時(shí)間；陳軍華等[10]通過(guò)對(duì)一棟高層建筑加壓送風(fēng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)加壓送風(fēng)量對(duì)門兩側(cè)壓力有關(guān)鍵的影響；Morgan[11]通過(guò)對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣進(jìn)行模擬分析，設(shè)計(jì)了一種控制煙氣的方法；Peppes等[12]采用數(shù)值模擬的方法研究了火災(zāi)過(guò)程中樓梯井內(nèi)浮力驅(qū)動(dòng)的煙氣流動(dòng)特性以及溫度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律。

我國(guó)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]中規(guī)定，布置傳統(tǒng)加壓送風(fēng)井有困難的樓梯間可采用直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)。但上述研究大多是針對(duì)傳統(tǒng)加壓送風(fēng)，而關(guān)于直灌式加壓送風(fēng)的研究較少。鑒于此，本文利用FDS軟件對(duì)樓梯間直灌式加壓送風(fēng)口的兩點(diǎn)式布置最優(yōu)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過(guò)門洞風(fēng)速來(lái)尋求最佳的布置方式，以為樓梯間直灌式加壓送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)修編提供參考。

1 模型的建立與設(shè)計(jì)

1.1 模擬軟件的選取

本文運(yùn)用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件[14]對(duì)樓梯間直灌式加壓送風(fēng)口的兩點(diǎn)式布置最優(yōu)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。FDS軟件利用動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒原理，可以模擬火災(zāi)期間的煙霧顆粒、溫度、CO等物理量的發(fā)展變化，模擬結(jié)果可用來(lái)確保建筑物在施工前的安全性，評(píng)估現(xiàn)有建筑物的消防安全，重建火災(zāi)后事故調(diào)查，并協(xié)助消防員培訓(xùn)等。該軟件也可以用來(lái)模擬建筑物中的通風(fēng)情況。FDS軟件是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最為有效、可靠的專門用于火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)分析的軟件?；馂?zāi)燃燒過(guò)程是傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，F(xiàn)DS軟件主要遵循的是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒方程，其表達(dá)式如下：

(1) 質(zhì)量守恒方程：

式中:u為速度矢量(m/s)；ρ為密度(kg/m3)。

(2) 動(dòng)量方程方程：

式中：τ為黏性力張量(N)；p為壓力(Pa)；f為作用于流體上的外力(除重力外)(N)；g為重力加速度(m/s2)。

(3) 能量守恒方程：

式中:h為比焓(J/kg)；k為導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]。

(4) 組分守恒方程：

式中:Yi為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為第i種組分的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)。

1.2 模型的建立

本次研究對(duì)象為鄭州市某辦公樓，該辦公樓12層，每層層高為4 m，共48 m。本文利用FDS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，將該建筑模型簡(jiǎn)化為主要由樓梯間、樓梯間前室、疏散走道和辦公室4個(gè)部分組成，其平面示意圖和三維模型見(jiàn)圖1和圖2，該建筑模型各組成部分尺寸見(jiàn)表1。

圖1 某建筑平面示意圖(單位：mm)Fig.1 Plan sketch of a building (unit:mm)

圖2 某建筑三維模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional model of a building

表1 某建筑模型各組成部分尺寸Table 1 Sizes of components of a building model

1.3 模型參數(shù)的設(shè)置

該建筑墻體材料選為混凝土，其物性參數(shù)：密度為2 280.0 kg/m3，比熱為1.04 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/(m·K)。由于樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)不用考慮沿程阻力和風(fēng)管風(fēng)速的損失，故本文在模型中不再建風(fēng)機(jī)房，而是直接用vent作為送風(fēng)口，并賦予其屬性為supply。疏散走道的一邊設(shè)置為open，以便樓梯間前室漏出去的壓力與外界壓力一致。為了保證在計(jì)算精度的基礎(chǔ)上加快計(jì)算效率，設(shè)置的網(wǎng)格尺寸大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.4 模擬工況設(shè)置

