一種多功能氣霧混流風幕防煙裝置的研究與應用

趙志鵬 彭偉 石威 鄒浩

摘要：針對目前消防防煙設備功能單一、維護成本高、防煙效果不佳的問題，用火災動力學模擬軟件FDS和流體力學模擬軟件Fluent模擬氣霧混流風幕防煙效果，通過對空氣幕防煙的技術方法研究，選取合適的送排風方式，設計氣霧混流風幕防煙裝置。發生火災時，防煙裝置噴射出一定速度的氣霧混流風幕，可高效阻隔高溫煙氣的蔓延，延長人員疏散時間且不影響人員的自由出入。在平時，防煙裝置還可凈化空氣，有利于人們身體健康，提高了防煙裝置的使用率。

關鍵詞：氣霧混流;風幕;防煙裝置

2020年1—10月間，共發生火災19.6萬起，相當于每兩分多鐘，就有一起火災發生，火災仍然是對我們的生活產生威脅最大的一種災害。當發生火災時，火災煙氣的高溫和毒性是致人傷亡的直接原因，煙氣中固態微粒的遮光作用會降低能見度，影響人員逃生，因此火災煙氣對人員生命安全構成的極大威脅。現有的火災防煙方式有防火門、防火卷簾、前室機械排煙、前室機械加壓、走廊排煙、空氣幕防煙、細水霧型水霧防煙等。防火門和防火卷簾的功能單一且完全密封較為困難并且為剛性阻斷，給逃生人員和消防人員的進出帶來嚴重的阻礙作用;前室機械排煙會使煙氣擴散蔓延至樓梯間，不利于人員的安全疏散;前室機械加壓、走廊排煙由于使樓梯間、前室維持足夠的正壓較困難，在實際應用中難以起到很好的效果，大量的新鮮空氣流入會助長火勢，并且需要較大的送、排風系統，占用較大的建筑空間，增加了建筑成本空間的占用;利用防煙空氣幕阻擋煙氣一方面會造成煙氣堆積，煙塵固體顆粒的遮光作用對能見度的衰減會引發恐慌，另一方面容易將煙氣吹至建筑下部空間、打破火災煙霧的自然分層，易造成次生災害;細水霧型水霧防煙效果好但會影響人員逃生的視野。各類防煙方式的應用都有其局限性。

基于此，將空氣幕防煙和細水霧型水霧防煙兩種方法相結合，研究氣霧混流風幕防煙技術并設計多功能防煙裝置，實現火災防煙功能與日常凈化空氣功能相結合，能更好地解決火災防煙問題。

一、氣霧混流風幕防煙技術原理

（一）防煙原理

氣霧混流是由空氣和水霧顆粒組成，水霧顆粒與高溫煙氣相遇后會發生熱量交換，水霧顆粒從熱煙氣中吸收的熱量，水霧的吸熱作用降低了煙氣溫度，并導致熱浮力衰減，從而使煙氣失去了水平蔓延擴散的動力源。水霧顆粒和煙氣粒子相遇會發生凝并，形成水滴和炭黑粒子團，炭黑粒子團在重力和水霧顆粒的作用下沉降，改變了煙塵粒子的運動軌跡。

火災中，煙氣在水平方向擴散的流動速度約為0.3～0.8m/s，防煙裝置產生垂直向下的氣霧混流風幕的速度在8～12m/s，遠大于煙氣的流動速度，能在設置截面上形成具有一定強度的氣霧混流幕墻，幕內外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動，從而有效地減少空氣幕兩側區域的質量、組分與能量交換，煙氣與之相遇后隨氣霧混流風幕偏轉，從而煙氣被氣霧混流阻截。

（二）模擬分析

用FDS模擬在存在與不存在氣霧混流風幕的條件下高層建筑條形走廊的火災過程，對比分析煙氣傳播規律，通過比較關鍵位置處的溫度、二氧化碳體積分數，評估氣霧混流風幕的防煙效果。圖2和圖3表明，當存在氣霧混流風幕時，走廊內的溫度和CO體積分數都明顯下降，可見氣霧混流風幕可用于解決火災防煙的問題。

二、送排風方式選擇

傳統空氣幕防煙研究中，多采用單吹式，氣流由上而下送出，實現煙氣的阻隔。利用流體力學模擬軟件Fluent模擬利用單吹式空氣幕與吹吸式空氣幕阻擋煙氣擴散的火災過程，對比分析的煙氣傳播規律。圖4表明，這種空氣幕一方面不僅易發生卷吸，防煙效率低，而且送風量大、容易將煙氣吹至建筑下部空間、打破了火災危險地區煙霧的自然分層，易造成次生災害。另一方面單純利用空氣幕阻隔煙氣，會導致煙氣堆積，煙塵固體顆粒的遮光作用會導致能見度的衰減，不利于人員逃生。因此，單吹式空氣幕防煙是以幕墻火災側環境條件惡化為代價的，故不宜采用。

