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        基于FDS 的大空間自然排煙窗火災(zāi)排煙效能影響分析

        2022-07-26 01:39:38丁哲勇
        科技與創(chuàng)新 2022年14期
        關(guān)鍵詞:煙氣

        何 方,丁哲勇

        (1.上海凱玲消防工程有限公司,上海 200050;2.上海眾盈消防工程有限公司,上海 200040)

        建筑物在發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高熱的煙霧,建筑物所設(shè)置的排煙設(shè)施對(duì)于火災(zāi)煙霧及時(shí)排放起到重要作用。同時(shí)國(guó)家《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高大空間自然排煙的排煙設(shè)施設(shè)置及排煙量有較為明確規(guī)定。國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量針對(duì)高大空間自然排煙的排煙設(shè)施設(shè)置及排煙量的分析研究[1-4]。

        在建筑場(chǎng)所設(shè)置自然排煙的排煙設(shè)施,還存在自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施設(shè)置問(wèn)題,但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施的設(shè)置并不明確[5-6]。同時(shí),針對(duì)自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施的火災(zāi)排煙效能影響分析較少。為此,本文基于FDS 軟件并結(jié)合10 種不同自然排煙及補(bǔ)風(fēng)工況,對(duì)各種工況進(jìn)行了火災(zāi)排煙效能的分析。

        1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置及煙氣控制有效性評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)選定

        南方某地?cái)z影棚建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑,長(zhǎng)、寬、高分別為37.48 m、15.48 m、18.00 m,面積為580.19 m2。長(zhǎng)邊一側(cè)設(shè)2 個(gè)寬5 m、高4 m 的安全疏散門(mén)(常開(kāi))?;馂?zāi)時(shí)采用自然排煙及自然補(bǔ)風(fēng)。自然排煙補(bǔ)風(fēng)工況的設(shè)定,根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”)表4.6.3 可得,凈高大于9.0 m 場(chǎng)所計(jì)算排煙量為2.43×105m3/h,側(cè)窗口部風(fēng)速為1.06 m/s,得到側(cè)窗排煙窗面積為63.68 m2。

        當(dāng)采用頂開(kāi)窗排煙時(shí),其自然排煙窗(口)的風(fēng)速可按側(cè)窗口部風(fēng)速的1.4 倍計(jì),即為1.48 m/s,得到頂開(kāi)窗排煙窗面積為45.61 m2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表4.6.7,該場(chǎng)所(無(wú)噴淋情況)火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)熱釋放率為10 MW。設(shè)火災(zāi)初起火源位置為建筑中間地面,火源熱釋放率為10 MW,火災(zāi)情況下煙羽流形式為軸對(duì)稱(chēng)型煙羽流,該建筑設(shè)為一個(gè)防煙分區(qū)。

        共設(shè)10 種自然排煙工況,具體各自然排煙工況參數(shù)如下:①排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));②排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)中位,開(kāi)窗高度10.0~15.5 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));③排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)低位,開(kāi)窗高度3.0~6.5 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));④排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊一側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));⑤排煙開(kāi)窗(短邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));⑥排煙開(kāi)窗(短邊一側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));⑦排煙頂部開(kāi)窗(短邊一側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè));⑧排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊兩側(cè));⑨排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,短邊一側(cè));⑩排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,短邊兩側(cè))。

        每種工況設(shè)4 個(gè)排煙窗,每個(gè)窗長(zhǎng)3 m,高5.5 m,總自然排煙面積66 m2(大于計(jì)算的側(cè)窗排煙窗面積63.68 m2和頂開(kāi)窗排煙窗面積45.61 m2),安全疏散門(mén)(2 個(gè),寬5 m,高4 m)作為自然補(bǔ)風(fēng),補(bǔ)風(fēng)面積40 m2。防煙分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)與最近的自然排煙窗(口)之間的水平距離不應(yīng)大于30 m,自然排煙窗(口)分散均勻布置,且每組的長(zhǎng)度不大于3.0 m。

        最小清晰高度按下式計(jì)算:

        式(1)中:Hq為最小清晰高度,m,該建筑層高18 m,得最小清晰高度3.4 m;H′為對(duì)于單層空間,取排煙空間的建筑凈高度,m。

        煙氣控制有效性評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)如下:①該建筑的排煙系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)煔饪刂圃谌藛T活動(dòng)區(qū)域以上的高度;②在建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi),不應(yīng)產(chǎn)生火災(zāi)蔓延的現(xiàn)象;③建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑,應(yīng)確保其結(jié)構(gòu)的安全性能,火災(zāi)后一定時(shí)間內(nèi)不能垮塌。

        為保證人員安全疏散,采用以下性能指標(biāo):①清晰高度不宜小于3.4 m,不應(yīng)小于2 m;②如果煙層下降到距離地面高度2 m 以下,煙層的溫度不超過(guò)60 ℃;③距離地面高度2 m 以下的煙氣能見(jiàn)度不能小于10.0 m;④距離地面高度2 m 以下的煙氣CO 體積分?jǐn)?shù)不大于0.05%。

