基于FDS的楼梯间直灌式加压送风口布置研究

焦 涛,李 钰,王 凡

(1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064；2.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

火灾烟气是造成建筑物火灾人员伤亡的主要原因[1]，因此建筑物的防排烟系统能否有效控制火灾烟气已成为人们安全撤离的前提。由于楼梯是建筑物通往楼层的唯一疏散通道，楼梯的防烟效果决定了整个建筑物内的人员能否顺利逃生[2]。根据我国现行的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版)[3]中规定，机械加压送风可作为楼梯间的防烟设施。许多学者对高层建筑机械加压送风系统进行了研究，如朱杰等[4]研究了火灾时楼梯间烟气温度、压力以及流场的分布特性；田桂花等[5]对高层建筑加压送风系统正压值的影响因素进行了探讨，包括风机选型不当、送风口设置不合理、门缝过大等因素；游宇航等[6]对加压送风时楼梯间内压力与空气流速进行了数值模拟，比较了加压送风的效果；王渭云[7]对高层建筑楼梯井直灌式与传统式加压送风进行了比较，结果表明直灌式加压送风可使楼梯间压力更均匀；乐增等[8]基于FDS软件对高校宿舍火灾进行了数值模拟，得出烟气、温度和氧气运动的变化规律;伍颖等[9]对高层建筑火灾人群疏散进行了分析，提出增设机械加压送风可以增加安全疏散时间；陈军华等[10]通过对一栋高层建筑加压送风进行模拟，发现加压送风量对门两侧压力有关键的影响；Morgan[11]通过对高层建筑火灾烟气进行模拟分析，设计了一种控制烟气的方法；Peppes等[12]采用数值模拟的方法研究了火灾过程中楼梯井内浮力驱动的烟气流动特性以及温度、压力等参数的分布规律。

我国《建筑防烟排烟系统技术标准》[13]中规定，布置传统加压送风井有困难的楼梯间可采用直灌式加压送风系统。但上述研究大多是针对传统加压送风，而关于直灌式加压送风的研究较少。鉴于此，本文利用FDS软件对楼梯间直灌式加压送风口的两点式布置最优方案进行了数值模拟研究，并通过门洞风速来寻求最佳的布置方式，以为楼梯间直灌式加压送风系统的优化设计和标准修编提供参考。

1 模型的建立与设计

1.1 模拟软件的选取

本文运用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件[14]对楼梯间直灌式加压送风口的两点式布置最优方案进行了数值模拟研究。FDS软件利用动量守恒、能量守恒和组分守恒原理，可以模拟火灾期间的烟雾颗粒、温度、CO等物理量的发展变化，模拟结果可用来确保建筑物在施工前的安全性，评估现有建筑物的消防安全，重建火灾后事故调查，并协助消防员培训等。该软件也可以用来模拟建筑物中的通风情况。FDS软件是目前国内外公认的最为有效、可靠的专门用于火灾烟气运动分析的软件。火灾燃烧过程是传热、传质过程，FDS软件主要遵循的是质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒方程，其表达式如下：

(1) 质量守恒方程：

式中:u为速度矢量(m/s)；ρ为密度(kg/m3)。

(2) 动量方程方程：

式中：τ为黏性力张量(N)；p为压力(Pa)；f为作用于流体上的外力(除重力外)(N)；g为重力加速度(m/s2)。

(3) 能量守恒方程：

式中:h为比焓(J/kg)；k为导热系数[W/(m·K)]。

(4) 组分守恒方程：

式中:Yi为第i种组分的质量分数；Di为第i种组分的扩散系数(m2/s)。

1.2 模型的建立

本次研究对象为郑州市某办公楼，该办公楼12层，每层层高为4 m，共48 m。本文利用FDS软件进行简化建模，将该建筑模型简化为主要由楼梯间、楼梯间前室、疏散走道和办公室4个部分组成，其平面示意图和三维模型见图1和图2，该建筑模型各组成部分尺寸见表1。

图1 某建筑平面示意图(单位：mm)Fig.1 Plan sketch of a building (unit:mm)

图2 某建筑三维模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional model of a building

表1 某建筑模型各组成部分尺寸Table 1 Sizes of components of a building model

1.3 模型参数的设置

该建筑墙体材料选为混凝土，其物性参数：密度为2 280.0 kg/m3，比热为1.04 kJ/(kg·K)，导热系数为1.8 W/(m·K)。由于楼梯间采用直灌式加压送风不用考虑沿程阻力和风管风速的损失，故本文在模型中不再建风机房，而是直接用vent作为送风口，并赋予其属性为supply。疏散走道的一边设置为open，以便楼梯间前室漏出去的压力与外界压力一致。为了保证在计算精度的基础上加快计算效率，设置的网格尺寸大小为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.4 模拟工况设置

按照我国《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251—2017)[13](以下简称为《技术标准》)中的规定：楼梯间前室不送风，封闭楼梯间、防烟楼梯间加压送风，送风机选取最低送风量为36 100 m3/h，则直灌式加压送风口总送风量为43 320 m3/h，通过两点式布置送风口且两个送风口的距离不小于24 m。由于直灌式加压送风口不受送风管道的影响，且两个送风口位置多为对称，故1层和12层只需对其中一个楼层进行测量，具体模拟工况设置见表2。

表2 模拟工况设置Table 2 Setting of simulated working conditions

1.5 测点布置

根据NFPA92—2018[15]测风速的方法，在楼梯间通往前室的门内采用均匀布置9个速度测点，通过计算9个速度测点风速的平均值即为门洞风速值，其速度测点布置的位置见图3。

图3 门洞风速速度测点布置的位置(单位：m)Fig.3 Distribution of speed measuring points of wind at the door opening(unit：m)

