机械排烟与细水雾对综合体控火效率的影响

王祥林 王辉明

摘 要：商业综合体作为新型特殊建筑，火灾荷载呈现平面分布，在原来羽流的基础上，火势横向、竖向迅速扩展，使其空间防火措施变得极其重要。本文研究高压细水雾与机械排烟两种防水措施，结果表明，机械排烟对于较远处的温度具有明显控制作用，平均温度较高压细水雾降低46.43%，高压细水雾对于火源附近的温度具有可观的控制效果，温度下降87.14%。机械排烟和细水雾单独作用，火源附近平均浓度降低91.15%，而共同作用下，抵消或减弱了单独作用的负面效应，温度和浓度可控制在指标之内，但两者开启时间须尽量相近且在火灾轰然之前。基于此，本文提出等效应力来解释等强度机械排烟与高压细水雾的相互作用。

关键词：综合体;数值模拟;高压细水雾;机械排烟;火源温度

中图分类号：TU967文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0024-04

Abstract： As a new special building， the fire load of commercial complex is distributed in plane. On the basis of the original plume， the fire expands rapidly in horizontal and vertical direction， so the space fire prevention measures are extremely important. In this paper， the effects of high pressure water mist and mechanical smoke exhaust are studied. The results show that the mechanical smoke exhaust has obvious control effect on the distant temperature， and the average temperature is 46.43% lower than that of high pressure water mist. The high pressure water mist has considerable control effect on the temperature near the fire source， and the temperature drops by 87.14%. The average concentration near the ignition source was reduced by 91.15% by the two actions alone. Under the combined action of mechanical smoke exhaust and water mist， the negative effect of the single action is offset or weakened. The temperature and concentration are controlled within the index， and the opening time of the two is as close as possible and before the fire. The "equivalent stress" is put forward to explain the interaction between the mechanical smoke exhaust and the high pressure water mist.

Keywords： complex;numerical simulation;high pressure water mist;mechanical smoke exhaust;the temperature of source

隨着城市化进程加快，综合体建筑应运而生并高速发展。商业综合体火灾荷载呈平面分布，在原来羽流的基础上，火势横向、竖向迅速扩展，其空间防火措施变得极其重要。空间功能特征使得烟气快速流动且升温，促使火焰蔓延，因此排烟系统不容忽视。依据相关研究[1-4]可知，高压细水雾系统可有效控制火势及烟气。通过仿真模拟发现高压细水雾与机械排烟两种措施对室内控火的效果各有所长。近年来，国内外学者对综合体防火做了深入研究。史聪灵等研究喷水排烟作用下大空间内孤岛火灾行为及烟气运动过程，探究了共同作用下的温度规律。张丽茹以北京某综合体项目车库通风和消防排烟设计为例，指出了该车库设计存在的问题[6]。高勋采用火灾动态模拟软件（Fire Dynamics Simulator，FDS）对商业综合体自然排烟系统的排烟效果进行数值模拟。结果表明：排烟窗有效面积占中庭地面面积的37.8%时，数值模拟与理论预测的排烟效果一致[7]。房玉东以实验+数值模拟的方式研究了细水雾与烟气的相互作用，发现若参数设置恰当，则模拟和实验测量结果吻合较好[8]。

1 物理模型及火灾场景参数

1.1 物理模型

通过Revit建立BIM三维模型，以DXF的格式导出，实现与动态火灾模拟软件FDS的对接。综合体的3D物理模型和计算模型分别如图1和图2所示。

1.2 边界条件及参数

根据不利原则，将火源设定在离楼梯及消防电梯最远的端部，火灾功率为10 MW，危险为轻质窗帘，按t2超快速火发展。将火灾模型的网格分为5大块，模型大部分边界均匀划分为1 m×1 m×1 m，其火源及细水雾喷头处为了减小模拟精度影响，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，共303 084个网格细胞。排烟量为50 400 m3/h，采用位于楼层平面2 m以上的高位排烟口，大小为1 m×1 m，按照FDS设置烟气粒子为默认，启动阈值为3.28%/m。

喷头采用下垂型或吊顶型，参数见表1。在切平面上监测分析工况的火场温度、CO浓度等参数的变化。

2 机械排烟和高压细水雾单独作用对综合体火灾的控制作用

为了研究机械排烟和高压细水雾单独作用对综合体火灾的控制效果，进行火灾自然发展、15 s启动机械排烟以及90 s启动高压细水雾工况对比，火源上方2 m和7 m处温度、CO浓度变化曲线见图3至图6。

