建筑防敷设 计: 挡烟垂壁与排烟口设置对烟气层高度的影响 郭增辉 。,何其泽 。黎昌海。 (1.昆明市消防支队,云南昆明650024;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230027) 摘要:通过N百分比法,理论计算得到了挡烟垂壁与排 烟口设置对商业建筑内相邻防火分区烟气层高度变化的影响。 分析结果发现,挡烟垂壁凸出越多,烟气层下降速率更为缓慢, 后期烟气层高度越高;排烟口距离火源越近,后期烟气层高度 越高;排烟口朝向对烟气层高度的变化影响不大。 关键词:火灾;排烟口;挡烟垂壁;烟气层高度 中图分类号:X924.4。TU834.2 文献标志码:A 文章编号:1009—0029(2013)08—0841一O3 火灾统计资料表明,商业建筑内发生火灾时,高温烟 气在浮力作用下上升,再撞击顶棚并形成顶棚射流之后, 烟气沿着水平方向向四周呈放射状蔓延。与受限空间不 同的是,扁平型商业建筑由于面积较大,一般在水平蔓延 过程中不会遇到墙壁而形成反浮力壁面射流。在顶棚射 流形成过程中,烟气不断卷吸空气,顶棚射流厚度增加, 烟气层不断降低,如果在远离火源处,烟气不断冷却后, 烟气层将下降到地面。在远离火源处,烟气在空间内的 分层状况将不是很明显。火源周围的空间内能见度很低 而且烟气温度高,对人员疏散和消防救援极为不利。因 此,在商业建筑中烟气是造成人员伤亡的主要因素。 当火灾在商业建筑中发生时,烟气会在极短时间内 就上升到扁平顶棚,并快速在顶棚蔓延扩散。利用挡烟 垂壁与排烟口组合控制烟气是目前建筑消防设计中防止 烟气蔓延的最常见的手段,烟气的温度和烟气层的高度 是评价烟气效果的两个重要参数,笔者前期研究分析了 挡烟垂壁与排烟口设置方式对烟气温度的影响,在38 m (长)×21 m(宽)×5.4 m(高)实验区内进行全尺寸实火 实验,实验现场布置如图1所示,并考虑3.0 Mw柴油池 火火源。研究发现,将挡烟垂壁从1.3 m增加到1.8 m, 可以使挡烟垂壁后方上层烟气温度下降约5O ;在单个 防烟分区内部增加排烟口与火源的距离,挡烟垂壁后方 上层烟气的温度显著上升;排烟口的朝向对烟气温度的 影响并不大。 在前期实验结果的基础上,通过理论计算得到了相 邻防烟分区烟气层高度随时间的变化,进一步分析挡烟 垂壁与排烟口设置方式对烟气层高度的影响。 1烟气层高度计算方法 火灾中烟气生成后,在热浮力的作用下向上运动,在 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51206157) 消防科学与技术2013年8月第32卷第8期 现有规范排烟设施的要求下,自然排烟或机械排烟措施 很难使烟气完全排出时,烟气将在顶部积聚并下沉,从而 形成一定厚度的烟气层。在实际火灾中,上层烟气和下 层新鲜空气之间往往会存在一个过渡区域,而不会存在 严格的分界界面,即由烟气和空气混合后的混合区域。 混合区域既不像纯烟气那样具有很强的危害性,但又会 对下部人员的安全造成影响。研究人员把部分混合层算 人烟气层的范畴,把烟气含量较小的区域计人空气层。 该处理方法考虑到了建筑火灾的实际情况。 I・ -I 图1买验空间示薏图 Newman通过研究发现,在普通建筑中,烟气浓度和 烟气温度在空间中具有相同的分布形式,如式(1)所示。 恚一X △ 丁a ㈩ … 式中:x 是烟气中i组分在h高度处的浓度;X 是i组 分的平均浓度;ATH为h高度处温度与环境温度之差, △丁a 为平均温度与环境温度之差。 Ingason通过实验证明,在长隧道中这一关系同样可 以成立。 根据式(1),只需研究烟气温度的分层特性,就能计 算出烟气层的分层情况。烟气浓度需要多套设备进行测 量,成本较高。而建筑中的温度分布可方便的使用热电 偶获得,且准确度较高。因而在大部分的烟气层分析中,一 主要通过温度来计算得到烟气层的分层情况。基于以上 的思想,Cooper提出了N百分比法的判断烟气层高度的 方法,其计算方法如式(2)所示。 丁( )一 —N ×(Tm 一 ) (2) 式中:T(: 为高度 处的温度;N为系数,一般取为2O; 为环境初始温度;Tm 为纵向方向上温度的最大值。 N值的选择带有相当的主观性,Cooper给出了多个 可选的数值,对于普通建筑来说烟气分层较为明显,一般 取N一20可以满足计算要求。 图2给出了某次实验不同高度上利用热电偶测量得 841 到的气体温升过程,利用N百分比法可以计算得到烟气 层高度随时间的变化。从图2可以看出,点火之后测得 m。通过比较其下降速率可以发现,在火灾发展的初期, 两种实验工况下烟气高度下降速率基本一致;但在火灾 发展后期,排烟口距离火源为12 m时烟气下降速率明显 要大于排烟口距离火源5 m的情况,即在火灾发展的后 的3.9 m高度以上的温度明显高于3.9 m以下的温度, 而计算得到的烟气层高度也迅速下降到3.9 m左右;而 gI, 4 6 5 当底部温度也逐渐上升时,计算得到的烟气层高度也不 断下降,这些都说明利用N百分比法得到的烟气层高度 能够准确反映烟气层实际高度的变化。 6O ._5 4m +5 l m 50 +4 8 m —★一4 5m 40 +4 2 m +3 9m 冀so —◆_3 6m — 3 3m — 3 0m :。 干2 7 m ---,I,-2 4m 10 +2 1 m -m-l 8 m 时闯/s 图2不同高度处温升及其计算得到烟气层高度 2烟气层高度计算结果 利用N百分比法可以计算得到不同实验工况下烟 气层高度随时间的变化,分析这些结果可以得出不同因 素对火灾过程中烟气层高度的影响规律。 