高层建筑防烟楼梯间加压送风效果影响因素的网络模拟分析

李思成，刘海啸

(武警学院 a.消防指挥系； b.研究生队，河北 廊坊　065000)



高层建筑防烟楼梯间加压送风效果影响因素的网络模拟分析

李思成a，刘海啸b

(武警学院 a.消防指挥系； b.研究生队，河北 廊坊065000)

目前机械加压送风是高层建筑防烟楼梯间中最常用的防烟方法，在加压送风系统的设计和施工过程中，需要考虑多种因素，才能保证系统的防烟效果。因此，有必要对影响高层建筑防烟楼梯间加压送风效果的几个重要因素进行研究。以一18层高层建筑为例，利用网络模拟软件CONTAM模拟分析前室送风口数量及尺寸对防烟楼梯间加压送风效果的影响。结果表明：在高层建筑防烟系统的设计过程中，前室的送风口尺寸可以按照随着距风机距离增大而呈指数递增的规律进行设计；在前室送风系统中，在保证加压送风量合理的基础上，只开启着火层的送风口，其防烟效果比较好。

高层建筑；防烟楼梯间；机械加压送风；CONTAM；门洞风速

0　引言

高层建筑发生火灾时，普通电梯不能用作人员疏散，防烟楼梯间作为人员安全疏散的必要通道，一旦被火灾烟气侵入，会严重影响建筑内人员的安全疏散[1-3]。众多火灾事故表明，火灾烟气是造成建筑火灾中人员伤亡的主要因素，因此建筑防烟楼梯间采取的防烟方法可靠与否，直接关系到建筑内人员的生命安全。对于建筑防烟楼梯间，目前普遍采用的防烟方式是机械加压送风，一般应用于建筑物的防烟楼梯间及其前室、消防电梯前室或合用前室，通过向这些部位送入新鲜空气使其维持一定的正压，防止烟气侵入疏散通道[4-5]。有多种因素会影响防烟楼梯间的加压送风效果，例如：送风口的开启数量以及送风口尺寸等等。在加压送风系统的设计和施工过程中，需要考虑多种因素，才能保证系统的防烟效果。因此，有必要对影响高层建筑防烟楼梯间加压送风效果的几个重要因素进行研究。本文以一18层公寓楼为例，利用数值模拟软件CONTAM，对改变不同因素条件下该建筑防烟楼梯间的加压送风效果进行分析讨论。

1　CONTAM软件简介

CONTAM[6]是由NIST下属的建筑火灾研究实验室(BFRL)开发的用于模拟建筑物内多区域空气流动和压力分布、污染物扩散等情况的网络模型软件。目前越来越广泛地应用于通风空调系统及烟控系统的设计及研究中，CONTAM具有算法可靠、数据库丰富、可视界面简洁明了、计算速度快等优势。

网络模型从宏观角度进行研究，将整个建筑看成与室外相通的空气流通网络。而建筑内的房间、楼梯间等区域为一个个网络节点，软件假设各节点具有均匀的压力、温度及污染物浓度，通过门窗、墙壁缝隙等空气流通路径将各区域连通起来，各类空气流通路径即为网络连线，空气通过网络连线从高压区向低压区流动。建筑物内的各类垂直竖井(楼梯竖井、电梯井、管道井、风道、电缆井、排气道等)，若考虑其空气流动阻力，可假想成每层有地面的一系列区域垂直叠加而成。该软件将建筑中的每个区域(或称节点)作为一个控制体，对整个建筑物的空气流动、压力分布、污染物的传播和分布情况进行研究，软件遵循质量守恒和能量守恒等方程。

该软件中建立模型时由用户在界面上画出建筑每层的基本情况，并将具体的尺寸数值输入，需要输入数据主要包括：建筑室外温度、压力等环境条件；建筑物外部尺寸，每个区域内的墙体和门窗尺寸、面积及各区域内的温度、污染物浓度等基本特征；建筑物内主要空气流通路径的类型、流通面积、流通系数等等。此外，还可以通过设置风机和风口，输入具体的风量和尺寸来模拟加压送风系统和排烟系统。

2　建筑模型

本文选用一18层的公寓楼为建筑模型，建筑高度59.7 m，地上18层，1层层高为4.8 m，2、3层层高均为4.2 m，4～18层为公寓，层高均为3.1 m。首层设置两扇直通室外的门，尺寸为8.3 m×3.15 m，标准层设置17个房间，房间门尺寸为2.1 m×1.0 m，外窗有两种规格，分别为2.4 m×1.55 m和2.7 m×1.55 m，除假定着火房间以外，其他房间的门窗均保持关闭，着火房间尺寸为8.4 m×4.1 m×3.1 m，门窗均为开启状态。建筑模型内每个防火分区均有两个安全出口，设两部防烟楼梯间均通至屋顶层，1#楼梯间连接独立前室，楼梯间的横截面积是21.6 m2；2#楼梯间与消防电梯合用前室，楼梯间的横截面积为20 m2。两部楼梯间的门及前室门均为防火门，1#楼梯间及其前室门为双扇门，尺寸均为2.1 m×1.2 m，2#楼梯间的门为单扇门，尺寸为2.1 m×1.2 m，其合用前室门为2.1 m×1.5 m的双扇门。

