超高“Z型”中庭高度对自然排烟特性影响的数值模拟研究

2015-11-15徐蕴颢杨盼盼

火灾科学 2015年2期

徐蕴颢，姚斌＊，杨盼盼，黄斌

（1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.同济大学环境科学与工程学院，上海，200092；3.海南省海口市消防支队，海口，570100）

0 引言

中庭因具有良好的采光、通风等特性，目前被广泛应用到酒店、办公楼等建筑物内部设计中。“Z型”中庭是结构较为特殊的一种中庭，设计时根据空气自然对流原理，在中庭底部设置自然进风口，使高大中庭能不断从室外获得足够多的新鲜空气，并在中庭顶部设置自然排烟口，通过自然空气流动把中庭内气体直接排出室外，这两层开口处与中庭构成类似于“Z型”的烟气流通通道。

中庭发生火灾时，烟气在上升过程中受到很多因素的影响，如火源功率、中庭尺寸、消防设施有效情况、中庭内温度分布和外界环境等，导致中庭排烟方式至关重要。根据《高层民用建筑设计防火规范》第8.2.2.5条说明，“净高度低于12m的中庭可开启的高侧窗或天窗的面积不应小于中庭面积的5%”。同时在第8.4.1.3条补充，在不具备进行自然排烟条件或者是高度超过12m的中庭应采用机械排烟系统［1］。从而基本明确了我国在规范中强制要求高大中庭不能采用自然排烟设计；我国《建筑设计防火规范》第9.2.1条第1款规定了可以设置自然排烟系统的场所［2］，但也仅仅是对此做了原则性的规定，对于如何判定一个场所能否进行自然排烟没有给出进一步的说明。

根据火灾动力学相关理论知识，烟气排放实质上就是热烟气与外界环境热交换的过程。考虑到建筑结构本身特点及建筑节能减排等方面的影响，在中庭顶层设置自然排烟的优势明显。对于净高超过12m的大空间，国内外有很多采用自然排烟方案的成功案例，如德国大空间公共建筑尤其展览建筑大多使用自然排烟；日本对自然排烟的应用范围亦没有限定使用高度，同时也都采用了自然排烟的方式；澳大利亚和英国也一直提倡自然排烟［3］；国内也有较多大空间建筑采用自然排烟的方案，如国家会议中心、国家大剧院等。近些年越来越多的中庭采用自然排烟方式，鉴于大空间建筑中自然排烟的复杂性，需对影响自然排烟效果的因素进行分析和研究，以便更有效地发挥自然排烟的优势。

建筑中烟气蔓延驱动力主要是热浮力、热压、室外风等，由于室外风风速随高度的增加成指数增长，导致高层建筑竖向通道中温差和高度共同引起的烟囱效应更加明显，对火灾烟气流动产生更大的影响［4－6］。周等［7］运用数值模拟的方法探究了不同排烟系统在超过12m的中庭建筑火灾中的排烟效果。李，冯等［8］研究了超高中庭建筑物排烟特性，结果表明一定条件下自然排烟可以代替机械排烟。阮［9］通过FDS软件对建筑高度超过12m的扁平中庭高侧窗及天窗两种自然排烟模式的有效性进行分析，结果表明条件允许的情况下可以采用高侧窗和天窗相结合的自然排烟方式。郭［10］研究了某庭院式酒店中庭区域的烟气蔓延，分析建筑自然排烟系统的有效性，对比排烟口布置位置对排烟效果的影响。李等［11］对热浮力、烟囱效应和室外风作用下高层建筑火灾烟气输运规律研究现状进行了分析，指出室外风进入建筑后对烟气运动影响的研究工作有待进一步的扩展。黄等［12］开展了“Z型”中庭全尺寸火灾实验研究，研究表明采用自然排烟方案，基本保障人员安全疏散要求。

本文在黄等人开展的“Z型”中庭全尺寸火灾实验研究基础上，用数值模拟的方法进一步研究了无风状况下“Z型”中庭高度对自然排烟特性的影响，同时开展了外界环境风情况下“Z型”中庭高度对自然排烟特性的初步研究，以期为工程应用和实验研究提供参考。

1 研究对象

本文以海南某超高“Z型”中庭为例，如图1和图2所示。“Z型”中庭高42.60m，贯穿该建筑十六至二十七层，层高3.55m，中庭宽16.20m，每层中庭面积约为400m2。其中十六层南面设有自然进风口，进风口尺寸为25.20m长，3.55m宽；二十七层北面设有自然排烟口，排烟口尺寸为43.20m长，3.55m宽，这两层开口处都布置成室内空中花园，属于架空层，与中庭构成了类似于“Z型”的烟气流通通道。

