大型空间建筑防排烟系统有效性单因素敏感性分析

何锡萍

摘要：目的：找出影响烟气层高度和温度的敏感参数并为实际工程提供理论参考。方法：利用FDS软件模拟大型空间建筑内火灾烟气流动规律，利用单因素敏感性分析方法，分析防排烟系统参数变化对烟气层高度和烟气层温度的影响，计算各参数的敏感度系数并进行敏感度排序，利用回归分析方法，拟合出参数与烟气层高度和烟气层温度的关系式。结果：火源功率、挡烟垂壁高度、自然排烟高度是对烟气层高度和温度影响较大的参数。结论：烟气层高度和烟气层温度分别与挡烟垂壁高度和火源功率呈线性关系，与自然排烟高度呈三次幂关系。

关键词：烟气层高度;烟气层温度;敏感度系数;回归分析

随着经济的持续发展，建筑物的种类越来越多样，尤其是近些年来，出现了许多宽度和深度大于高度的大空间建筑，如图书馆、商场、火车站等，这类建筑空间大、防火分区面积大、疏散距离长、人员密集，给消防安全带来很大挑战。众多火灾案例表明，超过80%的死亡人员是烟气窒息导致的。由此可见，火灾烟气的合理控制对人员安全疏散极其重要。研究表明，烟气层高度和烟气层温度是影响人员安全疏散的重要因素。因此，需要研究影響烟气层高度和烟气层温度的关键防排烟系统参数。

防排烟系统往往受到自然排烟方式（如自然排烟口的面积、高度）、机械排烟方式（如机械排烟量、补风口面积）、火源功率和挡烟垂壁高度等因素的影响。目前主要从实验研究和计算机数值模拟两方面对防烟排烟系统进行研究，实验研究受到不同建筑物结构的影响，实验变量难以控制，实验消耗大;而数值模拟可以利用计算机搭建全尺寸建筑物模型，模拟不同工况下的排烟情况，为一种有效的研究手段。

本文采取计算机模拟的方法，逐一研究排烟量大小，挡烟垂壁高度，排烟口大小、方向、位置、数量，补风方式、补风量等参数对排烟有效性的影响，采用单因素敏感度分析方法，找出对烟气层高度和温度影响较大的参数，采用回归分析的方法得到烟气层高度和烟气层温度与各参数的关系式。

一、模型设计

研究的模型为大空间建筑物，长60.5m，宽50.4m，高5.1m，总共划分了3个区域。此模型的计算域分别是（40m，299m），（40m，299m）和（307m，584m），沿x，y和z轴的网格数为212×178×24个。在模型的两侧有一个长4.8m，宽2.1m的自然排烟口，和一个长4m，宽1.2m的自然补风口，此为本次模拟的一个基准工况。火源位置位于模型内部一侧，火源面积为3×3.6m2，火源高度为1.2m，室内温度设为20℃，仿真时间为180s，本文将烟气层高度和烟气层温度作为模拟参数，来评估防排烟系统的有效性。

二、单因素敏感性分析

（一）模拟参数取值

实际工程中存在很多影响防排烟系统性能的因素，本文主要分析补风面积、挡烟垂壁高度、火源功率、机械排烟量、排烟高度、排烟面积、喷淋水量等影响因素，依据相关文献、标注、规范和工程实际确定了各影响因素的取值个数和变化范围，如表1所示，用于后文的敏感性分析计算和单因素回归分析计算。

敏感性分析是指在某一系统中，其内部各参数的单独变化或同时变化对系统运行指标产生的影响，而单参数敏感性分析指的是系统内每次变动某一参数，其他参数不发生变化，然后依次计算每个参数对系统运行指标影响程度。在进行敏感度分析时，通常需要计算敏感度系数，即系统运行指标对各参数的敏感程度。敏感度系数一般等于各参数变化程度与系统运行指标变化程度的比值。

1.补风面积

当补风面积从2.16m2增长到7.92m2时，烟气层高度从3.58m下降到3.57m，微弱降低了0.28%，烟气层高度的敏感度系数为0.00105;烟气层温度从126.67℃下降到125.10℃波动，轻微下降了1.24%，烟气层温度的敏感度系数为0.00789。因此，补风面积的增加对烟气层高度和烟气层温度的影响并不明显。