本文模拟主要针对1#楼梯间进行，楼梯间内共设两个机械加压送风系统，根据《建筑防排烟系统技术规范》(送审稿，以下简称《防排烟规范》)中风量的计算方法对建筑模型的加压送风量进行设计，由计算法和查表法得到只对前室加压送风的防烟方式所需的加压送风量。经计算，只对前室加压送风的风量计算结果为11 699 m3·h-1，根据建筑模型的高度查表得到送风量取19 120 m3·h-1。根据《防排烟规范》5.1.1条规定，当建筑高度大于24 m时，应按计算值与查表值中的较大值确定加压送风量，因此，本文模拟中，前室的加压送风量取19 120 m3·h-1，风机设置于屋顶层。楼梯间首层开始每隔两层设置一个常开送风口，前室及合用前室采用常闭型加压送风口，每层均设置送风口。建筑模型标准层平面布局如图1所示。

图1　建筑模型标准层示意图

模型中处于关闭状态的房间门、外窗及墙壁的缝隙的气流通路采用空气泄漏特征值模型(Leakage Area)，处于开启状态的房间门、楼梯间门及前室门的气流通路采用单开口模型(Single Opening)，防烟楼梯间的气流通路类型为Stairwell，送风竖井的气流通路类型为Shaft，风机采用定体积流量模型(Constant Volume Flow Fan)设置。室外温度为20 ℃，着火防烟温度为500 ℃，气压为标准大气压，模拟过程为瞬态模拟。模拟时在假定着火房间内设置CO作为污染源模拟火灾时生成的烟气，考虑到一般可燃物在燃烧一段时间后烟气生成速率会趋于定值，模拟中将烟气生成速率设为定值，根据NFPA 92B推荐公式[7]，求得烟气生成速率为4.2 kg·s-1。

3　加压送风效果影响因素模拟结果分析

3.1前室送风口数量的影响

本节将针对前室送风系统中送风口开启数量对防烟效果的影响进行模拟分析。建立模型时，采用前室单独送风的防烟方式，按照《防排烟规范》规定的计算方法对建筑模型的加压送风量进行设计，由计算法和查表法得到：当只开1层加压送风口时，其加压送风量取19 120 m3·h-1，同时开启着火层及其上层的送风口时，送风量取22 536 m3·h-1，同时开启着火层及其上下两层的送风口时，送风量取33 372 m3·h-1。选取4层、8层、12层和16层为假定着火层，模拟时打开相应的前室送风口及楼梯间门和前室门，得到开门门洞风速，其他参数保持不变，在保证加压送风量合理的基础上，模拟得到前室开启的送风口数量不同时，风量的分配情况，结果见表1。

表1　前室送风口开启数量与门洞风速的关系

由表中数据可知，同时打开着火层及其上下两层的送风口，并打开3层的疏散门时，分配到着火层疏散门的门洞风速值均≤0.4 m·s-1，约为其上层楼梯间门洞风速值的50%。假定16层着火，当开门楼层数为3层时，17层的楼梯间门洞风速值为0.78 m·s-1，而对防烟效率需求最高的16层的门洞风速值仅为0.4 m·s-1；当开门楼层数为2层时，17层的楼梯间门洞风速值为0.61 m·s-1，而对防烟效率需求最高的16层的门洞风速值仅为0.42 m·s-1；仅开1层送风口及疏散门时，16层的楼梯间门洞风速值则为0.82 m·s-1，提高了0.4 m·s-1。由此可见，在前室单独送风的加压送风方式中，开启3层或2层前室送风口及疏散门时，着火层的疏散门得不到有效的保护，而只开启着火层的送风口，其防烟效果比较好。

3.2前室送风口尺寸的影响

在实际工程中，影响防烟效果的诸多问题只能在施工及验收过程中发现及解决[8-9]，而如何在建筑防烟系统的设计环节解决当着火层位置不同时，开门门洞风速值的差异问题，可以从改变前室送风口的尺寸方面考虑。