        為保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅埽蓓斾摻Y(jié)構(gòu)的溫度不超過(guò)200 ℃。

        用FDS 軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算,模擬火災(zāi)發(fā)生后0~120 s 的情況,每種工況提取參數(shù)如下:①非火源區(qū)域清晰高度,m;②非火源區(qū)域高度2 m 截面的煙層溫度,℃;③高度2 m 截面的煙氣能見(jiàn)度,m;④高度2 m 截面的煙氣CO 體積分?jǐn)?shù)(0.05%);⑤火源區(qū)域的屋頂溫度,℃;⑥非火源區(qū)域的屋頂溫度,℃。

        2 火災(zāi)模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

        火災(zāi)發(fā)生120 s 時(shí)刻時(shí),火災(zāi)模擬結(jié)果如表1 所示。

        表1 火災(zāi)模擬試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

        圖1—圖10 為火災(zāi)模擬分析圖和火源中心點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)變化曲線。

        圖1 工況1 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況1:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。頂棚溫度(火源中心)大于350 ℃時(shí),若頂棚為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)做相應(yīng)防火處理。

        圖2 工況2 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況2:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)中位,開(kāi)窗高度10.0~15.5 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)基本在35~60 ℃以內(nèi),該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響可忽略。由于在建筑高度超過(guò)16 m但不超過(guò)26 m 時(shí),煙氣在6~7 m 處開(kāi)始出現(xiàn)第一次分層現(xiàn)象,上升至11~12 m 處開(kāi)始出現(xiàn)第二次分層現(xiàn)象;在開(kāi)窗或通風(fēng)空調(diào)形成對(duì)流層時(shí),煙氣會(huì)在該對(duì)流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。若自然排煙位置高度設(shè)置在中部,該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間(11~12 m),對(duì)煙氣的熱量釋放較為有利。

        對(duì)于工況3:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)低位,開(kāi)窗高度3.0~6.5 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)溫度在65 ℃以上,該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

        對(duì)于工況4:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊一側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)溫度在40~100 ℃,該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

        對(duì)于工況5:排煙開(kāi)窗(短邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m溫度(0~120 s),非火源中心。

        對(duì)于工況6:排煙開(kāi)窗(短邊一側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)在初始為40~160 ℃,100 s 后下降至60 ℃內(nèi),該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

        圖3 工況3 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        圖4 工況4 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        圖5 工況5 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        圖6 工況6 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        圖7 工況7 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況7:排煙頂部開(kāi)窗,補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊一側(cè))。高度2 m 溫度(非火源中心)在初始為40~65 ℃,該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響小。

        圖8 工況8 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況8:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,長(zhǎng)邊兩側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)初期持續(xù)上升至80 ℃,然后下降至70 ℃以下,該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

        圖9 工況9 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況9:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,短邊一側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心),基本在55 ℃以內(nèi),該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響較小。

        圖10 工況10 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

        對(duì)于工況9:排煙開(kāi)窗(長(zhǎng)邊兩側(cè)高位,開(kāi)窗高度12.3~17.8 m),補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)(低位,短邊兩側(cè))。高度2 m溫度(非火源中心)初期持續(xù)上升至110 ℃,然后下降至70 ℃以下,該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

        3 結(jié)論

        10 個(gè)工況下(在火災(zāi)荷載較大時(shí)),頂棚溫度在火災(zāi)初起(0~120 s)均達(dá)到200 ℃及以上溫度,不能保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅?,?yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行防火保護(hù)。

        補(bǔ)風(fēng)口位置應(yīng)設(shè)在建筑物下部,多個(gè)補(bǔ)風(fēng)口設(shè)在同一側(cè)且當(dāng)補(bǔ)風(fēng)氣流水平方向與排煙水平方向一致時(shí)對(duì)自然排煙有利。

        當(dāng)設(shè)置在外墻時(shí),自然排煙窗(口)應(yīng)沿建筑物的兩條對(duì)邊均勻設(shè)置,但該情況在標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)廠房倉(cāng)庫(kù)提出要求,對(duì)高大空間的民用建筑未提出,建議應(yīng)對(duì)該類(lèi)民用建筑強(qiáng)調(diào)此要求,且自然排煙窗(口)沿建筑物的兩條長(zhǎng)邊均勻設(shè)置對(duì)排煙更為有利。

        工況1 和2 中火災(zāi)排煙效能影響相似,均能達(dá)到煙氣控制的有效性評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。其中工況1 為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況,工況2 自然排煙窗(口)未在理論的儲(chǔ)煙倉(cāng)以內(nèi),但考慮高大空間情況(高度大于16 m),在開(kāi)窗或通風(fēng)空調(diào)形成對(duì)流層時(shí),煙氣會(huì)在該對(duì)流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。若自然排煙位置高度設(shè)置在中部,該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間(11~12 m),對(duì)煙氣的熱量釋放較為有利。在某些情況下,考慮到自然排煙窗(口)的設(shè)置或維修的便利程度、成本因素等,建議可在高大空間的中部(10~12 m)開(kāi)設(shè)。

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