冉啟兵工程師 張 新高級工程師 倪天曉高級工程師

彭錦志高級工程師 金 鑫工程師

(中聯(lián)科銳消防科技有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活品質(zhì)的提升，住宅建筑已發(fā)展到第四代，這代建筑的特點是生態(tài)宜居，設(shè)置了綠色共享空中庭院或獨立庭院，部分還將汽車停車庫與住宅合建，在每層設(shè)置單獨停車位或公共停車位。此類住宅建筑多數(shù)為超高層建筑，每層僅一戶或兩戶，由于將汽車庫與住宅合建，汽車提升豎井貫通各層，一旦發(fā)生火災(zāi)，汽車提升豎井將成為火災(zāi)及煙氣蔓延的主要途徑。

國內(nèi)外學(xué)者對豎井火災(zāi)煙氣蔓延及控制方法開展許多研究，并取得一定的成果。在理論研究方面，COOPER[1]和CHOW等[2]研究豎井火災(zāi)煙氣遷移模型，理論推導(dǎo)煙囪效應(yīng)作用下開放豎井中性面模型及羽流前鋒上升時間，并進(jìn)行實驗驗證；BLACK[3]研究室外風(fēng)作用、電梯門密封性及圍護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性對電梯豎井中性面位置的影響；游宇航等[4]提出有煙氣和無煙氣持續(xù)滲入豎井的中性面與質(zhì)量計算模型，根據(jù)質(zhì)量和熱平衡推導(dǎo)豎井開口質(zhì)量流率與豎井內(nèi)部壓力中性面位置的計算方法。

在實驗研究方面，MARSHALL[5]、PEPPES等[6-7]、QIN等[8]研究火災(zāi)規(guī)模、豎井高度等因素對豎井中煙氣運動的影響，以及在浮升力驅(qū)動下的煙氣運動特性，溫度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律；李元洲等[9]搭建豎井排煙的全尺寸實驗平臺，研究豎井內(nèi)溫度、排煙速度與豎井底部距離增加的變化規(guī)律，以及煙囪效應(yīng)隨高度的變化規(guī)律；趙建賀等[10]搭建小尺寸豎井火災(zāi)試驗平臺，研究得出豎井煙囪效應(yīng)與浮升力對羽流上升的影響。

在數(shù)值模擬研究方面，張旭濤等[11]采用正交試驗法研究高層建筑火災(zāi)中電梯豎井煙氣流動特性，得到豎井頂部開口面積、各樓層送風(fēng)量、電梯門密封性以及不同著火樓層對電梯豎井內(nèi)煙氣流動的影響；張軍[12]采用理論分析、全尺寸實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探究開口形式、火源位置、火源功率等不同因素對樓梯井內(nèi)煙氣流動和控?zé)煼绞降挠绊?；何其澤等[13]研究17層高層辦公樓內(nèi)煙氣通過電梯豎井的煙氣蔓延過程，得到高層建筑內(nèi)煙囪效應(yīng)誘導(dǎo)的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律；黃玉峰[14]研究高層建筑布局對豎井火災(zāi)煙氣遷移運動的影響；謝天光等[15]分析高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)成因，提出緩解煙囪效應(yīng)的措施，并通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行驗證。

目前關(guān)于豎向井道火災(zāi)煙氣蔓延研究主要針對于面積較小、頂部或側(cè)向有開口的電梯井、樓梯井等，該類井道煙囪效應(yīng)明顯，采用自然通風(fēng)排煙方式可以解決井道火災(zāi)煙氣控制問題。而汽車入戶住宅建筑多為超高層建筑，汽車提升豎井面積較大，高度高，頂部未設(shè)置自然通風(fēng)排煙開口，火災(zāi)煙氣運動規(guī)律區(qū)別于其他建筑內(nèi)的豎向井道，本文將對汽車提升豎井煙氣流動特性進(jìn)行分析研究，并提出火災(zāi)煙氣的控制方法，為汽車提升豎井排煙系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 計算模型及參數(shù)設(shè)置

在火災(zāi)研究領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的是基于場模擬的火災(zāi)動力學(xué)模擬(Fire Dynamics Simulator, FDS)軟件，該軟件采用大渦模擬技術(shù)，計算結(jié)果準(zhǔn)確性已經(jīng)得到大量試驗及工程案例的驗證[16-17]，本文也采用該軟件進(jìn)行計算分析。

