王 興

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,福建 南平 353000)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),高層、超高層以及大空間公共建筑逐漸興起,與日益增多的建筑相對的是大部分建筑項目的消防措施做得并不到位,很多建筑物的排煙系統(tǒng)設(shè)計效果不佳,常常使得大量污染物排放到空氣之中,嚴(yán)重影響了城市的空氣質(zhì)量[1],為建筑物的消防安全埋下隱患。近年來,人們越來越重視健康、節(jié)能環(huán)保,隨著綠色建筑理念的發(fā)展,也對綠色建筑全壽命周期中的安全性、舒適性和健康性越來越重視。根據(jù)相關(guān)調(diào)查可知,發(fā)生在建筑內(nèi)的火災(zāi)事故多是由于建筑設(shè)計不合理或排煙系統(tǒng)設(shè)計不合理導(dǎo)致的,從而造成了財產(chǎn)損失,或是人員傷亡。建筑排煙系統(tǒng)是大多數(shù)公共建筑的重要組成部分,一直受到人們的密切關(guān)注[2]。當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時,濃煙給受困人員逃離火災(zāi)現(xiàn)場增加了阻礙,吸入過多濃煙還會造成呼吸困難甚至窒息,威脅人民的生命財產(chǎn)安全,給消防員的救援行動也增加了難度[3]。這些有毒氣體排放至大氣中將嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量,污染綠色環(huán)境,因此對建筑中的排煙系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要[4]。

為了保證建筑的安全可靠,確保人民財產(chǎn)和生命的安全,維護(hù)綠色環(huán)境,減少污染物,提出采用BIM技術(shù)對建筑排煙系統(tǒng)碳排放進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在日常工作時,能夠改善空氣質(zhì)量,排除熱氣以及污染物,營造健康清新的環(huán)境;在火災(zāi)發(fā)生時能夠及時報警,迅速地進(jìn)行濃煙排除,提高碳排放能力,并將排除的濃煙進(jìn)行特殊處理,在過濾出有害污染物后再排放到空氣中,降低火災(zāi)對大氣環(huán)境的污染。而且能夠有效阻止?jié)鉄煍U(kuò)散,降低濃煙對生命的威脅,為人們爭取更多的逃離以及救援時間[5]。

1 建筑排煙系統(tǒng)硬件的碳排放優(yōu)化

本研究所涉及的建筑排煙系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu),主要包括排風(fēng)管道、管井、排風(fēng)機(jī)等[6]。排煙系統(tǒng)是大多數(shù)建筑保證人民財產(chǎn)和生命安全不可或缺的安全設(shè)備,為保障排煙系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)時能夠正常運行,利用BIM技術(shù)構(gòu)建建筑信息模型,同時系統(tǒng)本身設(shè)備均采用不可燃材料,為爭取更多逃離和救援時間打好基礎(chǔ)。建筑排煙系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綠色建筑排煙系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of smoke exhaust system of green buildings

該模型仿真選擇排風(fēng)機(jī)為某民用建筑軸流排風(fēng)機(jī),其工作電壓為220 V,轉(zhuǎn)速達(dá)到960～1 450 r/min,風(fēng)壓達(dá)到256～600 Pa,工作效率在56%～93%之間;排風(fēng)管道建模直徑約為20 cm,水平面到排風(fēng)罩的距離為2.8 m,排風(fēng)罩?jǐn)U張角為直角,長度為6.25 cm;防火閥安裝在建筑物房間的隔板之中,離承重墻保持200 mm的距離;管井可利用電梯豎井,深度為60 m,門開關(guān)選用GHL-K1;選用一臺安裝Windows10系統(tǒng)的電腦作為中央計算機(jī),用于解釋計算機(jī)指令以及處理數(shù)據(jù);其I/O模塊選用SPM-SDIO-MD2型號,用于計算機(jī)及各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。由此完成建筑排煙系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