图1 中庭南北向剖面图Fig.1 North－south sectional view of atrium

图2 十六层（a）和二十七层（b）平面图Fig.2 Ichnography of floor 16（a）and floor 27（b）

2 CFD数值模拟

2.1 模型建立

本文采用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件进行数值模拟计算，FDS用于模拟火灾烟气流动，采用的理论基础坚实，可描述很宽范围的火灾现象，其三维动态模拟结果可通过后处理软件smokeview图形化显示，代表目前火灾烟气运动数值模拟的世界级水平。

图3是根据设计参数所搭建的FDS模型，自然进风口和自然排烟口分别设置在模型底层和顶层，模型网格划分为0.50m×0.50m×0.50m，周围环境压力为1个标准大气压，室外和室内温度分别为38℃和34.5℃，火源的属性为柴油，墙壁的属性设置为混凝土。

图3 FDS模型Fig.3 FDS simulation model

2.2 网格独立性验证

与在此建筑物内进行的全尺寸实验一样，如图4在模型中庭底层中央处放置功率为1.50MW的火源，周围环境设置与实验时情况一致。在模型中间、南侧、北侧竖向布置三串热电偶，其中中间位置热电偶串位于底层中央东侧3m处，最高点热电偶高度40.87m。南侧和北侧位置热电偶串位于底层中央南侧、北侧8m处，南侧最高点热电偶高度40.28m，北侧最高点热电偶高度41.20m。分别选取模拟结果中间、南侧、北侧三串热电偶中的最上部热电偶温度变化规律，与实验数据相比较［12］，得到温度对比的数据如图5所示。

图4 中庭和热电偶所在位置Fig.4 Location of atrium and thermocouple

图5 数值模拟与全尺寸实验热电偶温度对比图Fig.5 Comparison chart about thermocouple temperature in numerical simulation and full－scale experiment

由图5可知，数值模拟中分布在南北中三个位置最上部的热电偶，其温度变化和实验中的趋势基本一致，尤其在200s后，火源功率达到稳定状态，温度一直维持在恒定的某个数值。从以上结果得出，受大空间建筑体量的限制，计算网格尺寸设计结果与实际情况比较符合，此“Z型”中庭大空间建筑采用该FDS模型进行计算模拟可行。

2.3 模拟计算工况设置

为了研究中庭高度对中庭自然排烟的影响，设置7组模拟工况。研究火源不同位置时中庭高度对自然排烟的影响，设置工况1～工况3，分别将火源放置在中庭底层西南角，中庭底层中央和中庭底层东北角；考虑火源位置在中庭底层中央处，中庭宽度发生变化，中庭高度对自然排烟的影响，设置工况2、工况4和工况5；资料显示海南当地全年风向以正南为多，平均风速在3m／s左右，工况6考虑火源位置在中庭底层中央，正南风向3m／s时中庭高度对自然排烟的影响。同时考虑逆风情况，工况7火源位置在中庭底层中央，正北风向3m／s时空气会倒灌进中庭，中庭高度对自然排烟的影响，具体工况设置见图6和表1。

根据上海市工程建设规范《民用建筑防排烟技术规程》DGJ08－88－2006［13］，火源选取无喷淋的中庭火灾荷载为4MW，采用t2快速火，火灾增长系数为0.047，模拟时间1200s。

表1 模拟工况表Table 1 Simulation conditions

图6 模型中火源所在位置Fig.6 Location of fire source in simulation mode

2.4 危险判据

烟气如果在中庭内无法及时排除，沉降的烟气会对中庭内人员造成一定危害，火灾危害因素主要包括烟气温度、能见度，CO浓度等，而各危害因素临界危险判据是烟气对建筑内人员所造成的危险情况临界值，本文取值如表2所示［14］。工况1～工况6取烟气在中庭顶层四周回廊最先到达危险时间值为到达危险时间，工况7考虑到烟气受风力影响可能会倒灌进中庭，取中庭顶层四周回廊与底层中庭最先到达危险时间值为到达危险时间。发生火灾时，到达危险时间越长，自然排烟效果越强。

表2 临界危险判据Table 2 Index of dangerous criterion

3 模拟结果分析与讨论

3.1 不同火源位置时高度对中庭火灾自然排烟效果分析

工况1、工况2和工况3到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线如图7所示，可以发现中庭高度增加，到达危险时间增加。高度在14.20m～28.40m之间到达危险时间增长较慢，高于28.40m到达危险时间有较大的增长幅度，此后中庭高度对自然排烟影响较为明显。高度一定时，火源位置在中庭底层西南角到达危险时间最长，在中庭底层西南角时自然排烟效果优于火源位置在中庭底层中央和中庭底层东北角。

