基于FDS的樓梯間直灌式加壓送風口布置研究

焦 濤,李 鈺,王 凡

(1.河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064；2.大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

火災煙氣是造成建筑物火災人員傷亡的主要原因[1]，因此建筑物的防排煙系統能否有效控制火災煙氣已成為人們安全撤離的前提。由于樓梯是建筑物通往樓層的唯一疏散通道，樓梯的防煙效果決定了整個建筑物內的人員能否順利逃生[2]。根據我國現行的《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)(2018年版)[3]中規定，機械加壓送風可作為樓梯間的防煙設施。許多學者對高層建筑機械加壓送風系統進行了研究，如朱杰等[4]研究了火災時樓梯間煙氣溫度、壓力以及流場的分布特性；田桂花等[5]對高層建筑加壓送風系統正壓值的影響因素進行了探討，包括風機選型不當、送風口設置不合理、門縫過大等因素；游宇航等[6]對加壓送風時樓梯間內壓力與空氣流速進行了數值模擬，比較了加壓送風的效果；王渭云[7]對高層建筑樓梯井直灌式與傳統式加壓送風進行了比較，結果表明直灌式加壓送風可使樓梯間壓力更均勻；樂增等[8]基于FDS軟件對高校宿舍火災進行了數值模擬，得出煙氣、溫度和氧氣運動的變化規律;伍穎等[9]對高層建筑火災人群疏散進行了分析，提出增設機械加壓送風可以增加安全疏散時間；陳軍華等[10]通過對一棟高層建筑加壓送風進行模擬，發現加壓送風量對門兩側壓力有關鍵的影響；Morgan[11]通過對高層建筑火災煙氣進行模擬分析，設計了一種控制煙氣的方法；Peppes等[12]采用數值模擬的方法研究了火災過程中樓梯井內浮力驅動的煙氣流動特性以及溫度、壓力等參數的分布規律。

我國《建筑防煙排煙系統技術標準》[13]中規定，布置傳統加壓送風井有困難的樓梯間可采用直灌式加壓送風系統。但上述研究大多是針對傳統加壓送風，而關于直灌式加壓送風的研究較少。鑒于此，本文利用FDS軟件對樓梯間直灌式加壓送風口的兩點式布置最優方案進行了數值模擬研究，并通過門洞風速來尋求最佳的布置方式，以為樓梯間直灌式加壓送風系統的優化設計和標準修編提供參考。

1 模型的建立與設計

1.1 模擬軟件的選取

本文運用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件[14]對樓梯間直灌式加壓送風口的兩點式布置最優方案進行了數值模擬研究。FDS軟件利用動量守恒、能量守恒和組分守恒原理，可以模擬火災期間的煙霧顆粒、溫度、CO等物理量的發展變化，模擬結果可用來確保建筑物在施工前的安全性，評估現有建筑物的消防安全，重建火災后事故調查，并協助消防員培訓等。該軟件也可以用來模擬建筑物中的通風情況。FDS軟件是目前國內外公認的最為有效、可靠的專門用于火災煙氣運動分析的軟件。火災燃燒過程是傳熱、傳質過程，FDS軟件主要遵循的是質量守恒、動量守恒、能量守恒和組分守恒方程，其表達式如下：

(1) 質量守恒方程：

式中:u為速度矢量(m/s)；ρ為密度(kg/m3)。

(2) 動量方程方程：

式中：τ為黏性力張量(N)；p為壓力(Pa)；f為作用于流體上的外力(除重力外)(N)；g為重力加速度(m/s2)。

(3) 能量守恒方程：

式中:h為比焓(J/kg)；k為導熱系數[W/(m·K)]。

(4) 組分守恒方程：

式中:Yi為第i種組分的質量分數；Di為第i種組分的擴散系數(m2/s)。

1.2 模型的建立

本次研究對象為鄭州市某辦公樓，該辦公樓12層，每層層高為4 m，共48 m。本文利用FDS軟件進行簡化建模，將該建筑模型簡化為主要由樓梯間、樓梯間前室、疏散走道和辦公室4個部分組成，其平面示意圖和三維模型見圖1和圖2，該建筑模型各組成部分尺寸見表1。

