某地下车库不同排烟口高度及朝向排烟效率数值模拟研究

2014-12-16李英，王艳

安徽建筑大学学报 2014年3期

李英，王艳

（1．安徽省马鞍山市公安消防支队，安徽马鞍山 243000；2．安徽省合肥市公安消防支队，安徽合肥 230001）

随着经济的发展，城市化进程加快，我国汽车拥有量的日渐增多，汽车的存放也顺理成章成为交通管理中的重要问题。地下车库由于建筑面积大，管理较集中等优势也随之得到普及应用。然而，在地下车库给人们带来便利的同时，也带来了一系列的安全问题，其中消防问题尤为突出。近年来也发生了多起地下车库火灾案件，如2012年7月13日凌晨，位于合肥市铜陵北路附近的香江生态丽景C区某地下车库发生火灾，至少造成了30辆电动车烧毁。

地下车库处于一种高密闭的状态，与外部相连接的通道少，且可燃物较多，这就决定了地下车库发生火灾时具有热释放速率大，蔓延迅速，扑救难度大，危害性高等特点［1，2］。因此，如何解决好地下停车场的通风和防排烟设计问题是地下停车场设计中的一个重要问题。在实际地下车库的防排烟和通风设计中，既需要满足平时通风要求，排除汽车尾气产生的污染物，送入新鲜空气，以使有害物含量达到国家规定的卫生标准的要求；又要满足火灾时的排烟要求，以保证火灾发生时，限制烟气的扩散，排除已产生的烟气，保证人员和车辆撤离现场，减少伤亡，保障消防人员安全有效地扑救火灾。

图1 两种不同朝向的地下车库排烟口

现行的消防规范中对地下车库的排烟做出了相关规定。《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》［3］中规定，每个防烟分区应设置排烟口，排烟口宜设在顶棚或靠近顶棚的墙面上；排烟口距该防烟分区内最远点的水平距离不应超过30m。《建筑设计防火规范》［4］对建筑机械排烟系统的最小排烟量进行了相关规定。然而，规范中对机械排烟口的朝向并没有明确规定。经过实地调研发现，排烟主管道上机械排烟口的设计主要为下方开口型和侧方开口型（如图1）。此外，排烟主管道的设计高度在规范中也未提及。因此笔者就地下车库的排烟口高度及朝向问题开展了数值模拟研究，对比其不同排烟设计条件下的排烟效果，并希望在实际工程中有所借鉴。

1 模型建立

1．1 排烟方案介绍

笔者选取了某一商业中心的地下二层车库作为研究对象。根据设计，车库占地面积共21400 m2，分为8个防火分区。其中，笔者选择防火分区八作为模拟计算空间，此防火分区为3983m2，顶棚高3m，由挡烟垂壁分隔为左右两个防烟分区（分区1和分区2），符合规范要求（如图2）。地下车库设置机械排烟和补风设备，排烟量按规范设计，为6次／h，补风量为排烟的一半。起火位置设置为防烟分区1某处停车位，近似为一个2m×4m的火源，并考虑上海市工程建设规范DGJ 08－88－2000《民用建筑防排烟技术规程》［5］，设置汽车燃烧产生的热释放速率为3MW。下方开口型排烟口距离顶棚高度分别设置为0m，0．5m和1m，并设置侧方开口型排烟口的正中位于距顶棚0．5m和1m处（即保持平均高度相同）。表1为考虑不同排烟口高度及朝向的火灾及排烟场景设计方案。

图2 地下车库模拟计算区域示意图

表1 不同排烟口朝向及高度场景设置方案

1．2 FDS模型建立

笔者采用由美国国家标准技术研究院（NIST）开发的火灾动力学模拟软件（FDS）进行对上述场景的模拟，这是一种计算流体力学（CFD）软件，广泛应用于计算燃烧引起的流体流动，是一个由公认的政府权威机构开发的软件，并且经过了大型及全尺寸火灾实验的验证。本文建立了如图3所示的FDS计算模型。模型内部空间通过网格填充，分为两种不同网格。在火源附近区域，网格尺寸取为边长0．25m的立方体，其他区域网格尺寸定为边长0．5m的立方体，网格边界与外界联通。设置环境初始条件温度20℃，模拟时间为900s，并根据火灾发生特点，火源设置为t2快速火，增长系数取为0．04689kW／s2，因此汽车燃烧253s之后达到最大热释放速率3MW。

建筑的烟气危险高度的定义为［6］:

其中Hman为人的平均身高，约为1．6m，Hc为建筑吊顶高，将危险高度横截面近似设为2m。在FDS模型建立中，在危险高度横截面进行了火灾场景中的主要典型参数比较，包括温度、CO浓度和能见度。此外，在车库不同位置设置5个烟气层高度和竖向温度测点，获得不同位置处烟气层高度的下降曲线，其中测点1为火源正上方，测点2－5分别为防火分区几个和相邻防火分区联通的出入口，距离火源的距离各不相同，亦如图3所示。

