密闭回廊中非均匀布置排烟口的排烟效果

丁瑶，阳东，刘英利

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045)



密闭回廊中非均匀布置排烟口的排烟效果

丁瑶，阳东，刘英利

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

针对封闭回廊的排烟问题,提出在回廊转角处增设排烟口的方案。定量模拟计算表明，在相同的排烟量下，该方案相对于均匀布置排烟口的方案具有更强的烟气控制能力，可大幅减少烟气向毗邻楼梯间蔓延的比例，并且在温升、能见度、烟颗粒浓度的控制上均具有优势。

排烟口；非均匀性；封闭回廊；排烟

从着火房间蔓延到走廊远端的火灾烟气依然具有致命的危险性[1]。

在建筑的回廊中，自然排烟和机械排烟是2种被广泛采用的烟气控制手段[2-5]。近些年，自然排烟也在回廊的防排烟中得到了推广应用，具体做法通常是开设可用于自然排烟的开口等，利用热浮力、室内外的压力差以及外部风等将火灾烟气从开口排向室外。跟机械排烟相比，自然排烟的优势在于兼具了日常通风、采光等功能，其设备简单，无需风机、管道、风阀等设施部件，因此成本低，占地面积小。这对于某些空间狭小的建筑结构是可以考虑采用的。近些年，甚至在城市隧道、地下车库等地下建筑中，自然排烟也应用得越来越多。然而，对于船舶舱室等密闭空间，自然排烟是有局限性的，并不能够照搬建筑的做法。船舶甲板以下的舱室开设直通室外的自然排烟口很困难；另外，在海上，自然排烟容易受到风压等外部环境参数的影响，排烟能力不稳定，甚至可能出现烟气倒灌。因此，在船舶密闭回廊中，采用机械排烟对火灾烟气进行控制是必要的。对于船舶甲板下方的密闭回廊，设置合理、高效的机械排烟系统并不容易，目前也没成熟的案例可以借鉴。一方面，船舶的内部空间比一般的建筑更为狭小，给排烟风机、排烟管道的设置带来很大的困难，排烟量不可能大幅增加。另一方面，船舶甲板下方的密闭回廊可能与楼梯间连接；相比于建筑中的楼梯间，船舶楼梯间的防烟措施相对薄弱，在其中设置正压防烟较困难，烟气极易从回廊进入楼梯间再蔓延到其他楼层。而且，火灾发生位置具有随机性。当火灾发生在回廊转角或与毗邻楼梯间相邻的位置时，火灾烟气侵入到相邻区域的可能性更高。

因此，提出非均匀地布置排烟口对回廊的烟气进行控制，利用数值模拟手段对排烟效果进行分析。

1 案例设置及排烟方案

封闭回廊结构见图1，回廊的转角处有楼梯间；楼梯间未封闭，且无正压送风。为考虑火灾烟气蔓延扩散风险较大的工况，认为火灾发生在毗邻楼梯间及回廊转角的小舱室内(见图1)，火灾烟气会从着火舱室蔓延至回廊。火灾最大功率为1.5 MW，其增长变化见图2。

排烟量的选取依据火羽流卷吸产生的烟气量，烟气生成的质量流量的计算如下。

M=0.071Q1/3Z3/5+0.001 8Q,Z>Z1

(1)

M=0.032Q3/5Z,Z≤Z1

(2)

式中:Q为火灾热释放的对流换热部分，kW；Z为燃烧面到顶棚的高度，m；Z1为火源限制高度，Z1=0.166Q2/5c，m。

于是，生成烟气的体积流量为

(3)

(4)

式中:V为烟气的体积流量，m3/s；M为烟气的质量流量，kg/s；Ts为烟气温度，℃；ρ0、T0分别为常温空气的密度和温度，kg/m3、℃；CP为空气比热容，kJ/(kg·K)。

本案例拟采用的总排烟量为8.2 m3/s，所有的排烟量均用于回廊排烟，在着火舱室中未设置机械排烟。对比2套排烟口布置方案的效果：①在与着火舱室相邻的回廊区段上均匀布置，所有排烟口布置在离顶棚0.5 m的侧壁上(如图3所示)；②在回廊区段上不均匀地布置排烟口，将排烟口集中布置在毗邻回廊转角与楼梯间的区域(如图4所示)。第二种布置方案的意图是为了加强在回廊转角处的排烟能力，阻止或减缓烟气向回廊其余区域或者楼梯间蔓延。两套方案的单个排烟口面积均为0.25 m2。2套方案均设机械补风，考虑到封闭回廊的自然补风能力较弱，机械补风量设置为排烟量的2/3。补风口均设在离地面0.5 m的侧壁上(见图3、4)，单个补风口的面积亦为0.25 m2