2.挡烟垂壁高度

随着挡烟垂壁高度的逐渐上升，烟气层高度线性下降，烟气层温度线性上升。当挡烟垂壁高度从0.3m增加到1.5m时，烟气层高度从3.78m线性下降到3.02m，下降了20.1%，其敏感度系数为0.05025;烟气层温度从122.27℃线性上升到168.23℃，上升了37.59%，其敏感度系数为0.09398;所以，可以看出挡烟垂壁的高度对烟气层高度和烟气层温度均有显著影响。

3.火源功率

随着火源功率的增大，烟气层高度呈线性下降的趋势，烟气层温度呈线性上升的趋势。当火源功率从1.25MW增加大20MW时，烟气层高度从3.79m线性下降到3.43m，下降了9.49%，其敏感度系数为0.05061;烟气层温度从43.63℃线性上升到199.66℃，上升357.62%，其敏感度系数为0.19074。所以，火源功率对于烟气层高度和烟气层温度均有影响，尤其是对烟气层温度有非常显著的影响，火源功率越大，烟气层温度会越高，对防排烟系统有效性越不利。

4.机械排烟量

当机械排烟量从0m3/s增加到12.18m3/s时，烟气层高度从3.57m下降到3.52m，微弱下降了1.4%，其敏感度系数为0.00115;烟气层温度从125.96℃下降到125.49℃，轻微下降了0.37%，其敏感度系数为0.00038。所以，机械排烟量的大小对于烟气层高度和烟气层温度的影响并不显著。

5.自然排烟高度

排烟高度逐渐升高时，烟气层高度轻微降低，从3.64m下降到3.51m，下降了3.57%，其敏感度系为0.00992;烟气层温度是先从119.84℃上升到125.96℃，再下降到123.91℃，呈现轻微波动趋势，整体微弱上升了3.39%，其敏感度系数为0.00942。因此，自然排烟高度烟气层高度和烟气层温度的影响并不显著。

6.自然排烟面积

当排烟面积从5.04m2增加到40.32 m2时，烟气层高度从3.53m上升到3.64m，总体呈轻微上升趋势，上升了3.12%，其敏感度系数为0.00089;烟气层温度从126.29下降到111.39℃，整体下降了13.38%，其敏感度系数为0.00381。烟气层温度下降的原因可能是排烟面积的增大，导致排烟效果增强，烟气与外界冷空气接触面积增加，导致烟气层温度降低。因此，排烟面积对于烟气层高度和烟气层温度有较强影响。

7.喷淋水量

当喷淋水量从0L/min增加到1.5L/min时，烟气层高度从3.58m下降到3.54m，略微下降了1.12%，其敏感度系数为0.00747;烟气层温度整体呈微弱下降的趋势，先从125.96℃下降到120.39℃，接着从120.39℃上升到123.41℃，整体下降了2.02%，其敏感度系数为0.01347。原因是喷淋水量的增大，造成烟气层温度下降。总之，喷淋水量对于烟气层高度和烟气层浓度具有微弱影响。

依据以上分析，补风面积、挡烟垂壁、火源功率、机械排烟量、自然排烟高度、自然排烟面积、喷淋水量对烟气层高度的敏感度系数分别为0.00105、0.05025、0.05061、0.00115、0.00992、0.00089、0.00747;对烟气层温度的敏感度系数分别为0.00789、0.09398、0.19074、0.00038、0.00942、0.00381、0.01347。

三、结语

本文通过火灾计算机仿真，采用敏感度分析法，分析了各参数单独变化时如何影响烟气层高度和烟气层温度变化，计算了敏感度系数并进行了排序，最后根据模拟的数据和敏感度排序找出三个对防烟排系统影响较大的参数，得到各参数对烟气层高度的敏感度排序为：火源功率>挡烟垂壁高度>自然排烟高度>喷淋水量>机械排烟量>补风面积>自然排烟面积;各参数对烟气层温度敏感度排序为：火源功率>挡烟垂壁高度>喷淋水量>自然排烟高度>补风面积>自然排烟面积>机械排烟量。

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资助基金项目：浙江省科技计划项目（2017C33150）。