王培平 尚文權(quán) 張錦 周小丁 廣龍

(東莞新能德科技有限公司 廣東東莞 523443)

0 引言

現(xiàn)代大空間高層建筑通常是多群體多功能的綜合體，具有可燃物質(zhì)多、火災(zāi)時(shí)產(chǎn)煙量大等特點(diǎn)[1-3]，因此其在設(shè)計(jì)時(shí)特別注重暖通照明規(guī)范和消防設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一方面要滿足建筑消防工程竣工驗(yàn)收，確保必要的消防設(shè)施依法配置和應(yīng)急滅火救援，另一方面結(jié)合自然通風(fēng)、空調(diào)新風(fēng)和應(yīng)急強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)來(lái)匹配新風(fēng)換氣量，以滿足職業(yè)健康的要求。通常大空間高層建筑結(jié)構(gòu)還具有儲(chǔ)煙屬性，在火情早期可延長(zhǎng)人員安全疏散時(shí)間，但同時(shí)大空間場(chǎng)所扁長(zhǎng)，且人群分布點(diǎn)多，儲(chǔ)煙后自然排煙的效果差，人員必要的安全疏散時(shí)間較一般場(chǎng)所要長(zhǎng)，若煙氣不能及時(shí)排出建筑物，反而會(huì)造成火災(zāi)的快速蔓延[4-5]。大量煙氣的聚集不僅嚴(yán)重威脅建筑物內(nèi)部人員的安全疏散，而且導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，無(wú)法有效開(kāi)展滅火救援行動(dòng)，因此即便在建筑設(shè)計(jì)階段考慮了雙向樓梯和逃生層作為安全疏散通道，以便于人員的緊急逃生，但實(shí)際生產(chǎn)生活中，僅依靠建筑既有的消防滅火、應(yīng)急排煙設(shè)施和安全通道，并不能保證所有人員能及時(shí)有效逃生，反而經(jīng)常會(huì)因建筑排煙困難造成滅火救援耗時(shí)長(zhǎng)，甚至人員窒息死亡[6-8]。

大量建筑火災(zāi)事故案例表明，即使火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)起到了一定的先期滅火防煙作用，但對(duì)于大空間場(chǎng)所火災(zāi)而言，火警后期的滅火不盡、排煙不及時(shí)、散煙效率低，進(jìn)而導(dǎo)致外部滅火救援力量無(wú)法準(zhǔn)確滅火施救，是人員煙氣中毒、窒息傷亡的主要原因[9-12]。因此強(qiáng)化大空間高層建筑火警情況下的排煙能力，額外增加風(fēng)道形成的逃生通道，是減少火災(zāi)時(shí)人員傷亡的一個(gè)有效途徑[13-16]。為此，本文以移動(dòng)式大功率鼓風(fēng)排煙機(jī)和消防排煙機(jī)作為火災(zāi)應(yīng)急輔助排煙手段，通過(guò)組合模擬測(cè)試，分析輔助排煙條件下所形成的安全疏散通道大小，以及火災(zāi)先期的排煙效率，為優(yōu)化配置輔助排煙機(jī)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，以期更及時(shí)有效地開(kāi)展消防應(yīng)急救援。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別購(gòu)置2臺(tái)正壓鼓風(fēng)機(jī)和2臺(tái)消防負(fù)壓排煙機(jī)，額定風(fēng)量分別為50 000 m3/h和5 000 m3/h，以1.0 m/s作為最低捕獲風(fēng)速，模擬室外大空間場(chǎng)所、室內(nèi)大空間建筑廠房和室內(nèi)大空間倉(cāng)儲(chǔ)3種不同場(chǎng)景下的最大風(fēng)速作用距離，分析風(fēng)道對(duì)排煙效果的影響。室外大空間場(chǎng)所一般指一定范圍內(nèi)無(wú)遮擋條件的環(huán)境空間，如開(kāi)放式展廳、大型歌舞臺(tái)和大型公共娛樂(lè)場(chǎng)所。室內(nèi)大空間建筑是具有固定面積的有限空間，根據(jù)其通風(fēng)情況又分為有風(fēng)道和無(wú)風(fēng)道場(chǎng)所，所謂風(fēng)道[17]，即是指在外部輔助抽風(fēng)或排風(fēng)情況下，可形成的若干近似非紊流風(fēng)力場(chǎng)，如高架倉(cāng)儲(chǔ)。無(wú)風(fēng)道室內(nèi)大空間場(chǎng)所可以是地下停車場(chǎng)、大型辦公場(chǎng)所、電影院、會(huì)議室和生產(chǎn)車間，而有風(fēng)道室內(nèi)大空間場(chǎng)所一般有地下超市、地鐵、高架倉(cāng)庫(kù)、物流倉(cāng)儲(chǔ)等。

