高层建筑走廊机械排烟效果影响因素分析

2015-12-04蒋亚龙

河南城建学院学报 2015年1期

李改，蒋亚龙

(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽合肥230088)

高层建筑发生火灾后，烟气由着火部位向建筑物的其他部位扩散、流动。走廊是建筑内人员向外疏散的必经通道，也是烟气扩散的主要路径［1］，其中烟气的有害气体浓度、烟气层高度、温度都影响着人员的安全疏散。设置科学合理的机械排烟系统对于高层建筑来说十分重要，它意味着火灾时，不仅能及时排除大量的有害烟气，使人员安全疏散，而且还能排除火灾产生的大部分热量，起到控制火势蔓延的作用。因此，合理设置防排烟设施，能够最大限度地减少人员伤亡及财产损失。

20世纪80年代以来，国际上关于建筑防排烟理论，即火灾烟气流动与控制的研究主要采用两种方法:(1)开展火灾烟流试验，即通过试验来分析、认识、掌握火灾烟流规律及其控制原理。如20世纪80年代初加拿大国家研究院建造了世界上首座高层建筑火灾试验塔，主要进行高层建筑的机械防排烟的研究［2］。(2)采用计算机模拟的研究方法。火灾试验不但耗资巨大，而且由于条件所限，只能有针对性地进行，不能包罗万象。采用计算机模拟的研究方法具有不受时间、空间、条件限制的优越性，在性能化防火设计中得到普遍应用［2－5］。本文选择具有条形走廊的高层建筑建立火灾模型，采用FDS软件模拟高层建筑的火灾发展和烟气流动情况，对走廊内机械排烟条件下CO浓度、温度和烟气层高度、能见度分布情况进行分析，考察不同参数对机械排烟效果的影响。

1 建筑模型及火灾场景设计

1.1 模拟对象

模拟对象为一宾馆类高层建筑，平面图如图1所示。建筑模型具体条件为:房间门尺寸1 m×2 m(宽×高)，前室门尺寸1.6 m×2 m(宽×高)，走廊尺寸47 m×2 m(长×宽)，走廊两端外窗尺寸为1 m×1 m(宽×高)，共12层，层高3 m，起火层为第6层，起火房间位于601客房，火源位于客房内床上。模拟时间为1 200 s，模拟时设定起火房间房门开启，楼梯电梯前室门开启，非起火房间的房门关闭。模拟发现，开启外窗时，门缝渗透对排烟效果影响不大。因此，在模拟排烟效果时可忽略门缝渗透的影响。

图1 起火层平面图

1.2 火灾热释放速率

试验和研究发现:火灾的热释放速率随时间而变化。在火灾的初期阶段，热释放速率一般假设为t2增长。不同的可燃物火灾增长系数不同，工程中常将火灾的初期增长分为慢速、中速、快速和超快速等四种类型，由于建筑客房内可燃物主要为木质床及衣物等，火灾发展介于中速和快速火之间，而更接近于快速火，模拟中选取不利的情况，取 α =0.046 89［6］。

设计火灾规模可以参照NFPA和DGJ 08－88－2000《民用建筑防排烟技术规程》选取，根据表1，选择热释放速率为 1.5 MW(客房，有喷淋)［7］。火灾热释放速率见表1。

表1 常见建筑火灾的最大热释放速率

图2 火灾功率为1.5 MW的热释放速率曲线

1.3 火灾场景设置及热释放速率曲线

火灾场景设置见表2。

表2 机械排烟火灾场景设置

2 模拟结果分析

用于评价排烟效果的参数主要有:有害气体浓度(选择CO浓度为代表)、烟气温度、烟气层高度和能见度等参数，模拟中在走廊内设置了7个测点测出以上各参数，用来考察不同因素对机械排烟效果的影响。

2.1 排烟量对机械排烟效果的影响

分析机械排烟场景1、2、3三个场景的各参数情况如图3、图4、图5所示。

图3 单排量为40 m3/h时火灾层各测点的CO浓度、温度、烟气层高度曲线

图4 单排量为60 m3/h时火灾层各测点的CO浓度、温度、烟气层高度曲线

图5 单排量为80 m3/h时火灾层各测点的CO浓度、温度、烟气层高度曲线

通过对不同排烟量条件下各参数的分析发现:排烟量对烟气的温度影响不大;随着单排量的增加，除离火源最近的测点a外，CO浓度的最高值有所下降，即由最高300 PPM降低到250 PPM进而到200 PPM;随着单排量的增加，离火源较远的e、f、g测点的烟气层高度升高非常明显，大部分区域烟气层高度由1 m以下升到1.2 m以上。另外，通过模拟实况发现，单排量的增加也有助于提高走廊的能见度。

由此可见:增加单排量对于降低CO浓度、提高烟气层高度效果明显，但对于降低烟气温度效果不明显。另外，排烟量并不是越大越好，排烟量过大会增加成本，降低排烟效率，且容易引起烟气的扰动，对人员疏散不利。一般情况下，《高层建筑防火规范》规定的单排量60 m3/h即可满足走廊机械排烟效果要求。

2.2 排烟口位置对机械排烟效果的影响

分析机械排烟场景2、4见图6。

由图6可以看出:排烟口的位置对烟气温度影响不大，除测点a外，排烟口位于侧壁时的CO浓度最高达300 PPM，而排烟口设在顶棚时CO浓度最高只有250 PPM，排烟口设在侧壁时烟气层高度明显地下降到1 m以下，能见度也明显降低。可见，排烟口位于顶棚时对于降低烟气的CO浓度、提高烟气层高度和能见度效果非常明显。因此，顶棚排烟应用较广，而侧壁排烟效果与排烟口距离地面净高密切相关，在实际工程中吊顶高度仅为2 m左右，则不宜采用侧壁排烟。

图6 排烟口在侧壁时火灾层各测点的CO浓度、温度、烟气层高度曲线

2.3 排烟口数量对机械排烟效果的影响

分析机械排烟场景2、5见图7。

与设置两个排烟口相比，设置单个排烟口时能见度有所降低，如图7a所示，其它参数变化不大，可见条形走廊机械排烟受排烟口数量约束不大，但对于其它格局的建筑结论或许不同。在实际的问题中还需要进行具体的分析和考察，以保证走廊机械排烟安全有效。

图7 设置单个排烟口、两个排烟口时火灾层各测点能见度切片

2.4 起火房间位置对机械排烟效果的影响

分析机械排烟场景2、6见图8。

由图8可以看出:611房间起火时火灾层CO浓度和温度分布比较集中，这是因为起火房间靠近楼梯，一方面火灾烟气通过楼梯上行，另一方面高温烟气同时向两侧迅速蔓延，不会产生单一区域内的聚积，这对于起火房间的人员疏散相对有利，但由于走廊很长，排烟量有限，烟气不能及时排出，从而导致走廊内的烟气层高度和能见度略有降低。因此，起火房间位于两个排烟口之间时排烟效果较好，对人员安全疏散有利。