正压送风位置和风量对高层建筑火灾烟气控制的影响

李晓恋， 叶小曼， 陈静怡， 张诗琪， 谢启苗， 何其泽

(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)

高层建筑中由于烟囱效应的影响，极易造成火灾烟气的大范围蔓延，从而造成严重的人员伤亡和财产损失。近年来高层建筑火灾频发。2010年上海静安公寓火灾造成58人遇难，70多人受伤，财产损失高达1.58亿元；2015年湖北一住宅发生火灾，造成7人死亡，12人受伤；2019年桂林群租房楼梯间发生火灾，造成29名租客死伤。火灾烟气是造成人员死伤的重要原因，如何科学控制烟气蔓延仍是高层建筑消防救援存在的难题。

高层建筑火灾中，固定防排烟设施在烟气控制方面发挥着重要的作用，但在大型火场中消防救援往往面临的是固定设施已经失效的恶劣情况，此时，只能依靠消防救援队伍配备的移动防排烟装备开展现场排烟作业。正压送风控烟(positive pressure ventilation, PPV)是高层建筑救援烟气控制的重要手段。Klote等[1]总结前人研究成果，结合自身理论，系统阐述了烟气流动和正压送风烟控等基本概念，为高层建筑内防排烟系统的设计提供了理论依据。此后许多研究表明正确使用正压送风控烟能有降低火场温度，抑制火灾烟气进入竖向通道[2-3]。中外学者对移动式正压送风技术在火场救援方面的应用开展了初步的研究[4-5]。Svensson[6]研究了不同风机设置位置对火场排烟效果的影响，发现尽管正压送风能够改善救援条件，但可能造成火源热释放速率增大，并使得相邻房间的人员出现危险。杨国宏等[7]研究了单个房间移动正压送风情况下，排烟口与送风口的设置对排烟效果的影响，发现排烟口面积为送风口面积2倍时，排烟效果较好。关于PPV救援在高层建筑中的应用研究，Kerber等[8]开展了无火源的实体试验，证明了移动正压送风能够在高层建筑中产生足够大的风压，从而具有控制烟气的潜力。李思成等[9]、荀迪涛等[10]、胡绪鑫等[11]分析对比了不同高层建筑正压送风策略，为国内救援人员实施高层建筑PPV救援战术奠定了一定理论基础。然而，上述针对高层建筑正压送风的研究均未考虑火源本身对烟气运动的影响，而在高层建筑中由浮力诱导的烟囱效应对竖向的烟气运动和压力分布具有至关重要的影响[12-14]，因此，有必要进一步开展真实火灾条件下的高层建筑正压送风影响规律研究。目前，高层建筑PPV救援还未形成完善的战术体系，如何在火场救援中正确使用正压送风控烟技术，仍是救援人员关注的重要问题。

以电梯竖井为代表的竖直通道是高层建筑烟气纵向蔓延的主要路径，在烟囱效应的影响下，火灾烟气往往会通过竖井蔓延至其他楼层[15-16]，从而造成更大规模的危害。为研究正压送风位置和送风风量对高层建筑火灾烟气运动的影响，现针对一个1/4缩尺寸的7层楼模型，开展了高层建筑正压送风效果的数值模拟研究，考虑从着火层的上方或下方分布采取正压送风措施，比较两种移动正压送风位置及不同风量对烟气控制效果的影响。研究结果对高层建筑消防救援烟气控制具有指导意义。

1 数值模拟设置

在高层建筑正压送风控烟缩尺寸实验研究[17]的基础上[图1(a)]，进一步开展正压送风位置和送风风量对烟气控制效果的数值模拟研究，并用缩尺寸实验数据验证数值模拟的结果。利用基于大涡模拟的火灾动力学模拟软件(FDS 6.5)开展数值模拟，数值模型为7层，模型尺寸为1.0 m(长)×0.5 m(宽)×4.2 m(高)，与真实高层建筑的比例约为1∶4，模型主要包括竖井和前室，按照电梯竖井考虑竖井和前室的开口情况，在真实火灾场景中电梯门往往是关闭的，参照电梯竖井烟气蔓延的研究[12-13]，考虑电梯门狭缝为烟气流动的通道，面积为0.008 m2在着火层和正压送风层打开电梯门，电梯门和前室门的尺寸均为0.2 m×0.4 m，数值模型如图1(b)所示，测点布置如图1(c)所示。

图1 7层楼模型示意图Fig.1 Schematic diagram of 7-story building

(1)

参照Kerber等[20]开展的一系列典型PPV风机送风研究确定的最佳送风距离，典型PPV风机参数如表1所示。按照伯努利方程进行送风风量的缩比例计算，在送风出口同一高度的流线方向上应满足：

表1 典型PPV风机参数Table 1 Parameters of typical PPV fan

(2)

