王依晗,梁參軍,陸 松,謝啟源,張和平

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230026)

誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)應(yīng)用于地下車庫的實(shí)驗(yàn)研究

王依晗,梁參軍,陸 松,謝啟源,張和平

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230026)

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)在地下車庫中應(yīng)用的可行性,研究了布置方式、誘導(dǎo)風(fēng)速等敏感參數(shù)對(duì)排煙效果的影響,主要分析了火源上游不同位置處溫度的變化。結(jié)果表明,誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)能有效地抑制煙氣向上游的逆流并能加強(qiáng)煙氣的熱對(duì)流,降低上游煙氣的溫度;另外,開啟少于均勻布置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)數(shù)目下,菱形布置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)下的排煙效果優(yōu)于均勻排列布置;在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi),誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)對(duì)上游煙氣的控制和降溫能力隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增加而提高,同時(shí),在火源功率一定的條件下,增大誘導(dǎo)風(fēng)速對(duì)控?zé)熜Ч母纳拼嬖谂R界值。

誘導(dǎo)排煙;誘導(dǎo)風(fēng)速;布置形式;地下車庫;實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

目前我國(guó)地下車庫采用的排煙系統(tǒng)為風(fēng)管式排煙,按我國(guó)《汽車庫、修車庫、停車場(chǎng)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,排煙風(fēng)機(jī)的排煙量應(yīng)按換氣次數(shù)不小于6次/h計(jì)算確定[1]。因此,面積為2000m2,層高3m的地下車庫所需排煙量為 36000m3/h。如果按8m/s的風(fēng)速來設(shè)計(jì),主風(fēng)管尺寸一般取為2500mm×500mm,實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,地下車庫還需設(shè)水管路、電路等各種管線,這使本身層高就低的地下空間更為擁擠[2]。車庫內(nèi)的排煙系統(tǒng)大多是與通風(fēng)系統(tǒng)合用,排風(fēng)口按上部排1/3的風(fēng)量,下部排2/3的風(fēng)量設(shè)計(jì)[3]。當(dāng)只開啟上部開口進(jìn)行排煙時(shí)會(huì)造成風(fēng)速過大的問題,因此需要在管道上增設(shè)防煙調(diào)節(jié)閥以控制排煙時(shí)的風(fēng)速。這種設(shè)計(jì)使控制系統(tǒng)變的很復(fù)雜,且一旦調(diào)節(jié)閥失效,會(huì)導(dǎo)致煙氣在下部排風(fēng)口的作用下向下蔓延,對(duì)人員安全造成更大的威脅。

無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)以其占用空間小、通風(fēng)效率高的特點(diǎn)在地下車庫的通風(fēng)系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用[4,5],近來許多學(xué)者提出用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)輔助排煙的設(shè)想。誘導(dǎo)排煙的設(shè)計(jì)理念是一方面利用射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速射流擾動(dòng)周圍大量氣體從而在一定的空間內(nèi)獲得流速場(chǎng)以阻止煙氣逆向的流動(dòng),另一方面利用射流將煙氣誘導(dǎo)至車庫一側(cè)再通過機(jī)械或自然排煙口排出[6],自然排煙口指空間內(nèi)自然開口或豎井開口,機(jī)械排煙則需要安裝機(jī)械排煙裝置將誘導(dǎo)至一側(cè)的煙氣集中機(jī)械排出。

國(guó)內(nèi)張靖巖,肖澤南等人對(duì)地下車庫誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)經(jīng)過合理布置,可以提高地下車庫內(nèi)的排煙效率,使空間內(nèi)維持一定面積的清晰區(qū)域[7,8]。國(guó)外也有部分學(xué)者與公司進(jìn)行誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)的模擬和實(shí)驗(yàn)研究,如葡萄牙學(xué)者Viegas通過 FDS模擬得出誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在一定距離內(nèi)能阻止煙氣的回流[9,10]。英國(guó)的COL T公司和Building Research Establishment(BRE)合作展開了使用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)進(jìn)行誘導(dǎo)排煙的全尺寸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)能夠誘導(dǎo)煙氣向預(yù)先設(shè)計(jì)的方向運(yùn)動(dòng),具有控制煙氣的能力。

以上這些工作主要集中在模擬研究工作,要想推進(jìn)誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用,對(duì)其具體的設(shè)計(jì)參數(shù)需要更深一步的實(shí)驗(yàn)研究。本文設(shè)計(jì)縮小尺寸誘導(dǎo)排煙實(shí)驗(yàn)臺(tái),主要用于分析誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的布置形式、誘導(dǎo)風(fēng)速的大小對(duì)排煙效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

采取NFPA推薦的相似比例1:8[11]搭建誘導(dǎo)排煙車庫實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,尺寸為3m×5m×0.6m。

