L型挡烟垂壁的防烟效果研究*

潘正海　周汝　何嘉鹏　谢娟　赵贤

(1.南京工业大学城市建设学院　南京 210009；　2.江苏省城市与工业安全重点实验室　南京 210009)



L型挡烟垂壁的防烟效果研究*

潘正海1,2周汝1,2何嘉鹏1,2谢娟1赵贤1,2

(1.南京工业大学城市建设学院南京 210009；2.江苏省城市与工业安全重点实验室南京 210009)

为研究L型挡烟垂壁的最佳挡烟效果，采用FDS模拟了20种工况，对L型挡烟垂壁的两个关键参数，即挡烟垂壁的下部延伸长度和排烟口到挡烟垂壁之间的距离进行研究。在不增加排烟量的前提下，比较不同的挡烟垂壁下部延伸长度和排烟口到挡烟垂壁之间的距离的防烟效果。由各种模式下的模拟结果可知，最佳工况为工况15，即下部延伸长度为0.9 m，排烟口到挡烟垂壁之间的距离为1.5 m，在此工况下走廊在人眼特征高度处的烟气温度始终处于安全范围内。对比相同条件下的传统挡烟垂壁即工况3，工况15可以减少40%的热量进入前室。

挡烟垂壁L型烟气控制数值模拟

0　引言

在高层建筑火灾中，走廊是人群疏散的必经通道，走廊的烟气分布影响着人员的逃生效率。烟气在走廊的长度方向上可以分为5个区域[1]，不同区域烟气状态参数也不同[2]。挡烟垂壁影响着走廊烟气的分布情况、走廊排烟效率等。由于火源位置不确定，挡烟垂壁一般设置在走廊中部[3]。目前对于挡烟垂壁的研究主要集中在不同的挡烟垂壁形式、挡烟垂壁与其他防排烟设备的组合使用、挡烟垂壁的下垂高度[4]。挡烟垂壁的形式有电动式挡烟垂壁、L型挡烟垂壁[5]等。前人研究表明，在火灾初期挡烟垂壁可以有效地阻止烟气的扩散，挡烟垂壁与排烟口之间的距离超过一定范围后对排烟效果基本没有影响；挡烟垂壁的下垂高度是影响其防烟效果的关键因素，随着挡烟垂壁高度的增加下游烟气温度会降低[6]。但是由于走廊高度有限，挡烟垂壁高度的增加会加大人员逃生的困难。因此，本文提出将L型挡烟垂壁运用到走廊上，在不增加挡烟垂壁高度的基础上达到更好的防烟效果。本文采用高层建筑条形走廊模型进行研究，以确定最佳的L型挡烟垂壁的下部延伸长度和排烟风口到挡烟垂壁之间的距离，为L型挡烟垂壁的合理应用提供一定的依据。

1　物理模型和工况设置

1.1物理模型

本文以某11层办公楼为原型。该办公楼的长、宽、高分别为33，8.8，35 m，标准层高3 m。走廊长、宽、 高分别为30，1.6 ，2.5 m，单室进深为 3.6 m。着火层为第2层，其截面如图1所示。走廊中设置2个挡烟垂壁和2个机械排烟口，在前室门和第2个挡烟垂壁之间设置空气幕，前室和楼梯井均采用加压防烟。假定逃生最不利房间即距离楼梯间最远的房间为着火房间。本文采用的L型挡烟垂壁结构如图2所示。

图1着火层的平面示意

图2L型挡烟垂壁结构

1.2火源的处理

模拟火源为非稳定体积热源，热释放量按式(1)计算[7]。

Q=at2

(1)

式中,Q为火源热释放量；a为火灾发展系数，本文设置为快速燃烧，a取0.047kJ/s3,最大火源功率为1.5MW[8]，在178s时刻达到最大功率。

1.3工况设置

前室采用加压防烟，压差法计算结果为873m3/h，流速法计算出前室送风量为7 000m3/h，查表得出每

个前室的加压送风量为6 000m3/h[9]，按照最大值确定前室送风量应为7 000m3/h。走廊段设置机械排烟风机JP1, 按高规[10]要求计算其排烟量为3 240m3/h。在缓冲区外设置排烟风机JP2，用来排出前室多余新鲜空气。本文假设前室处于常开状态，使用防烟空气幕作为柔性隔断。防烟空气幕AC宽为0.07m, 其倾角为0°[11]。高规规定：楼梯间宜每隔2～3层设1个加压送风口；前室的加压送风口应每层设1个，且防烟楼梯间及其合用前室的加压送风量应该遵循系统负担层数小于20层时，防烟楼梯间加压风量为16 000～20 000m3/h。本文采用防烟楼梯间的加压风量为20 000m3/h，在偶数层设置加压风口，每个加压风口的送风量为4 000m3/h；在着火层和着火层下层的前室加压送风JS，风量都为7 000m3/h。具体参数为：JP13 240m3/h，JP21 280m3/h，AC2 563m3/h，JS7 000m3/h。根据实际情况，针对L型挡烟垂壁的具体工况设置如表1所示。

