改造工程中樓梯間防煙方式的FDS模擬研究

鄭 華

(石嘴山市消防支隊，寧夏 石嘴山 753000)

改造工程中樓梯間防煙方式的FDS模擬研究

鄭 華

(石嘴山市消防支隊，寧夏 石嘴山 753000)

在改造工程中，低層建筑的樓梯間無法滿足規范要求的自然排煙方式，若嚴格按照國家標準的要求又要增加前室，涉及結構、土建方面改造工程量較大。運用FDS模擬在樓梯間采用直灌式加壓送風系統或者在樓梯間頂層設有一定的自然通風有效面積的防煙效果，與現行規范要求相比較，研究在不具備設置加壓送風豎井的條件時，樓梯間采用直灌式加壓送風系統的可行性。

直灌式加壓送風；防煙；FDS模擬

樓梯間是火災發生后人員逃生的主要通道，火災所產生的煙氣會隨著人員逃生而進入樓梯間，樓梯間加壓送風是否合理則是避免煙氣進入樓梯間的關鍵。筆者在實際工程消防設計審查中發現，許多改造工程，尤其是低層建筑的樓梯間，無法滿足建筑設計防火規范要求的靠外墻設置樓梯間，每5層內自然通風有效面積不應小于2.0 m2的自然排煙方式[1]。若嚴格按照國家有關消防技術標準的要求又要增加前室、送風豎井等，涉及結構、土建方面改造工程量較大，實施有一定的難度。直灌式送風取消了傳統的建筑豎井送風，是采用安裝在建筑頂層的風機直接通過上下暢通的樓梯間進行送風的一種防煙形式。

1 數值模擬試驗設計

FDS由美國國家標準技術研究所(NIST)開發，能用數值計算的方法解適用于低速、熱驅動氣流的N-S方程，可模擬三維空間內煙氣的速度、溫度和煙氣流動情況[2-3]。本文運用FDS模擬在樓梯間采用直灌式加壓送風系統或者在樓梯間頂層設有一定的自然通風有效面積的防煙效果，與現行規范規定的靠外墻的敞開樓梯、封閉樓梯間、防煙樓梯間，每5層內自然通風有效面積不應小于2.0 m2相比較。基于此，在數值模擬的基礎上，論證在不具備設置加壓送風豎井的條件時，樓梯間采用直灌式加壓送風系統的可行性。

1.1 試驗模型的建立

在建立模型時沒有參照工程實例，而是建立了一部只有5層的樓梯，樓梯寬度為1.8 m；在一層樓梯旁邊設置了一個15 m×12 m的房間，房間高3.5 m，火災發生在房間內，火源位置在房間中間。火源的設置為穩定火，火災規模為0.5 MW，燃燒材料為木材。初始時刻，環境溫度為24 ℃，壓力為1個標準大氣壓，模擬時長為600 s。在模擬火災情況時，只有一層樓梯的門是開的，其他各層的門是關閉的。

1.2 試驗工況的設計

在模擬中設計三種工況，研究煙氣在樓梯間中的蔓延情況，模擬時間為600 s。(1)工況1：按規范規定，樓梯每5層內可開啟排煙窗的總面積不應小于2.0 m2，在試驗中設置為2.0 m2。(2)工況2：沒有可開啟的外窗，在樓梯頂部設有一定面積的開口，可開啟面積為2.0 m2。(3)工況3：沒有可開啟的外窗，在樓梯頂部設有直灌式送風系統，直灌式加壓送風系統的送風量比計算值增加了20%，風口1 m2，風速6.2 m·s-1。

2 數值模擬結果及數據分析

2.1 工況1模擬結果

2.1.1 計算模擬結構圖

通過FDS進行建模，計算模擬結構如圖1所示。

圖1 工況1計算模擬結構圖

2.1.2 煙氣分布圖

通過FDS對火災場景煙氣運動進行動態模擬，得到火災場景模擬過程中的煙氣分布結果如圖2所示。由圖2可見，模擬過程中，煙氣進入樓梯后，由于每層樓梯均有一定面積的排煙窗，煙氣在樓梯內分布比較均勻；在煙氣充滿樓梯間時，由于每一層均可以進行自然排煙，煙氣的聚集比較緩慢，整個樓梯間始終有一定的能見度。

圖2 工況1煙氣分布圖

2.2 工況2模擬結果

2.2.1 計算模擬結構圖

通過FDS進行建模，計算模擬結構如圖3所示。

圖3 工況2計算模擬結構圖

2.2.2 煙氣分布圖

通過FDS對火災場景煙氣運動進行動態模擬，得到火災場景模擬過程中的煙氣分布結果如圖4所示。由圖4可知，模擬過程中，煙氣分布不均勻，接近開口(排煙口)的地方煙氣比較稀薄，有一定的能見度；離開口(排煙口)距離越遠，煙氣濃度越大，能見度越低，達不到要求。

圖4 工況2煙氣分布圖

2.3 工況3模擬結果

2.3.1 計算模擬結構圖

通過FDS進行建模，計算模擬結構如圖5所示。

2.3.2 煙氣分布圖

通過FDS對火災場景煙氣運動進行動態模擬，得到火災場景模擬過程中的煙氣分布結果如圖6所示。由圖6可知，模擬過程中，由于樓梯間內有直灌式送風，一直保持有正壓，所以煙氣一直沒有進入樓梯間，樓梯間維持一個較高的能見度水平。但是在現實中，有可能其他樓層的門不能保持關閉，還有各種縫隙的漏風也會有一定的影響，需要綜合考慮。

圖5 工況3計算模擬結構圖

圖6 工況3煙氣分布圖

3 結論

通過對樓梯間每5層內可開啟外窗面積為2.0 m2、樓梯間頂部開口2.0 m2、樓梯間直灌式加壓送風系統的FDS數值模擬的試驗可以得知，在對不具備設置加壓送風豎井條件的樓梯間改造工程中，采用直灌式加壓送風系統具有可行性。在設計過程中應注意：(1)在改造工程中樓梯間采用直灌式機械加壓送風方式時，加壓送風機的風量上下限選取應按層數、風道材料、防火門漏風量等因素綜合比較確定。(2)直灌式機械加壓送風方式送風量應按保持加壓部位規定正壓值所需的漏風量或門開啟時保持門洞處規定風速所需的送風量計算，并考慮一定的余量，建議送風量增加20%。(3)加壓送風口不宜設在影響人員疏散的部位。

[1] GB 50016—2006,建筑設計防火規范[S].

[2] Kevin McGrattan.Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical Reference Guide[M].Washington:Government Printing Office,2004.

[3] Kevin McGrattan, Glenn Forney.Fire Dynamics Simulator (Version 4) User’s Guide[M].Washington:Government Printing Office,2005.

(責任編輯 馬 龍)

A FDS Simulation Study on the Way of Preventing Smoke from the Staircase in a Project Being Renovated

ZHENG Hua

(ShizuishanMunicipalFireBrigade，NingxiaAutonomousRegion753000，China)

In a project being renovated, especially in low building staircases cannot meet the requirements specification of natural smoke exhausting. Being renovated in strict accordance with the national standards, a renovation project needs a large amount of work. The FDS simulation is done in the stairwell with a direct pressurized air system or in the stairs top with a certain natural ventilation area in accordance with the current specification. Compared with a smoke effect study in which it does not have to set a pressurization ventilation shaft, this simulation study intends to figure out whether it is feasible for the staircase to be direct with a pressurized air system.

direct pressurization; smoke prevention; FDS simulation

2015-04-10

鄭華(1972— )，男，寧夏中寧人，高級工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)10-0021-03