李俊梅， 涂登凱， 李炎鋒， 謝 飛， 董啟偉， 畢 強(qiáng)

(1.綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

近年來，全國范圍內(nèi)的公路隧道建設(shè)的數(shù)量越來越多里程越來越長[1]. 由于隧道內(nèi)部的空間狹長且相對封閉、通風(fēng)照明條件差、人員疏散路徑長，因此，隧道發(fā)生火災(zāi)時產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈽O易威脅隧道內(nèi)的人員和隧道結(jié)構(gòu)安全. 因此，火災(zāi)時如何快速有效地排出和控制煙氣是隧道安全運(yùn)營的關(guān)鍵.

重點排煙是隧道發(fā)生火災(zāi)時打開火源上方附近的排煙口，利用獨立排煙道將煙氣集中排出，是一種有效控制火災(zāi)煙氣的方法. 采用重點排煙時，排煙量、排煙口布置是影響煙氣控制效果的重要因素[2].

1 規(guī)范中關(guān)于隧道重點排煙的相關(guān)規(guī)定

重點排煙系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一是排煙量的確定. 關(guān)于重點排煙的排煙量，我國的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)[3]、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016—2014)[4]、《道路隧道設(shè)計規(guī)范》(DG/TJ08-2033—2017)[5]、《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ221—2015)[6]、湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道消防設(shè)計規(guī)范》(DB 43/729—2012)[7]及文獻(xiàn)[8]等都給出排煙量的推薦值，如表1所示.

表1 規(guī)范推薦的隧道重點排煙排煙量

從表1可以看出，關(guān)于產(chǎn)煙量，各規(guī)范推薦值差異較大，湖南地標(biāo)《公路隧道消防技術(shù)規(guī)范》中給出的排煙量遠(yuǎn)大于其他規(guī)范給出的推薦值.

重點排煙設(shè)計的另一個關(guān)鍵是排煙口的設(shè)計與布置. 關(guān)于排煙口的布置，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》中規(guī)定排煙口縱向間距不宜小于60 m，而《道路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定排煙口的間距不宜大于60 m；湖南省的地標(biāo)《公路隧道消防設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定排煙口的間距不應(yīng)大于30 m. 上述各規(guī)范中關(guān)于排煙口布置的規(guī)定，不但大不相同，而且還出現(xiàn)相互矛盾的條款. 以上這些都使得設(shè)計人員在設(shè)計隧道重點排煙時無所適從.

關(guān)于重點排煙的排煙量和排煙口參數(shù)的設(shè)定，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究. 張甫仁等[9]對集中排煙參數(shù)對側(cè)向集中排煙系統(tǒng)排煙效果的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)排煙效率和排煙效能隨著排煙風(fēng)量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢. 姜學(xué)鵬等[10]研究不同排煙量對隧道火災(zāi)煙氣控制效果的影響，對比分析排煙風(fēng)速、排煙溫度、排煙效率、2 m處能見度及煙氣蔓延范圍，表明排煙量對排煙效率的影響很大，50 MW火源功率時最佳排煙量為190 m3/s. 劉琪等[11]分析在20 MW火源功率下，從排煙效率和排熱效能2個指標(biāo)得出20 MW火源功率的最佳排煙量為170 m3/s.

Spratt等[12]針對排煙時排煙口常見的干擾問題運(yùn)用大尺寸試驗和模型試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，得出研究排煙口間距的必要性. Yi等[13]對重點排煙系統(tǒng)的排熱系數(shù)進(jìn)行試驗研究，研究表明較小的排煙口有利于提高排熱效率，排熱效率隨著排煙口總面積以及與火源距離的增加而增加. Xu等[14]采用模型試驗研究不同排煙方式的排熱效率和排煙效率，結(jié)果表明排熱效率隨著排煙口開啟數(shù)量的減少而增加，隨著排煙口面積的增加而降低. Yuan等[15]采用數(shù)值模擬的方法對6種不同排煙口設(shè)置的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬，指出排煙口面積對排煙效果的影響較小，排煙口的間距及數(shù)量對重點排煙的煙氣控制影響較大. Lin等[16]采用計算機(jī)建模和數(shù)值模擬方法進(jìn)行單點排煙與多點排煙的排煙性能研究，研究發(fā)現(xiàn)單點排煙方式比多點排煙方式更有效. 由上述研究結(jié)果可以看出，不同學(xué)者基于不同的研究場景，所得出的結(jié)論也不盡相同.

