熱障效應(yīng)對有頂步行街自然排煙的影響*

張　新，徐志勝，冉啟兵,2，倪天曉,2，彭錦志,2

(1.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙 410075；2. 長沙科銳消防工程技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410007)

0　引　言

近年來，國內(nèi)掀起了一股建設(shè)有頂商業(yè)步行街的熱潮。有頂商業(yè)步行街建筑在朝著功能綜合化、規(guī)模擴(kuò)大化、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜化發(fā)展的過程中，給消防設(shè)計(jì)帶來了全新的挑戰(zhàn)[1-2]。有頂商業(yè)步行街的快速發(fā)展引發(fā)的消防安全問題引起了國內(nèi)學(xué)者及行業(yè)人員高度關(guān)注，并對有頂商業(yè)步行街建筑火災(zāi)問題從多個方面進(jìn)行了研究。目前的研究多基于商業(yè)步行街的火災(zāi)危險(xiǎn)性、防火分隔要求、消防撲救、“亞安全區(qū)”的可行性等方面[3-7]。

對于有頂商業(yè)步行街的排煙設(shè)計(jì)，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2006[8]和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50045-95(2005年版)[9]均未作出明確規(guī)定，2015年5月開始實(shí)施的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014規(guī)定了有頂商業(yè)頂棚應(yīng)設(shè)置自然排煙設(shè)施并宜采用常開式的排煙口，且自然排煙口的有效面積不應(yīng)小于步行街地面面積的25%[10]。

自然排煙的驅(qū)動力主要來自于室內(nèi)外溫差形成的壓差，室內(nèi)上部熱煙氣層與室外溫差越大，壓差越大，煙氣越易于排出。然而，在炎熱的夏季，在太陽輻射和室外熱空氣作用下，屋頂?shù)目諝鉁囟戎饾u升高，最終在頂棚下方形成一定厚度的熱空氣層，并在室內(nèi)形成自下而上溫度升高的溫度梯度場。火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣在浮力的作用下上升的過程中，卷吸空氣，溫度逐漸降低，屋頂?shù)臒峥諝鈱訉⒊蔀闊煔庀蝽斉锷仙恼系K，這種現(xiàn)象稱為“熱障效應(yīng)”[11]。顯然，熱障效應(yīng)將會對自然排煙效果產(chǎn)生一定的影響，因此，在現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)定有頂商業(yè)步行街頂棚開設(shè)自然排煙口進(jìn)行自然排煙的背景下，研究熱障效應(yīng)對有頂步行街自然排煙的影響是非常必要的。本文對不同高度及不同環(huán)境溫度條件下有頂商業(yè)步行街自然排煙時頂棚附近的溫度、能見度以及排煙效率進(jìn)行分析，探討熱障效應(yīng)對有頂商業(yè)步行街自然排煙產(chǎn)生的不利影響。

圖1　某商業(yè)綜合體一層平面Fig.1　The first floor plan of a commercial complex

1　計(jì)算參數(shù)及火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

本文采用美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS6.0進(jìn)行數(shù)值模擬研究。FDS是基于場模擬的火災(zāi)模擬軟件，采用先進(jìn)的大渦模擬技術(shù)，已得到大量試驗(yàn)及實(shí)例的驗(yàn)證，在消防工程研究領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[12-15]。

1.1　有頂商業(yè)步行街模型尺寸

本文以某商業(yè)綜合體為背景進(jìn)行相關(guān)研究。該商業(yè)綜合體建筑層數(shù)4層，建筑高度20 m，每層建筑面積約為13 500 m2，其中步行街區(qū)域尺寸為200 m×15 m×20 m，由一個圓形和兩個矩形中庭組成，步行街兩側(cè)以小型商鋪為主，兩側(cè)商鋪之間間距為15 m，兩端各一個主出入口，其上各層設(shè)置玻璃幕墻，玻璃幕墻為可開啟外窗的形式，火災(zāi)時可開啟外窗進(jìn)行輔助通風(fēng)、排煙，其建筑平面如圖1所示。

1.2　網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格精度對火災(zāi)模擬結(jié)果影響較大，精度越高，結(jié)果越精確，但是時間也成指數(shù)增長，經(jīng)過大量的研究結(jié)果表明，模擬時采用0.1D*的網(wǎng)格尺寸較為合理，D*是火源特征直徑，通常用下式計(jì)算：

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為環(huán)境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

假設(shè)火源位于有頂商業(yè)步行街中庭內(nèi)，參考上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》DGJ08-88-2006[16]，設(shè)有噴淋的中庭火源熱釋放量為1.0 MW，考慮2.0倍安全系數(shù)，則最大火源熱釋放量為2.0 MW，據(jù)此計(jì)算得到D*約為1.26 m，數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格取為0.1 m，能夠滿足計(jì)算精度的要求。

