單室不同自然排煙口面積的排煙效能分析

茍卡西

摘要：自然排煙口面積是自然排煙系統的重要影響因素，而現行規范中自然排煙口面積對凈高不大于6m的房間來說，僅要求不小于房間建筑面積的2%;這一指標在建筑防火設計中顯得較為簡單籠統。通過對單室不同自然排煙口面積的情況下進行火災數值模擬，分析不同自然排煙口面積在排煙效能中的表現，為后續研究和防火設計提供一些參考和建議。

關鍵詞：自然排煙;面積;效能分析;數值模擬

自然排煙系統是建筑常用的排煙形式，具備經濟、簡單、易維護、易操作等優點，同時兼顧采光和通風的功能;但其排煙可靠性一直受人詬病，主要表現在其排煙效能影響因素較多，如排煙口有效面積、高度、形式、平面布局、自動滅火設施、外部環境等。目前現行規范[1]對自然排煙設計較為簡單籠統;就房間自然排煙設計來說，對于凈高不大于6m的房間其自然排煙口面積僅要求不應小于房間建筑面積的2%。通常設計人員僅按照規范最低要求進行設計并不會對其他影響因素進行關聯設計和論證。鑒于以往對于自然排煙研究的深度以及目前設計應用的現狀，本文僅對單室自然排煙口面積的排煙效能進行初步研究和分析。

1? 數值模型

1.1? 模型初始條件假定

本文建立10m（長）×10m（寬）×3m（高）的房間作為實體模型，其中四面隔墻居中設置自然排煙口，不考慮門洞設置，不考慮任何障礙物的設置（圖1）;這樣設置的目的是確保自然排煙有效順暢且不受漏風量的影響。按照現行規范[1]相關要求，本文統一將自然排煙口高度設置于房間最小清晰高度（H=1.6+0.1×3=1.9m）以上，即自然排煙口底邊距地面高度為1.9m[2]。

為加速FDS試驗收斂，本文火源假定為辦公室未設置噴淋系統的情況[3]，按照《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB51251-2017）相關規定，其火源最大功率6000kW，熱釋放速率參照t2極快速增長模型;火源設于地面中央1m×1m的區域[4]。其設置目的是盡可能保證煙氣羽流均勻對稱擴散。按照t2火增長模型公式Q=at2推算得到，當t=184s時房間火源達到最大功率。本次試驗計算時長取500s且不考慮火源下降段模擬。環境因素由軟件默認。

1.2? 試驗工況

房間內設置6個不同面積自然排煙口作為不同的試驗工況，各工況四面隔墻上居中設置相同尺寸的自然排煙口[5]，且各工況僅改變自然排煙口的寬度，盡量避免排煙口高度變化帶來的影響。其中工況1的自然排煙口面積為0，即未設置自然排煙口的情況。工況列表見表1。

1.3? 安全指標

根據以往的研究[6]，火災煙氣致命的因素主要是溫度、能見度和煙氣毒性三項指標，并提出多種評價模型和判定方式[7]。本文安全指標將采用溫度、能見度和氧濃度并采用分類判定的方式。通過研究發現煙氣毒性的危害性往往滯后于溫度和能見度，且毒性物質種類較多，其對人員的影響也不盡相同，所以本文采用氧氣濃度等效代替煙氣毒性作為安全指標。

由于本文選取的三項安全指標均是隨時間和空間變化的量，而且人員耐受度也是隨時間和空間變化[7]。要精確描述其危害性變化是不現實的。本文結合以往研究的經驗將選取最小清晰高度范圍內的加權平均值作為安全指標判定的標準。

①最小清晰高度內溫度加權平均值不大于120℃[8];②最下清晰高度內能見度加權平均值不小于5m;③最小清晰高度能氧濃度加權平均值不小于10%。

2? 數值模擬分析

2.1? 溫度分析

圖2為各工況下溫度時間曲線，通過圖形和試驗數據列表可得到：工況1和工況2分別在137s達到219℃的峰值溫度和202s達到253℃的峰值溫度，兩個工況均出現拐點，最小清晰高度內的煙氣溫度達到峰值后持續下降。這里出現拐點的情況是由于當煙氣濃度達到一定程度后導致氧氣濃度相對降低以至室內環境不再支持火源繼續燃燒;工況1曲線出現低于環境溫度甚至達到負值的情況是由于軟件計算離散數據的表現，不影響本文的研究;實際情況煙氣溫度將會無限趨近于環境溫度。由于工況1未開設自然排煙口，其火源熄滅的時間必將比工況2出現的早，通過圖2也能看出工況1拐點較工況2提前，而且溫度峰值也相對較低。工況3至工況6均未出現拐點即環境氧濃度能夠保持火源持續燃燒，煙氣溫度峰值均在峰值功率達到后出現，其中工況3穩定在190℃上下、工況4穩定在140℃上下、工況5穩定在110℃上下、工況6穩定在90℃上下。通過比較，其峰值溫度隨排煙口面積增大而呈梯度下降的趨勢。

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內的煙氣溫度控制是較為顯著的。在火源持續燃燒的情況下，煙氣溫度隨著排煙口面積的增大能夠有效降低，但效果逐步降低;當排煙口面積達到房間面積16%以上時才符合本文溫度安全指標。盡管排煙口面積較小的情況下能更快地阻止火源持續燃燒和蔓延，但按照火源增長的速率也將更短時間能讓房間達到更高溫度，對人員疏散和停留是極其不利的。

