基于FDS 的大空间自然排烟窗火灾排烟效能影响分析

何 方，丁哲勇

（1.上海凯玲消防工程有限公司，上海 200050；2.上海众盈消防工程有限公司，上海 200040）

建筑物在发生火灾时，会在短时间内产生大量高温高热的烟雾，建筑物所设置的排烟设施对于火灾烟雾及时排放起到重要作用。同时国家《建筑防烟排烟系统技术标准》对高大空间自然排烟的排烟设施设置及排烟量有较为明确规定。国内开展了大量针对高大空间自然排烟的排烟设施设置及排烟量的分析研究[1-4]。

在建筑场所设置自然排烟的排烟设施，还存在自然排烟工况下补风设施设置问题，但是目前国内对于自然排烟工况下补风设施的设置并不明确[5-6]。同时，针对自然排烟工况下补风设施的火灾排烟效能影响分析较少。为此，本文基于FDS 软件并结合10 种不同自然排烟及补风工况，对各种工况进行了火灾排烟效能的分析。

1 火灾场景设置及烟气控制有效性评价的性能指标选定

南方某地摄影棚建筑为钢结构建筑，长、宽、高分别为37.48 m、15.48 m、18.00 m，面积为580.19 m2。长边一侧设2 个宽5 m、高4 m 的安全疏散门（常开）。火灾时采用自然排烟及自然补风。自然排烟补风工况的设定，根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》（以下简称“标准”）表4.6.3 可得，净高大于9.0 m 场所计算排烟量为2.43×105m3/h，侧窗口部风速为1.06 m/s，得到侧窗排烟窗面积为63.68 m2。

当采用顶开窗排烟时，其自然排烟窗（口）的风速可按侧窗口部风速的1.4 倍计，即为1.48 m/s，得到顶开窗排烟窗面积为45.61 m2。根据标准表4.6.7，该场所（无喷淋情况）火灾达到稳态时热释放率为10 MW。设火灾初起火源位置为建筑中间地面，火源热释放率为10 MW，火灾情况下烟羽流形式为轴对称型烟羽流，该建筑设为一个防烟分区。

共设10 种自然排烟工况，具体各自然排烟工况参数如下：①排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）；②排烟开窗（长边两侧中位，开窗高度10.0～15.5 m），补风开门（低位，长边一侧）；③排烟开窗（长边两侧低位，开窗高度3.0～6.5 m），补风开门（低位，长边一侧）；④排烟开窗（长边一侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）；⑤排烟开窗（短边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）；⑥排烟开窗（短边一侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）；⑦排烟顶部开窗（短边一侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）；⑧排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边两侧）；⑨排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，短边一侧）；⑩排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，短边两侧）。

每种工况设4 个排烟窗，每个窗长3 m，高5.5 m，总自然排烟面积66 m2（大于计算的侧窗排烟窗面积63.68 m2和顶开窗排烟窗面积45.61 m2），安全疏散门（2 个，宽5 m，高4 m）作为自然补风，补风面积40 m2。防烟分区内任一点与最近的自然排烟窗（口）之间的水平距离不应大于30 m，自然排烟窗（口）分散均匀布置，且每组的长度不大于3.0 m。

最小清晰高度按下式计算：

式（1）中：Hq为最小清晰高度，m，该建筑层高18 m，得最小清晰高度3.4 m；H′为对于单层空间，取排烟空间的建筑净高度，m。

烟气控制有效性评价的性能指标如下：①该建筑的排烟系统应能够将烟气控制在人员活动区域以上的高度；②在建筑内部发生火灾，不应产生火灾蔓延的现象；③建筑为钢结构建筑，应确保其结构的安全性能，火灾后一定时间内不能垮塌。

为保证人员安全疏散，采用以下性能指标：①清晰高度不宜小于3.4 m，不应小于2 m；②如果烟层下降到距离地面高度2 m 以下，烟层的温度不超过60 ℃；③距离地面高度2 m 以下的烟气能见度不能小于10.0 m；④距离地面高度2 m 以下的烟气CO 体积分数不大于0.05%。

