地下建筑煙氣擴(kuò)散分析及研究*

王宇寧 劉棟棟 王 遠(yuǎn)

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及城市立體化的飛速發(fā)展,城市用地日趨緊張,地下建筑不斷增多。此類(lèi)建筑的建成在一定程度上滿(mǎn)足了社會(huì)發(fā)展的需求,但也給消防安全工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。一旦發(fā)生火災(zāi),因受封閉性、光線、出入口少等諸多方面限制,可燃物產(chǎn)生的高溫濃煙從起火部位迅速流動(dòng)并向四處擴(kuò)散,引發(fā)了火勢(shì)的迅速蔓延和擴(kuò)大,而且煙氣能見(jiàn)度低、毒氣重,難以排放到室外,人員疏散和滅火救援十分困難,給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

國(guó)內(nèi)外很多研究人員在對(duì)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的研究方面做了大量的工作,并且取得了一定的成果。Peacock R.D等通過(guò)將一綜合建筑的火災(zāi)模擬與一系列實(shí)際規(guī)模的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證CFAST區(qū)域模型的準(zhǔn)確性,并提出了模型所用算法的優(yōu)缺點(diǎn)[1];Glenn P.Forney等對(duì)地下建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的模擬和可視化進(jìn)行了重要研究[2];中國(guó)建筑科學(xué)研究院防火研究所根據(jù)地下車(chē)庫(kù)類(lèi)扁平空間的火災(zāi)特點(diǎn),提出利用射流風(fēng)機(jī)的誘導(dǎo)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助排煙的設(shè)想[3]。本文結(jié)合相應(yīng)的防火規(guī)范,通過(guò)對(duì)某高校地下機(jī)房煙氣擴(kuò)散的分析研究,針對(duì)其防排煙系統(tǒng)提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,對(duì)地下建筑的防排煙設(shè)計(jì)有著重要的借鑒意義。

2 地下建筑火災(zāi)煙氣的特點(diǎn)及流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律

2.1 地下建筑火災(zāi)煙氣的特點(diǎn)

1)煙氣量大,毒氣重。地下建筑處于封閉狀態(tài),空氣流通不暢,發(fā)生火災(zāi)時(shí)可燃物在缺氧條件下不完全燃燒,陰燃時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)生成大量濃煙。2)煙氣不易擴(kuò)散。地下建筑與外部連通的孔洞少且面積小,煙氣生成后不易擴(kuò)散。3)煙氣溫度高,易發(fā)生轟燃。地下建筑中熱煙氣流積聚,煙氣冷卻程度小且溫度提高較快,著火房間的溫度可高達(dá)1000℃以上,同時(shí)高溫?zé)釤煔饬鞯捏w積膨脹快,壓力增加快,極易產(chǎn)生轟燃。

2.2 地下建筑火災(zāi)煙氣的流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律

地下建筑物內(nèi)煙氣流動(dòng)的形成是由于風(fēng)和各種通風(fēng)系統(tǒng)造成的壓力差,以及由于溫度差造成氣體密度差而形成的煙囪效應(yīng),其中溫差和溫度變化是煙氣流動(dòng)最為重要的因素。

當(dāng)?shù)叵陆ㄖ囊粋€(gè)房間發(fā)生火災(zāi)時(shí),燃燒產(chǎn)生的煙氣上升到天花板,到達(dá)頂部后轉(zhuǎn)向四周呈水平方向擴(kuò)散,上部煙層逐漸變濃增厚,其下界面也就逐漸下降,當(dāng)煙氣層下界面降低到房間的開(kāi)著的門(mén)或窗孔上部邊緣時(shí),煙氣流出門(mén)或窗口,涌向地下的走道。只有單一出口的地下建筑,煙氣從唯一的出入口排放,形成上部排煙,下部進(jìn)氣的中性帶,隨著煙霧流量的增大,中性帶降低,空氣進(jìn)入減少,室內(nèi)燃燒速度開(kāi)始緩慢;具有兩個(gè)以上出入口的地下建筑,離火源近的出入口煙霧濃,中性帶很低,離火源遠(yuǎn)的出入口煙霧淡,中性帶稍高。煙氣在火災(zāi)發(fā)展階段水平方向上擴(kuò)散速度可達(dá)到0.3 m/s～0.8 m/s,在垂直方向上的擴(kuò)散速度通常為1m/s～ 5 m/s。

3 某高校地下機(jī)房煙氣擴(kuò)散模擬分析研究

3.1 機(jī)房概況

該計(jì)算機(jī)房總共為5個(gè)房間,如圖1所示,整體建筑被劃為一個(gè)防火分區(qū)及一個(gè)防煙分區(qū),不同的計(jì)算機(jī)房之間僅采用普通玻璃進(jìn)行分隔,且整個(gè)吊頂都是相通的,沒(méi)有采取合理的防火隔斷措施。

3.2 CFAST區(qū)域模擬分析

為定量研究此機(jī)房的排煙狀況,對(duì)比已有的煙氣測(cè)試結(jié)果得出有效的結(jié)論,采用CFAST軟件進(jìn)行模擬分析。CFAST[4]是一個(gè)能夠?qū)Χ喾块g結(jié)構(gòu)建筑環(huán)境的火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)的區(qū)域模擬工具,它能計(jì)算出在一個(gè)用戶(hù)設(shè)定的火災(zāi)環(huán)境中,隨著時(shí)間的推移火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散和貫穿建筑物的溫度。