2.2? 能見度分析

圖3為能見度時間曲線，通過圖形和數據列表可得到：各工況下煙氣始終會充滿整個房間，這是由于火源和煙氣的增長是隨時間冪次方的增長，煙氣增長速率明顯大于排煙口的排煙速率。通過圖3看出，隨著排煙口面積的增大能見度突破安全指標限值的時間逐漸延遲，但差別不大。其中工況1至工況6最小清晰高度內能見度突破5m的時間分別為61s、63s、70s、74s、82s、86s，基本上火源功率尚未達到最大即出現能見度極限。其中工況1和工況2上文提到會導致火源熄滅溫度下降，但其根源是熱輻射耗損，并非煙氣持續排出所致;當火源熄滅后溫度下降導致火風壓降低，其自然排煙速率相應下降，所以能見度并不能因為火源熄滅而得到改善。

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內煙氣能見度控制不顯著。自然排煙口排煙機理主要是被動排煙，火風壓是其排煙的主要驅動力;在火源和煙氣快速增長的情況下自然排煙口的排煙速率顯得微不足道[9]。這里推論，若采用較低速率的火源增長模型進行試驗，各工況下煙氣也必將充滿房間，能見度始終會在火源達到最大功率之前突破安全指標，僅在時間上相對延遲而已。

2.3? 氧濃度分析

圖4為氧濃度時間曲線，通過圖形和數據列表可得到：工況1由于沒有排煙口，煙氣急速蔓延，在137s時房間內最小清晰高度內氧濃度達到不支持火源繼續燃燒的極限后火源熄滅;同時圖4中也能看到工況1的曲線在此時發生微小突變，即火源不再按照原先的速率產生煙氣，而以相對較慢的速率產生，直至180s時房間內氧氣耗盡，最小清晰高度內氧濃度降為0，幾乎是火源功率達到最大時出現。工況2和工況6，空氣能夠不斷的補充，其氧濃度不會降至0;但隨著排煙口面積的增大其氧濃度能保持更高的水平，其效果呈梯度下降，最終無限趨近于初始氧濃度。從圖中還可看出，工況2至工況6在約100～200s的階段均呈現出不同曲率的氧濃度下降段，此時間段相當于火災的增長階段，氧濃度降低和煙氣增長打破平衡，導致這樣的急速下降段。在約200s時火源功率達到最大或火源熄滅導致煙氣增長趨緩，其氧濃度和煙氣增長再度保持平衡，于是出現圖中的水平段。

以上分析說明排煙口面積對最小清晰高度內氧濃度控制較為顯著。當排煙口面積達到房間面積的20%時，基本能一直保持最小清晰高度內的氧濃度不受煙氣影響，始終保持初始氧濃度的水平，當排煙口面積達到房間面積8%時才符合氧濃度安全指標。

3? 結語

本文分類判定的方式有效分析了排煙口對各安全指標控制的顯著性，試驗驗證自然排煙口在排煙過程中對煙氣溫度和氧氣濃度的控制比較好，且隨排煙口面積的增大其排煙控制效能呈梯度下降，對能見度的控制效能幾乎忽略不計。

自然排煙口面積與火源燃燒緊密聯系。過小的排煙口能阻止火源燃燒和蔓延，但其產生的煙氣溫度增長較快且溫度峰值相對較高，其造成氧氣濃度降低較快且長時間維持較低水平;過大的排煙口不能阻止火源燃燒，但其產生的煙氣溫度增長較為緩慢且峰值溫度相對較低，其造成氧氣濃度降低緩慢且長時間維持較高水平。實際情況下，越大的排煙口越能助長火源持續充分燃燒，因為更大的排煙口更利于室內空氣的流動和補充，其煙氣危害性持續時間將會更長。所以排煙口面積并不是越大越好，也不是越小越好，合適的排煙口面積應當是取最優值，這也是后續需要研究的內容。

通過6個工況的試驗，自然排煙口面積需要較大占比才能符合安全指標的要求，若考慮自然排煙口其他設置因素的不利影響或煙氣毒性的增大，其排煙效能將大打折扣或完全失效。當然安全指標是建立在人員安全疏散的前提下，其允許疏散時間內的煙氣危害性和排煙效能也是一個相對的概念。本文雖然未結合人員疏散時間進行排煙效能分析，但通過本文試驗的橫向對比能夠了解到自然排煙口面積和排煙效能方面的單一關系，為今后研究奠定基礎。

參考文獻：

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[3]王曉嵐，朱國慶，張國維.小型辦公室類建筑自然排煙效果的數值模擬與分析[J].中國科技論文在線，2010.

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[9]周云斐，易亮，楊洋.環境風作用下室內火災自然排煙研究[J].中國安全生產科學技術，2012，8（12）：63-67.

Ventilation efficiency of single

room with different areas

of natural smoke outlet

Gou Kaxi

（Anshun Fire and Rescue Brigade，Guizhou? Anshun? 561000）

Abstract：The area of natural smoke vent is an important influencing factor of natural smoke exhaust system， and the area of natural smoke vent in the current code is only required to be not less than 2% of the room floor area for rooms with net height not more than 6 m; this index seems to be simple and general in the building fire protection design. The article analyzes the performance of different natural smoke vent areas in smoke extraction efficiency through numerical simulation of fires in single rooms with different natural smoke vent areas， and provides some references and suggestions for subsequent research and fire protection design.

Keywords：natural smoke outlet; area; efficiency analysis; numerical simulation