圖1 誘導(dǎo)排煙實(shí)驗(yàn)臺(tái)外觀Fig.1 Appearance of impulse exhaust system

實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部和兩側(cè)選用透明的防火玻璃利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè),端部采用防火板制作推拉門,可調(diào)節(jié)通風(fēng)口大小或連接送排煙裝置,本次實(shí)驗(yàn)中兩端均設(shè)高和寬均為2m的開口作為自然補(bǔ)風(fēng)和自然排煙口;實(shí)驗(yàn)火源采用寬度10cm的方形油盤,燃料為甲醇;誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)使用臺(tái)灣SUNON生產(chǎn)的直流12V,0.7A的軸流風(fēng)機(jī)為風(fēng)扇,直徑為8cm,在風(fēng)扇前后增加導(dǎo)流罩改裝制成。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)接直流調(diào)壓儀,轉(zhuǎn)速可調(diào)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)布置有 K型熱電偶等測(cè)量裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)共設(shè)20臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)沿 X方向依次為1-4列,每列間隔1000mm,記為 F n.1-F n.4,沿Y方向依次為1-5行,每行間隔500mm,記作F 1.n-F 5.n,實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)各工況參數(shù)設(shè)計(jì)開啟不同位置的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)。熱電偶測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示,編號(hào)沿X方向依次為1-4列,記為 n.1#-n.4#,沿 Y方向依次為1-6行,記作1.n#-6.n#。熱電偶串之間的X向間隔為500mm,Y向間隔為500mm,測(cè)點(diǎn)的安裝高度距離頂棚100mm。

圖2 風(fēng)機(jī)及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Arrangement of impulse fans and thermocouple

本文研究了誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速和誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置形式這兩個(gè)參數(shù)對(duì)誘導(dǎo)排煙效果的影響,共設(shè)置了九個(gè)工況,各工況的詳細(xì)布置參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)表Table 1 Parameters of experimental conditions

E A 3 F 1.n、F 3.n、F 5.n(n=1、3)F 2.n、F 4.n(n=2、4)1 0 5 自然排煙 自然補(bǔ)風(fēng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)的可行性分析

實(shí)驗(yàn)工況E0在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中沒有開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī),煙氣從兩端開口自然排出。實(shí)驗(yàn)工況 EA4-1在點(diǎn)燃火源同時(shí)啟動(dòng)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)。從圖3中可以看到,無誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的情況下車庫上游的溫度最高可達(dá)40℃,而在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的誘導(dǎo)下,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中上游的溫度基本沒有升高,維持在20℃之下,說明煙氣受到誘導(dǎo)從一端自然排出,沒有向上游逆流,誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)對(duì)煙氣逆流的阻隔作用是十分有效的。

工況EA4-2在點(diǎn)燃火源后5min打開誘導(dǎo)風(fēng)機(jī),圖4中所測(cè)的分別為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前與風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后相對(duì)穩(wěn)定的條件下,誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)上游不同列測(cè)點(diǎn)的溫度均值。從圖中可以看出,當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)一段時(shí)間后背風(fēng)側(cè)溫度較啟動(dòng)前降低,并且離誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)較近第3列和第4列測(cè)點(diǎn)的溫度下降更多,說明誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)不僅有效地阻止了煙氣向上游的逆流,并且加快了上游熱煙氣的對(duì)流,使得上游的溫度下降更快。

圖3 自然排煙與誘導(dǎo)排煙效果對(duì)比Fig.3 Compare the effect between nature venting and impulse exhaust system

2.2 誘導(dǎo)風(fēng)速變化

為了研究誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速對(duì)排煙效果的影響,設(shè)置了四個(gè)實(shí)驗(yàn)工況,EV1至 EV4的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速依次為2m/s,3m/s,4m/s和5m/s。四個(gè)工況的其它參數(shù)設(shè)置均一致,12臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)分三行均勻布置,點(diǎn)燃火源5min后開啟,具體參數(shù)如表1所示。

圖4 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前后溫度分布對(duì)比Fig.4 Temperature before and after the activation of impulse fans

從圖5不同出口風(fēng)速下溫度的變化比較可以看出,在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi),誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速越大,開啟風(fēng)機(jī)后上游溫度越低;但隨著出口風(fēng)速的提高,溫度的變化幅度減小。如圖6降溫幅度隨誘導(dǎo)風(fēng)速的變化曲線所示,相對(duì)于2m/s的誘導(dǎo)風(fēng)速,當(dāng)提高到3m/s的風(fēng)速是地,降溫幅度增了21%,而誘導(dǎo)風(fēng)速為3m/s和4m/s時(shí)的降溫幅度差別不大,到了5m/s后,降溫幅度又增大了8%。由此可見,誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速增加,誘導(dǎo)排煙的效果更為顯著,對(duì)降低上游溫度越為有利;同時(shí),在火源功率一定的情況下,達(dá)到有效抑制煙氣逆流的出口風(fēng)速后,再提高誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速對(duì)誘導(dǎo)排煙效果的改善不再明顯。

