大空間設置上、下懸窗自然排煙效果對比研究*

劉 博，王春雨，耿偉超，鄧 軍，劉長春

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

高鐵站候車廳、機場航站樓、體育館等建筑空間高、面積大[1]，難以按照傳統規范進行防火分隔，易導致煙氣在整個建筑內蔓延，對人員疏散帶來巨大阻礙。目前，大空間排煙方式[2]主要分為機械排煙和自然排煙，自然排煙經濟環保、簡單易操作，但排煙效果不如機械排煙穩定，極易受到外界環境、火源功率、建筑結構、開窗形式、環境風等影響[3-6]。韓崢等[7]認為自然排煙效果與開窗形式密切相關，采用上懸窗排煙時應增大其開窗面積。劉航[8]分析了開窗角度對懸窗排煙效果的影響，得到上懸窗排煙效率與開窗角度的正弦值成正比。竇清華等[9]分析了排煙窗不同啟閉組合下航站樓的自然排煙效果，得到外界風下最優的開窗模式。國內學者在研究排煙窗對自然排煙的影響方面，主要以排煙窗面積、位置、大小為主，對不同結構形式懸窗對排煙效果的研究較少。本文基于FDS軟件，通過模擬有風、無風時，大空間分別設置上、下懸窗的排煙效果，一方面，驗證大空間采用自然排煙的有效性，另一方面，對比上、下懸窗的排煙效果。

1 模型建立及尺寸選擇

1.1 模型建立

大空間一般采用邏輯防煙分區的概念劃分防煙分區，即整個區域不設實體擋煙設施[10]，故火災發生后煙氣可在不同防煙分區之間自由流動?！督ㄖ罒熍艧熛到y技術標準》(GB 51251—2017)規定建筑高度大于6 m時，單個防煙分區的最大允許面積不超過2 000 m2，且其長邊最大允許長度不超過60 m[11]。基于相關設計規范，并考慮大空間建筑特點。選取1個防煙分區作為研究對象，為了避免煙氣流動不均勻對煙氣流動規律研究的影響，將研究模型長、寬、高尺寸設為40 m×40 m×10 m。參考《建筑防煙排煙系統技術標準》[12]，對無噴淋下其他公共場所建筑，火源功率設定為8 MW，火源類型設定為快速火，火災增長系數設定為0.044，火源位置設定為建筑中心。根據某大空間當地常年實際風速，將環境風速取為3 m/s，風向與排煙口法線方向平行。根據《建筑防煙排煙系統技術標準》[11]計算排煙量為70.33 m3/s，需開窗面積為69.6 m2，補風面積36 m2。本文沿建筑2個邊對稱、均勻設置24個排煙窗，單個排煙窗長3 m，高2 m，圖1為FDS建立的大空間物理模型，其中補風口沿建筑側墻對稱布置。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

為了便于分析大空間設置上、下懸窗的排煙效果，在每個排煙口處布置質量流量測點用以監測通過排煙口的煙氣量，設置速度和壓力測點用以分析排煙口的壓差變化。同時，分別在過火源位置和距地面2 m高度設置溫度、能見度、CO濃度、壓力、速度場切片。

1.2 網格敏感性分析

采用大渦模擬進行火災研究時，網格尺寸直接決定了模擬結果的準確性與可靠性。網格越細，計算結果相對越準確，但計算時間越長。FDS用戶指南建議使用D*/δx的比值來確定網格大小，δx為網格尺寸，當D*/δx的比值范圍在4～16時可以得到較為準確的計算結果[13-14]，具體計算公式如式(1)所示

(1)

式中：D*—火源特征直徑，m；Q—火源功率，kW；ρ∞—空氣密度，kg/m3；Cp—空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T∞—環境溫度，K；g—重力加速度，m/s2。

本文火源功率取為8 MW，根據4

圖2 空間網格劃分示意Fig.2 Schematic diagram of spatial grid division

1.3 模擬工況設定

對于自然排煙窗開啟角度問題，目前還沒有規范明確規定，《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ 102—2003)建議[15]窗戶開啟角度不宜大于30°，因此開窗角度取為30°，設置5組模擬工況，如表1所示。

表1 模擬工況Table 1 Simulation conditions

2 無風時上、下懸窗排煙效果對比分析

2.1 煙氣蔓延規律

圖3對比了不設排煙及分別采取上、下懸窗進行排煙時室內煙氣流動情況。由圖3可知，不設排煙時，煙氣在600 s時便已下降到地面。設置懸窗排煙時，由于大空間儲煙能力較好，煙氣層在600 s時基本達到平衡狀態，到1 200 s時未進一步沉降，煙氣層底部距地面有一定安全高度以保證人員疏散，證明了上、下懸窗自然排煙的有效性。