近年來，重點排煙在我國新建的特長隧道、城市隧道中應(yīng)用越來越多[17-18]，但是不同隧道規(guī)范中關(guān)于設(shè)計產(chǎn)煙量以及排煙口設(shè)置參數(shù)方面存在的差異，給設(shè)計人員在設(shè)計過程中帶來較大的困惑. 針對重點排煙，排煙量如何確定、排煙口如何設(shè)計才能達(dá)到有效控制煙氣的效果，排煙口布置與煙氣控制范圍之間如何關(guān)聯(lián)都需進(jìn)行進(jìn)一步的研究. 基于此，針對重點排煙系統(tǒng)，本文將采用數(shù)值模擬的方法，對產(chǎn)煙量如何確定、排煙口布置和煙氣控制效果之間的關(guān)系，進(jìn)行深入地研究和探討.

2 隧道模型建立

本研究將采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Science and Technology， NIST)開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬專用軟件(fire dynamics simulator, FDS)對隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特性進(jìn)行研究. FDS能夠很好地模擬火災(zāi)中的燃燒及空氣流動，其模擬火災(zāi)的可靠性和精確性已經(jīng)過大量試驗和工程實踐的驗證[19].

2.1 隧道模型的建立

2.1.1 模型尺寸

本研究以典型的城市隧道結(jié)構(gòu)為研究對象，2車道隧道寬度為9 m、3車道隧道寬13 m、4車道隧道寬17 m，行車道凈高6.5 m. 為減少邊界條件對隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣特性影響，且考慮計算機(jī)資源的限制，模擬隧道長度設(shè)定為800 m. 火源位于隧道中部，火源尺寸為5 m×3 m(長×寬)，火源距地面高度為1 m. 集中排煙時，行車道上方由頂隔板隔成排煙道，凈高2.0 m，隔板厚度為0.2 m，隧道斷面示意圖如圖1所示. 排煙時，排煙口沿著隧道頂中心線縱向分布.

圖1 模擬隧道示意圖 (單位：m)Fig.1 Sketch of the tunnel (unit: m)

2.1.2 網(wǎng)格劃分

在FDS模擬中，采用的是大渦模擬，一般來說網(wǎng)格劃分越精細(xì)，結(jié)果精確度越高，但是對于計算機(jī)硬件和計算時間要求越高. 當(dāng)火源特征直徑D*與計算網(wǎng)格尺寸δx的比值范圍在4～16時[20]，模擬計算結(jié)果比較好. 其中D*為

(1)

式中：Q為火源功率，kW；ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp定壓比熱，J/(kg·K)；Ta為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2.

根據(jù)式(1)計算得到模擬火源中的最小火源功率Q=5 MW的網(wǎng)格尺寸δx=0.12～0.50 m. 圖2為5 MW火源功率下，不同網(wǎng)格尺寸的頂棚溫度分布對比，δx=0.50 m與δx=0.25 m的結(jié)果幾乎重合，δx=0.50 m時已達(dá)到網(wǎng)格獨立. 本文采用火源上下游100 m的網(wǎng)格尺寸為0.25 m，其余區(qū)域采用網(wǎng)格尺寸為0.50 m，以此平衡計算精度和計算時間.

圖2 頂棚溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the ceiling

2.1.3 研究工況設(shè)定

本研究將對不同火災(zāi)規(guī)模及隧道結(jié)構(gòu)對火災(zāi)產(chǎn)煙量的影響進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上探討重點排煙時，排煙口的布置對排煙效果的影響. 研究分為煙氣自由擴(kuò)散工況探討煙氣產(chǎn)生量和排煙工況研究排煙口參數(shù)優(yōu)化布置2種場景.

2.2 隧道火災(zāi)產(chǎn)煙量研究

2.2.1 研究工況設(shè)定

自由擴(kuò)散工況為5種火源功率和3種車道數(shù)的組合，具體設(shè)定如表2所示.