圖1 某建筑平面示意圖(單位：mm)Fig.1 Plan sketch of a building (unit:mm)

圖2 某建筑三維模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional model of a building

表1 某建筑模型各組成部分尺寸Table 1 Sizes of components of a building model

1.3 模型參數的設置

該建筑墻體材料選為混凝土，其物性參數：密度為2 280.0 kg/m3，比熱為1.04 kJ/(kg·K)，導熱系數為1.8 W/(m·K)。由于樓梯間采用直灌式加壓送風不用考慮沿程阻力和風管風速的損失，故本文在模型中不再建風機房，而是直接用vent作為送風口，并賦予其屬性為supply。疏散走道的一邊設置為open，以便樓梯間前室漏出去的壓力與外界壓力一致。為了保證在計算精度的基礎上加快計算效率，設置的網格尺寸大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.4 模擬工況設置

按照我國《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017)[13](以下簡稱為《技術標準》)中的規定：樓梯間前室不送風，封閉樓梯間、防煙樓梯間加壓送風，送風機選取最低送風量為36 100 m3/h，則直灌式加壓送風口總送風量為43 320 m3/h，通過兩點式布置送風口且兩個送風口的距離不小于24 m。由于直灌式加壓送風口不受送風管道的影響，且兩個送風口位置多為對稱，故1層和12層只需對其中一個樓層進行測量，具體模擬工況設置見表2。

表2 模擬工況設置Table 2 Setting of simulated working conditions

1.5 測點布置

根據NFPA92—2018[15]測風速的方法，在樓梯間通往前室的門內采用均勻布置9個速度測點，通過計算9個速度測點風速的平均值即為門洞風速值，其速度測點布置的位置見圖3。

圖3 門洞風速速度測點布置的位置(單位：m)Fig.3 Distribution of speed measuring points of wind at the door opening(unit：m)

2 模擬結果與分析

2.1 兩個送風口位置為6層和12層的模擬結果分析

以直灌式加壓送風口位置為6層和12層(見表3)為例，利用FDS軟件，通過速度測點所測門洞風速數據，可得到不同工況下直灌式加壓送風口通過連續三層的各門洞風速變化情況，見圖4、圖5和圖6。

表3 直灌式加壓送風口位置布置在6層和12層Table 3 Conditions when the air supply vents are set up on the 6th and 12th floor

圖4 工況1下各門洞所測風速圖Fig.4 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 1

由圖4、圖5和圖6可以看出：

(1) 當直灌式加壓送風口位置布置在6層和12層，送風時間為50 s時，速度測點所測風速值開始逐漸趨于穩定，數值變化幅度小。

(2) 當開啟樓梯間和樓梯間前室2層、3層和4層門時，樓梯間4層的門洞風速約為1.7 m/s，遠大于《技術標準》所要求的門洞風速值(1.0 m/s)，可滿足樓梯間防煙的要求；樓梯間3層的門洞風速約為0.9 m/s，滿足《技術標準》規定的門洞風速值的誤差在10%以內的要求，且達到樓梯間防煙的要求；樓梯間2層的門洞風速約為0.6 m/s，其遠遠小于《技術標準》所要求的門洞風速值，無法達到樓梯間防煙的要求，這是因為風均通過樓梯間3層和4層流出，當風到達樓梯間2層時就無法滿足《技術標準》的要求(見圖4)。

圖5 工況2下各門洞所測風速圖Fig.5 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 2

圖6 工況3下各門洞所測風速圖Fig.6 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 3

(3) 當開啟樓梯間和樓梯間前室6層、7層和8層門時，樓梯間6層的門洞風速約為1.0 m/s，樓梯間7層和8層的門洞風速約為1.2 m/s，均可以滿足《技術標準》所要求的門洞風速值(1.0 m/s)(見圖5)。