2.1挡烟垂壁的高度对烟气层高度的影响 图3为通过两次不同挡烟垂壁高度实验结果计算得 到的烟气层高度变化,挡烟垂壁凸出高率分别为1.3 m 和1.8 m。通过比较其的下降速率可以发现,在火灾发 展的初期,挡烟垂壁凸出1.3 m时的烟气下降速率大于 挡烟垂壁凸出1.8 m的情况,即挡烟垂壁凸出较多,烟气 层下降速率更为缓慢;最终,挡烟垂壁凸出1.3 m时的烟 气层高度低于挡烟垂壁为1.8 m的情况,即挡烟垂壁凸 出较多,后期烟气层高度越高。由于挡烟垂壁的作用就 是阻挡烟气的蔓延,相邻防烟分区中烟气层高度越高,意 味着烟气阻挡效果更好。 0 50 l00 I50 200 250 叫问,s 图3挡烟垂壁的高度为1.3 m和1.8 m的温度垂直分布图 2.2 排烟口与火源距离对烟气控制效果的影响 图4为排烟口距火源距离不同的两次实验结果计算 得到的烟气层高度变化,排烟口距火源分别为5 m和12 842 期,排烟口距离火源越远,烟气的下降速率越快。 2.3排烟口朝向对排烟效果的影响 图5为排烟口朝向不同的两次实验结果计算得到的 烟气层高度变化,排烟口分别为朝下和朝上设置。通过 比较下降速率可以发现,两种工况下烟气层下降趋势基 本一致,下降速率相差也较小。从烟气层下降的角度,排 烟口对相邻防烟分区的烟气层下降速率影响不大,即排 烟口朝向对烟气阻挡效果相差不大。 ’ 时f.]/s 图5排烟1:3向下和向上烟气层高度变化 3 结 论 结合工程结构特性和功能需求,在前期全尺寸实火 实验结果的基础上,通过理论计算比较了不同排烟口和 挡烟垂壁设置对烟气层高度的影响,分析可以得到以下 结论。 (1)挡烟垂壁的高度是建筑物内的烟气控制的重要 因素。在该类扁平结构的商业建筑中(层高不足6 m), 在火灾发展的初期,挡烟垂壁凸出1.3 m时的烟气下降 速度大于挡烟垂壁凸出1.8 m的情况;在火灾发展的后 期,挡烟垂壁凸出1.3 m时的烟气层的稳定高度要低于 挡烟垂壁为1.8 m的情况。 (2)排烟口距离火源越近,排烟效果越好。在该类扁 平结构的商业建筑中(层高不足6 m),在火灾发展的初 期,两种实验工况下烟气下降速率基本一致;但在火灾发 展后期,排烟口距离火源为12 rn时烟气下降速率明显要 Fire Science and Technology,August 2013,Vol 32,No.8 大于排烟口距离火源5 m的情况,即在火灾发展的后期, (上接第840页) [93吴小华,李耀庄,易亮,等.隧道集中排烟模式下火灾数值模拟研 究[J].安全与环境学报,2010,10(6):145—149. [10]潘一平,赵红莉,吴德兴,等.隧道火灾集中排烟模式下的排烟效 率研究[J].安全与环境学报,2012,12(2):191—196. El1]梁园,冯炼.半横向通风方式下公路隧道火灾数值模拟[J].地下 空间与工程学报,2008,4(1):195—198. 排烟口距离火源越远,烟气的下降速率越快。 (3)排烟口朝向并不是影响烟气阻挡效果的关键因 素。在该类扁平结构的商业建筑中(层高不足6 m),排 烟口对相邻防烟分区的烟气层下降速率影响不大。 参考文献 [1]郭曾辉,何其泽,黎昌海.商业建筑机械排烟系统启动时间的研究 [J].消防科学与技术,2013,32(6):646—649. [12]ZHANG Yuchun,HE Chuan,ZENG Yanhua,et a1.Study on semi—transverse smoke exhaust in extra long road tunnel[J]. Highway Tunnel,2009,(1):55—58. E2]范维澄,孙金华,陆守香.火灾风险评估方法学[M].合肥:中国科 学技术大学出版社. [13]JI J,LI K Y,ZHONG W,et a1.Experimental investigation on in— fluence of smoke venting velocity and vent height on mechanical [3]霍然,李元洲,胡源.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学 技术大学出版社. [4]霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析与设计EM].合肥:安徽科学技 术出版社, Is]李静娴,何嘉鹏,周汝.长廊型高层建筑火灾烟气控制模式的效果比 较[J].消防科学与技术,2010,29(1):33—36. [6]高洪菊.姜明理.游宇航.敞开楼梯间消防安全措施的探讨[J].消防 科学与技术,2006.25(4):498—499. [7]杨云春,何嘉鹏,周汝,等.垂向射流与挡烟垂壁组合控制烟气蔓延 研究[J].消防科学与技术,201l,30(7):475—477. [8]郭增辉,陆守香,何其泽,等.商业建筑排烟口与挡烟垂壁组合控制 烟气[J].消防科学与技术,2012,31(6):578—580. [9]GB 5001 6~2006,建筑设计防火规范[S]. [1O]GB 50045(2005年版),高层民用建筑设计防火规范[s]. Influence of smoke screen and exhaust port setting on smoke layer height GUO Zeng—hui “,HE Qi—ze。