表1　工况参数

注：Y1为L型挡烟垂壁下端水平部分长度，Y2为排烟口中心到挡烟垂壁之间的距离。

1.4边界条件

建筑第一层的两个出口设置为常开，采用开放性边界条件；各楼层的走廊通往前室的门设置为常开；前室通往楼梯间的门设置为时间控制。根据时间判据，即必须安全疏散时间小于可用安全疏散时间。建筑内的火灾报警装置在火灾发生后60 s报警，确认反应时间为120 s，人员在房间内行走速度为1.0 m/s，在走廊内行走速度为0.5 m/s，楼梯内向下的疏散速度为0.78 m/s。当着火房间位于走廊尽头时，计算得到人员开始疏散的时间为180 s，进入楼梯间的时间为242 s, 人员离开该大楼所需的时间为346 s[10]。

2　数值模拟

本文采用消防模拟软件FDS[12]，该软件通过近似有限差分法来求解每个计算单元内气体密度、温度和组分浓度等参数。模拟求解后可获得相关测量点的温度、CO2浓度、压力等一系列数据。模拟基本方程的通用形式如式(2)[13]。

(2)

式中4项分别为时间项、对流项、扩散项和源项。其中φ为通用变量，Γ为扩散系数。

为节省计算机资源，本文对于主要计算区域即着火房间、着火层走廊、前室和楼梯间采用0.1m×0.1m×0.1m的网格，其余采用粗大网格0.5m×0.5m×0.5m，总网格数为1 376 872个。模拟工况为冬季，室外温度0 ℃，室内初始温度设置为 18 ℃, 并且在着火层走廊地面的中心线上, 每隔2m设置1个热电偶树, 每个热电偶树上布置5个热电偶, 分别设置在距离该层地面2.5，2.2，1.9，1.6，1.3m处，每隔2m设置烟气层高度观测装置，用来观察烟气层温度和高度随时间的变化。

3　模拟结果与分析

3.1模拟判据

温度判据：研究表明，人体对高温的忍耐是有限的。本文取人眼特征高度1.6m处的烟气温度进行研究比较，将180 ℃设定为危险状态的临界条件[14]。比较着火层人员逃生时间内即240s内走廊的烟气温度。

时间判据：在着火楼层人员逃生的时间段即火灾发生后的180～240s时间内，比较着火楼层走廊1.6m高度处的温度；在人员离开大楼时刻即400s时刻比较进入到前室和楼梯间的烟气量，以确定L型挡烟垂壁的挡烟效果。

3.2结果与分析

3.2.1排烟口距离的影响

根据计算，所有工况2个排烟口排出的烟气总体积都是501m3左右，差别较小。表2为各种工况下400s时间内排出烟气热量Q1，400s时间内着火层烟气进入前室的热量Q2，400s时间内由前室进入楼梯间的热量Q3，240s时刻走廊人眼特征高度处的最大温度T。通过模拟可知，排烟口位置变化对其排烟效果影响较小，但对排出的烟气热量影响较大。从表2可知，相同的Y1，即工况1～工况4，工况5～工况8，工况9～工况12，工况13～工况16，工况17～工况20，排烟口距离挡烟垂壁越远排出的热量会越多，但是排烟口距离挡烟垂壁越远走廊人眼特征高度处的最大温度不是越小。主要是由于着火房间位于走廊顶端，烟气温度随走廊长度呈指数衰减[15]，排烟口越靠近着火房间，排出的烟气温度越高，但在烟气流经挡烟垂壁时会下沉，引起挡烟垂壁处温度的上升，此时排烟口靠近挡烟垂壁有助于降低该处人眼特征高度处的烟气温度，保障人员逃生。因此，排烟口到挡烟垂壁的距离增大，虽然有利于增加排出热量，但是可能引起挡烟垂壁处温度升高，不利于着火楼层人员逃生。

