排煙量和送風比對地下街煙氣控制的模擬研究

摘要：以淮南市某地下商業街其中一防火分區為研究對象，采用模擬軟件FDS進行了火災煙氣控制的數值模擬，對頂棚機械排煙條件下，排煙量和送風比對室內火災煙氣有效控制的影響進行了研究，模擬分析結果表明，在頂棚機械排煙時，排煙量對室內煙氣控制的影響較大。當排煙量為115m3/（m2·h）時，可以達到很好的煙氣控制效果，送風比對此的影響較小；當排煙量和送風比過大時，使室內煙氣紊流加劇，火場情況混亂。研究結果為此類狹長型地下建筑火災的控制和人員疏散提供參考。

關鍵詞：頂棚機械排煙；FDS數值模擬；煙氣控制；排煙量；送風比

中圖分類號：X924.4文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0071-04

作者簡介：劉曉潔（1987-），女，河南滑縣人，在讀碩士，研究方向為安全理論與技術。

隨著我國城市化進程發展和人口增長，地下建筑得到了廣泛開發和充分利用。地下商業建筑向地面開口面積小，人員密集，通常處于通風不良的狀態。火災發生時溫度升高和火災蔓延傳播快，生成大量的煙氣和有毒有害氣體。因此必須對火災煙氣實施有效的控制措施。

目前針對地下空間火災煙氣運動和控制的研究，大多針對排煙口位置和排煙量對煙氣分布規律的研究[1-2]，而關于排煙量和送風比對煙氣分布規律影響的研究尚較少。本文采用FDS5.4軟件，對不同排煙量和送風比對地下商業街火災煙氣控制效果進行模擬對比和研究，以期為此類建筑的火災預防和煙氣控制提供指導。

1物理模型

選取淮南市某地下商業街的一個防火分區為對象建立模型（見圖1）。該防火分區長75m，寬21m，高3.5m，設有兩個大小相同的疏散口，寬3m，高3.5m，排煙口設為5個，每個排煙口長0.8m，寬0.6m，高3.5m；補風口設為10個，每個補風口長0.4m，寬0.4m，高3.5m。

2火災場景及工況參數設定

考慮較為不利的火災場景，取火災荷載密度q=600MJ/m2[3]。采用t2增長模型，火源最大熱釋放速率為8MW，火源面積為4m2，距離地面0.3m，火災增長系數由下式[4]確定。計算得α=0.1145，即Q=0.1145t2。

采用模擬軟件FDS5.4進行計算，對墻壁、地面與頂棚均采用厚壁假設，環境溫度取20℃。對于有疏散口或機械排煙的工況，假設在起火時刻即t=0時即開始工作。

3模擬結果與分析

1）煙氣層高度分析。室內發生火災時，室內環境分為上部空間熱浮力作用下的煙氣層和下部空間的冷空氣層。火源上方形成向上流動的火羽流不斷卷吸冷空氣層中的新鮮空氣，并將其運輸到煙氣層中，煙氣層界面將不斷下降。煙氣層只有保持在人群頭部以上，才能保證人員不受到煙氣熱流輻射的威脅。當煙氣層高度保持2m以上時，人員可以安全疏散[7]。

工況1時，煙氣層高度在起火時間為100s時開始下降，400s后穩定在0.5m；工況6時，煙氣層高度在起火時間為120s時開始下降，250s后高度穩定在1.5m；工況2時，煙氣層高度在起火時間為150s時下降并最終穩定在1.9m；工況5時，煙氣層高度控制效果不明顯，煙氣紊流加劇，火災現場混亂程度加重；當送風比為60%（工況2）時，曲線圖分析如上所述；工況3時，120s時煙氣層高度開始下降，300s后趨于穩定，控制在1.8m。工況4時，130s時煙氣層高度開始下降，但是波動很大，基本可以控制在1.9m（見圖2）。說明排煙量為115m3/（m2·h）時煙氣層高度控制效果最好，送風比對煙氣層高度的影響不如排煙量明顯。

2）能見度分析。火災產生的煙氣中含有大量的固體顆粒和水蒸汽，這些成分對光線有減弱作用，使火場內的能見度降低。能見度的降低使人不能迅速辨識方向逃離火場，嚴重影響了火災中人員的安全疏散。人們處于不熟悉的環境時，能見度不小于10m為安全狀態[8]。

工況1沒有實施機械排煙，火場內能見度在100s時降至10m以下，工況6實施機械排煙，能見度在200s時降至10m以下。繼續增大排煙量（即工況2），能見度高度270s時下降到10m以下。工況5時，排煙量增大至150m3/（m2·h），這時可以發現，能見度在290s時下降到10m以下，不如工況2影響明顯（見圖3a），工況2、工況3能見度基本都在280s左右降至10m以下，工況4能見度在290s時降至10m，工況2～工況4的能見度最終分別穩定在2.5m、3.2m、3.4m（見圖3b）。說明送風比對能見度的影響大大小于排煙量對其的影響。

3）溫度分析。室內火災發生時，大量可燃物質在燃燒產生煙氣的同時，放出大量的熱，導致煙氣溫度急劇上升。對人員造成傷害。取2m以下空間內的煙氣溫度不超過60℃為相對安全狀態[9]。

工況6在180s時測點溫度達到60℃，最高溫度140℃；工況2在220s時測點溫度達到60℃，最高溫度94℃；工況5在260s測點溫度達到60℃，最高溫度80℃，但是在模擬時間的最后100s內溫度變化較大（見圖4）。這說明在送風比相同時，適當增大排煙量，可使煙氣溫度得到有效控制。工況2～工況4測點溫度隨時間變化趨勢大致相同，各工況中測點溫度達到60℃的時間和最高溫度相差不大。這說明送風比對溫度隨時間變化影響很小。

4結論

1）頂棚機械排煙條件下，機械排煙量對室內煙氣控制影響明顯。適當增加排煙量對室內煙氣層高度、能見度及煙氣溫度有很好的控制效果。但是當排煙量過大時，對三者影響較小，反而會使得火場內紊流更加混亂，當機械排煙量為115m3/（m2·h）時可以取得較理想的煙氣控制效果。

2）頂棚機械排煙條件下，送風比對于室內煙氣控制影響并不明顯，提高送風比可以使能見度有0.7m左右的提升，但是對室內煙氣層高度控制和溫度控制并沒有良好的效果。在同等條件下，建議使用不大于70%的送風比。

參考文獻：

[1]袁書生，張健.地下商場內火災煙氣運動及控制的大渦模擬[J].中國科學技術大學學報，2007，37（1）：61-69.

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[4]宋文華，劉子萌，王鵬.公共聚集場所防火設計中的火災場景設計研究[J].中國安全科學學報，2008，18（11）：85-90.

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[9]李引擎.建筑防火性能化設計[M].北京：化學工業出版社，2005：6-8.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）