此外，針對(duì)某特定大空間高架倉(cāng)儲(chǔ)，模擬約6 000 m3的儲(chǔ)煙環(huán)境，通過(guò)不同排煙組合方式確定風(fēng)道所形成的安全疏散通道大小，對(duì)比分析不同輔助排煙條件下的火災(zāi)先期排煙效率。

2 大空間場(chǎng)所模擬輔助排煙時(shí)的安全疏散通道

2.1 不同大空間場(chǎng)景下的最大風(fēng)速作用距離

借助移動(dòng)大功率鼓風(fēng)機(jī)和移動(dòng)式消防排煙機(jī)，分別對(duì)若干空曠室外大空間、室內(nèi)大空間建筑和室內(nèi)大空間倉(cāng)儲(chǔ)模擬測(cè)試額定功率情況下的風(fēng)速分布，以及最大風(fēng)速作用距離。經(jīng)模擬測(cè)試，移動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)額定功率下的最近端風(fēng)速最大為22 m/s，消防排煙機(jī)額定功率下的伸縮風(fēng)管最近端風(fēng)速最大為18 m/s，隨著距離的增加，風(fēng)速逐漸衰減，如表1所示。

表1 不同大空間場(chǎng)景下的最大風(fēng)速作用距離 m

經(jīng)實(shí)測(cè)顯示，以上3種不同場(chǎng)景下的最大風(fēng)速作用距離略有差異。在最低捕獲風(fēng)速1.0 m/s時(shí)，總體上移動(dòng)式消防排煙風(fēng)機(jī)輔助抽風(fēng)時(shí)相對(duì)移動(dòng)大功率鼓風(fēng)機(jī)輔助鼓風(fēng)時(shí)的最大風(fēng)速作用距離稍小，室內(nèi)大空間倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所在二者作用下的最大風(fēng)速作用距離最大，其中采用移動(dòng)式大功率鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)時(shí)最大風(fēng)速作用距離約29.8 m，采用移動(dòng)消防排煙機(jī)抽風(fēng)時(shí)的最大風(fēng)速作用距離為17.5 m。結(jié)果表明，最大風(fēng)速作用距離不僅與風(fēng)機(jī)本身的功率、摩阻有關(guān)，還與其存在的場(chǎng)景有關(guān)，有明顯風(fēng)道的場(chǎng)景風(fēng)速作用距離最大。

2.2 不同組合輔助排煙方式的風(fēng)道大小

采用不同組合輔助排煙方式，人為釋放約6 000 m3儲(chǔ)煙量，對(duì)某大型聚合物鋰離子電池成品倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了風(fēng)道模擬測(cè)試，如圖1所示。該成品倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)度約為100 m，寬度約為60 m，成品按照預(yù)先劃定的區(qū)域堆放，堆放高度約1.6 m。成品倉(cāng)庫(kù)大致由延長(zhǎng)度方向的過(guò)道分為兩側(cè)擺放，中間過(guò)道寬度為1.8 m，倉(cāng)庫(kù)建筑層高約4.5 m。模擬測(cè)試中選用任一排煙方式來(lái)測(cè)試風(fēng)速場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)沿倉(cāng)庫(kù)中間過(guò)道和臨近的高架中間過(guò)道都形成了未封閉的風(fēng)道。