1)3.2.1 區(qū)域模擬的初始設(shè)置

1)模擬區(qū)域的劃分:綜合考慮地下機(jī)房的功能及發(fā)生火災(zāi)后可能蔓延到的區(qū)域,共將機(jī)房模擬區(qū)域劃分為27個(gè)(如圖2所示);2)出入口的添加:共添加34個(gè)出入口,分別在各房間的門(mén)、區(qū)域與區(qū)域的連通處和機(jī)房的出入口處;3)機(jī)械排煙設(shè)施的添加:按照地下機(jī)房平面圖中關(guān)于防排煙的設(shè)計(jì)進(jìn)行添加,共設(shè)17個(gè)排煙口;4)基本參數(shù)設(shè)置:排煙口排煙量及風(fēng)速等按照規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置。房間1排煙量大小按14040m3/h計(jì)算,排煙口風(fēng)速按7 m/s計(jì)算;5)火源的位置和大小:火源位于區(qū)域21的中間位置,熱釋放速率隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1;6)由于測(cè)試排煙系統(tǒng),暫不添加自動(dòng)噴淋系統(tǒng)。

表1 火源熱釋放速率

3.2.2 CFAST模擬

通過(guò)CFAST6.1.1.54軟件模擬并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果,應(yīng)用MATLAB繪圖得到地下機(jī)房火災(zāi)中煙氣層的高度、上部煙氣層的溫度隨時(shí)間變化曲線。本次煙氣模擬重點(diǎn)討論4個(gè)區(qū)域,即與火源距離不同且人員較多的區(qū)域2,9,21,22,分兩種情況討論:

1)排煙系統(tǒng)失效,排煙口關(guān)閉情況下煙氣層高度,上部煙氣層的溫度隨時(shí)間變化曲線分別見(jiàn)圖3,圖4。

2)排煙系統(tǒng)正常啟動(dòng),排煙口開(kāi)啟情況下煙氣層高度,上部煙氣層的溫度隨時(shí)間變化曲線分別見(jiàn)圖5,圖6。

3.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明:當(dāng)煙氣層面高于人眼特征高度時(shí),若上部煙氣的熱輻射強(qiáng)度能夠?qū)θ藰?gòu)成傷害,就可以認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn);如果煙氣層面低于人眼特征高度,對(duì)人的危害是直接燒傷或吸入熱氣體,這種危險(xiǎn)狀態(tài)的煙氣溫度值約為383 K～393 K,即上部煙氣層的溫度388 K,下部煙氣層的溫度一般取333 K。人眼特征高度為1.2 m～1.8 m,取1.8 m。

從以上模擬可以看出:

1)根據(jù)CFAST火災(zāi)區(qū)域模擬軟件模擬所有區(qū)域在煙氣層下降到人眼特征高度的時(shí)間(排煙系統(tǒng)失效時(shí)),如表2所示。

表2 煙氣在各區(qū)域下降到人眼特征高度(1.8 m)的時(shí)間

2)排煙系統(tǒng)不能正常工作時(shí),煙氣層高度變化明顯,模擬區(qū)域21煙氣層高度開(kāi)始時(shí)快速下降,210 s時(shí)已經(jīng)下降到1.83 m,然后變化較慢,到模擬結(jié)束時(shí)下降到1.49 m;區(qū)域22煙氣層高度在開(kāi)始100 s沒(méi)有變化,之后急劇下降,210 s時(shí)下降到1.67 m,然后變化較慢,到模擬結(jié)束時(shí)下降到1.18 m。

3)排煙系統(tǒng)正常工作時(shí),煙氣層高度變化較小,最后控制在安全高度1.8 m以?xún)?nèi)。

4)兩種情況下,各區(qū)域上部煙氣層溫度變化并不明顯,主要是由于沒(méi)有考慮自動(dòng)噴水系統(tǒng)的影響,無(wú)法有效控制火勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某高校地下機(jī)房的煙氣模擬,綜合定性分析以及定量分析,將模擬結(jié)果和已有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,在火災(zāi)煙氣控制上,主要通過(guò)溫度、煙氣層高度、能見(jiàn)度等參數(shù)判斷出火災(zāi)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間,可以看出在模擬時(shí)改善排煙口的排煙量后能夠?qū)煔鈱涌刂圃诎踩叨纫詢(xún)?nèi)。由于此地下機(jī)房未設(shè)相對(duì)獨(dú)立的機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng),而且超過(guò)20m的內(nèi)走道未設(shè)排煙口,不滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[5]、實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第 2版)[6]的有關(guān)要求,應(yīng)該對(duì)此排煙系統(tǒng)進(jìn)行改造。由此可見(jiàn),分析研究火災(zāi)煙氣在地下建筑的擴(kuò)散,對(duì)進(jìn)行合理的防火、防排煙設(shè)計(jì),控制火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大,減少傷亡及財(cái)產(chǎn)損失具有重大指導(dǎo)意義。

[1]Peacock R.D.,Jones W W,Bukowski R.W..Verification of a model of fire and smoke transport[J].Fire Safety Journal,1993,21(2):89-129.

[2]Glenn P,Forney,Daniel Madrzykowski,et al.Understanding Fire and Smoke Flow Through Modeling and Visualization[J].IEEE Computer Graphics and Applications,2003(3):6-13.

[3]張靖巖,肖澤南.射流風(fēng)機(jī)用于地下車(chē)庫(kù)類(lèi)建筑防排煙的可行性探討[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(1):21-24.

[4]Richard D,Peacock,Walter W,et al.CFAST User's Guide Version 6[J].NIST Special Publication,2005(9):20-22.

[5]GB 50016-2006,建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[6]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.