移動式排煙機在地下超市火災中的排煙效果

楊 華

(濟南市消防支隊，山東 濟南 250100)

移動式排煙機在地下超市火災中的排煙效果

楊 華

(濟南市消防支隊，山東 濟南 250100)

以某地下超市為研究對象，應用數值模擬方法，對滅火救援中通常采用的移動式排煙機對該場所火場排煙的作用進行了研究。考慮火場中機械排煙系統正常啟動和未啟動兩種情況,分別針對排煙量為36 000和45 000 m3·h-1兩種較常用的移動式排煙機進行了討論，對火場中不同的排煙策略進行了分析，并得到相關結論，為此類地下超市采用移動式排煙機進行火場排煙時排煙方式的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

滅火救援；移動式排煙；地下超市；火場排煙

0 引言

地下建筑由于在自然排煙設施設置、人員疏散以及滅火救援開展等諸多方面存在困難，一旦發生火災，撲救難度遠遠大于地上建筑。對于地下建筑的火災撲救而言火場排煙尤為重要。在火場中，采取正確而及時的排煙措施，可以有效地排除建筑內的煙氣，輔助滅火救援行動的開展，增加被困人員的存活幾率。移動式排煙是地下建筑火災時滅火救援人員進入起火部位進行滅火戰斗時常用的排煙手段。在火災發生時，如果建筑內的固定排煙設施即建筑內機械排煙系統有效，應用移動式排煙機進行火場排煙是對固定排煙設施的重要輔助和補充。建筑內機械排煙系統因火災失效的情況下，移動式排煙機將承擔對建筑物內火災煙氣控制的任務。本文針對地下超市某一具體場景，結合當前基層消防中隊移動式排煙機的配備情況，通過數值模擬方法對不同機械排煙系統狀態下、應用不同排煙量的移動式排煙機、采用不同火場排煙策略時的排煙效果進行分析，為火場移動排煙策略的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

選擇位于地下一層某超市作為研究對象，該超市防火分區面積2 000 m2，無開設自然排煙設施條件，全部采用機械排煙設施進行排煙。該防火分區共分為6個防煙分區，機械排煙系統按照該建筑建設時適用的《建筑設計防火規范》(GB 50016—2006)進行設計，單位排煙量為120 m3·h-1·m-2。該地下超市的機械排煙口、安全出口設置位置、防煙分區劃分及防火分區如圖1所示。

1.2 數值計算模型

圖1 某地下超市防火分區及防煙分區示意圖

通過數值模擬方法對火場排煙進行模擬分析研究，與實體實驗相比節省人力物力，且可以對多種火場排煙策略和方案進行模擬對比，是一種開展虛擬訓練、為火場移動排煙策略的選擇和滅火救援方案的制定提供參考的既有效又經濟的方法。火災數值模擬程序FDS(Fire Dynamics Simulator)應用于模擬火災煙氣蔓延的有效性已經得到了廣泛、深入的研究和驗證[1]。地下超市中火災煙氣的蔓延可以通過納維爾·斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)進行描述。FDS采用大渦模擬(LES)對控制方程進行求解，并且在空間和時間上具有較好的二階精度[2-3]。動力粘度、熱傳導率和物質擴散系數是LES中影響模擬結果質量的三個重要參數。這三個參數在實際模擬中無法直接應用，Smagorinsky給出了LES中體現這三個參數對控制方程影響的近似表達式[4]。他們給出的動力粘度μ表達式為：

式中，CS為Smagorinsky常數，不同流場的CS取值范圍在0.1～0.25之間。前人的研究表明，對于建筑火場中的火災煙氣強浮力羽流，CS取0.18時實驗數據與仿真結果有很好的一致性[5]。

熱傳導率和物質擴散系數與湍流粘度的關系可以用下式表達：

式中，Pr和Sc分別為Prandtl數和Schmidt數。Prandtl數和Schmidt數對于模擬火災煙氣蔓延和計算煙氣層高度有重要作用。根據前人對于隧道內熱浮力驅動流的研究結果[6]，當Pr和Sc分別取0.2和0.5時，煙氣層高度的模擬計算值與實驗結果有很好的一致性。因此，在本文研究中，Pr和Sc分別取0.2和0.5。

LES中的網格尺寸需要足夠小，以便能夠涵蓋更多的與大渦運動有關的湍流尺度[2]。FDS推薦了一個用來衡量網格尺寸劃分和湍流求解好壞與否的無量綱數[1]，該無量綱數由特征火源直徑除以網格尺寸得到，即D*/δx。其中特征火源直徑表示為：