表2 自由擴(kuò)散工況

2.2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)NFPA 92[21]，火災(zāi)中需要排出的煙氣，不僅是燃料燃燒的產(chǎn)物，還包括大量卷吸進(jìn)來的空氣. 因此火災(zāi)中的產(chǎn)煙量不僅與火源功率Q有關(guān)，還和火源的結(jié)構(gòu)特性及煙氣的蔓延距離有關(guān). 基于此定義，不同火源功率、不同車道寬度的煙氣的體積流量隨離火源距離的變化如圖3所示，圖中給出的煙氣流量為距離火源單側(cè)的煙氣量，斷面煙氣流量會隨著時間先增大然后再趨于穩(wěn)定，圖3的斷面流量結(jié)果均選擇所有斷面的煙氣流量穩(wěn)定后的結(jié)果，大約為300 s后. 從圖3(a)(b)(c)中可以看出，火源功率對不同斷面煙氣的體積流量影響較大，在火源附近，煙氣溫度較高，且流動速度較快，隨著流動過程中不斷地卷吸下部冷空氣，煙氣質(zhì)量流量隨著距離火源距離的增加而增加，但是由于煙氣密度隨著溫度的降低而增大，因此煙氣的體積流量的增加不顯著；隨著煙氣卷吸冷空氣以及與墻壁和空氣散熱，煙氣溫度降低、卷吸量減少，煙氣體積流量隨著距火源距離的增加逐漸降低. 由于溫度降低，煙氣缺乏前行動力，煙氣逐漸沉降并充滿整個隧道斷面. 當(dāng)隧道寬度不同時，由于火源產(chǎn)生的熱煙氣會卷吸更多的空氣，因此，斷面的煙氣的體積流量隨著隧道寬度的增加而增加，見圖3(d).

圖3 隧道斷面煙氣體積流量的縱向分布Fig.3 Longitudinal distribution of volumetric smoke flow

表3給出不同隧道寬度、不同火源功率時，最大斷面煙氣體積流量的模擬結(jié)果. 從結(jié)果來看，與現(xiàn)有規(guī)范中推薦的排煙量相比，除《公路隧道消防設(shè)計規(guī)范》外，不同火源功率作用下的模擬最大產(chǎn)煙量要遠(yuǎn)大于規(guī)范中排煙量的推薦值. 基于最大產(chǎn)煙量進(jìn)行排煙的煙氣控制效果如何，將在排煙工況中進(jìn)行分析.

表3 不同隧道寬度、不同火源功率的最大煙氣流量

2.3 排煙量及排煙口的布置對排煙效果影響研究

本研究首先對現(xiàn)有規(guī)范中推薦的排煙量及排煙口設(shè)置參數(shù)進(jìn)行評估，而后在上述產(chǎn)煙量研究的基礎(chǔ)上，對排煙口的設(shè)置和煙氣控制范圍的相關(guān)性進(jìn)行研究.

2.3.1 依規(guī)范推薦值設(shè)定的排煙系統(tǒng)的排煙效果研究

依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》，以3車道，火源功率分別為20、50 MW為例，排煙口火源兩側(cè)各3個，間距為60 m，單個排煙口面積為8 m2.Q=20 MW時，排煙量為60 m3/s；Q=50 MW時，排煙量為100 m3/s.

圖4給出基于規(guī)范設(shè)定的排煙系統(tǒng)開啟后，煙氣的擴(kuò)散情況，可以看出，依照推薦值設(shè)定的排煙系統(tǒng)，其煙氣擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的300 m的控制要求. 若以將煙氣控制在一定范圍內(nèi)為設(shè)計目標(biāo)，依靠規(guī)范的推薦，產(chǎn)煙量可能很難達(dá)到該目標(biāo)，實際的排煙量需大于規(guī)范中的推薦值.

