单室窗开度对着火房间一氧化碳浓度分布的影响

2020-08-03陈静怡何其泽叶小曼张诗琪

科学技术与工程 2020年19期

许涛，陈静怡，何其泽，叶小曼，张诗琪

(1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306；2.应急管理部上海消防研究所，上海 200032)

高层建筑玻璃幕墙窗户打开方式往往为悬开，火灾发生时，这在一定程度上会影响火灾烟气的蔓延，甚至影响人员逃生。现实生活中，绝大多数丧生火场的人不是被烧死的，而是吸入了过量的一氧化碳等有毒气体中毒而死的，2017年6月22日，浙江省杭州市上城区鲲鹏路蓝色钱江小区2幢1单元1802室发生纵火案。大火从22日04:55—06：48之间燃烧约1 h 53 min，该事故导致4人死亡，360 m2的住宅被烧成废墟。事后调查发现，4人被困房间位于整套房子最北侧，面积约为20 m2，房间只有一面窗，窗体较窄，约一臂宽，窗户为自动悬开窗，按下开关窗户会缓缓向外打开，但仅能张开较小角度，浓烟飘散极为困难，且楼层较高，无法通过窗户对外呼救。四名被困人员几乎是在一个封闭的环境中，吸入过量一氧化碳中毒死亡。因此，研究窗开度对着火房间一氧化碳浓度分布的影响具有很大的现实意义。

现有的大多数腔室火灾研究，往往集中于着火房间内，但火灾烟气的流动往往伴随着与外界气体的交换，这就涉及火灾烟气向外蔓延的情况。最早对火焰沿建筑外立面蔓延进行研究的是Yokoi[1]，他建立了溢出热羽流中心线上无量纲温度和高度随无量纲火源功率变化的关系式；随后，Lee等[2-4]基于开口处火溢流形态和流动情况的特征长度，包括通风因子，水平惯性力与热浮力的比值，展开了研究；Jörn[5-6]研究了不同窗户类型的自然通风效果；陈大宏等[7]研究了建筑窗户形状对室内火灾烟气温度的影响；韩峥等[8]研究了平开窗和悬窗的自然排烟效果；张栋楠等[9]研究了不同类型悬窗对自然排烟的影响。可见，前人对窗户排烟领域有一定涉足，但具体到平开窗还是悬窗，以及平开窗或悬窗开度的研究，并没有太多相关成果。因此，在前人研究的基础上，提出研究窗户的打开角度对火灾烟气蔓延的影响，且主要的研究对象为一氧化碳浓度的分布。

1 数值模型

1.1 模型参数

火灾模拟器(fire dynamics simulator, FDS)已在多数研究领域有所应用[10-12]，同样使用FDS进行火灾模拟，依据弗洛德相似准则[13-14]，建立1∶4缩尺寸模拟模型，如图1所示，单室模型尺寸为1.2 m(长)×1.2 m(宽)×0.7 m(高)，门的尺寸为 0.25 m(宽)×0.5 m(高)，窗的尺寸为0.5 m(宽)×0.5 m(高)。如图2所示，一氧化碳测点树A布置在距离门0.21 m处，一氧化碳测点树B布置在距离窗0.27 m处，一氧化碳测点树C布置在窗户面。树A共6个浓度测点，从下到上依次记为CM1～CM6，相邻测点间距0.1 m。树B共6个浓度测点，从下到上依次记为CM7～CM12，相邻测点间距0.1 m。树C共4个浓度测点，从下到上依次编号为 CM13～CM16，相邻测点间距0.1 m。

图1 模型示意图Fig.1 Model graph

图2 一氧化碳浓度测点布置图Fig.2 Carbon monoxide concentration points graph

1.2 模拟工况

单室窗户打开角度的大小，会影响着火房间内烟气扩散和空气流动，进而影响人的逃生。基于此，选取有代表性的4个角度，分别为0°、15°、45°、75°。窗户尺寸选择为500 mm×500 mm。因上悬窗在日常生活中较为常见，故模拟模型中选取的悬窗类型为上悬窗。具体工况模型示例见图3。