,LI Chang—hai (Kunming Fire Detachment,Yunnan Kunming 650024, China;2.State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Anhui Hefei 230027,China) Abstract:By percentage method,calculate the influence of smoke screen and exhaust port setting on smoke layer height. Results showed that the more the smoke screen protrudes,the slower the smoke layer falls,and the higher the height at the end;the closer the exhaust port to the fire source,the higher the smoke layer height s the facing of the exhaust port affects the smoke layer a little. Key words:fire;exhaust port;smoke screen;smoke layer height 作者简介:郭增辉(1980一),男,昆明市消防支队 防火处火调技术科科长,工程师,主要从事消防监督管 理工作,云南省昆明市五华区红锦路53号,650024。 收稿日期:2013—04—11 消防科学与技术2013年8月第32卷第8期 smoke exhaust efficiency[J].Journal of Hazardous Materials, 2O10,177(1/2/3):209—215. Optimization on smoke control in tunnel with lateral central extraction system LIU Tuo ,JIANG Xue—peng。 (1.Dongguan Fire Detachment,Guangdong Dongguan 523000,China;2.School of Civil Engineering,Central South University,Hunan Changsha 410075,China) Abstract:Lateral central extraction system was applied in a su— per long immersed road tunne1.For the smoke control engineer— ing practice,temperature distribution,2 m height visibility con— ditions,smoke spread range,as well as exhaust efficiency and other smoke effect indicators were quantitatively analyzed by FDS.The results showed that:when the fire source is located in一3 slope segment,fire power as 50 Mw,reasonable lon— gitudinally induced velocity is 2.5 m/s and the reasonable ex— haust inlets opening s ̄lution is 1 upstream exhaust inlet/4 downstream exhaust inlets.When the fire source is 1ocated in 0 slope segment,reasonable exhaust program is two—way bal— anced smoke exhaust,and 2 upstream opened exhaust inlets/3 downstream opened exhaust inlets.At the same time the rea— sonable longitudinally induced velocity is 1.5 m/s.When the fire source is located in 3 slope segment,reasonable exhaust program is one—way smoke exhaust towards the downward,and 2 upstream opened exhaust inlets/3 downstream opened ex— haust inlets.At the same time the reasonable longitudinally in— duced velocity is 1 m/s. Key words:immersed road tunnel;lateral central extraction sys— tem;Smoke control;numerical simulation 作者简介:刘 拓(1978一),男,河南舞阳人,东莞 市消防支队工程师,硕士,主要从事消防监督管理工作, 广东省东莞市东城区莞长路立新路段23号,523000。 收稿日期:2013—04—13 843