圖3 不同時刻煙氣流動示意Fig.3 Schematic diagram of smoke flow at different moments

2.2 煙氣特性參數分析

在大空間中，火災的煙氣溫度、能見度及CO濃度是衡量人員能否安全疏散的重要指標，判斷人員能否安全疏散的指標如表2所示[15]。

表2 人員生命安全評估準則Table 2 Assessment criteria of personnel life safety

圖4為過火源橫截面溫度、能見度及CO濃度分布圖。由圖4可知，不設排煙時，模擬結束后整個室內空間溫度大于60 ℃，能見度小于10 m，對人員安全疏散造成嚴重威脅，但CO濃度仍滿足人員安全疏散要求，因此下文主要以室內溫度和能見度2個指標入手判斷人員疏散安全性。由表2可知室內溫度小于60 ℃及能見度大于10 m的區域為安全區域。當開啟任意懸窗排煙后，室內溫度及能見度的分布有了明顯變化。開上懸窗排煙時，溫度安全區域主要分布在室內5.5 m以下部分，開下懸窗排煙時，溫度安全區域分布在室內7 m以下部分，下懸窗溫度安全區域的臨界高度比上懸窗高出27%；開上懸窗時，能見度安全區域分布在室內5 m以下，開下懸窗時，能見度安全區域在5.5 m及以下部分，下懸窗能見度安全區域的臨界高度比上懸窗高出10%。圖5為距地面2 m處溫度、能見度及CO濃度分布圖。由圖5可知，不設排煙時距地面2 m處溫度和能見度均超過危險臨界值，開啟任意懸窗排煙后，除火源附近少部分區域溫度及能見度不滿足疏散要求外，其他大部分區域均在危險臨界值以下，上、下懸窗均可以有效排煙。

圖4 過火源橫截面溫度、能見度及CO濃度分布(1 200 s)Fig.4 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at cross section of fire source (1 200 s)

圖5 距地面2 m處溫度、能見度及CO濃度分布(1 200 s)Fig.5 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at 2 m above ground (1 200 s)

2.3 上、下懸窗排煙效果對比

為了進一步分析大空間建筑上、下懸窗排煙效果的差異，從排煙口總質量流量，室內熱煙氣層溫度，單個排煙口壓力及速度4個方面綜合對比分析2種懸窗排煙效果。圖6(a)為排煙口總質量流量隨時間變化曲線圖。由圖6(a)可知，排煙口總質量流量隨時間先增大后基本保持不變，600 s后基本趨于平衡。對600～1 200 s階段排煙量求平均值得出上、下懸窗平均排煙量分別為49.5 kg/s和64.3 kg/s，下懸窗排煙量相比上懸窗提高了30%。煙氣層溫度隨時間變化規律如圖6(b)所示，開上、下懸窗排煙時穩定階段室內熱煙氣層平均溫度分別為106 ℃和94 ℃，二者相差12 ℃，下懸窗比上懸窗降低了12.7%。另外選取距火源距離最近的排煙口，分析其穩定階段時的速度及壓力，如圖6(c)～(d)所示，開上、下懸窗排煙時排煙口速度分別為0.35 m/s和0.7 m/s，下懸窗比上懸窗增高了50%；壓力分別為3.1 Pa和0.4 Pa，下懸窗比上懸窗降低了87%。開上懸窗排煙時排煙口速度小，壓力大，不利于排煙，開下懸窗排煙時排煙口速度大，壓力小，有利于排煙。

圖6 排煙口處煙氣特性參數隨時間變化規律Fig.6 Change laws of smoke characteristic parameters at exhaust outlet with time

3 有風時上、下懸窗排煙效果對比分析

3.1 建筑周圍流場及壓力分布

存在環境風時，建筑周圍流場及壓力分布會發生改變。圖7(a)為建筑流場分布圖，由圖可知，當氣流以恒定速度到達排煙口時，受建筑阻擋，氣流呈輻射狀向兩側改向。建筑兩側遠離建筑的區域及迎風面氣體流速較高，為3.2～3.8 m/s，而靠近建筑2側的區域及背風面氣流速度較小，為0.6～1.2 m/s，速度差的存在導致建筑2側及背風面產生一定的渦旋，使得建筑兩側及背風面成為負壓區。圖7(b)為建筑壓力分布圖，可以能夠直觀看到建筑迎風面壓力較大，壓力值分布在5.5～7 Pa，而建筑2側及背風面壓力急劇減小，壓力值分布在-0.4～0.6 Pa，從迎風面到兩側壓力降低差值分布在5.9～6.4 Pa。