1.3　數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

1.3.1火源參數(shù)

設(shè)定火源燃燒物質(zhì)為丙烷，單位面積熱釋放量為500 kW，火源面積4 m2，火災(zāi)按照t2快速火發(fā)展(火災(zāi)增長系數(shù)0.046 89 kW/s2)，火災(zāi)在206.5 s時刻達(dá)到最大熱釋放速率并保持穩(wěn)定。

1.3.2頂棚空氣溫度

假設(shè)室內(nèi)地面附近的空氣溫度為293 K(20℃)，密度為1.2 kg/m3，考慮建筑頂棚附近空氣由于太陽熱輻射和外界熱空氣的熱對流作用下的溫度升高到50℃，45℃，40℃，35℃，30℃和25℃共6種不同情況，則研究工況設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　不同頂棚附近溫度工況

1.4　火羽流最大高度計(jì)算

根據(jù)《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》(Third Edition)第二部分第一章：火羽流、火焰高度和空氣卷吸[17]，如果環(huán)境空氣豎直方向上存在溫度梯度而分層時，也就是說建筑內(nèi)屋頂下方的空氣因?yàn)槭艿教栞椛涞茸饔脤?dǎo)致溫度升高，高于建筑內(nèi)地面附近的溫度時，就會影響火災(zāi)產(chǎn)生的羽流的上升，手冊提供了計(jì)算火災(zāi)產(chǎn)生的羽流能夠升高的最大高度。

(2)

表2　不同步行街凈空高度工況

2　熱障效應(yīng)對自然排煙效果的影響分析

2.1　熱障效應(yīng)對自然排煙效果的影響

圖2所示為距有頂商業(yè)步行街頂棚下方0.5 m處的能見度在水平方向的分布情況，當(dāng)頂棚附近空氣溫度為25℃，30℃，35℃，40℃，45℃和50℃時，步行街頂棚下方能見度分別在距離火源位置約135 m，105 m，95 m，85 m，55 m和45 m處時升高到30 m，也就是說基本沒有煙氣到達(dá)該位置。

圖2　距頂棚下方0.5 m處能見度在水平方向的變化規(guī)律Fig.2　Changes of visibility 0.5 m below ceiling in horizontal direction

在距離火源位置15 m處的能見度豎直方向上的變化如圖3示，從圖中可以得出，隨著頂棚附近空氣溫度增加，相同高度處的能見度逐漸降低。當(dāng)頂棚附近空氣溫度從25℃升高到35℃時，能見度為30 m的高度由15 m降低到9 m，當(dāng)頂棚附近溫度從35℃升到50℃時，能見度為30 m的高度維持在9 m，但是在9 m以上的能見度隨著頂棚附近溫度的升高而降低，說明了隨著頂棚附近溫度的升高聚集的煙氣越來越多，即排出的煙氣越來越少。

圖3　火源位置15 m處能見度在豎直方向的變化規(guī)律Fig.3　Changes of visibility 15 m away from fire in vertical direction

2.2　熱障效應(yīng)作用下的自然排煙效率

自然排煙效率為由所有自然排煙窗排出的煙氣量占火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣量的百分比，用排煙窗排出的CO2質(zhì)量速率表征煙氣排出量，用火災(zāi)產(chǎn)生的CO2質(zhì)量速率表征煙氣生成量[18]。

在火災(zāi)數(shù)值模擬FDS中，其默認(rèn)的燃燒物為丙烷，丙烷的燃燒化學(xué)反應(yīng)式為：

C3H8+4.963O2→2.964CO2+3.998H2O+0.04Soot

(3)

丙烷燃燒熱值為47 284 kJ/kg，結(jié)合上述燃燒反應(yīng)方程式，計(jì)算得到火源功率為2.0 MW時，火災(zāi)單位時間內(nèi)生成的CO2量為0.125 kg/s。

根據(jù)模擬結(jié)果，頂棚附近溫度變化時，單位時間內(nèi)排出的CO2量及計(jì)算出的排煙效率見表3。

表3　排煙效率

排煙效率隨頂棚附近空氣溫度的變化如圖4示，從圖中可以看出，隨著頂棚附近空氣溫度的增加，排煙效率逐漸降低，且近似于線性關(guān)系，擬合得到的線性函數(shù)為y=133.18-1.8x(25≤x≤50)。

圖4　排煙效率隨頂棚附近空氣溫度的變化規(guī)律Fig.4　Changes of smoke extraction efficiency with environment temperature near ceiling

圖5　1 200 s時刻過火源中心能見度豎向分布Fig.5　Visibility distribution at the surface across fire source at 1 200 s