表3是对工况1～工况3到达危险时间曲线进行数据拟合，得到各工况对应的到达危险时间曲线拟合方程。对比各工况拟合方程可以看出，在相关度R值接近于1的情形下，危险时间数值t与中庭高度h之间满足指数增长公式：t＝y0＋Aexp（h／α），y0、A和α值依次降低，可能是烟气上升过程受底层单侧进风口补风的影响，引起中庭内热浮力、热压的变化。根据进风口对该中庭自然排烟效果影响状况，建议家具等设施布置在中庭靠近进风口处。

图7 中庭宽度16.2m时到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线Fig.7 Hazard occurrence time curve when atrium width is 16.2mat different atrium heights

3.2 不同中庭宽度时高度对中庭火灾自然排烟效果分析

对工况2、工况4和工况5进行分析研究，从图8到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线同样可以看出，中庭高度增加，到达危险时间也增加。高度在14.20m～35.50m之间，到达危险时间增长较慢，高度35.50m之后到达危险时间增长幅度提高。中庭高度为固定值时，三种工况到达危险时间依次缩短。

表3 工况1～工况3到达危险时间曲线拟合方程Table 3 Fitting equation for hazard occurrence time curve of condition 1～3

图8 火源位于中庭底层中央处到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线Fig.8 Hazard occurrence time when fire is located in central of the ground floor at different atrium heights

表4 工况2、工况4和工况6到达危险时间曲线拟合方程Table 4 Fitting equation for hazard occurrence time curve of condition 2，4and 6

表4是对工况2、工况4和工况6到达危险时间曲线进行数据拟合，得到各工况对应的到达危险时间曲线拟合方程。对比各工况拟合方程可以看出，在相关度R值接近于1的情形下，危险时间数值t与中庭高度h之间同样满足指数增长公式：t＝y0＋Aexp（h／α），y0值依次降低，A和α值依次增加，可能是受烟囱效应和中庭体积量变化的影响。

3.3 外界风变化时高度对中庭火灾自然排烟效果分析

考虑到外界风会影响“Z型”中庭自然排烟，本文通过工况2、工况6和工况7对无风和有风情况下该中庭自然排烟特性进行初步研究。三种工况到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线如图9所示，正南风向3m／s时，中庭高度增加，到达危险时间先增加，后期到达危险时间为模拟时间。正北风向3m／s时，到达危险时间较低。

工况6中庭自然排烟效果优于工况2和工况7，可能是因为首层和顶层开口处与中庭构成烟气流通通道，在正南风作用下，烟气流动加快，到达危险时间较长。从表5中各工况自然排烟情况可以看出，工况7中风从顶层排烟口进入，使得上升的烟气出现紊乱，致使烟气从顶层排烟口排出时遇到一定阻力，烟气在底层停留、扩散蔓延，使得底层烟气浓度增高，到达危险时间缩短，排烟效果减弱。

综合图9和表5可知，中庭高度增加，正南风向3m／s自然排烟效果增强，正北风向3m／s排烟效果减弱。说明外界风对“Z型”中庭的排烟能力有较大的影响，在正南风向时，自然排烟效果增强，在设计类似中庭时应综合考虑该地区常年风向。

4 结论

通过FDS软件数值模拟某地超高“Z型”中庭发生火灾，中庭不同高度对自然排烟的影响。在本文条件下，分析各工况的到达危险时间并对该数据进行数据拟合，得到以下结论：

（1）超高中庭传统机械排烟模式不能完全适用条件下，自然排烟是一种有效的排烟方式，超高“Z型”中庭采用自然排烟可为人员疏散提供足够的安全时间；

（2）无风情况下，中庭高度增加，到达危险时间增加。对到达危险时间曲线进行数据拟合，得出到达危险时间t与中庭高度h之间满足一定指数增长关系：t＝y0＋Aexp（h／α），火源在中庭不同位置和中庭宽度对y0、A和α有一定影响。

（3）对外界环境风影响自然排烟情况进行初步研究，外界风向与进风口方向一致时，中庭自然排烟效果优于无风状况。在外界风向与排烟口方向相反时，自然排烟效果较弱。

（4）“Z型”中庭本质上一侧进风，一侧排风，其特殊结构导致风向对其自然排烟效果有明显的影响，建议在设计类似中庭时应综合考虑地区适用性。

图9 火源位于中庭底层中央处外界风影响时到达中庭不同高度点的危险时间变化曲线Fig.9 Hazard occurrence time curve when fire is located in central of the ground floor under external wind conditions at different atrium height

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