在电梯竖井中心位置设置温度和压力测点，测点的垂直间距为0.2 m，在电梯门开口处监测质量流量。数值模拟工况如表2所示，风量范围为432～864 m3/h，共20组工况。

表2 数值模拟工况Table 2 Numerical simulation details

在数值模型中，网格单元δx与火源特征直径D*有关，采用无量纲参数D*/δx检查网格分辨率[23]。研究表明，当D*/δx在4～16时，FDS能够准确地模拟火灾的传热传质过程，由此计算的网格尺寸为0.013～0.052 m，通过网格敏感性分析比较不同网格对计算结果的影响，确定选用0.03 m的网格尺寸(共计724 500个网格单元)进行数值模拟研究。将模拟结果与实验结果进行比较，两者误差在20%左右(图2)，证明该模型的计算结果准确性较高。

图2 实验结果与数值模拟结果对比Fig.2 Comparation of experimental and simulated result

2 结果与讨论

2.1 竖井内的温度分布

图3 不同工况下电梯井内竖直温度分布Fig.3 The vertical temperature distribution in the elevator shaft for different cases

图4 送风风量为720 m3/h时电梯井内竖直温度分布Fig.4 The vertical temperature distribution in the elevator shaft with air supplying at the rate of 720 m3/h

从温度分布的结果可以得到以下两点结论：①高层建筑正压送风防烟必须要选用风量足够的送风装备，竖井内防烟成功所需风量在720～864 m3/h，按照风量的所比例关系，计算得到对应的实际风量为23 040～27 648 m3/h，现有的PPV排烟机产品能够达到这一范围的风量，但在实际情况中，高层建筑内气流流动的路径远比本研究考虑的情况复杂，因此，在救援中应选择大于此风量的排烟机。②从高层建筑火灾着火层下部进行正压送风比上部更具有优势，当从着火层上方楼层送风时，由于烟囱效应的影响，需要更大的送风风量才能有效控制烟气，且当正压送风强度不足时，还会造成竖井内流动受阻、温度显著上升的情况，从而威胁到建筑内部人员的安全。

2.2 竖井内的压力分布

竖井内外的压差决定了建筑各层烟气流动的方向，高层建筑着火后竖井内往往会形成烟囱效应，这时竖井内的压力分布主要呈现上正下负的分布特征[24]。正压送风同样也会导致高层建筑竖井内压力分布出现变化，如图5所示。

图5 不同工况下电梯井内压力分布Fig.5 The vertical pressure distribution between elevator doors for different cases

2.3 有效挡烟质量流量比

(3)

表3 不同工况的Table with different cases

(4)

竖井中正压送风情况下各部分的流动如图6所示。为了比较不同楼层正压送风控烟效果的差异，定义有效挡烟质量流量比λ，其为有效气流质量与风机风量的比值，即：

P为压力；T为温度；下标atr表示前室，shaft表示竖井，atr_fire表示着火前室，atr_PPV表示送风前室图6 竖井内气流运动示意图Fig.6 Airflow diagram in the vertical shaft

(5)

显然，在正压送风时，λ越大，防排烟效果越好。这一参数与Li等[22]在高层建筑正压控烟的研究中采用的无效挡烟质量流量比类似，在其研究中无效挡烟质量流量比能够用于评价不同通风状态下正压送风的控烟效果，即λ随正压送风风量的增大而逐渐增大，如图7所示。根据温度和压力数据分析得到的防烟效果情况，当防烟效果较好时，λ为20%～30%，即70%～80%的气流由其他楼层流出竖井，在正压送风时，通过改变通风状况有效减少其他楼层气流质量的损失具有重要的意义。

图7 不同工况下下λ分布Fig.7 Distribution of λ for different cases

3 结论

在高层建筑正压送风控烟缩尺寸实验研究的基础上，进一步利用数值模拟方法研究不同正压送风位置与送风风量对高层建筑烟气控制的影响，研究得到以下结论。

(1) 正压送风风量对高层建筑烟气控制效果具有重要的影响，存在最小送风风量来保证正压送风的有效性，在实际的高层建筑正压送风控烟中，应选用风量大于23 040～27 648 m3/h移动排烟风机，才能保证控烟效果。

(2)从高层建筑火灾中着火层下部进行正压送风比上部更具优势，在着火层上方楼层送风时，由于烟囱效应的影响，需要更大的送风风量才能有效控制烟气，且当正压送风强度不足时，还会造成竖井内温度的显著上升，从而威胁到建筑内部人员的安全。

(3) 有效挡烟质量流量比λ是判断正压送风效果的重要参数，在着火层下部送风的情况中，送风风机与着火层的距离也对λ有一定的影响，当风机位于着火层下部并且与着火层保持一定距离时，λ的比值更大，控烟效果更好。