某地下商業(yè)街火災(zāi)時(shí)機(jī)械排煙模式研究

薛 偉，楊 德

(南陽(yáng)市公安消防支隊(duì)，河南 南陽(yáng) 473000)

某地下商業(yè)街火災(zāi)時(shí)機(jī)械排煙模式研究

薛 偉，楊 德

(南陽(yáng)市公安消防支隊(duì)，河南 南陽(yáng) 473000)

地下商業(yè)街作為火災(zāi)防范的重點(diǎn)區(qū)域，有效設(shè)置其機(jī)械排煙尤為重要。以某地下商業(yè)街為例，使用數(shù)值模擬的方法對(duì)其不同排煙模式下的火災(zāi)煙氣流動(dòng)狀態(tài)和煙氣控制效果進(jìn)行分析，研究了排煙速率、排煙范圍以及補(bǔ)風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)排煙效果的影響。通過(guò)對(duì)煙氣層溫度及煙氣層沉降度的分析得出：排煙速率過(guò)大可能使得排煙效率降低，而非起火區(qū)的排煙可能導(dǎo)致煙氣擾動(dòng)，但適當(dāng)增加補(bǔ)風(fēng)口的面積能起到較好的排煙效果。

地下商業(yè)街；機(jī)械排煙；數(shù)值模擬；煙氣流動(dòng)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，高層建筑越來(lái)越多，地下建筑也應(yīng)運(yùn)而生。地下商業(yè)街在地下空間的開(kāi)發(fā)利用中占有重要的地位，給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給火災(zāi)防治帶來(lái)嚴(yán)峻的課題。Cox和Kumar在機(jī)械通風(fēng)環(huán)境中對(duì)火災(zāi)進(jìn)行了場(chǎng)模擬的研究，Cooper及Forney開(kāi)展了房間火災(zāi)區(qū)域模擬的研究，Hinkley分析了熱煙氣在屋頂有通風(fēng)口情況下的產(chǎn)生率，Morgan研究了煙氣在大空間的水平流動(dòng)，并且得出了封閉商場(chǎng)中煙氣控制的設(shè)計(jì)方法。四川消防所建立了全尺寸地下商業(yè)街模型試驗(yàn)臺(tái)，并在該試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上研究了火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律以及控制方法[1-2]。周子薦[3]等人比較了某地下場(chǎng)館不同排煙方案的效果，發(fā)現(xiàn)排煙口在頂棚的排煙效果優(yōu)于在側(cè)墻上部的效果。胡隆華[4]在某地下商業(yè)街中開(kāi)展了全尺寸機(jī)械排煙試驗(yàn)，結(jié)果表明補(bǔ)風(fēng)口不宜布置在排煙口附近，否則會(huì)嚴(yán)重影響排煙效果。

我國(guó)的規(guī)范對(duì)排煙的具體模式并沒(méi)有規(guī)定。本文以某地下商業(yè)街為例，使用FDS模擬火災(zāi)煙氣的流動(dòng)狀況和煙氣的控制效果，通過(guò)不同排煙模式的模擬，給出定性及定量的分析。

1 模型與場(chǎng)景設(shè)置

以某地下商業(yè)街的一個(gè)防火分區(qū)為例，如圖1所示。該區(qū)域?yàn)楣战切危眰?cè)有一個(gè)敞開(kāi)出口A，南側(cè)有一個(gè)可開(kāi)啟出口B，模型橫向?qū)?0 m，縱向共長(zhǎng)48.8 m，被1 m高的擋煙垂壁劃分為三個(gè)防煙分區(qū)，每個(gè)防煙分區(qū)均勻布置4個(gè)排煙口，每個(gè)排煙口面積設(shè)為0.6 m×0.8 m。火災(zāi)設(shè)置在防煙分區(qū)1內(nèi)，考慮到該場(chǎng)所為設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的商場(chǎng)，火源按t2火設(shè)計(jì)，設(shè)置為快速增長(zhǎng)-穩(wěn)定火源，穩(wěn)定功率為3 MW。

