地下建筑烟气扩散分析及研究*

王宇宁 刘栋栋 王 远

1 概述

随着社会经济以及城市立体化的飞速发展,城市用地日趋紧张,地下建筑不断增多。此类建筑的建成在一定程度上满足了社会发展的需求,但也给消防安全工作带来了巨大的挑战。一旦发生火灾,因受封闭性、光线、出入口少等诸多方面限制,可燃物产生的高温浓烟从起火部位迅速流动并向四处扩散,引发了火势的迅速蔓延和扩大,而且烟气能见度低、毒气重,难以排放到室外,人员疏散和灭火救援十分困难,给人们的生命和财产带来严重威胁。

国内外很多研究人员在对火灾烟气扩散的研究方面做了大量的工作,并且取得了一定的成果。Peacock R.D等通过将一综合建筑的火灾模拟与一系列实际规模的火灾实验结果进行对比,验证CFAST区域模型的准确性,并提出了模型所用算法的优缺点[1];Glenn P.Forney等对地下建筑火灾烟气流动的模拟和可视化进行了重要研究[2];中国建筑科学研究院防火研究所根据地下车库类扁平空间的火灾特点,提出利用射流风机的诱导作用来实现辅助排烟的设想[3]。本文结合相应的防火规范,通过对某高校地下机房烟气扩散的分析研究,针对其防排烟系统提出了相应的改进措施,对地下建筑的防排烟设计有着重要的借鉴意义。

2 地下建筑火灾烟气的特点及流动扩散规律

2.1 地下建筑火灾烟气的特点

1)烟气量大,毒气重。地下建筑处于封闭状态,空气流通不畅,发生火灾时可燃物在缺氧条件下不完全燃烧,阴燃时间较长,会生成大量浓烟。2)烟气不易扩散。地下建筑与外部连通的孔洞少且面积小,烟气生成后不易扩散。3)烟气温度高,易发生轰燃。地下建筑中热烟气流积聚,烟气冷却程度小且温度提高较快,着火房间的温度可高达1000℃以上,同时高温热烟气流的体积膨胀快,压力增加快,极易产生轰燃。

2.2 地下建筑火灾烟气的流动扩散规律

地下建筑物内烟气流动的形成是由于风和各种通风系统造成的压力差,以及由于温度差造成气体密度差而形成的烟囱效应,其中温差和温度变化是烟气流动最为重要的因素。

当地下建筑的一个房间发生火灾时,燃烧产生的烟气上升到天花板,到达顶部后转向四周呈水平方向扩散,上部烟层逐渐变浓增厚,其下界面也就逐渐下降,当烟气层下界面降低到房间的开着的门或窗孔上部边缘时,烟气流出门或窗口,涌向地下的走道。只有单一出口的地下建筑,烟气从唯一的出入口排放,形成上部排烟,下部进气的中性带,随着烟雾流量的增大,中性带降低,空气进入减少,室内燃烧速度开始缓慢;具有两个以上出入口的地下建筑,离火源近的出入口烟雾浓,中性带很低,离火源远的出入口烟雾淡,中性带稍高。烟气在火灾发展阶段水平方向上扩散速度可达到0.3 m/s～0.8 m/s,在垂直方向上的扩散速度通常为1m/s～ 5 m/s。

3 某高校地下机房烟气扩散模拟分析研究

3.1 机房概况

该计算机房总共为5个房间,如图1所示,整体建筑被划为一个防火分区及一个防烟分区,不同的计算机房之间仅采用普通玻璃进行分隔,且整个吊顶都是相通的,没有采取合理的防火隔断措施。

3.2 CFAST区域模拟分析

为定量研究此机房的排烟状况,对比已有的烟气测试结果得出有效的结论,采用CFAST软件进行模拟分析。CFAST[4]是一个能够对多房间结构建筑环境的火灾进行预测的区域模拟工具,它能计算出在一个用户设定的火灾环境中,随着时间的推移火灾烟气的扩散和贯穿建筑物的温度。