(4) 當開啟樓梯間和樓梯間前室10層、11層和12層門時，樓梯間10層和12層的門洞風速約為1.1 m/s和1.7 m/s，大于《技術標準》所要求的門洞風速值(1.0 m/s)，由于樓梯間11層位于樓梯間10層和12層中間，通過其門洞的風速會相對較低，但也滿足《技術標準》規定的門洞風速值的誤差在10%以內的要求。綜上可見，在滿足《技術標準》的情況下，直灌式加壓送風口位置布置在6層和12層時，會有部分樓層樓梯間無法達到防煙的要求。

2.2 不同送風口位置的模擬結果對比分析

利用FDS軟件從送風50 s后開始進行模擬計算，對門洞上的9個速度測點求取風速平均值，可模擬得到不同工況下門洞的風速值，見表4。其中，《技術標準》要求的門洞風速值為1.0 m/s，門洞風速測量時誤差允許范圍在10%以內。

表4 某建筑總高度為48 m時各工況下門洞風速值Table 4 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 48 m

由表4可知，工況1、工況10的樓梯間2層和工況12的樓梯間12層的門洞風速值遠小于《技術標準》所要求的門洞風速值(1.0 m/s)；當直灌式加壓送風口位置布置在1層和12層(工況4、工況5、工況6)時，均滿足《技術標準》要求的門洞風速值，僅有3個門洞風速值在0.9～1.0 m/s之間，其余均大于1.0 m/s；當直灌式加壓送風口位置布置在2層和11層(工況7、工況8、工況9)時，均滿足《技術標準》要求的門洞風速值，僅有1個門洞風速值在0.9～1.0 m/s之間，其余均大于1.0 m/s。因此，直灌式加壓送風口位置布置在2層和11層(工況7、工況8、工況9)時樓梯間的排煙效果最優，布置在1層和12層(工況4、工況5、工況6)時也滿足《技術標準》的要求，而布置在6層和12層(工況1、工況2、工況3)或3層和10層(工況10、工況11、工況12)時則無法滿足《技術標準》的要求。

3 驗證分析

將層高4 m改變成3 m，建筑層數不變，建筑總高度為36 m，12種工況不變，利用FDS軟件模擬計算得到了不同工況下門洞風速值，見表5。

表5 某建筑總高度為36 m時各工況下門洞風速值Table 5 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 36 m

由表5可知，在建筑總高度為36 m時，直灌式加壓送風口兩點式位置布置在第2層和次頂層(工況7、工況8、工況9)時可達到最優排煙效果，其次是布置在首層和頂層(工況4、工況5、工況6)時，這兩種布置方式均滿足《技術標準》所要求的門洞風速值，但布置在6層和12層(工況1、工況2、工況3)或3層和10層(工況10、工況11、工況12)時則無法滿足《技術標準》所要求的門洞風速值。

4 結 論

本文對總高度不大于50 m、總層數為12層、層高為4 m的建筑，樓梯間采用直灌式加壓送風口兩點式布置的最優排煙效果進行了數值模擬研究，并得出如下結論：

(1) 直灌式加壓送風口兩點式位置布置在第2層和次頂層時樓梯間的防煙效果最優，其次是布置在首層和頂層時也能滿足樓梯間的防煙要求。

(2) 《技術標準》中規定，當建筑總高度大于32 m時，兩點式送風口之間的距離不宜小于建筑高度的1/2，但并未規定具體兩點式送風口之間的距離多大可使其防煙效果最大。本文的研究表明：直灌式加壓送風口兩點式位置布置在第3層和第10層或第6層和頂層時，兩點式送風口之間的距離雖然滿足了《技術標準》的要求，但無法滿足樓梯間的防煙要求。因此，建議《技術標準》修改為：兩點式送風口應分別布置在第2層和次頂層，也可布置在首層和頂層。