依据温度指标，机械排烟的启动使温度平均峰值降低了100 ℃，缩短了火源附近安全疏散时间，对较远处的温度具有明显控制作用;高压细水雾对于火源附近的温度具有可观的控制效果，温度下降87.14%。依据CO浓度指标，两措施单独作用平均浓度降低91.15%，比火灾自然发展增加了160 s的时间裕度。机械排烟将远离火源处CO浓度控制在临界指标之内，而90 s启动高压细水雾工况浓度幅值是单独启动机械排烟的4倍之多。

3 机械排烟和高压细水雾共同作用于综合体火灾的研究

在综合体防火措施中，机械排烟和高压细水雾单独作用都具有相应缺陷，因此在对较大功率火源实施高压细水雾灭火措施时，还应有足够强度的机械排烟措施的辅助，使二者在空间与时间存在的某种力达到等效平衡，来消除负面影响，最终使火灾整体区域危险状态降到最低。

为了研究两者共同作用时开启时间对等效应力的影响，设计表2工况。

3.1 温度的分析

图7是机械排烟与高压细水雾共同作用下火源上方2 m高度处的温度分布曲线。相比于单独机械排烟作用，共同作用下火源上方整体温度大幅度下降（89.28%），但随着机械排烟启动时间的延迟，前期对烟气的不利扰动减小，曲线第一温度波峰逐渐下降，到机械排烟与高压细水雾同时间开启时，波峰最接近单独高压细水雾作用工况。结合图8发现共同作用后远离火源处温度最高达40 ℃，温度控制在室温左右，相比于单独作用温度降低了76.92%，对火灾过程中人员疏散创造了有利环境。

3.2 一氧化碳的分析

各工况下火源上方2 m高度处CO分布规律如图9所示。从图9可知，10个工况CO浓度都有超标（大于1.0E-03 mol/mol）的情况。其中，工况1和工况2浓度峰值大于其他工况，且工况2具有较大浓度波动，说明机械排烟与高压细水雾共同作用对CO浓度控制效果明显，在衰退阶段与熄灭阶段CO浓度降低迅速，具有100 s的时间差额。随着机械排烟开启时间与高压细水雾开启时间接近，达临界指标的时间节点向后偏移，CO浓度变化相对平稳。结合图10发现除工况3的结果波动大，浓度接近临界指标之外，其他共同作用工况浓度在临界指标之内。

4 结论

①机械排烟对于较远处的温度具有明显控制作用，平均温度较高压细水雾降低46.43%;高压细水雾对于火源附近的温度具有可观的控制效果，温度下降87.14%。两者单独作用，火源附近平均浓度降低91.15%。

②机械排烟和细水雾共同作用下，抵消或减弱了单独作用的负面效应，温度和浓度控制在指标之内，另外两者开启时间尽量相近且在火灾轰然之前。

③对于同一类型火灾，功率越大，共同开启时间延后;同一功率，不同类型火灾，共同开启时间随火灾增长速率增大而提前。

④本文提出等效应力来解释等强度机械排烟与高压细水雾的相互作用。由于机械排烟的抵消作用，此应力应小于单独高压细水雾作用时的应力。

参考文献：

[1]王健.机械排烟和细水雾对地下商场火灾控制作用的研究[D].沈陽：沈阳建筑大学，2015.

[2]潘登.室内高压脉冲细水雾灭火性能数值模拟研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.

[3]房玉东，苏国峰，廖光煌，等.细水雾作用下烟气运动速度变化规律研究[J].安全与环境学报，2007（3）：98-101.

[4]刘江虹，廖光煊，厉培德，等.细水雾灭火技术研巧与进展[J].科学通报，2003（8）：761-767.

[5]史聪灵，钟茂华，刘铁民，等.喷水排烟作用下大空间内孤岛火灾行为及烟气运动过程实验研究[J].燃烧科学与技术，2012（6）：519-528.

[6]张丽茹.北京某城市综合体项目车库通风和消防排烟及补风系统设计[J].洁净与空调技术，2020（1）：76-79.

[7]高勋，朱国庆.基于烟气特性的商业综合体防排烟研究[J].消防科学与技术，2014（6）：636-638.

[8]房玉东.细水雾与火灾烟气相互作用的模拟研究[D].合肥：中国科学技术大学，2006