圖4 依規(guī)范設(shè)計的排煙系統(tǒng)開啟后煙氣的擴(kuò)散Fig.4 Smoke diffusion diagram under different conditions

2.3.2 依模擬產(chǎn)煙量設(shè)定的排煙系統(tǒng)的排煙效果分析

根據(jù)2.2節(jié)中產(chǎn)煙量的研究結(jié)果，以3車道、Q=50 MW為例，煙氣最大體積流量在距離火源120 m處. 若將排煙口設(shè)置在火源附近240 m范圍內(nèi)，排煙口設(shè)置6個，排煙口間距48 m,設(shè)計排煙量190 m3/s(稍大于最大煙氣流量). 模擬結(jié)果顯示，依據(jù)模擬得到的產(chǎn)煙量排煙，并將排煙口布置在產(chǎn)生最大體積流量的斷面范圍內(nèi)，煙氣的蔓延范圍為392 m，無法將煙氣控制在240 m以內(nèi)，也無法滿足將煙氣控制在300 m范圍的要求. 煙氣的控制范圍不但與排煙量有關(guān)，而且與排煙口的布置也密切相關(guān).

2.3.3 排煙量及排煙口布置的優(yōu)化設(shè)計研究

前人對重點排煙中排煙口設(shè)定參數(shù)研究主要重點在排煙口間距、排煙口開啟個數(shù)和排煙口大小對排煙效果的影響研究，缺少排煙口開啟范圍的研究. 本研究將基于將煙氣控制在一定范圍的排煙系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，對排煙量及排煙口開啟范圍和排煙口的布置之間的關(guān)系進(jìn)行研究探討. 以3車道、50 MW火源功率為研究對象，工況設(shè)定見表4，其中工況1～5均設(shè)置4種排煙口開啟范圍. 排煙口在火源附近頂棚對稱布置，如圖1所示,其中不同排煙口開啟個數(shù)的排煙口尺寸見表5.

表4 重點排煙工況

表5 排煙口尺寸

排煙口總面積不變時，同一排煙量200 m3/s時，不同排煙口布置范圍和排煙口布置個數(shù)，煙氣的控制距離如圖6所示，可以看出，在排煙口開啟覆蓋范圍不變時，開啟6個或開啟8個排煙口對煙氣的控制效果比開啟4個排煙口方案好，但開啟6個和開啟8個排煙口的排煙效果幾乎相同. 開啟6個以上排煙口時，煙氣的擴(kuò)散距離L與排煙口的開啟范圍x呈正線性相關(guān)，對模擬結(jié)果進(jìn)行擬合，得

L=0.58x+253.2

(2)

擬合的相關(guān)系數(shù)在99%以上. 為進(jìn)一步驗證上述結(jié)果，補(bǔ)充排煙口開啟范圍為80、200 m的排煙工況，得到的檢驗點如圖5所示，與式(2)得到的預(yù)測值誤差分別為1.3%和0.7%，均非常靠近此線性擬合直線.

圖5 不同排煙口開啟范圍和開啟個數(shù)的 煙氣擴(kuò)散距離Fig.5 Smoke spreading distance with different opening range and number of smoke dampers

改變排煙量的大小，分別設(shè)排煙量為220、240 m3/s，得到煙氣蔓延距離與排煙口開啟范圍關(guān)系如圖6所示. 結(jié)果表明當(dāng)排煙口其他參數(shù)不變時，排煙口開啟范圍越小，煙氣的擴(kuò)散距離越短，這是因為排煙口開啟范圍越小，相同排煙量下，在此范圍內(nèi)的煙氣能被及時排出隧道，導(dǎo)致煙氣向外擴(kuò)散的動力減小，擴(kuò)散距離也會減小. 針對不同的排煙量，重點排煙的煙氣擴(kuò)散距離與排煙口的開啟范圍同樣存在著線性關(guān)系. 對2種排煙量的模擬結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到的擬合結(jié)果如下.

排煙量220 m3/s：

L=0.588x+217.7

(3)

排煙量240 m3/s：

L=0.643x+176.4

(4)

圖6 不同排煙口開啟范圍的煙氣擴(kuò)散距離Fig.6 Smoke spreading distance of different opening range of the exhaust vent

式(3)擬合的相關(guān)系數(shù)為98.8%，式(4)擬合的相關(guān)系數(shù)為99.1%，可以判斷在重點排煙工況下，煙氣的擴(kuò)散距離與排煙口的開啟范圍存在較強(qiáng)的線性關(guān)系. 線性關(guān)系中的系數(shù)與火源功率、排煙口設(shè)計參數(shù)及排煙量有較大的關(guān)系，本文選擇城市公路隧道最常見的設(shè)計火源功率50 MW進(jìn)行研究，針對其他火源功率的工況將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)行.