1.1 工程背景

以某汽車入戶住宅為工程背景進(jìn)行分析研究，該工程建筑總高度為218m，共計56層，每層一戶，每戶配置一間汽車停車庫，停車庫尺寸為7.0m×6.5m，各層停車庫通過汽車提升豎井連通，提升豎井尺寸為7.4m×6.5m，汽車庫與提升豎井之間采用防火卷簾分隔，建立的數(shù)值計算模型平面，如圖1。

圖1 計算模型平面示意圖

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

FDS模擬計算中的網(wǎng)格精度對計算結(jié)果影響較大，網(wǎng)格精度越高，計算結(jié)果就越準(zhǔn)確，但計算的時間成指數(shù)增長，相關(guān)研究結(jié)果表明，火災(zāi)模擬計算時網(wǎng)格尺寸取為0.1D*是合理的[16]，既可保證計算精度，又可縮短計算時間，其計算公式如下：

(1)

式中：

D*—火源的特征直徑，m；

Q—火災(zāi)熱釋放速率，kW；

ρ∞—環(huán)境空氣密度，kg/m3；

cp—環(huán)境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；

T∞—環(huán)境空氣溫度，K；

g—重力加速度，m/s2。

相關(guān)研究結(jié)果表明，汽車試驗的火災(zāi)熱釋放速率變化較大，平均熱釋放速率約3.3MW[18]，本文研究時考慮一定的安全系數(shù)，取值5.0MW，根據(jù)公式(1)計算得到的D*為1.8，本文主要研究煙氣豎向蔓延，提高豎向精度，確定數(shù)值模擬計算的網(wǎng)格尺寸為0.15m×0.15m×0.15m。

1.3 計算參數(shù)設(shè)置

(1)火源設(shè)置。設(shè)定火源位于提升豎井底中部，單位面積熱釋放速率為1 000kW/m2，火源面積5m2，火災(zāi)增長方式為t2快速火，火災(zāi)熱釋放速率在326.5s時刻達(dá)到最大并保持穩(wěn)定，模擬時間900s。

(2)測點布置。在距離火源正上方1.8m高度處設(shè)置第一個煙粒子濃度、溫度(初始環(huán)境溫度為24℃)、流速測點，然后在豎向每隔3.6m分別設(shè)置一個煙粒子濃度、溫度(初始環(huán)境溫度為24℃)、流速測點，每種參數(shù)共61個測點，總計設(shè)置183測點，如圖2。

圖2 計算模型及測點設(shè)置

(3)排煙量計算。汽車提升豎井采用機(jī)械排煙系統(tǒng)，根據(jù)排煙口布置形式，有頂部集中式排煙和側(cè)壁分段式排煙2種模式，排煙量按換氣次數(shù)6次/h計算確定，側(cè)壁分段式各段的排煙量，見表1。

表1 側(cè)壁分段式各段排煙量

頂部集中式排煙的總排煙量為各分段計算的排煙量之和，即62 786m3/h。

(4)工況設(shè)計。為分析汽車提升豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及不同控制模式下的排煙效果，設(shè)定3個不同工況進(jìn)行計算分析，見表2。

表2 工況設(shè)計

2 汽車提升豎井煙氣自由填充過程

汽車提升井底部發(fā)生火災(zāi)時的煙氣自由填充過程，如圖3。從圖3可以看出，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣在熱浮升力的作用下快速上升，火災(zāi)煙氣到達(dá)第一個避難層(36.1m)、第2個避難層(84.9m)、第3個避難層(131.7m)、第4個避難層(178.5m)的時間分別為105、275、435、680s，由于火災(zāi)煙氣上升過程中不斷與周圍冷空氣混合，上升過程中溫度不斷降低，最終失去上升的動力，火災(zāi)煙氣最大上升高度約200m，未上升至提升豎井頂部(約218m)。