圖1 某成品倉(cāng)庫(kù)不同組合排煙方式的風(fēng)道模擬

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，僅僅使用墻壁事故排煙機(jī)，其最大作用距離只有6.5 m左右，而增加輔助排煙后所形成的風(fēng)道有所增加，如表2所示。如使用移動(dòng)式消防排煙風(fēng)機(jī)排煙時(shí)，形成的風(fēng)道約20 m；使用移動(dòng)式鼓風(fēng)排煙機(jī)排煙時(shí)，形成的風(fēng)道約38 m；使用以上3種組合方式排煙時(shí)，橫向風(fēng)道約為64 m。由此可見(jiàn)，風(fēng)道大小與輔助排煙的組合方式以及數(shù)量有關(guān)。另外，作者也特別模擬了非線性組合排煙的場(chǎng)景，其所形成的風(fēng)道長(zhǎng)度介于對(duì)應(yīng)的單一排煙方式之間，說(shuō)明風(fēng)道大小也與組合排煙風(fēng)機(jī)的位置有關(guān)。

表2 某成品倉(cāng)庫(kù)不同組合排煙方式的風(fēng)道長(zhǎng)度

2.3 不同組合輔助排煙方式的安全疏散通道面積

傳統(tǒng)的安全疏散通道一般是指建筑內(nèi)的疏散走道、樓梯、電梯以及逃生層，但是往往在火災(zāi)時(shí)先期濃煙難以在短時(shí)間內(nèi)消散，一方面是視線被遮擋，另一方面是煙氣會(huì)造成人員呼吸困難甚至中毒，人員并不能及時(shí)通過(guò)這些安全通道快速逃生，因此需要在開(kāi)窗通風(fēng)、事故排煙的基礎(chǔ)上輔以強(qiáng)化排煙措施來(lái)快速排煙，在建筑內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)形成若干風(fēng)道，即輔助安全疏散通道，以便于人員迅速疏散逃生[18-20]。通過(guò)以上模擬測(cè)試，煙氣的風(fēng)速場(chǎng)可近似于風(fēng)道徑向風(fēng)速組成的弧形區(qū)域(淺色區(qū))，那么，輔助安全疏散通道則可視為煙氣風(fēng)速場(chǎng)之外的區(qū)域(深色區(qū))，如圖2所示。

圖2 輔助安全疏散通道面積示意

假設(shè)排煙時(shí)間為t時(shí)的風(fēng)道橫向距離可近似為弧形橢圓區(qū)域的長(zhǎng)軸長(zhǎng)，記為H。當(dāng)t=0時(shí)，排煙風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)并未形成風(fēng)速場(chǎng)，H為0，隨著排煙時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)儲(chǔ)煙場(chǎng)所的煙氣向出風(fēng)口流動(dòng)并在某個(gè)時(shí)間t0時(shí)，橢圓會(huì)與場(chǎng)所界面相切，此時(shí)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)最大，等于冒煙場(chǎng)所內(nèi)部或者外部走廊的寬度H0，此t0可認(rèn)為是煙氣先期消散時(shí)間；隨后煙氣開(kāi)始迅速消散，H隨著衰減。

當(dāng)t

圖3 煙氣風(fēng)速場(chǎng)半橢圓面積與排煙時(shí)間的關(guān)系

當(dāng)t=t0時(shí)，先期消散時(shí)間此時(shí)的輔助安全疏散通道面積的大小等于冒煙場(chǎng)所(矩形)的面積減去煙氣風(fēng)速場(chǎng)(半橢圓)面積，因此最大半橢圓的面積和此時(shí)的輔助安全疏散通道面積分別為

(1)

(2)