3 模拟结果分析

采用FDS分别对2种工况进行数值模拟。分别从准稳定状态时的烟气颗粒分布情况、人员疏散高度范围内的温度分布、毒性气体CO体积分数分布及能见度分布等对上述2种方案进行分析，定量地分析2种排烟方案下火灾向相邻楼梯间的蔓延量。

3.1 烟颗粒分布

图5为600 s时1.8 m高处烟气颗粒分布。由图5可见，火灾发展到准稳定状态时，对于2种排烟方案，都有烟气侵入到相邻的回廊区段及楼梯间。但是，当采用方案二时，侵入到相邻回廊区段的烟气较方案一要少，相邻回廊区段的烟颗粒浓度相对较低。

3.2 温度分布

600 s时1.8 m高处温度分布见图6。

由图6可见，对于2种排烟方案，与着火舱室相邻的回廊区段及楼梯间都有一定的温升，说明有火灾烟气进入到这些区域。当采用方案二时，相邻回廊区段的温升较方案一要小。而且，由于方案二在回廊转角处的排烟能力很强，因此，其控制转角处温升的能力较强，高温区域的面积明显较方案一小。

3.3 CO体积浓度分布

600 s时1.8 m高处CO体积分数分布见图7。

由图7可见，对于2种排烟方案，与着火舱室相邻的回廊区段及楼梯间都有一定体积分数的CO。当采用方案二时，相邻回廊区段的CO体积分数较方案一要小。

3.4 能见度分布

图8为600 s时1.8 m高处能见度分布。由图8可见，2种方案对应的能见度分布有明显差异。方案一，在排烟的作用下，着火舱室外的回廊区段的能见度较好；但是，相邻回廊区段能见度存在较大问题，有大量区域能见度明显降低，有部分区域的能见度降到了人员疏散的耐受极限10 m以下。分析认为，大量烟气侵入到相邻回廊区段后，随着烟气温度的降低，烟气分层性变差后开始下沉，引起人员疏散高度处能见度急剧降低。方案二，由于侵入到相邻回廊区段的烟气较少，相邻回廊区段的能见度没有下降到人员疏散的耐受极限以下。说明方案二在控制能见度方面明显优于方案一。

3.5 烟气向相邻区域蔓延的比例

通过对典型位置CO体积分数组分的监测及换算，可得到不同方案下烟气向相邻区域蔓延的比例，该比例值通过下式进行量化。

(5)

监测的断面及编号如图9所示。烟气从着火区域向相邻区域蔓延比例见表1。可以看出，当采用方案二时，向相邻回廊区段及楼梯间蔓延的烟气比例要明显地小于方案一。这说明，方案二具有更强的将烟气控制在排烟区段的能力。

表1 火灾烟气向相邻分区传播的比例 %

4 结论

当总排烟能力相同时，在封闭回廊的转角处分布更多的排烟力量有利于将烟气控制在排烟区段内，并减少烟气向相邻区域扩散蔓延的比例，这有利于减小火灾烟气影响范围，保障整个建(构)物的人员安全疏散。对于船舶的回廊，由于相邻楼梯间的防烟措施薄弱，该方案的优势显得更加突出。

如何将机械补风更合理地融入到非均匀布置排烟口的排烟方案中，还需进一步研究。

[1] 杨培培，石必明，穆朝民，等.建筑物条形走廊烟气运动特性研究[J].中国安全生产科学技术，2012(7):11-15.

[2] 赵红莉，徐志胜，彭锦志，等.纵向排烟与集中排烟下烟气控制效果的对比研究[J].安全与环境学报，2012，7(13)：179-183.

[3] 邱永海，楼 波，许建红，等.火源与排烟口布置对隧道火灾排烟影响的数值模拟[J].安全与环境学报，2016，16(3)：51-55.

[4] 王国卓，刘万福，倪照鹏，等.排烟模式对隧道火灾烟气控制影响研究[J].消防科学与技术，2016，5(10)：622-625.

[5] 建筑设计防火规范，GB50016-2014，北京：中国计划出版社，2014.

On the Smoke Discharge Effects of Non-uniform Distribution of Smoke Vent for a Closed Corridor

DING Yao, YANG Dong, LIU Ying-li

(School of Urban Construcion and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

A discharge smoke programs about the non-uniform distribution of smoke vent of the closed corridors was presented by increasing smoke vents at corridor corner. It was demonstrated to be an effective ventilation method relative to the uniform distribution of smoke vents with the same amount of smoke. This method can significantly reduce the proportion of smoke spread to adjacent to the staircase and has more advantages in temperature, visibility and smoke concentration control.

smoke vent; non-uniformity; close gallery; discharge smoke

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.027

2017-01-18

国家自然科学基金项目(51106189)

丁瑶(1991—)，男，硕士生

研究方向：建筑通风与防火，燃烧理论与技术

U698.4

A

1671-7953(2017)03-0118-04

修回日期：2017-03-07