圖3 提升井內(nèi)煙氣自由填充過程

火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定階段，汽車提升豎井內(nèi)豎向煙粒子濃度、溫度及流速變化規(guī)律，如圖4。從圖4可以看出，隨著高度增加，豎向煙粒子濃度、溫度和流速逐漸減小，這是因為火災(zāi)煙氣在上升過程中不斷與周圍冷空氣混合發(fā)生熱交換，同時與提升豎井井壁發(fā)生熱量傳遞，使得火災(zāi)煙氣溫度與提升豎井內(nèi)環(huán)境溫度差不斷減小，浮升力減小，流速降低，當(dāng)煙氣層溫度與周圍空氣溫差小于15℃時，煙氣將基本失去浮力，會在空中開始滯留或沉降[18]。豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣層溫度在113、120、142、200m處與環(huán)境溫度差分別為15、10、5、0℃，對應(yīng)流速分別為0.9、0.8、0.6、0.0m/s，煙氣在200m高度位置完全失去浮力。因此，當(dāng)汽車提升豎井底部發(fā)生火災(zāi)或火災(zāi)煙氣蔓延至豎井時，火災(zāi)煙氣僅在浮力作用下不能上升至提升豎井頂部，需要依靠機(jī)械排煙系統(tǒng)排出提升井內(nèi)的煙氣。

圖4 汽車提升豎井內(nèi)豎向關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律

由圖4可以看出，汽車提升豎井內(nèi)煙粒子濃度、溫度及流速自下而上呈指數(shù)衰減，經(jīng)擬合的指數(shù)函數(shù)分別為：

(1)煙粒子濃度：

s=-298.9+869.6e-(h-1.6)/1.5+536.7e-(h-1.6)/151.1+541.0e-(h-1.6)/151.1，1.8≤h≤218

(2)

R2=0.995

(2)溫度：

T=21.5+689.9e-h/1.9+26.9e-h/11.3+177.0e-h/46.6，1.8≤h≤218

(3)

R2=0.999

(3)流速：

v=0.2+4.5e-(h+5.4)/58.2，1.8≤h≤218

(4)

R2=0.974

式中：

s—煙粒子濃度，mol/mol；

T—溫度，℃；

v—流速，m/s；

h—高度，m；

R2—擬合公式的相關(guān)系數(shù)，數(shù)值越接近于1，說明擬合效果越好。

3 不同控制模式下汽車提升豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延分析

3.1 豎向蔓延時間

不同工況下提升井內(nèi)火災(zāi)煙氣上升高度及時間，見表3。從表3可以看出，火災(zāi)煙氣到達(dá)第一個避難層的時間相同，這是因為火災(zāi)初期機(jī)械排煙系統(tǒng)未啟動，煙氣在浮升力作用下自由上升。隨著火災(zāi)繼續(xù)發(fā)展，排煙系統(tǒng)由火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動啟動，到達(dá)第二、三、四避難層及頂部的時間關(guān)系為：頂部排煙<分段排煙<自由填充，這是因為頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)啟動時，火災(zāi)煙氣在排煙系統(tǒng)抽吸作用下快速上升；在分段排煙系統(tǒng)作用下，火災(zāi)煙氣在到達(dá)各避難層時才會由火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動開啟，并由該位置的排煙口排出部分煙氣；煙氣自由填充過程中，火災(zāi)煙氣僅依靠與提升豎井的環(huán)境溫度差產(chǎn)生的浮升力作用上升，上升過程不斷與周圍冷空氣混合導(dǎo)致溫度降低，浮升力減小，最終未能上升至提升井頂部。

表3 不同工況下煙氣豎向蔓延時間

3.2 豎向溫度變化

火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定階段，不同工況下提升井內(nèi)豎向溫度變化規(guī)律，如圖5。從圖5可以看出，在第一個避難層以下(下段)，頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)和分段機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下的溫度基本相同，均略低于自由填充時的溫度。在第一個避難層以上(中上段)，提升井內(nèi)豎向溫度關(guān)系為頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)>分段機(jī)械排煙系統(tǒng)>自由填充，主要原因是：煙氣自由填充過程中，煙氣上升時卷席周圍空氣，溫度不斷降低，浮升力減小，隨著高度增加，煙氣量逐漸減小，溫度逐漸降低；在分段機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下，火災(zāi)煙氣蔓延至所在避難層位置時，對應(yīng)的排煙風(fēng)機(jī)聯(lián)動開啟，煙氣在提升井內(nèi)被排煙系統(tǒng)分區(qū)域逐段排出，因排煙系統(tǒng)抽吸作用使得中上段煙氣量相對于自由填充時較大，溫度較高；在頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下，火災(zāi)高溫?zé)煔獗淮罅砍槲身敳颗懦?，中上段均被煙氣所充滿，使得中上段溫度比分段排煙系統(tǒng)作用下更高。