美國核管制委員會開展的驗證研究建議，D*/δx值應在4～16之間[7]。本研究中網格尺寸為0.25×0.25×0.25，計算區域共包括175 000個網格單元。設定的火源功率為1.8MW。通過計算可知D*/δx的值在4～16的范圍內。CO濃度是火災安全風險評估的重要參數，本文應用混合物分數燃燒模型對CO濃度進行模擬。

2 火災場景及火場排煙方案設置

本文共設置了8個火災場景及火場排煙方案，設置1個火源位置，如表1所示。由于該區域的可燃物主要是商品，發生火災時為快速火，火災增長速率α取0.046 89kW·s-2。參考《上海市工程建設規范——建筑防排煙技術規程》(DGJ08-88—2006)中給出的各類場所熱釋放速率值，考慮該場景火災熱釋放速率按照設有噴淋的超市設計，同時又考慮到該地下超市的自動噴水滅火系統采用快速響應噴頭，因此熱釋放速率設計為1.8MW。在該場景中，設計火災以快速火增長到1.8MW，以后持續以1.8MW的熱釋放率穩定燃燒。根據基層消防中隊所配備的移動排煙設備的實際情況，其排煙量基本在45 000m3·h-1以下，因此本研究選取了排煙量為36 000和45 000m3·h-1兩種較常用移動式排煙機展開模擬計算。對于固定排煙設施，本文考慮正常啟動和失效兩種狀態。

表1 火災場景及火場排煙方案

針對此類地下超市建筑，滅火救援中通常采用水平排煙方式，較為常用的包括正壓送風排煙和負壓式排煙[8]。在火場排煙實際應用中，利用移動式排煙機進行正壓送風使用頻率較高。正壓送風可以有效控制地下建筑內火災煙氣蔓延，同時也可以為開展內攻的消防員尋找起火部位和開展滅火救援提供更高能見度和安全性的滅火救援條件。負壓式排煙多用于滅火戰斗結束后清理火場。本文結合正壓送風排煙和負壓式排煙兩種方法的特點，選擇使用正壓送風排煙和負壓式排煙相結合的火場排煙方案。由于該地下超市東西方向進深較長，南北方向開間較短，本文分別選擇在安全出口A進行正壓送風、在安全出口B、C負壓式排煙(方案1)以及在安全出口A進行負壓式排煙、在安全出口B、C正壓送風(方案2)兩種火場排煙方案。考慮到消防滅火救援力量到場時間以及戰斗展開時間，移動式排煙機啟動的時間保守設為起火后600s。對于其他火場排煙方案，將在下一步研究中進行深入探討。

3 模擬結果與分析

選取CO濃度和能見度作為分析火場排煙作用的指標。BS7974和SFPE針對CO濃度和能見度分別給出了相應的安全性標準，當CO濃度大于500ppm或能見度小于10m時即為危險狀態。研究表明BS7974和SFPE給出的安全性標準適用于界定火場中被困人員和滅火救援人員的安全狀態[9-10]。下文針對地下一層地面以上2m處的CO濃度和能見度進行分析。

3.1 固定式機械排煙系統啟動

3.1.1 移動排煙量45 000m3·h-1

移動式排煙量設置為45 000m3·h-1時，通過模擬對比火災場景1和場景2的CO濃度分布和能見度分布可知，火災煙氣在火災發生后迅速蔓延，300s時安全出口B處由于走道狹窄出現CO積聚，濃度超過500ppm，安全出口B處能見度低于10m。在600s時，安全出口A和B附近均出現較大區域CO濃度大于500ppm，能見度低于10m。但是由于機械排煙系統的作用，防火分區內部基本處于安全狀態。630s時，兩個場景中的CO濃度均有所降低，能見度均有所提高。但場景1的排煙效果優于場景2的排煙效果。

3.1.2 移動排煙量36 000m3·h-1

移動式排煙量設置為36 000m3·h-1時，通過模擬對比火災場景3和場景4的CO濃度分布和能見度分布可知，火災煙氣在發展到600s時的趨勢與場景1和場景2類似，防火分區內部基本處于安全狀態。630s時，兩個場景中的CO濃度均有所降低，能見度均有所提高。由于移動式排煙量比場景1和場景2小，場景3和場景4的火場排煙效果分別與場景1和場景2相比較差。采取方案1的場景3的排煙效果基本滿足火場排煙要求，而采用方案2的場景4的排煙效果不理想。