2.3 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置形式

選取三種布置方式:兩行均勻布置 EA1、三行均勻布置EA2以及菱形布置EA3,兩行均勻布置下開啟的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)數(shù)為8臺(tái),三行陣列布置下開啟的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)數(shù)為12臺(tái),而菱形布置開啟的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)數(shù)為10臺(tái),點(diǎn)燃火源5min后啟動(dòng)風(fēng)機(jī),具體參數(shù)如表1中所示。

從圖7(a)和圖7(b)中可以看出,均勻布置條件下上游的溫度都有下降,但不同位置的溫度下降幅度相差較大。各工況的火源都在第2行第4列風(fēng)機(jī)的位置,因此當(dāng)只開啟第2、4行風(fēng)機(jī)的條件下,靠近火源的第1行測(cè)點(diǎn)溫度降低幅度較小,仍維持在26℃;只開啟1、3、5行風(fēng)機(jī)的條件下各行的溫度下降幅度差別很大,特別是火源所在的第2行由于沒有風(fēng)機(jī)的阻隔,測(cè)點(diǎn)溫度最高達(dá)35℃。然而從圖7(c)中可以明顯的看出菱形布置下各行的溫度一致下降到20℃之下。

圖5 不同誘導(dǎo)風(fēng)速下溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 T emperature history with different impulse velocities

圖6 溫度降低幅度隨風(fēng)速變化 Fig.6 T emperature drop with different impulse velocities

圖7 不同布置形式下溫度隨時(shí)間的變化Fig.7 Temperature drop with different arrangements of impulse fans

比較實(shí)驗(yàn)工況 EA1和 EA2可以看出,雖然誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)增加了4臺(tái),風(fēng)機(jī)間距縮小,但由于受火源位置的影響,誘導(dǎo)排煙效果并沒有明顯增強(qiáng),這說明了均勻的布置雖然易于設(shè)計(jì),但如果間距不夠小,容易造成煙氣從兩行風(fēng)機(jī)的間隙中向上游蔓延,受火源位置影響較大。而對(duì)比工況 EA2和 EA3得知,盡管EA3只開啟了10臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī),但隔煙氣效果明顯強(qiáng)于EA2,即菱形布置在開啟少于均勻布置風(fēng)機(jī)數(shù)目的條件下,能更好的控制煙氣的逆流。

3 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)工況對(duì)比火源上游溫度的分布,得出以下結(jié)論:

(1)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)能有效的抑制煙氣的逆流并加速熱煙氣的對(duì)流,在開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的條件下,車庫上游溫度顯著下降,這有利于人員的逃生和消防撲救。

(2)在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi),隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增加,誘導(dǎo)排煙系統(tǒng)的控?zé)熌芰徒禍啬芰μ岣?但對(duì)于一定的火源功率,誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速對(duì)排煙效果的提高存在一個(gè)臨界值。

(3)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在車庫上方菱形錯(cuò)位布置,在開啟少于均勻布置風(fēng)機(jī)數(shù)目的條件下,也能更有效的控制煙氣的逆流,降低車庫上游的溫度。

[1]GB50067-97,汽車庫、修車庫、停車場(chǎng)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

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Experimental study on the application of impulse exhaust system in underground car park

WANG Yi-han,LIANG Can-jun,LU Song,XIE Qi-yuan,ZHANG He-ping

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Experimental study has been carried out to investigate the feasibility of the use of impulse ventilation system for smoke control in underground car park.The impact of the parameters such as arrangement and impulse velocity on the exhaust effect was analyzed.The results have shown that the well designed impulse exhaust system is capable of preventing the flow of smoke to upstream and cooling the smoke.Moreover,diamond-shaped arrangement of impulse fans can control the smoke better than uniform array layout.The exhaust effect increases when the impulse velocity is increased,meanwhile,under any specific heat release rate,there would be an extreme value for impulse velocity to improve the smoke control effect.

Impulse exhaust system;Fans arrangement;Impulse velocity;Underground car park;Experimental study.

X932;TU988.1

A

1004-5309(2011)-0111-06

2010-12-28;修改日期:2011-03-23

王依晗(1988),女,漢族,河南省新鄉(xiāng)市長(zhǎng)垣縣人。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生,主要從事建筑火災(zāi)煙氣控制研究及消防性能化分析設(shè)計(jì)。