圖1 FDS建立的地下商業(yè)街模型

如圖2所示，模型在3.75 m高度的平面上設(shè)置6個(gè)熱電偶，熱電偶探測(cè)點(diǎn)自下至上從左向右依次編號(hào)為P1，P2，P3，P4，P5，出口，以分析其溫度變化情況。為了分析熱煙氣層對(duì)人員疏散的影響程度，在模型中設(shè)置了8個(gè)煙氣探測(cè)點(diǎn)，自下至上從左向右依次編號(hào)為a，b，c，d，e，f，g，出口，用以得出煙氣下降到2 m高度的時(shí)間。

圖2 煙氣探測(cè)點(diǎn)與熱電偶位置示意圖

本文共設(shè)置了4個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行分析，如表1所示。場(chǎng)景1，2在3個(gè)防煙分區(qū)均排煙，場(chǎng)景3，4僅在起火防煙分區(qū)即防煙分區(qū)1排煙；場(chǎng)景1設(shè)置排煙口風(fēng)速為4.34 m·s-1，場(chǎng)景2，3，4設(shè)置排煙口風(fēng)速為8.68 m·s-1。

表1 各場(chǎng)景參數(shù)設(shè)定表

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣流動(dòng)規(guī)律

圖3給出了場(chǎng)景1不同時(shí)刻3.75 m高度處能見(jiàn)度圖，可以明顯看到煙氣沿著1區(qū)→2區(qū)→3區(qū)的方向呈倒“U”形流動(dòng)。1區(qū)到2區(qū)流動(dòng)是1區(qū)煙氣填充滿(mǎn)之后向2區(qū)的自然流動(dòng)，而2區(qū)到3區(qū)的流動(dòng)則明顯與1區(qū)到2區(qū)的流動(dòng)不同，三號(hào)通道的剖面圖如圖4所示，從中可以看出，由北側(cè)出口A進(jìn)入商場(chǎng)的氣流對(duì)2區(qū)的煙氣層造成了很大的擾動(dòng)，并將大量煙氣帶入3區(qū)內(nèi)。

圖3 場(chǎng)景1不同時(shí)刻3.75 m高度處能見(jiàn)度

圖4 395 s時(shí)三號(hào)過(guò)道剖面的能見(jiàn)度

2.2 排煙口風(fēng)速對(duì)排煙效果的影響

場(chǎng)景2中排煙口風(fēng)速是場(chǎng)景1的兩倍，圖5和圖6給出了兩個(gè)場(chǎng)景下模擬結(jié)果對(duì)比。3.75 m高度處溫度對(duì)比如圖5所示，可以看出1區(qū)各點(diǎn)溫度高于2區(qū)各點(diǎn)溫度，而2區(qū)各點(diǎn)溫度又高于3區(qū)各點(diǎn)溫度，這顯示出煙氣沿著1區(qū)→2區(qū)→3區(qū)的方向流動(dòng)。另外，由于場(chǎng)景2排煙量較大，能夠排除更多的熱量，可以看出，場(chǎng)景1中各點(diǎn)的溫度都較場(chǎng)景2中相應(yīng)點(diǎn)的溫度高10 ℃左右。

圖6給出了場(chǎng)景1與場(chǎng)景2中煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間對(duì)比，在模擬時(shí)間內(nèi)未沉降到2 m的計(jì)為500 s。從圖中可以看出場(chǎng)景2中煙氣層比場(chǎng)景1下降得快，即排煙量增加一倍之后，反而使得商場(chǎng)內(nèi)煙氣層更快下降到2 m。

這是由于排煙量增大后使得補(bǔ)風(fēng)口的入口風(fēng)速增加，過(guò)大的入口風(fēng)速會(huì)破壞2區(qū)的煙氣分層，并對(duì)煙氣層產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致煙氣量大大增加，這就使得該模式下煙氣反而沉降得更快。因此，場(chǎng)景1優(yōu)于場(chǎng)景2，即4.34 m·s-1的排煙速率的排煙效果比8.68 m·s-1的排煙效果更好。

圖5 3.75 m高度處煙氣層溫度對(duì)比圖(場(chǎng)景1,2)

圖6 煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間 對(duì)比圖(場(chǎng)景1,2)