3　高度及熱障效應(yīng)作用下的自然排煙效果

3.1　能見度豎向變化規(guī)律

圖5給出了模擬時間1 200 s時刻過火源中心能見度豎向分布圖，從圖中可以看出，隨著步行街高度由20 m增加到40 m，能見度由2層變?yōu)?層，且分層越來越明顯，煙氣分別在距離火源水平距離70 m，59 m，42 m，20.5 m及15 m處難以達(dá)到頂棚，逐漸沉降，表明煙氣受到環(huán)境空氣熱分層影響趨于明顯。

當(dāng)步行街高度增加到35 m時，能見度在距火源位置約20.5 m處就開始出現(xiàn)分層，20.5 m以外的煙氣已不能達(dá)到步行街頂部，當(dāng)步行街高度增加到40 m，能見度出現(xiàn)分層的位置與35 m高度基本一致，但是沉降更低，僅火源正上方的煙氣能夠達(dá)到步行街頂部，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

3.2　溫度豎向變化規(guī)律

火源中心豎直方向上煙氣溫度與環(huán)境空氣的溫度差如圖6示，由圖可以看出，隨著步行街高度增加，步行街頂棚下方的溫度差逐漸降低，步行街高度為20 m，25 m，30 m，35 m和40 m時，頂棚下方1 m處的溫度差分別為：45.9℃，37.5℃，26.5℃，19.2℃和6.1℃，當(dāng)煙氣層溫度與環(huán)境空氣溫度差低于15℃時，此時的煙氣已經(jīng)基本失去浮力，會在空中滯留或沉降，自然排煙難以有效將煙氣排出至室外。在步行街高度為35 m，頂棚附近環(huán)境空氣溫度為45℃時，頂棚下方1 m處的煙氣層溫度與環(huán)境空氣溫度差為19.2℃，略大于15℃，而步行街高度為40 m時，煙氣層溫度與環(huán)境空氣溫度為6.1℃，遠(yuǎn)低于15℃，此時自然排煙將無法有效排出室內(nèi)煙氣。

圖6　火源中心豎直方向上溫度差Fig.6　Temperature difference above fire source in vertical direction

3.3　流速豎向變化規(guī)律

火源中心豎直方向上的氣流速度分布如圖7示，由圖可以看出，隨著步行街高度增加，豎向流速逐漸減小，且減小幅度逐漸增大，當(dāng)步行街高度分別為20 m，25 m，30 m，35 m和40 m時，其頂棚下方1 m處的流速分別約為3.0 m/s，2.5 m/s，1.8 m/s，1.1 m/s和0.3 m/s。當(dāng)步行街高度為40 m，頂棚附近環(huán)境空氣溫度為45℃時，頂棚下方1 m處的煙氣流動速度僅為0.3 m/s，煙氣幾乎剛好到達(dá)頂棚位置，自然排煙效果受熱空氣層的影響很大。

圖7　火源中心豎直方向上煙氣流速Fig.7　Smoke velocity above fire source in vertical direction

結(jié)合火源正上方步行街頂棚下的煙氣層溫度與環(huán)境空氣的溫度差，以及頂棚下的煙氣流動速度分析得出，當(dāng)步行街高度為35 m，頂棚附近環(huán)境空氣溫度為45℃時，煙氣層溫度與環(huán)境空氣的溫度差為19.2℃，煙氣流速為1.1 m/s，溫度差與流速相對較大；當(dāng)步行街高度為40 m，頂棚附近環(huán)境空氣溫度為45℃時，煙氣層溫度與環(huán)境空氣的溫度差為6.1℃，煙氣流速為0.3 m/s，溫度差與流速已經(jīng)很小，為保證自然排煙效果的有效性，在設(shè)定的火災(zāi)場景下，有頂商業(yè)步行街高度不宜大于35 m。

4　結(jié)論

1)當(dāng)有頂商業(yè)步行街建筑高度一定時，頂棚附近環(huán)境溫度越高，對自然排煙阻礙越大，自然排煙效果越差，自然排煙效率與熱空氣溫度呈現(xiàn)線性變化趨勢。

2)當(dāng)頂棚附近環(huán)境溫度一定時，有頂步行街高度越高，豎直方向的溫度差越小，煙氣流速越小，自然排煙效率越低。

3)當(dāng)頂棚附近環(huán)境溫度為45℃，步行街高度為35 m時的煙氣層溫度與環(huán)境溫度差及煙氣豎向流速均較大，但是當(dāng)高度增加到40 m時，煙氣層溫度差及煙氣豎向流速均很小，此時煙氣已基本無法到達(dá)步行街頂部，自然排煙將失去作用，因此，在設(shè)定的火災(zāi)場景下，有頂步行街高度不宜大于35 m。

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