图3 两种自然排烟方案FDS建模

2 模拟结果与讨论

2．1 不同高度下方开口型排烟口排烟效果

表2列出了工况1－3情况下，改变排烟口高度排烟时，烟气危险高度截面的温度、CO浓度和能见度分布情况，并借鉴消防性能化设计中的临界判据［7，8］（温度50 ℃，CO 浓度 500 ppm，能见度10m），在图中用黑线表示模拟完成后车库中已达危险的区域范围。对比三个工况的危险高度截面的温度分布，可以发现危险高度截面出现超过50℃的区域不大，但随着排烟口高度的下降，车库中的温度有所升高，危险区域范围略有扩大但并不明显，CO浓度分布规律也较为类似。然而，从危险高度截面的能见度图中来看，随着排烟口高度下降，能见度较低区域（10m以下）有着较明显的明显扩大。对比各测点烟气层高度下降曲线，除火源上方外，烟气首先蔓延到测点5附近，引起了测点5处烟气层高度的下降。从测点5处烟气的到达时间来看，三个工况分别为198s，193s和182s，随着排烟口高度下降，烟气层开始下降的时间有所缩短，同时烟气层高度也略有降低，这说明随着排烟口高度的下降，排烟效率是逐渐降低的，这更加不利于车库内的人员疏散。

2．2 不同高度侧方开口型排烟口排烟效果

表3列出了工况4－5情况下，改变排烟口高度排烟时，烟气危险高度截面的温度、CO浓度和能见度分布情况对比三个工况的危险高度截面的温度分布。从危险高度截面的温度和CO浓度分布中来看，可以发现危险高度截面已达危险的区域范围不大，与工况1－3较为类似，且两个工况之间的差异并不明显。而从能见度分布情况来看，900s时在车库危险高度截面上有部分区域能见度较低（低于10 m）。对比两个工况，认为工况4排烟口位置较高，略好于工况5的排烟效果。对比各测点烟气层高度下降曲线，除火源上方外，烟气同样首先蔓延到测点5附近，引起了测点5处烟气层高度的下降。从测点5处烟气的到达时间来看，两个工况分别为196s和192s，烟气层高度下降曲线差异不明显。随着排烟口高度下降，烟气层开始下降的时间略有缩短，同时烟气层高度也略有降低，但总体上各火灾典型参数差异并不十分明显，说明不同高度侧方开口型排烟口排烟效果差异不大，较高位置的排烟口排烟效率略高。

表2 不同高度下方开口型排烟口排烟效果

笔者分析了排烟口高度对排烟效率的影响作用。当汽车火灾发生后，产生大量的烟气，上升撞击到顶棚后，沿着顶棚向相邻区域蔓延，并在顶棚下方缓慢沉积，形成一定厚度的烟气层［9］，烟气层高度是缓慢下降的。因此排烟口越高，烟气就越容易到达排烟口高度，更加有利于排出车库，因此排烟效率也就越高。

2．3 不同朝向排烟口排烟效果的比较与分析

分别对比工况2和工况4，工况3和工况5（即同一高度的不同朝向排烟口），从危险高度截面的温度和CO浓度分布中来看，侧方开口型排烟口对应的温度和CO浓度都较下方开口型排烟口低，能见度达危险的区域范围也较小。此外，从测点5处烟气的到达时间来看，工况4－5也略长于工况2－3的模拟结果，这说明相同高度条件下，排烟口朝侧向时，排烟效率较高，火灾发生后，更有利于排出烟气，为车库内人员疏散争取更多的时间。

笔者同时也分析了侧方开口型排烟口排烟效率较高的原因。由于烟气在顶棚下方的堆积，下方开口型排烟口只能直接作用于其表面附近的烟气，对位置较低处的烟气排烟效率有所降低；且如果一旦排烟速率过大，可能会发生烟气层吸穿效应（即吸入空气量超过烟气量，对排烟不利）［9，10］。相反，侧方开口型排烟口对不同高度的烟气都有一定的作用，较利于位置较低处烟气的排出因此总体而言排烟效率较高。

3 结论与建议

本文以某商业中心地下二层车库为研究对象，设计了5种不同排烟口朝向及高度的排烟模式，通过数值模拟方法研究其排烟效果的差异。通过研究表明，下方开口型排烟口高度越高，排烟效果越好，而侧方开口型排烟口高度则影响不大。通过两种类型排烟口朝向的计算结果对比分析认为，相同高度情况侧方开口型排烟口排烟效率较下方开口型排烟口要高，因此更加有利于汽车库内的人员疏散。在工程建设中应结合实际情况，尽可能多选择侧向开口的排烟类型。