2.3 非起火防煙分區(qū)排煙對(duì)排煙效果的影響

場(chǎng)景2中1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)風(fēng)口全部打開(kāi)，場(chǎng)景3中僅1區(qū)風(fēng)口打開(kāi)。圖7和圖8給出了兩個(gè)場(chǎng)景下模擬結(jié)果對(duì)比。3.75 m高度處溫度對(duì)比如圖7所示，從煙氣層溫度來(lái)分析，兩個(gè)場(chǎng)景中各點(diǎn)煙氣層的溫度相差很小，這說(shuō)明場(chǎng)景2與場(chǎng)景3中的煙氣排出量相差不大，也就是說(shuō)非起火防煙分區(qū)的排煙風(fēng)機(jī)并沒(méi)有起到很大的排煙效果。

圖8給出了場(chǎng)景2與場(chǎng)景3中煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間對(duì)比，可以看出，場(chǎng)景2中各處煙氣層沉降到2 m高度的時(shí)間均比場(chǎng)景3短，這說(shuō)明非起火防煙分區(qū)的排煙導(dǎo)致了煙氣流動(dòng)加快，煙氣層更早降到臨界值，這對(duì)人員疏散是非常不利的。

由此可知，非起火分區(qū)的排煙僅能夠降低門(mén)口的溫度，但是其抵消了起火防煙分區(qū)的壓差，促進(jìn)了煙氣的流動(dòng)，使煙氣更快地沉降，場(chǎng)景3排煙效果優(yōu)于場(chǎng)景2。

圖7 3.75 m高度處煙氣層溫度對(duì)比圖(場(chǎng)景2,3)

圖8 煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間 對(duì)比圖(場(chǎng)景2,3)

2.4 起火防煙分區(qū)排煙模式比較

場(chǎng)景1中1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)風(fēng)口全開(kāi)，風(fēng)速為4.34 m·s-1，場(chǎng)景3中僅1區(qū)風(fēng)機(jī)開(kāi)，風(fēng)速為8.68 m·s-1。圖9和圖10給出了兩個(gè)場(chǎng)景下模擬結(jié)果對(duì)比。3.75 m高度處溫度對(duì)比如圖9所示，從煙氣層溫度來(lái)分析，場(chǎng)景1中各點(diǎn)溫度均高于場(chǎng)景3中各點(diǎn)溫度。雖然場(chǎng)景1中的排煙量大于場(chǎng)景3，但是其排煙量有2/3在非起火分區(qū)，對(duì)室內(nèi)溫度沒(méi)有起到很好的降低效果，反而使其“有效排煙量”少于場(chǎng)景3，故其煙氣層溫度高于場(chǎng)景3；又由于場(chǎng)景3中過(guò)高的排煙風(fēng)速產(chǎn)生了嚴(yán)重的吸穿現(xiàn)象，使其各點(diǎn)煙氣層溫度并沒(méi)有大幅低于場(chǎng)景1中各點(diǎn)溫度。

圖10給出了場(chǎng)景1與場(chǎng)景3中煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間對(duì)比，可以看出，除沒(méi)有下降到2 m的點(diǎn)外，場(chǎng)景1中各點(diǎn)煙氣層都比場(chǎng)景3中各點(diǎn)煙氣層先下降到2 m高度處，這主要是由于非起火防煙分區(qū)的排煙對(duì)煙氣流動(dòng)的加快作用。因此，場(chǎng)景1的排煙效果不如場(chǎng)景3。

圖9 3.75 m高度處煙氣層溫度對(duì)比圖(場(chǎng)景1,3)

圖10 煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間 對(duì)比圖(場(chǎng)景1,3)

2.5 補(bǔ)風(fēng)口數(shù)量對(duì)排煙效果的影響

場(chǎng)景3中出口B關(guān)閉，場(chǎng)景4中出口B開(kāi)啟。圖11和圖12給出了兩個(gè)場(chǎng)景的模擬結(jié)果對(duì)比。3.75 m高度處溫度對(duì)比如圖11所示，從煙氣層溫度表明，場(chǎng)景4中2區(qū)溫度相比于場(chǎng)景3中有所上升，這主要是由于場(chǎng)景3中僅有一個(gè)補(bǔ)風(fēng)口，其風(fēng)速較大，對(duì)煙氣層造成了很大的擾動(dòng)，并將大量煙氣帶入3區(qū)，使得商場(chǎng)頂部煙氣溫度降低。而場(chǎng)景4中增加了一個(gè)補(bǔ)風(fēng)口，減小了對(duì)煙氣層的擾動(dòng)，導(dǎo)致頂部煙氣溫度升高。