圖2 排風(fēng)總管設(shè)計位置Fig.2 Design position of exhaust manifold

1.1 排風(fēng)管道

建筑的防排煙系統(tǒng)分為機(jī)械加壓送風(fēng)的排風(fēng)設(shè)備和開啟外窗的自然通風(fēng)的排煙設(shè)備[7]。排風(fēng)管道從形狀上分為矩形與圓形兩種,為了減少矩形管道四角局部渦流造成的壓力損失,設(shè)計的防排風(fēng)系統(tǒng)選用圓形管道。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時,防排風(fēng)系統(tǒng)主要用于防煙和排煙,防煙即維持某一特定區(qū)域內(nèi)的正壓,使產(chǎn)生的煙無法進(jìn)入;排煙則是盡快將濃煙通過排風(fēng)管道排出,并進(jìn)行一系列的污染物過濾操作,減少空氣污染,保證人員的逃離和救援工作的順利進(jìn)行。

在平時,排煙系統(tǒng)的作用在于消除余熱、余濕以及污染物等,使室內(nèi)和室外的空氣得以相互流通,將室內(nèi)已污染的空氣排出,將室外新鮮的空氣輸入,從而借用排風(fēng)管道改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

為實現(xiàn)防火和避免空氣回流現(xiàn)象的發(fā)生,采用垂直排風(fēng)管道為研究對象進(jìn)行分析,根據(jù)不同樓層,增加排風(fēng)管長度,使每一層的排風(fēng)管能在樓層之間實現(xiàn)傳遞。同時,將排風(fēng)管分為兩種管道,分別是大管道和小管道。大管道作為總管道,能夠直接到達(dá)屋頂,在每一層都鋪設(shè)小管道用于吸煙,在每層的屋頂安裝大號排風(fēng)總管,運用豎風(fēng)道原理,將大小排風(fēng)管采用并排方法裝置,縮小占用面積增大橫截面,當(dāng)有害污染氣體被吸入小排風(fēng)管后上升,當(dāng)氣體到達(dá)屋頂時轉(zhuǎn)入總排風(fēng)管道,依靠緊密的結(jié)構(gòu)關(guān)系實現(xiàn)排氣的快速流動,達(dá)到合理排放的效果。利用BIM技術(shù),構(gòu)建排風(fēng)管道模型,如圖2所示。

為了提高排風(fēng)總管道對氣體的排放以及送入的效率,在室內(nèi)的排風(fēng)管道口設(shè)計一個排風(fēng)罩,使用排風(fēng)罩將污染物控制在較小的區(qū)間內(nèi),從而在最大程度上降低氣體的吸收范圍。為方便氣體的采集和控制,水平面到排風(fēng)罩的距離應(yīng)為2.8 m,設(shè)計的防排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)管道直徑約為20 cm,排風(fēng)罩的擴(kuò)張角為直角,長度為6.25 cm。

1.2 防火閥

當(dāng)建筑沒有消防安全事故發(fā)生時,排風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)自然排風(fēng),除去污染物,其工作流程較為簡單。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時,排風(fēng)系統(tǒng)將對特定區(qū)域加壓送風(fēng)排煙,以實現(xiàn)有效的碳排放。根據(jù)我國的相關(guān)規(guī)定,在建筑的房間隔板之間必須要設(shè)置防護(hù)閥,尤其是在火災(zāi)危險發(fā)生率較大的建筑中,同時應(yīng)將防火閥設(shè)計在隔離的位置,使其與承重墻應(yīng)保持在200 mm的距離之內(nèi),以便確保能夠滿足發(fā)生火災(zāi)時及時排煙的需要[8]。

根據(jù)建筑內(nèi)場所不同,排風(fēng)系統(tǒng)大致分為3類防火閥:排風(fēng)防火閥、280 ℃防火閥和排煙防火閥,如表1所示。

表1 排風(fēng)系統(tǒng)中的不同防火閥Tab.1 Different fire dampers in exhaust system

在設(shè)計建筑排煙系統(tǒng)時，為不影響系統(tǒng)的平時通風(fēng)和碳排放過濾，排風(fēng)防火閥需要保持常開以維持室內(nèi)的空氣清新，當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)而且煙氣溫度高達(dá)280 ℃時系統(tǒng)將自動關(guān)閉排風(fēng)防火閥，如果煙氣溫度不斷升高，而280 ℃防火閥并不能有效控制此時的煙氣量，那么將開啟排煙防火閥，增加排煙力度，為受困人員和救援行動爭取更多的時間[9]。