從圖7(b)也可看出，開上懸窗時室內壓力明顯高于開下懸窗，開上懸窗時室內壓力值大于6 Pa，開下懸窗時壓力值小于2.5 Pa，下懸窗室內壓力值比上懸窗低出58.3%，說明2者排煙效果存在很大差異。圖8為煙氣層溫度分布圖，比較可知，開上懸窗時室內煙氣層在600～1 200 s穩定階段時的平均溫度為101 ℃，開下懸窗時為86 ℃，下懸窗的煙氣層平均溫度明顯低于上懸窗，與上懸窗相比降低了17%，而溫度越高室內壓力也必然越大。結合室內壓力分布及煙氣層溫度綜合分析可知開下懸窗時的排煙效果要明顯優于開上懸窗。

3.2 煙氣蔓延規律

圖9為有風條件下建筑整體排煙效果圖。開上懸窗排煙時，迎風側排煙窗失效，煙氣全部從背風側排煙窗排出。而采用下懸窗排煙時，迎風側和背風側排煙窗均能夠有效排煙。

圖9 整體排煙效果(1 200 s)Fig.9 Overall smoke exhaust effect (1 200 s)

圖10為室內煙氣流動圖，與無風時室內煙氣分布相比，有風時室內煙氣分布非常散亂，且煙氣下降速率加快。開上懸窗排煙時，600 s時煙氣層已下降至地面，開下懸窗時煙氣層高度也有明顯降低，但未完全降至地面。綜合整體排煙效果及室內煙氣層高度來看，下懸窗排煙效果優于上懸窗。

圖10 室內煙氣流動Fig.10 Indoor smoke flow

3.3 煙氣特性參數分析

圖11(a)為煙氣空間溫度分布圖。由圖11(a)可知，開上懸窗時，熱煙氣層溫度小于60 ℃的安全區域主要分布在空間內5.6 m及以下，開下懸窗時，熱煙氣層安全區域分布在6.3 m及以下，開下懸窗時空間內的安全區域臨界高度比上懸窗高出12.5%，且無論是開上懸窗或下懸窗，在模擬時間內，高溫煙氣層均不會對人員安全造成威脅。圖11(b)為煙氣能見度分布圖，當風速為3 m/s時，開上懸窗，能見度安全區域為2.6 m及以下部分，安全區域臨界高度比無風時低出48%，開下懸窗時，安全區域為4.3 m及以下部分，比無風時低出21.8%，且下懸窗安全區域臨界高度比上懸窗高出65.3%，火源2側能見度呈現非對稱分布，開上懸窗時，火源左側(迎風側)安全區域在2 m及以下，火源右側(背風側)在4.8 m以下；開下懸窗，火源左側安全區域區域在4.2 m以下，火源右側在5 m以上。無論是上懸窗排煙還是下懸窗排煙，火源左側安全高度均明顯小于火源右側，主要原因是迎風側排煙口排煙受限，而背風側則有利于煙氣的排出。

圖11 環境風下過火源橫截面溫度、能見度及CO濃度分布(1 200 s)Fig.11 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at cross section of fire source (1 200 s)

圖12為距地面2 m處煙氣溫度、能見度和CO濃度分布圖，由圖可知，對于2種開窗類型，距地面2 m處煙氣的溫度除火源附近大于60 ℃之外，室內大部分區域溫度都低于60 ℃。如圖12(b)所示，除火源附近外，開上懸窗時室內左側(迎風側)大部分區域能見度低于10 m，而開下懸窗時除火源附近外其他區域能見度均不低于10 m。綜上，在風速3 m/s的條件下，上懸窗迎風側排煙窗失效，導致其整體排煙效果降低，下懸窗迎風側、背風側均能夠有效排煙，下懸窗排煙優于上懸窗。

圖12 環境風下距地面2 m處溫度、能見度和CO濃度分布(1 200 s)Fig.12 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at 2 m above ground (1 200 s)

4 結論

1)無環境風時，距地2 m處煙氣溫度、能見度和CO濃度均在危險臨界值以內，建筑采用上、下懸窗均能將煙氣控制在一定高度處。但下懸窗總排煙量要比上懸窗高出30%，開下懸窗時，室內溫度安全區域的臨界高度比上懸窗高出27%，能見度安全區域的臨界高度比上懸窗高出10%，證明下懸窗排煙效果更好。

2)風速為3 m/s時，建筑采用上懸窗排煙，迎風側排煙口不能正常排煙，距地2 m處能見度低于10 m，導致整體自然排煙失效；開下懸窗排煙，迎風側及背風側排煙窗均能有效排煙，自然排煙有效。

3)無論是有風還是無風條件下，下懸窗的實際排煙效果都優于上懸窗。有風條件下，采用上懸窗排煙時，建議關閉迎風側排煙窗并增大背風側排煙窗開啟角度來增大有效排煙面積，降低環境風對自然排煙的影響。實際應用中應優先選用下懸窗作為自然排煙窗。