按照我國(guó)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251—2017)[13](以下簡(jiǎn)稱為《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)中的規(guī)定：樓梯間前室不送風(fēng)，封閉樓梯間、防煙樓梯間加壓送風(fēng)，送風(fēng)機(jī)選取最低送風(fēng)量為36 100 m3/h，則直灌式加壓送風(fēng)口總送風(fēng)量為43 320 m3/h，通過(guò)兩點(diǎn)式布置送風(fēng)口且兩個(gè)送風(fēng)口的距離不小于24 m。由于直灌式加壓送風(fēng)口不受送風(fēng)管道的影響，且兩個(gè)送風(fēng)口位置多為對(duì)稱，故1層和12層只需對(duì)其中一個(gè)樓層進(jìn)行測(cè)量，具體模擬工況設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 模擬工況設(shè)置Table 2 Setting of simulated working conditions

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)NFPA92—2018[15]測(cè)風(fēng)速的方法，在樓梯間通往前室的門內(nèi)采用均勻布置9個(gè)速度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算9個(gè)速度測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的平均值即為門洞風(fēng)速值，其速度測(cè)點(diǎn)布置的位置見(jiàn)圖3。

圖3 門洞風(fēng)速速度測(cè)點(diǎn)布置的位置(單位：m)Fig.3 Distribution of speed measuring points of wind at the door opening(unit：m)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 兩個(gè)送風(fēng)口位置為6層和12層的模擬結(jié)果分析

以直灌式加壓送風(fēng)口位置為6層和12層(見(jiàn)表3)為例，利用FDS軟件，通過(guò)速度測(cè)點(diǎn)所測(cè)門洞風(fēng)速數(shù)據(jù)，可得到不同工況下直灌式加壓送風(fēng)口通過(guò)連續(xù)三層的各門洞風(fēng)速變化情況，見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

表3 直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在6層和12層Table 3 Conditions when the air supply vents are set up on the 6th and 12th floor

圖4 工況1下各門洞所測(cè)風(fēng)速圖Fig.4 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 1

由圖4、圖5和圖6可以看出：

(1) 當(dāng)直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在6層和12層，送風(fēng)時(shí)間為50 s時(shí)，速度測(cè)點(diǎn)所測(cè)風(fēng)速值開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)值變化幅度小。

(2) 當(dāng)開(kāi)啟樓梯間和樓梯間前室2層、3層和4層門時(shí)，樓梯間4層的門洞風(fēng)速約為1.7 m/s，遠(yuǎn)大于《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值(1.0 m/s)，可滿足樓梯間防煙的要求；樓梯間3層的門洞風(fēng)速約為0.9 m/s，滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的門洞風(fēng)速值的誤差在10%以內(nèi)的要求，且達(dá)到樓梯間防煙的要求；樓梯間2層的門洞風(fēng)速約為0.6 m/s，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值，無(wú)法達(dá)到樓梯間防煙的要求，這是因?yàn)轱L(fēng)均通過(guò)樓梯間3層和4層流出，當(dāng)風(fēng)到達(dá)樓梯間2層時(shí)就無(wú)法滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求(見(jiàn)圖4)。

圖5 工況2下各門洞所測(cè)風(fēng)速圖Fig.5 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 2

圖6 工況3下各門洞所測(cè)風(fēng)速圖Fig.6 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 3

(3) 當(dāng)開(kāi)啟樓梯間和樓梯間前室6層、7層和8層門時(shí)，樓梯間6層的門洞風(fēng)速約為1.0 m/s，樓梯間7層和8層的門洞風(fēng)速約為1.2 m/s，均可以滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值(1.0 m/s)(見(jiàn)圖5)。

(4) 當(dāng)開(kāi)啟樓梯間和樓梯間前室10層、11層和12層門時(shí)，樓梯間10層和12層的門洞風(fēng)速約為1.1 m/s和1.7 m/s，大于《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值(1.0 m/s)，由于樓梯間11層位于樓梯間10層和12層中間，通過(guò)其門洞的風(fēng)速會(huì)相對(duì)較低，但也滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的門洞風(fēng)速值的誤差在10%以內(nèi)的要求。綜上可見(jiàn)，在滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的情況下，直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在6層和12層時(shí)，會(huì)有部分樓層樓梯間無(wú)法達(dá)到防煙的要求。