圖12給出了場(chǎng)景3與場(chǎng)景4中煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間對(duì)比，可以看出打開(kāi)出口B后對(duì)3區(qū)內(nèi)煙氣沉降有較大的影響。煙氣由2區(qū)向3區(qū)的流動(dòng)主要是依靠出口A補(bǔ)入的空氣流將煙氣吹向3區(qū)，

圖11 3.75 m高度處煙氣層溫度 對(duì)比圖(場(chǎng)景3,4)

因此出口A的入口風(fēng)速大小就決定了進(jìn)入3區(qū)的煙氣量。場(chǎng)景4中增加了一個(gè)補(bǔ)風(fēng)口，使得出口A的入口風(fēng)速下降，因此減少了進(jìn)入3區(qū)的煙氣量，從圖12可以看出，c、d兩點(diǎn)煙氣層高度下降到2 m的時(shí)間分別延長(zhǎng)了40 s和130 s。

圖12 煙氣沉降到2 m高度的時(shí)間 對(duì)比圖(場(chǎng)景3,4)

3 結(jié)論與展望

本文采用FDS對(duì)某地下商業(yè)街的一個(gè)防火分區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了不同排煙模式的煙氣控制效果，結(jié)果表明：(1)更高的排煙速率未必會(huì)有更好的排煙效果。排煙速率過(guò)快可能會(huì)產(chǎn)生吸穿現(xiàn)象，使排煙效率下降，補(bǔ)風(fēng)口入口風(fēng)速的增加會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)造成擾動(dòng)，破壞煙氣分層并導(dǎo)致煙氣控制效果較差，不利于人員疏散。(2)非起火防煙分區(qū)的排煙消除了非起火防煙分區(qū)和起火防煙分區(qū)的壓差，促進(jìn)了煙氣的擴(kuò)散。(3)在非起火區(qū)增設(shè)補(bǔ)風(fēng)口有利于減小補(bǔ)風(fēng)口風(fēng)速，延長(zhǎng)煙氣層沉降時(shí)間。

火災(zāi)是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，本文只選取了一個(gè)固定位置火源進(jìn)行研究，其他位置的排煙情況還有待進(jìn)一步探討。由于地下商業(yè)街模式較多，而本文只是選取其中的一個(gè)特定模型進(jìn)行研究，其他模型的排煙系統(tǒng)也有待繼續(xù)研究。

[1] 張青嵐,蘭彬,張文良,等.地下商業(yè)街火災(zāi)煙氣流速的試驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2001,20(1):13-16.

[2] 蘭彬,梅秀娟,張文良,等.地下商業(yè)街火災(zāi)熱釋放速率試驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2000,19(2):4-8.

[3] 周子薦,沈震.某大型場(chǎng)館不同排煙方案的比較與分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009,28(11):820-823.

[4] HU L H,HUO R,LI Y Z,et al.Full-scale burning tests on studying smoke temperature and velocity along a corridor[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2005,20(3):223-229.

(責(zé)任編輯李蕾)

MechanicalSmokeExtractionSystemofUndergroundCommercialBuildings

XUE Wei, YANG De

(NanyangMunicipalFireBrigade,He’nanProvince473000,China)

Because underground commercial buildings are the focal points of fire protection, effective mechanical smoke extraction is of vital importance to the fire safety of underground commercial buildings. Therefore, a computer simulation is undertaken to analyze the smoke flow and smoke control effectiveness with various smoke extraction methods. The influence of different smoke extraction velocity, extraction coverage area and air supply on the effectiveness of smoke extraction is studied. Based on the analysis of the temperature and height of smoke layer, this paper concludes that high velocity of smoke extraction will reduce the efficiency of extraction, and smoke extraction in the non-smoking area will disturb the smoke while enlarging the area of air supply can achieve a better result.

underground commercial building; mechanical smoke extraction; computer simulation; smoke flow

2017-07-26

薛偉(1975— )，男，河南潢川人，高級(jí)工程師； 楊德(1983— )，男，湖北棗陽(yáng)人。

X932；D631.6

A

1008-2077(2017)10-0042-05