1)3.2.1 区域模拟的初始设置

1)模拟区域的划分:综合考虑地下机房的功能及发生火灾后可能蔓延到的区域,共将机房模拟区域划分为27个(如图2所示);2)出入口的添加:共添加34个出入口,分别在各房间的门、区域与区域的连通处和机房的出入口处;3)机械排烟设施的添加:按照地下机房平面图中关于防排烟的设计进行添加,共设17个排烟口;4)基本参数设置:排烟口排烟量及风速等按照规范规定的设计参数设置。房间1排烟量大小按14040m3/h计算,排烟口风速按7 m/s计算;5)火源的位置和大小:火源位于区域21的中间位置,热释放速率随时间变化数据见表1;6)由于测试排烟系统,暂不添加自动喷淋系统。

表1 火源热释放速率

3.2.2 CFAST模拟

通过CFAST6.1.1.54软件模拟并导出计算结果,应用MATLAB绘图得到地下机房火灾中烟气层的高度、上部烟气层的温度随时间变化曲线。本次烟气模拟重点讨论4个区域,即与火源距离不同且人员较多的区域2,9,21,22,分两种情况讨论:

1)排烟系统失效,排烟口关闭情况下烟气层高度,上部烟气层的温度随时间变化曲线分别见图3,图4。

2)排烟系统正常启动,排烟口开启情况下烟气层高度,上部烟气层的温度随时间变化曲线分别见图5,图6。

3.2.3 结果分析

根据相关文献研究表明:当烟气层面高于人眼特征高度时,若上部烟气的热辐射强度能够对人构成伤害,就可以认为达到危险;如果烟气层面低于人眼特征高度,对人的危害是直接烧伤或吸入热气体,这种危险状态的烟气温度值约为383 K～393 K,即上部烟气层的温度388 K,下部烟气层的温度一般取333 K。人眼特征高度为1.2 m～1.8 m,取1.8 m。

从以上模拟可以看出:

1)根据CFAST火灾区域模拟软件模拟所有区域在烟气层下降到人眼特征高度的时间(排烟系统失效时),如表2所示。

表2 烟气在各区域下降到人眼特征高度(1.8 m)的时间

2)排烟系统不能正常工作时,烟气层高度变化明显,模拟区域21烟气层高度开始时快速下降,210 s时已经下降到1.83 m,然后变化较慢,到模拟结束时下降到1.49 m;区域22烟气层高度在开始100 s没有变化,之后急剧下降,210 s时下降到1.67 m,然后变化较慢,到模拟结束时下降到1.18 m。

3)排烟系统正常工作时,烟气层高度变化较小,最后控制在安全高度1.8 m以内。

4)两种情况下,各区域上部烟气层温度变化并不明显,主要是由于没有考虑自动喷水系统的影响,无法有效控制火势。

4 结语

通过对某高校地下机房的烟气模拟,综合定性分析以及定量分析,将模拟结果和已有测试结果进行对比,在火灾烟气控制上,主要通过温度、烟气层高度、能见度等参数判断出火灾到达危险状态的时间,可以看出在模拟时改善排烟口的排烟量后能够将烟气层控制在安全高度以内。由于此地下机房未设相对独立的机械补风系统,而且超过20m的内走道未设排烟口,不满足建筑设计防火规范[5]、实用供热空调设计手册(第 2版)[6]的有关要求,应该对此排烟系统进行改造。由此可见,分析研究火灾烟气在地下建筑的扩散,对进行合理的防火、防排烟设计,控制火灾的蔓延和扩大,减少伤亡及财产损失具有重大指导意义。

[1]Peacock R.D.,Jones W W,Bukowski R.W..Verification of a model of fire and smoke transport[J].Fire Safety Journal,1993,21(2):89-129.

[2]Glenn P,Forney,Daniel Madrzykowski,et al.Understanding Fire and Smoke Flow Through Modeling and Visualization[J].IEEE Computer Graphics and Applications,2003(3):6-13.

[3]张靖岩,肖泽南.射流风机用于地下车库类建筑防排烟的可行性探讨[J].中国安全生产科学技术,2008,4(1):21-24.

[4]Richard D,Peacock,Walter W,et al.CFAST User's Guide Version 6[J].NIST Special Publication,2005(9):20-22.

[5]GB 50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[6]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2009.