本节模拟时采用前室单独送风的防烟方式，加压送风量取19 120 m3·h-1，分别选取4层、8层、12层、15层、18层为假定着火层，设置着火层前室送风口及楼梯间门和前室门为打开状态。建筑模型中前室送风口的尺寸为0.4 m×0.4 m，当各层送风口尺寸相同时，模拟得到各假定着火层开门门洞风速值如表2所示。可见，距风机较远的4层楼梯间门洞风速值为0.51 m·s-1，着火层为18层时的门洞风速值为0.82 m·s-1，约为4层的1.6倍，要使距风机较远楼层的门洞风速值均达到18层的数值，可以改变各层送风口的尺寸以提高其防烟效果。

表2　各层送风口尺寸相同时的风速值

建立模型时分别改变4层、8层、12层和15层的送风口尺寸设置，且只改变送风口面积而不改变其形状，其他参数保持不变，模拟得到送风口尺寸与门洞风速值之间的关系，结果见表3。由表可知，要保证着火层位置不同时，开门门洞风速值基本相同，则随着楼层位置的降低，其送风口尺寸呈递增趋势，此外，当着火层位于12层时，送风口尺寸为0.50 m×0.50 m，而8层时，尺寸增大至0.65 m×0.65 m，即着火层位于建筑中部时，要保证相同的风量，不同楼层间送风口尺寸变化最为明显。因此，在高层建筑防烟系统的设计过程中，为保证着火层位置的变化不影响到前室加压送风系统的防烟效果，设计人员可以按照随距风机距离增大而递增的规律来设计前室的送风口尺寸。

表3　送风口尺寸与门洞风速的关系

对送风口尺寸随送风口位置与风机距离的变化规律进行拟合，发现符合指数规律，其公式为：

(1)

式中，s为送风口面积，m2；x为送风口距风机的距离，m。拟合结果如图2所示，R2为0.982 1。

图2　　　　前室送风口面积与距风机距离

4　结论

在高层建筑的防烟系统中，有多种因素会影响防烟楼梯间的加压送风效果，本文采用模拟的方法建立网络模型对影响加压送风效果的几个因素进行了讨论分析，得到以下几点结论：(1)在高层建筑防烟系统的设计过程中，为保证着火层位置的变化不影响到前室加压送风系统的防烟效果，设计人员可以按照随着距风机距离增大而呈指数递增的规律来设计前室的送风口尺寸；(2)对前室单独送风的加压送风方式中，在保证加压送风量合理的基础上，只开启着火层的送风口，其防烟效果比较好。

[1] 徐志胜，姜学鹏.防排烟工程[M].北京：机械工业出版社，2011：89-92.

[2] 霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009：295-299.

[3] 黄恒栋，谯京旭，洪荣泽.高层建筑火灾安全学概论[M].成都:四川科学技术出版社，1992：6-8.

[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5] 赵岐华.通风与空气调节工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008.

[6] WALTON G N,DOLS W S.Contam3.0 User Guide and Program Documentation[R].National Institute of Standards and Technology,Technical Report NISTIR:7251,2010.

[7] Guide for Smoke Management Systems in Malls，Atria and Large Areas:NFPA 92B[S].National Fire Protection Association，1995.

[8] 冯瑞，霍然，王冰凌，等.高层建筑加压送风系统设计的实验研究[J].中国工程科学，2006，8(4)：79-85.

[9] 冯瑞，霍然，王冰凌，等.高层建筑加压送风系统影响因素的实验研究[J].消防科学与技术，2006，25(2)：204-206.

(责任编辑、校对李蕾)

Network Simulation on the Influence Factors of the Mechanical Air Supply Effect of Smoke-proof Staircase in High-rise Buildings

LI Sichenga, LIU Haixiaob

(a.DepartmentofFireCommanding;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Mechanical air supply method is the most common method used in vertical means of escape to control the spread of smoke. In order to ensure smoke-proof effect, plenty of factors need to be considered into the progress of design and construction for mechanical air supply system. So, studying the factors which influence the smoke-proof effect of the staircase in high-rise building is useful for designing reasonable smoke control system. In this paper, an 18-floors building is used as a sample, and the network simulation software CONTAM is used to simulate the influence of the number and size of outlets on the smoke-proof effect of staircase. The results show that: Designers can design the size of outlets by exponential increasing law with the increasing distance between the fan and the opening air supply outlet. Besides, when the outlet of the fire floor is opened individually, it showed better smoke-proof effect.

high-rise building; smoke-proof staircase; mechanical air supply; CONTAM; air velocity of escape door

2016-02-26

国家自然科学基金(51278493)

李思成(1977—)，男，山东郓城人，副教授； 刘海啸(1995—)，女，天津武清人，安全技术及工程专业在读硕士研究生。

●火灾预防

TU972.4

A

1008-2077(2016)04-0044-04