图3 工况模型示例Fig.3 Experimental scenarios

2 模拟结果分析

2.1 同一高度下一氧化碳浓度

因模型为缩尺寸模型，窗户面0.15 m高度处相当于实际生活中的0.6 m，火灾发生时，有人会选择匍匐前进逃生，或者选择趴在窗户面逃生等类似降低自己重心的逃生方法，而0.6 m可以视为人匍匐前进或趴在地上时的高度，因此将窗户面0.15 m高度处的一氧化碳浓度作为研究对象。如图4所示，为窗户面0.15 m高度处一氧化碳浓度分布。同时，窗户面0.25～0.45 m高度范围相当于实际生活中的1～1.8 m，火灾发生时，还有人会选择站立逃生，而老人、小孩、成年男子和成年女子的身高又各不相同，但总体身高在1～1.8 m，因此本文选取该范围内有代表性的3个高度，同时将窗户面0.25、0.35、0.45 m高度处的一氧化碳浓度作为研究对象。如图5～图7所示，为窗户面0.25、0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度分布。

图4 不同窗开度下窗户面0.15 m高度处一氧化碳浓度分布Fig.4 The distribution of CO concentration at the height of 0.15 m on window under different window opening angle

图5 不同窗开度下窗户面0.25 m高度处一氧化碳浓度分布Fig.5 The distribution of CO concentration at the height of 0.25 m on window under different window opening angle

图6 不同窗开度下窗户面0.35 m高度处一氧化碳浓度分布Fig.6 The distribution of CO concentration at the height of 0.35 m on window under different window opening angle

图7 不同窗开度下窗户面0.45 m高度处一氧化碳浓度分布Fig.7 The distribution of CO concentration at height of on window under different window opening angle

从图4中可以看出，窗户面0.15 m高度处一氧化碳浓度各不相同。窗开度越大，一氧化碳浓度越低。且窗开0°和15°时，一氧化碳浓度相差值较大，前者为后者的好几倍，说明打开窗户可以降低窗户面0.15 m高度处一氧化碳浓度，且可以降低的浓度值很大。

窗开45°和75°时，一氧化碳浓度集中在0附近波动，说明此时窗开45°和75°对窗户面0.15 m高度处的一氧化碳浓度降低作用是几乎相同的，

对比窗开15°时一氧化碳的浓度和窗开45°及75°一氧化碳的浓度可以发现，窗开15°时一氧化碳浓度虽有所降低，但并不为0。而窗开45°和75°时一氧化碳浓度几乎为0，这也间接说明15°～45°可能存在一个临界角度，当达到这一临界角度或比临界角度更大时，窗户面0.15 m高度处一氧化碳的浓度可以降到很低，甚至几乎为0。

从图5～图7可以看出，窗户打开对于不同高度处的一氧化碳浓度都能起到降低作用，且对于同一高度处的一氧化碳浓度而言，窗开度越大，一氧化碳浓度越低。

2.2 同一窗开度下一氧化碳浓度

理论上讲，上悬窗能够向外打开的角度范围为0°～90°，考虑到现实生活中会偶尔存在窗户打不开的情况，故将窗开0°作为研究对象，又因窗开90°在日常生活中并不常见，故选择将75°作为上悬窗能够打开的最大角度。同时选择窗开15°和45°分别代表窗开较小角度和较大角度。

从图8中可以看出窗开0°时，0.15、0.25、0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度明显不同，但0.25、0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度比较相同。因为此时窗开0°，即窗户处于关闭状态，透过窗户排烟的可能性几乎为0。故0.15 m高度处一氧化碳浓度之所以较低，是因为一氧化碳的相对空气密度较小，即燃料燃烧产生的一氧化碳都飘向了高处。故窗开0°时，除0.15 m高度处一氧化碳浓度明显较低，0.25、0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度相差不大。

图8 窗开0°时窗户面不同高度处一氧化碳浓度分布Fig.8 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 0°