1.3 排風(fēng)機(jī)

排風(fēng)機(jī)是建筑排煙系統(tǒng)中的重要組成部分[10]。依據(jù)熱脹冷縮原理,當(dāng)溫度升高時,空氣分子會受熱膨脹,導(dǎo)致相同體積內(nèi)的空氣分子數(shù)量減少,熱氣和污染物會隨著流動在屋頂聚集,因此排風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)計在屋頂,通過排風(fēng)機(jī)將熱氣與污染物從排風(fēng)管道中排除使室內(nèi)的氣壓變低[11]。根據(jù)系統(tǒng)的硬件架構(gòu),利用BIM技術(shù)在ArchiCAD軟件中搭建排風(fēng)機(jī)模型,排風(fēng)機(jī)示意圖如圖3所示。

圖3 排風(fēng)機(jī)示意圖Fig.3 Schematic diagram of exhaust fan

基于上述過程,利用BIM技術(shù)對建筑排煙系統(tǒng)硬件進(jìn)行信息模型構(gòu)建,從而實現(xiàn)排煙系統(tǒng)碳排放的優(yōu)化設(shè)計,通過對室內(nèi)空氣進(jìn)行通風(fēng)換氣來提高空氣質(zhì)量。

2 建筑排煙系統(tǒng)軟件的碳排放優(yōu)化

建筑排煙系統(tǒng)通過計算采集氣體中的含煙量以及污染物含量采用不同的排風(fēng)模式,并根據(jù)計算結(jié)果判定危險系數(shù),若危險系數(shù)較高,則會立即采取自動報警措施[12]。

2.1 污染物計算

為保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量,排煙系統(tǒng)將實時對室內(nèi)空氣進(jìn)行采集,計算其污染物含量。污染物含量計算公式如下:

C=0.15Vt

(1)

其中,C代表污染物濃度；V代表煙氣量；t代表采集空氣時的室內(nèi)溫度；0.15為經(jīng)驗系數(shù)。當(dāng)C值小于0.06時則代表空氣質(zhì)量良好,不需要進(jìn)行污染物排除,則排風(fēng)系統(tǒng)將進(jìn)行日常的除余熱、余濕等工作,反之則始終進(jìn)行換氣工作直至C值小于0.06,同時,所過濾出的污染物并不會排到大氣中,而是經(jīng)過化學(xué)處理,并將其轉(zhuǎn)換成無污染物質(zhì)。若C值超過0.42時,則表示室內(nèi)污染物重度超標(biāo),已經(jīng)危害到人員生命時將引發(fā)報警程序[13]。

2.2 煙量計算

當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時,需判斷著火點位置。如果著火點是在建筑內(nèi),那么著火點所產(chǎn)生的煙氣羽流被稱為軸對稱羽流。軸對稱羽流是由于濃煙受到浮力作用的影響產(chǎn)生的,在不斷上升的過程中,從四周吸取空氣,從而形成了羽流。由于吸收空氣會使煙氣羽流的溫度和流速逐漸降低,但是體積則會逐漸增大,這就使其形狀更像是倒錐形,具體如圖4所示。

圖4 軸對稱羽流形狀圖Fig.4 Axisymmetric plume shape

在發(fā)生火災(zāi)時,煙氣的產(chǎn)生量可以用以下公式(2)計算:

m=0.032Qh

(2)

其中,Q表示火災(zāi)時對流部分產(chǎn)生的熱量；h代表煙氣層高度；0.032為經(jīng)驗系數(shù)；m表示計算得出的煙氣含量。當(dāng)m大于0.032時表示空氣中的含煙量已經(jīng)超標(biāo),此時排風(fēng)系統(tǒng)將自動報警,并關(guān)閉自然排風(fēng)防火閥,開啟排煙防火閥,加速疏散濃煙,將濃煙從排風(fēng)管道排出,并過濾出濃煙中的有害污染物,避免其污染大氣環(huán)境。