圖5 不同工況豎向溫度變化規(guī)律

3.3 豎向流速變化

火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定階段，不同工況下提升井內(nèi)豎向流速變化規(guī)律，如圖6。從圖6可以看出，在第二個避難層以下(中下段)，分段機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下的流速略大于頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)作用和自由填充時的流速；在第二個避難層以上(中上段)，3種工況下提升內(nèi)豎向流速關(guān)系為頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)>分段機(jī)械排煙系統(tǒng)>自由填充。煙氣在上升過程中不斷與周圍冷空氣混合，溫度不斷降低，浮升力減小，其勢能逐漸增加，動能逐漸減少，因此豎向流速整體呈下降趨勢。從圖6中還可以看出，2種排煙模式下的流速以110m為分界線，110m以上的區(qū)域頂部排煙的流速大于分段排煙，110m以下的區(qū)域頂部排煙的流速小于分段排煙。這是因為總排煙量和豎井?dāng)嗝婷娣e相同情況下，豎井內(nèi)的流速受排煙口的數(shù)量影響大。僅在頂部設(shè)置一個排煙口時，排煙口的排煙量大，離排煙口越近，排煙風(fēng)機(jī)的作用力越大，轉(zhuǎn)化的動能越大，流速越大，隨著距離的增加，排煙風(fēng)機(jī)的作用力越小，轉(zhuǎn)化的動能越小，流速越小；分段排煙設(shè)置5個排煙口時，每個排煙口的排煙量都小于頂部排煙，且相差較小，每段內(nèi)排煙風(fēng)機(jī)的作用力小于頂部排煙，轉(zhuǎn)化的動能小，流速小，在110m處，頂部作用下排煙風(fēng)機(jī)作用力與該段內(nèi)排煙風(fēng)機(jī)的作用力基本相等，轉(zhuǎn)化的動能相等，流速相同。

圖6 不同工況豎向流速變化規(guī)律

3.4 穩(wěn)定狀態(tài)下排煙效率

為探討不同排煙模式下的煙控效果，對穩(wěn)定狀態(tài)下的排煙效率進(jìn)行計算分析，將排煙效率定義為排煙系統(tǒng)排出的煙氣質(zhì)量流率與火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量流率的比值。由于難以提取出各個排煙口排出的煙氣質(zhì)量流率，因此，在實際應(yīng)用中，常常利用火源典型燃燒產(chǎn)物CO2的排出量和生成量表征火源煙氣排出量和生成量。排煙效率可以用下式計算：

(2)

式中：

η—排煙系統(tǒng)的排煙效率；

在FDS計算中，引入?yún)?shù)“MASS FLUX”，SPEC-ID=“carbon dioxide”，可測量得排煙口處的CO2質(zhì)量流量，由此可計算得到不同工況下的排煙效率，見表4。

表4 不同工況排煙效率

由表4可以看出，側(cè)壁分段排煙的排煙效率略高于頂部集中排煙，且火災(zāi)煙氣大部分由下段排煙口排出，可減小火災(zāi)煙氣的影響范圍，排煙模式優(yōu)于頂部集中排煙。

4 結(jié)論

(1)由于汽車提升豎井平面尺寸大，空間高度高，火災(zāi)煙氣上升過程中與周圍環(huán)境不斷發(fā)生熱交換使得火災(zāi)煙氣層溫度逐漸降低，火災(zāi)煙氣在浮升力作用下不能上升至提升豎井頂部，需要通過機(jī)械排煙方式排出豎井內(nèi)的煙氣。

(2)在頂部集中式機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下，火災(zāi)煙氣可以上升至提升豎井頂部，到達(dá)頂部的流速約為1.0m/s，排煙效率為93.5%，火災(zāi)煙氣可以通過頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)排出室外。

(3)在分段式機(jī)械排煙系統(tǒng)作用下，排煙效率為95.8%，且火災(zāi)煙氣大部分由中下段排煙系統(tǒng)排出(占總排煙量92.9%)，蔓延至提升豎井頂部的煙氣量少，分段式排煙能夠減小火災(zāi)煙氣的影響范圍，優(yōu)于頂部集中式排煙。