2.2 不同送風(fēng)口位置的模擬結(jié)果對(duì)比分析

利用FDS軟件從送風(fēng)50 s后開(kāi)始進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)門洞上的9個(gè)速度測(cè)點(diǎn)求取風(fēng)速平均值，可模擬得到不同工況下門洞的風(fēng)速值，見(jiàn)表4。其中，《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的門洞風(fēng)速值為1.0 m/s，門洞風(fēng)速測(cè)量時(shí)誤差允許范圍在10%以內(nèi)。

表4 某建筑總高度為48 m時(shí)各工況下門洞風(fēng)速值Table 4 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 48 m

由表4可知，工況1、工況10的樓梯間2層和工況12的樓梯間12層的門洞風(fēng)速值遠(yuǎn)小于《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值(1.0 m/s)；當(dāng)直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在1層和12層(工況4、工況5、工況6)時(shí)，均滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的門洞風(fēng)速值，僅有3個(gè)門洞風(fēng)速值在0.9～1.0 m/s之間，其余均大于1.0 m/s；當(dāng)直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在2層和11層(工況7、工況8、工況9)時(shí)，均滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的門洞風(fēng)速值，僅有1個(gè)門洞風(fēng)速值在0.9～1.0 m/s之間，其余均大于1.0 m/s。因此，直灌式加壓送風(fēng)口位置布置在2層和11層(工況7、工況8、工況9)時(shí)樓梯間的排煙效果最優(yōu)，布置在1層和12層(工況4、工況5、工況6)時(shí)也滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，而布置在6層和12層(工況1、工況2、工況3)或3層和10層(工況10、工況11、工況12)時(shí)則無(wú)法滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

3 驗(yàn)證分析

將層高4 m改變成3 m，建筑層數(shù)不變，建筑總高度為36 m，12種工況不變，利用FDS軟件模擬計(jì)算得到了不同工況下門洞風(fēng)速值，見(jiàn)表5。

表5 某建筑總高度為36 m時(shí)各工況下門洞風(fēng)速值Table 5 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 36 m

由表5可知，在建筑總高度為36 m時(shí)，直灌式加壓送風(fēng)口兩點(diǎn)式位置布置在第2層和次頂層(工況7、工況8、工況9)時(shí)可達(dá)到最優(yōu)排煙效果，其次是布置在首層和頂層(工況4、工況5、工況6)時(shí)，這兩種布置方式均滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值，但布置在6層和12層(工況1、工況2、工況3)或3層和10層(工況10、工況11、工況12)時(shí)則無(wú)法滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的門洞風(fēng)速值。

4 結(jié) 論

本文對(duì)總高度不大于50 m、總層數(shù)為12層、層高為4 m的建筑，樓梯間采用直灌式加壓送風(fēng)口兩點(diǎn)式布置的最優(yōu)排煙效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并得出如下結(jié)論：

(1) 直灌式加壓送風(fēng)口兩點(diǎn)式位置布置在第2層和次頂層時(shí)樓梯間的防煙效果最優(yōu)，其次是布置在首層和頂層時(shí)也能滿足樓梯間的防煙要求。

(2) 《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，當(dāng)建筑總高度大于32 m時(shí)，兩點(diǎn)式送風(fēng)口之間的距離不宜小于建筑高度的1/2，但并未規(guī)定具體兩點(diǎn)式送風(fēng)口之間的距離多大可使其防煙效果最大。本文的研究表明：直灌式加壓送風(fēng)口兩點(diǎn)式位置布置在第3層和第10層或第6層和頂層時(shí)，兩點(diǎn)式送風(fēng)口之間的距離雖然滿足了《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，但無(wú)法滿足樓梯間的防煙要求。因此，建議《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》修改為：兩點(diǎn)式送風(fēng)口應(yīng)分別布置在第2層和次頂層，也可布置在首層和頂層。