表2　400 s内各工况下热量流动情况和240 s时刻人眼特征高度处的最大温度

3.2.2挡烟垂壁下部水平延伸长度的影响

工况3，7，11，15，19在240 s时刻烟气层高度以及1.6 m高度处的温度分布如图3所示。

图3　工况3，7，11，15，19在240s时刻烟气层

图中几种工况的变化趋势基本相同，走廊温度的2次峰值分别出现在2个挡烟垂壁处，相对应的位置烟气层高度出现了最低值。表3为240 s时刻1.6 m高度处整个走廊和第一个挡烟垂壁前后的平均温度以及烟气层高度，可以看出整个走廊的平均温度相差不大，但是L型挡烟垂壁的前后温差大于传统挡烟垂壁。说明L型挡烟垂壁的挡烟效果优于传统挡烟垂壁(工况3)，但并不能加强排烟作用。比较工况15排出的热量仅比工况3增加了0.26%，但进入到前室的热量减少了40%，L型挡烟垂壁有效地阻止了热量向走廊的下游流动。

对比表2，挡烟垂壁的水平部分越长，进入到前室以及楼梯间的热量越少，其原因在于走廊高度方向上的温度随高度降低而降低，烟气从L型挡烟垂壁下部流过的水平距离越大向外散热就会越多，流速变小。这样会在挡烟垂壁的下方形成较宽且流速缓慢的烟气层，阻碍上游烟气向下游流动，增强了挡烟垂壁的蓄烟作用。图4为Y2都为2 m，Y1分别为0，0.6 m在350 s时刻着火层走廊中间的CO2浓度切面图，在L型挡烟垂壁之前堆积大量烟气，作用相当于增加了挡烟垂壁的高度。但是烟气层高度会随着挡烟垂壁水平部分的增加而降低，并最终导致挡烟垂壁处的烟气温度不在着火层人员疏散的安全范围之内。

表3　给定工况下240 s时刻1.6 m高度处的温度和烟气层高度

图4　350 s时刻两种情况着火层走廊中间CO2浓度分布

3.2.3最优工况

从前文分析可知，工况9、工况14、工况15在240 s时刻走廊人眼特征高度处的温度都低于180 ℃，为着火楼层人员的安全疏散提供了保障，从着火楼层人员的安全疏散来说，工况9、工况14、工况15都符合要求。对比工况9、工况14、工况15在400 s时间内进入前室和楼梯间的烟气量，可以得出工况15为最优工况，即挡烟垂壁下部延伸长度为0.9 m，排烟口到挡烟垂壁之间的距离为1.5 m。

4　结论

(1) L型挡烟垂壁对排出的烟气体积影响较小。

(2) 相较于传统型挡烟垂壁，L型挡烟垂壁前后人眼特征高度处的烟气温度差别更明显。

(3) L型挡烟垂壁可有效阻止热量进入前室，在保证着火层人员安全疏散的前提下，最大可减少40%的热量进入前室。

(4) 本文研究的所有工况中，最优工况为工况15，即挡烟垂壁下部延伸长度为0.9 m，排烟口到挡烟垂壁之间的距离为1.5 m。在此工况下既能保证着火层人员的安全疏散，又能尽量减少进入前室的烟气量。

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Study on the Smoke Prevention Effect of the L-type Hang-wall

PAN Zhenghai1,2ZHOU Ru1,2HE Jiapeng1,2XIE Juan1ZHAO Xian1,2

(1.CollegeofUrbanConstruction,NanjingTechUniversityNanjing210009)

To study the best effect of L-type hang-wall, in this paper, the FDS is used to simulate 20 cases. Two important parameters of L-type hang-wall that are the length of horizontal part of L-type hang-wall and distance between smoke exhaust port and the hang-wall are studied. Under the premise of not increasing the amount of smoke, the smoke prevention effects are compared in different length of horizontal part of L-type hang-wall and distance between the exhaust port and the L-type hang-wall. The simulation shows that case 15 is optimal, that is, the length of horizontal part of L-type hang-wall is 0.9 m and the distance between smoke exhaust port and the hang-wall is 1.5 m. In this case, the smoke temperature at the height of the human eye (1.6 m) is in safe. Compared with the traditional hang-wall, named case 3, under the same conditions, case 15 can reduce the heat going into the atria by 40%.

hang-wallL-typesmoke controlnumerical simulation

国家自然科学基金(51408306)。

安全技术及工程

潘正海, 男，1990年生，江苏盐城人，南京工业大学城市建设学院硕士研究生，主要从事高层建筑防排烟研究。

周汝，副教授，博士，主要从事建筑防排烟，性能化防火设计等方面的研究。

2015-08-19)