2 模拟结果与分析

2.1 两个送风口位置为6层和12层的模拟结果分析

以直灌式加压送风口位置为6层和12层(见表3)为例，利用FDS软件，通过速度测点所测门洞风速数据，可得到不同工况下直灌式加压送风口通过连续三层的各门洞风速变化情况，见图4、图5和图6。

表3 直灌式加压送风口位置布置在6层和12层Table 3 Conditions when the air supply vents are set up on the 6th and 12th floor

图4 工况1下各门洞所测风速图Fig.4 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 1

由图4、图5和图6可以看出：

(1) 当直灌式加压送风口位置布置在6层和12层，送风时间为50 s时，速度测点所测风速值开始逐渐趋于稳定，数值变化幅度小。

(2) 当开启楼梯间和楼梯间前室2层、3层和4层门时，楼梯间4层的门洞风速约为1.7 m/s，远大于《技术标准》所要求的门洞风速值(1.0 m/s)，可满足楼梯间防烟的要求；楼梯间3层的门洞风速约为0.9 m/s，满足《技术标准》规定的门洞风速值的误差在10%以内的要求，且达到楼梯间防烟的要求；楼梯间2层的门洞风速约为0.6 m/s，其远远小于《技术标准》所要求的门洞风速值，无法达到楼梯间防烟的要求，这是因为风均通过楼梯间3层和4层流出，当风到达楼梯间2层时就无法满足《技术标准》的要求(见图4)。

图5 工况2下各门洞所测风速图Fig.5 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 2

图6 工况3下各门洞所测风速图Fig.6 Diagram of wind speed at each door opening under working condition 3

(3) 当开启楼梯间和楼梯间前室6层、7层和8层门时，楼梯间6层的门洞风速约为1.0 m/s，楼梯间7层和8层的门洞风速约为1.2 m/s，均可以满足《技术标准》所要求的门洞风速值(1.0 m/s)(见图5)。

(4) 当开启楼梯间和楼梯间前室10层、11层和12层门时，楼梯间10层和12层的门洞风速约为1.1 m/s和1.7 m/s，大于《技术标准》所要求的门洞风速值(1.0 m/s)，由于楼梯间11层位于楼梯间10层和12层中间，通过其门洞的风速会相对较低，但也满足《技术标准》规定的门洞风速值的误差在10%以内的要求。综上可见，在满足《技术标准》的情况下，直灌式加压送风口位置布置在6层和12层时，会有部分楼层楼梯间无法达到防烟的要求。

2.2 不同送风口位置的模拟结果对比分析

利用FDS软件从送风50 s后开始进行模拟计算，对门洞上的9个速度测点求取风速平均值，可模拟得到不同工况下门洞的风速值，见表4。其中，《技术标准》要求的门洞风速值为1.0 m/s，门洞风速测量时误差允许范围在10%以内。

表4 某建筑总高度为48 m时各工况下门洞风速值Table 4 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 48 m

由表4可知，工况1、工况10的楼梯间2层和工况12的楼梯间12层的门洞风速值远小于《技术标准》所要求的门洞风速值(1.0 m/s)；当直灌式加压送风口位置布置在1层和12层(工况4、工况5、工况6)时，均满足《技术标准》要求的门洞风速值，仅有3个门洞风速值在0.9～1.0 m/s之间，其余均大于1.0 m/s；当直灌式加压送风口位置布置在2层和11层(工况7、工况8、工况9)时，均满足《技术标准》要求的门洞风速值，仅有1个门洞风速值在0.9～1.0 m/s之间，其余均大于1.0 m/s。因此，直灌式加压送风口位置布置在2层和11层(工况7、工况8、工况9)时楼梯间的排烟效果最优，布置在1层和12层(工况4、工况5、工况6)时也满足《技术标准》的要求，而布置在6层和12层(工况1、工况2、工况3)或3层和10层(工况10、工况11、工况12)时则无法满足《技术标准》的要求。

3 验证分析

将层高4 m改变成3 m，建筑层数不变，建筑总高度为36 m，12种工况不变，利用FDS软件模拟计算得到了不同工况下门洞风速值，见表5。

表5 某建筑总高度为36 m时各工况下门洞风速值Table 5 Values of wind speed at each door opening under various working condition when a building height is 36 m

由表5可知，在建筑总高度为36 m时，直灌式加压送风口两点式位置布置在第2层和次顶层(工况7、工况8、工况9)时可达到最优排烟效果，其次是布置在首层和顶层(工况4、工况5、工况6)时，这两种布置方式均满足《技术标准》所要求的门洞风速值，但布置在6层和12层(工况1、工况2、工况3)或3层和10层(工况10、工况11、工况12)时则无法满足《技术标准》所要求的门洞风速值。

4 结 论

本文对总高度不大于50 m、总层数为12层、层高为4 m的建筑，楼梯间采用直灌式加压送风口两点式布置的最优排烟效果进行了数值模拟研究，并得出如下结论：

(1) 直灌式加压送风口两点式位置布置在第2层和次顶层时楼梯间的防烟效果最优，其次是布置在首层和顶层时也能满足楼梯间的防烟要求。

(2) 《技术标准》中规定，当建筑总高度大于32 m时，两点式送风口之间的距离不宜小于建筑高度的1/2，但并未规定具体两点式送风口之间的距离多大可使其防烟效果最大。本文的研究表明：直灌式加压送风口两点式位置布置在第3层和第10层或第6层和顶层时，两点式送风口之间的距离虽然满足了《技术标准》的要求，但无法满足楼梯间的防烟要求。因此，建议《技术标准》修改为：两点式送风口应分别布置在第2层和次顶层，也可布置在首层和顶层。