該技術采用吹吸式空氣幕的方式，即在上方設有吹風口，正下方設有排煙口。圖5表明吹吸式空氣幕阻斷能力更強，且克服了單吹式空氣幕打破了火災危險地區煙霧的自然分層的弊端，通過在氣霧混流風幕的下方設置排煙口，可使煙氣被阻擋后及時從下方排風口處排出，不會影響人員逃生的視野。故本技術采用吹吸式空氣幕，吹吸式氣霧混流風幕防煙不會破壞幕墻火災側環境條件，阻斷能力更強，從而獲得較高的防煙效率。

三、多功能氣霧混流風幕防煙裝置及技術實施

（一）防煙裝置設計

多功能氣霧混流風幕防煙裝置結構，如圖6所示。

其主要結構包括：包括外殼、電機、葉輪、擋風板、過濾塊、儲水箱、控制盒、煙霧報警器、超聲波霧化器、混合室、排氣室、過濾室。

①煙霧報警器實時檢測煙霧濃度;②蓄水箱儲存一定量的水，為霧化提供水源;③超聲波霧化器可發出高頻諧振，產生水霧顆粒;④電機為葉輪提供動力;⑤擋風板調節氣流走向，實現不同工作狀態的轉換;⑥混合室將空氣與水霧充分混合，形成氣霧混流;⑦排氣室將氣流排出形成風幕;⑧過濾室將空氣進行層層過濾，凈化空氣;⑨控制盒實現裝置的遠程操控。

（二）除塵技術實施

一種多功能氣霧混流風幕防煙裝置，包括外殼。外殼前側設有進風口，外殼底部設有儲水箱，外殼內部設有用于氣霧混合的混合室。混合室下側設有蓄水池，混合室與蓄水池之間設有通風口，儲水箱通過自動補水閥與蓄水池相連接。蓄水池內有少量的水，液面下設置有超聲波霧化器，超聲波霧化器可發出高頻諧振，將水分子打散成小分子云霧，小分子云霧從通風口進入混合室內。混合室內固定安第二電機和攪拌葉輪，第二電機帶動攪拌葉輪轉動，將混合室內的空氣與小分子云霧充分混合，混合室與排氣室通過出風板連通，排氣室下側設有出風口，排氣室內固定安裝第一電機和風機葉輪，第一電機帶動葉輪轉動形成負壓，使空氣與小分子云霧進入混合室內，并從排氣室下側的出風口處排出，形成一道氣霧混流風幕，阻擋火災煙氣擴散。其次，通過調節擋風板關閉排氣室下側的出風口，使空氣經過濾室后排出，可以起到凈化空氣的作用。

其中，蓄水池的底部安裝有超聲波霧化器，超聲波霧化器設置在蓄水池內的液面以下，超聲波霧化器可產生高頻諧振，將液態水分子結構打散而產生水霧顆粒，水霧顆粒在負壓的作用下通過通風口進入混合室內。第二電機驅動葉輪轉動，形成負壓使空氣從進風口進入混合室內，與混合室內水霧顆粒混合后進入排氣室，最后從出風口被排出形成一定速度的氣霧混流風幕，出風口處設有擋風板，用來調節出風口的角度。控制盒內設有PLC控制器和無線通信接收模塊，PLC控制器分別與第一電機和第二電機連接，通過控制盒內的PLC控制器控制第一電機和第二電機，實現裝置的啟動。無線通信接收模塊與遠程遙控器上的無線通信發射模塊配合，可以實現裝置的遠程控制。

四、氣霧混流風幕防煙技術特點

（一）高效阻擋煙氣擴散

防煙裝置產生一定速度的氣霧混流風幕，通過幕內外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動，從而有效地減少空氣幕兩側區域的質量、組分與能量交換，阻斷火災煙氣擴散。由于水霧顆粒有捕捉煙塵粒子塵和降溫的作用，氣霧混流風幕的防煙效率大大提高。

（二）有效阻隔區域的溫度

氣霧混流風幕能有效阻隔火場區域的高溫，水霧顆粒密度大、速度高，可以快速地吸收火場的熱量。

（三）解決消防設備使用率低的難題

防煙裝置實現了日常凈化空氣功能與火災防煙功能相結合，成本降低，提高了防煙裝置的使用率，便于市場推廣。

五、結語

通過對氣霧混流風幕防煙技術的研究，針對傳統防煙技術防煙效率低、消防設備功能單一、使用率低、維護成本高等弊端，設計了一種多功能氣霧混流風幕防煙裝置，通過該裝置及相關技術能有效阻擋火災煙氣擴散。

（一）通過氣霧混流風幕阻擋煙氣擴散，可高效阻隔高溫煙氣的蔓延，延長人員疏散時間且不影響人員的自由出入。

（二）該技術采用吹吸式空氣幕的方式，通過設置排煙口來提高空氣幕的阻斷能力，并避免破壞火災煙氣的自然分層與煙氣堆積，有利于人員逃生。

（三）防煙裝置實現了日常凈化空氣功能與火災防煙功能相結合，提高了防煙裝置的使用率，且無須定期維護，成本降低，有利于市場推廣。

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