3.2 固定式機械排煙系統未啟動

3.2.1 移動排煙量45 000m3·h-1

移動式排煙量設置為45 000m3·h-1時，通過模擬對比火災場景5和場景6的CO濃度分布和能見度分布可知，由于機械排煙系統未啟動，火災煙氣在封閉空間內迅速蔓延，煙氣層迅速沉降。300s時安全出口A和B處的CO濃度均已經超過500ppm，安全出口A和B處均出現能見度低于10m的區域。600s時整個防火分區CO濃度全部超過500ppm達到危險狀態，能見度全部達到危險狀態。630s時，兩個場景中的CO濃度均有所降低，但是排煙效果均不理想。采取方案1的場景5中，除了進行正壓送風的安全出口A與火源之間的區域可以保障CO濃度低于500ppm、保障較高能見度以外，其他區域CO濃度均較高、能見度均較低；采取方案2的場景6中，除了局部區域CO濃度略低于500ppm外，大部分區域火場排煙效果不明顯。

3.2.2 移動排煙量36 000m3·h-1

移動式排煙量設置為36 000m3·h-1時，通過模擬對比火災場景7和場景8的CO濃度分布和能見度分布可知，火災煙氣在發展到300s和600s時發展趨勢與場景5和場景6情況類似，在600s防火分區全部處于危險狀態。630s時，采取方案1的場景7移動式排煙機可以保障進行正壓送風的安全出口A附近CO濃度低于500ppm、能見度高于10m，而采用方案2的場景8的排煙效果不佳。

4 結論

從模擬結果來看，當固定式機械排煙系統正常開啟時，在600s的時間范圍內，機械排煙系統可以保障防火分區絕大部分面積處于安全狀態。當機械排煙系統不能正常啟動時，防火分區內部分區域在300s時已處于危險狀態，600s時防火分區全部處于危險狀態。說明固定式機械排煙系統的正常啟動對于火災煙氣控制至關重要。相關消防安全責任主體單位和消防設施維護保養單位應按相關規范制定詳盡的消防設施管理和維護保養措施，進行定期維護保養，確保固定消防設施正常工作。消防戰訓部門應強化“防消聯勤”工作模式，強化消防戰訓部門對轄區單位內部固定消防設施情況的熟悉工作。

機械排煙系統正常啟動情況下，移動式排煙量為45 000m3·h-1時，采取排煙方案1和方案2均能有效排煙；移動式排煙量為36 000m3·h-1時，采取排煙方案1時火場排煙效果可以滿足火場排煙要求，采用方案2排煙效果不佳。機械排煙系統不能正常啟動時，移動式排煙量為45 000m3·h-1時，采取火場排煙方案1可以保障安全出口A與火源之間區域處于安全狀態，采取方案2時排煙效果不佳；移動式排煙量為36 000m3·h-1時，采取火場排煙方案1可以保障安全出口A附近處于安全狀態，采用方案2排煙效果不佳。從模擬計算結果來看，無論采取何種火場排煙方案及移動式排煙量，當時間達到900s時所達到的排煙效果基本趨近一致，但對于時間十分寶貴的滅火救援行動而言，能夠在更短的時間內達到排煙效果從而為滅火戰斗和被困人員救援提供有力保障，無疑是十分重要的。因此，當該地下超市起火位置如本文設定的位置時，火場排煙方案1明顯優于方案2。此類地下超市開展火場排煙時，應盡量使正壓送風和負壓排煙風機設置于有利于使火場在進深方向形成縱向通風的位置，且應使負壓排煙量大于或等于正壓送風量。

由于火場排煙效果與火源位置、固定式機械排煙系統排煙口位置、防火分區平面和防煙分區劃分等多種因素有關。針對以上因素對于此類地下超市火場排煙作用的影響，還有待進一步研究。本文中基于FDS數值模擬的研究結果可為此類地下超市火場采用移動式排煙機開展排煙時排煙方式的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

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[10] Society of Fire Protection Engineers. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering,2008 Edition[K]. National Fire Protection Association, Quincy, MA,2008.

(責任編輯 馬 龍)

Study on Smoke Extraction Functions of Mobile Smoke Ventilator in the Underground Supermarket Fire

YANG Hua

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250100,China)

Based on the numerical simulation method, the study on smoke extraction functions of mobile smoke ventilator which is common-used in the firefighting of the underground supermarket fire was conducted. Two common types of exhaust volume were discussed, namely 36 000 and 45 000 m3·h-1. The different fire ventilation strategies in a specific fire scenario were analyzed. The effect of mechanical smoke extraction system was considered. The results are applicable to the selection of smoke extraction method of mobile smoke ventilator and formulation of firefighting and rescue plan in such kind of underground supermarket fire.

firefighting and rescue; mobile smoke ventilator; underground supermarket; fire smoke extraction

2015-07-16

楊華(1986— )，男，山東泰安人，工程師，工學博士。

TU892

A

1008-2077(2015)10-0017-04