當(dāng)排煙口為6個，總排煙口開啟范圍為240 m時，不同排煙量作用下煙氣的控制距離如圖7所示，煙氣的擴(kuò)散距離隨著排煙量的增加而減小，但減小的趨勢會隨著排煙量的增加而降低. 當(dāng)排煙量大于260 m3/s時，增大排煙量對減小煙氣的擴(kuò)散距離的效果非常有限.

圖7 不同排煙量的煙氣擴(kuò)散距離Fig.7 Smoke spreading distance of different smoke exhaust rate

排熱效率也是評價排煙系統(tǒng)的一個指標(biāo)，將經(jīng)過排煙口排出煙氣攜帶的熱量的總和與火源熱釋放量的比值定為排熱效率. 圖8給出系統(tǒng)的排熱效率，結(jié)果表明當(dāng)排煙量較小時，排熱總效率隨著排煙量的增加快速增加，但當(dāng)排煙量大于240 m3/s時，排熱總效率增加的趨勢非常小. 通過對比各排煙量工況下的溫度云圖，如圖9所示，排煙量為260 m3/s時，第3個排煙口卷吸大量煙氣層下方冷空氣，致使該排煙口的排煙排熱效率降低.

圖8 不同排煙量作用下系統(tǒng)的排熱總效率Fig.8 Total heat exhaust efficiency of different smoke exhaust rates

圖9 不同排煙量時隧道內(nèi)的溫度分布Fig.9 Temperature distribution along the tunnel under different smoke exhaust rates

結(jié)合上述結(jié)果，當(dāng)排煙口的開啟范圍和排煙面積確定時，過大的排煙量縮短煙氣的控制范圍和提高排煙效率作用有限，且大排煙量提高了排煙系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用.

對于3車道隧道，當(dāng)設(shè)計火源功率為50 MW，建議重點排煙的排煙量設(shè)定為240 m3/s，排煙口開啟覆蓋范圍在火源200 m范圍內(nèi)，排煙口開啟個數(shù)為6個(排煙口間距為40 m)，可將煙氣有效地控制在300 m范圍內(nèi).

3 結(jié)論

隧道火災(zāi)中，重點排煙系統(tǒng)的排煙量及排煙口布置對煙氣控制效果有較大的影響. 本研究采用數(shù)值模擬的方法，對不同隧道寬度、不同火源功率的產(chǎn)煙量以及不同排煙口參數(shù)設(shè)定對煙氣控制的效果進(jìn)行了研究. 結(jié)論如下：

1) 隧道火災(zāi)中煙氣的生成量與火源功率和隧道寬度以及煙氣的蔓延長度有關(guān). 規(guī)范中推薦的產(chǎn)煙量難以滿足煙氣控制范圍的要求. 以最大產(chǎn)煙量為設(shè)計排煙量，并不能有效地將煙氣控制在產(chǎn)生最大煙氣流量的斷面的范圍內(nèi)，煙氣的控制范圍還與排煙口的布置密切相關(guān).

2) 若以將煙氣控制在一定范圍為控制目標(biāo)，針對某一排煙量，當(dāng)總的排煙面積一定，排煙口開啟范圍相同時，火源兩側(cè)各開啟3個排煙口比開啟2個排煙口的煙氣控制效果好，總開啟6個和開啟8個排煙口的煙氣控制效果幾乎相同. 排煙系統(tǒng)能控制的煙氣的蔓延長度和排煙口的開啟范圍呈線性關(guān)系，可依此關(guān)系進(jìn)行排煙口的布置.

3) 增加排煙量能縮短火源兩側(cè)煙氣的擴(kuò)散距離和提高排熱效率. 但當(dāng)排煙量較大時，增加排煙量對減小煙氣的擴(kuò)散距離和提高總排熱效率的影響有限，應(yīng)從煙控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行綜合分析，確定合理的排煙量.