从图9中可以看出，窗开15°时，0.15 m和0.25 m高度处一氧化碳浓度明显不同，但0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度较接近，从2.1节中已经得出结论：窗户打开对不同高度处一氧化碳浓度都有降低作用，故窗开15°时0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度一定低于窗开0°时0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度。观察图10发现，此时0.35 m和0.45 m高度处正前方被窗户面板遮挡，所以在窗开15°时，0.35 m和0.45 m高度处是通过窗户面板与模型外壁之间形成的夹角部分排烟的，窗开0°时，0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度已经较为相似，而窗开15°时，0.35 m和0.45 m

图9 窗开15°时窗户面不同高度处一氧化碳浓度分布Fig.9 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 15°

图10 窗开15°时不同高度处侧面有效投影面积Fig.10 Side effective projection area at different heights with window opened at 15°

高度处一氧化碳浓度仍较为相似，说明窗开15°对0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度的降低值几乎相同，进而说明降低作用几乎相同，理论上0.35 m 和0.45 m高度不同，排烟效果理应不同，但实际情况与理论分析不符，因此此时侧面排烟效果并不理想。

又因为窗开0°时，0.25 m、0.35 m和0.45 m有效投影高度处一氧化碳浓度几乎相同，而窗开15°时，0.25 m高度处一氧化碳浓度明显低于0.35 m和0.45 m高度处一氧化碳浓度，只有0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度较相似，再观察图10发现窗开15°时，0.25 m的正前方也被窗户面板挡着，但浓度降低效果如此明显，说明此时侧面排烟是有效的，从表2中发现0.25 m高度处侧面排烟的有效投影面积大于0.35、0.45 m高度处的有效投影面积，2S1>2S2>2S3，因此，可以推断只有当侧面有效投影面积达到一定值时，侧面排烟才有效。

从图11中可以看出，窗开45°时0.35、0.45 m高度处一氧化碳浓度较接近，从图12中可以看出窗开45°时，0.35、0.45 m高度处正前方被窗户面板遮挡，因此火灾烟气无法通过正前方排出，只能通过侧面排出，而0.35、0.45 m一氧化碳浓度几乎相同只能说明侧面排烟的效果不佳，对降低一氧化碳浓度的作用很有限。

图12 窗开45°时不同高度处侧面有效投影面积Fig.12 Side effective projection area at different heights with window opened at 45°

图11 窗开45°时窗户面不同高度处一氧化碳浓度分布Fig.11 The distribution of CO concentration at different heights of window with window opened at 45°

再比较表1和表2中的数据大小，发现：2S′1>2S′2>2S1>2S′3>2S2>2S3，窗开15°，0.35 m和0.45 m 高度处一氧化碳浓度降低不明显，其侧面投影面积为2S2和2S3，面积大小位列第五和第六；0.25 m高度处一氧化碳浓度降低明显，其侧面投影面积为2S1，面积大小位列第三。

表1 窗开15°时不同高度处侧面有效投影面积

表2 窗开45°时不同高度处侧面有效投影面积

窗开45°，0.45 m高度处一氧化碳浓度降低不明显，其侧面投影面积为2S′3，面积大小位列第四；而0.25 m和0.35 m高度处一氧化碳浓度降低较明显，其侧面投影面积为2S′1和2S′2，面积大小位列第一和第二，显然，位列前三的浓度降低效果明显，而位列后三的浓度降低效果并不明显，而后三中有一组窗开度为45°。因此尽管窗开45°，仍然有某高度处的一氧化碳浓度降低不明显，这说明窗开度的大小并不是决定一氧化碳浓度降低效果的唯一因素，侧面排烟的有效投影面积也是影响因素，这一点也符合只有当侧面有效投影面积达到一定值时，侧面排烟才有效的推断。

从图13中可以看出，窗开75°时，0.15、0.25、0.35、0.45 m高度处的一氧化碳浓度各不相同，说明窗开75°时，对0.15、0.25、0.35、0.45 m高度处的一氧化碳浓度都起到了降低的作用。从图14中可以看出，窗开75°时，0.15、0.25、0.35、0.45 m的正前方全都没有窗户面板的遮挡，因此窗开75°时，火灾烟气既可以通过侧面排走，也可以通过正前方排走，且正前方排走为主要排烟方式。再观察图4～图7可以发现，窗开75°时，无论哪一高度处的一氧化碳浓度值均为最低值，因此正前方的排烟效果要比侧面的排烟效果好。