为保证钢结构屋顶的消防安全性能，屋顶钢结构的温度不超过200 ℃。

用FDS 软件进行模拟运算，模拟火灾发生后0～120 s 的情况，每种工况提取参数如下：①非火源区域清晰高度，m；②非火源区域高度2 m 截面的烟层温度，℃；③高度2 m 截面的烟气能见度，m；④高度2 m 截面的烟气CO 体积分数（0.05%）；⑤火源区域的屋顶温度，℃；⑥非火源区域的屋顶温度，℃。

2 火灾模拟试验结果分析

火灾发生120 s 时刻时，火灾模拟结果如表1 所示。

表1 火灾模拟试验测试结果

图1—图10 为火灾模拟分析图和火源中心点的温度实时变化曲线。

图1 工况1 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况1：排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）。顶棚温度（火源中心）大于350 ℃时，若顶棚为钢结构构件，应做相应防火处理。

图2 工况2 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况2：排烟开窗（长边两侧中位，开窗高度10.0～15.5 m），补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m温度（非火源中心）基本在35～60 ℃以内，该温度区间对人员疏散影响可忽略。由于在建筑高度超过16 m但不超过26 m 时，烟气在6～7 m 处开始出现第一次分层现象，上升至11～12 m 处开始出现第二次分层现象；在开窗或通风空调形成对流层时，烟气会在该对流层下1 m 左右产生横向扩散。若自然排烟位置高度设置在中部，该部位为烟气的滞留层高度区间（11～12 m），对烟气的热量释放较为有利。

对于工况3：排烟开窗（长边两侧低位，开窗高度3.0～6.5 m），补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m温度（非火源中心）温度在65 ℃以上，该温度区间不利于人员疏散。

对于工况4：排烟开窗（长边一侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m温度（非火源中心）温度在40～100 ℃，该温度区间不利于人员疏散。

对于工况5：排烟开窗（短边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m温度（0～120 s），非火源中心。

对于工况6：排烟开窗（短边一侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m温度（非火源中心）在初始为40～160 ℃，100 s 后下降至60 ℃内，该温度区间对人员疏散影响大。

图3 工况3 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

图4 工况4 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

图5 工况5 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

图6 工况6 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

图7 工况7 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况7：排烟顶部开窗，补风开门（低位，长边一侧）。高度2 m 温度（非火源中心）在初始为40～65 ℃，该温度区间对人员疏散影响小。

图8 工况8 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况8：排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，长边两侧）。高度2 m温度（非火源中心）初期持续上升至80 ℃，然后下降至70 ℃以下，该温度区间对人员疏散影响大。

图9 工况9 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况9：排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，短边一侧）。高度2 m温度（非火源中心），基本在55 ℃以内，该温度区间对人员疏散影响较小。

图10 工况10 基于FDS 的火灾排烟效能分析图

对于工况9：排烟开窗（长边两侧高位，开窗高度12.3～17.8 m），补风开门（低位，短边两侧）。高度2 m温度（非火源中心）初期持续上升至110 ℃，然后下降至70 ℃以下，该温度区间对人员疏散影响大。

3 结论

10 个工况下（在火灾荷载较大时），顶棚温度在火灾初起（0～120 s）均达到200 ℃及以上温度，不能保证钢结构屋顶的消防安全性能，应对钢结构构件进行防火保护。

补风口位置应设在建筑物下部，多个补风口设在同一侧且当补风气流水平方向与排烟水平方向一致时对自然排烟有利。

当设置在外墙时，自然排烟窗（口）应沿建筑物的两条对边均匀设置，但该情况在标准中只对厂房仓库提出要求，对高大空间的民用建筑未提出，建议应对该类民用建筑强调此要求，且自然排烟窗（口）沿建筑物的两条长边均匀设置对排烟更为有利。

工况1 和2 中火灾排烟效能影响相似，均能达到烟气控制的有效性评价性能指标。其中工况1 为标准规定的情况，工况2 自然排烟窗（口）未在理论的储烟仓以内，但考虑高大空间情况（高度大于16 m），在开窗或通风空调形成对流层时，烟气会在该对流层下1 m 左右产生横向扩散。若自然排烟位置高度设置在中部，该部位为烟气的滞留层高度区间（11～12 m），对烟气的热量释放较为有利。在某些情况下，考虑到自然排烟窗（口）的设置或维修的便利程度、成本因素等，建议可在高大空间的中部（10～12 m）开设。