2.3 報警程序

為保障建筑內(nèi)人員的生命及財產(chǎn)安全,在建筑排煙系統(tǒng)碳排放優(yōu)化中設(shè)計報警程序,當(dāng)空氣中的碳排放嚴(yán)重超標(biāo)或發(fā)生火災(zāi)時,排風(fēng)系統(tǒng)將根據(jù)污染物含量以及含煙量的計算結(jié)果自動啟動報警程序?？紤]到總服務(wù)臺操作人員無法進(jìn)行人為操作的情況下,一般系統(tǒng)會自動儲存一段人工報警的語音文件,若報警系統(tǒng)啟動后無操作人員操作,系統(tǒng)將在10 s后自動撥打119、120等報警電話,盡最大可能保證人員的生命安全。

設(shè)計的報警程序是利用BIM技術(shù)所實現(xiàn)的,BIM技術(shù)能多方位地對建筑信息進(jìn)行模擬,使得所有建筑信息都能整合到由BIM技術(shù)所構(gòu)建的三維信息數(shù)據(jù)庫中。由此可見,BIM技術(shù)更有利于中央計算機(jī)對建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行識別與處理,從而有效進(jìn)行建筑排煙系統(tǒng)的碳排放優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗研究

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為檢測設(shè)計排煙系統(tǒng)的碳排放能力,設(shè)計對比實驗。模擬建筑空氣環(huán)境,選用傳統(tǒng)建筑排煙系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)在相同的模擬環(huán)境下進(jìn)行對比實驗,并分析二者的碳排放能力。

3.2 實驗參數(shù)

設(shè)計的實驗參數(shù)如表2所示。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

3.3 實驗條件

以高度為70 m的建筑排煙系統(tǒng)為實驗對象,選取2020年排煙量較大的11:00～14:00之間數(shù)據(jù),驗證此階段建筑排煙系統(tǒng)碳排放量。采用仿真系統(tǒng)模擬建筑空氣環(huán)境,選用傳統(tǒng)排煙系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)在相同的模擬環(huán)境下進(jìn)行對比實驗,控制變量唯一,對比不同氣層中,兩系統(tǒng)的碳排放情況,對比其碳排放優(yōu)化效果。

3.4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗參數(shù)進(jìn)行實驗,同時選用傳統(tǒng)的排煙系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)對同一建筑進(jìn)行相同條件的模擬對比實驗,得到的實驗結(jié)果如表3所示。

表3 實驗結(jié)果對比表Tab.3 Comparison of experimental results

根據(jù)上表實驗結(jié)果可以看出設(shè)計的排煙系統(tǒng)碳排放效率較傳統(tǒng)建筑排煙系統(tǒng)高,能有效排除煙氣以及污染物,值得被更多的建筑甚至其他各類建筑應(yīng)用。

為進(jìn)一步體現(xiàn)設(shè)計的排煙系統(tǒng)的高速性,選取傳統(tǒng)的污染物含煙量與設(shè)計系統(tǒng)的污染物含煙量進(jìn)行對比實驗,分析二者的計算效率,得到對比實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 計算效率實驗結(jié)果對比Fig.5 Comparison of experimental results of calculation efficiency

根據(jù)上圖可以明顯看出,設(shè)計的污染物含煙量計算方法比傳統(tǒng)方法更加快速,能夠節(jié)省更多的逃離以及救援時間,在最大限度上保障人民的生命安全及利益。

4 結(jié)束語

針對目前建筑排煙系統(tǒng)效率低、排放控制效果不佳的問題,在原建筑排煙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,提升其排煙效果。為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)的實用性,采用其與傳統(tǒng)的排煙系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗對比,其對比結(jié)果如下:

1)排煙效率實驗:在氣層高度為16 m時,設(shè)計的排煙系統(tǒng)以89.3 kg/s的速度排煙,優(yōu)于對比系統(tǒng),排煙效果更好。

2)污染物含煙量計算對比:迭代40次后,本文系統(tǒng)的污染物含煙量計算效率達(dá)到90%以上,而對比系統(tǒng)的污染物含煙量計算效率不到80%,本文系統(tǒng)的含煙量計算效率更高。

基于此,本系統(tǒng)可加快建筑物的排煙效果,在短時間內(nèi)實現(xiàn)碳排放控制,并且其污染物含煙量計算效率更高,值得推廣應(yīng)用。