由于給定的輔助排煙機(jī)的風(fēng)速一定，而排煙量不同，因此煙氣風(fēng)速場(chǎng)從無(wú)到最大與從最大到快速消失所需的時(shí)間也不同，它們與排煙量成正比。根據(jù)實(shí)際煙氣濃度測(cè)試，半橢圓煙氣風(fēng)速場(chǎng)的煙氣濃度在一段時(shí)間內(nèi)幾乎沒(méi)有變化，直至某個(gè)時(shí)間t1時(shí)，煙氣濃度才開(kāi)始慢慢減小，此時(shí)半橢圓才開(kāi)始變小，直至消失。經(jīng)Fluent數(shù)值模擬，半橢圓面積增長(zhǎng)或消減的大小符合二次函數(shù)關(guān)系，因此輔助安全疏散通道的面積S變化規(guī)律可用圖4來(lái)表示。

圖4 輔助安全疏散通道面積與排煙時(shí)間的關(guān)系

如圖4所示，輔助安全疏散通道的面積S是關(guān)于排煙時(shí)間t的一個(gè)分段函數(shù)，即為

(3)

式中，S為輔助安全疏散通道面積，m2；H為風(fēng)道橫向距離或煙氣風(fēng)速場(chǎng)弧形區(qū)域長(zhǎng)軸長(zhǎng)，m；H0為風(fēng)道最大橫向距離或橢圓最大長(zhǎng)軸長(zhǎng)，m，其取值與排煙機(jī)的位置有關(guān)，一般為冒煙場(chǎng)所內(nèi)或者是外部走廊的寬度；L為風(fēng)道長(zhǎng)度, m；L0為風(fēng)道徑向長(zhǎng)度,一般為冒煙場(chǎng)所內(nèi)或者是外部走廊的長(zhǎng)度，m；t為排煙時(shí)間, min；t0為煙氣先期消散時(shí)間, min。

3 大空間場(chǎng)所模擬輔助排煙時(shí)的先期排煙效率

通常排煙系統(tǒng)的排煙效率定義為:在風(fēng)機(jī)作用下單位時(shí)間內(nèi)所有開(kāi)啟排煙閥的排出煙量之和占煙氣生成量的百分比，也就是所有組合排煙風(fēng)機(jī)排煙效率之和，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(式(4))或體積百分?jǐn)?shù)(式(5))可表示為[21-22]

(4)

(5)

式中,η為排煙系統(tǒng)的排煙效率，%；mei為第i個(gè)排煙風(fēng)機(jī)排出的煙氣質(zhì)量，kg/min；mP為火災(zāi)時(shí)可生成的煙氣總質(zhì)量，kg/min；Vei為第i個(gè)排煙風(fēng)機(jī)排出的煙氣流量，m3/min；VP為火災(zāi)時(shí)可生成的煙氣流量，m3/min。

由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙氣產(chǎn)生是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其產(chǎn)生的位置、速率隨著時(shí)間的變化而變化，且煙氣濃度在不同的時(shí)刻排出的煙氣密度也是不同的，因此煙氣質(zhì)量生成量和煙氣排出量均難以測(cè)定，無(wú)法準(zhǔn)確表征排煙效率[23-25]。對(duì)于火災(zāi)先期排煙效率，本文假定該時(shí)刻形成的煙氣流場(chǎng)在半橢圓邊界上的任一點(diǎn)煙氣濃度呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)分布，采用煙氣量來(lái)表征先期消散時(shí)段內(nèi)的排煙效率，即以輔助安全疏散通道與煙層高度之積作為t0時(shí)刻的煙氣排出總量，以輔助風(fēng)機(jī)排出的煙氣總流量作為t0時(shí)刻產(chǎn)生的煙氣總流量，如下表示：

(6)

式中，η0為煙氣先期排煙效率, %；S為輔助安全疏散通道面積，m2；Hf為煙層高度或煙層厚度，m；t0為煙氣先期消散時(shí)間, min；∑V風(fēng)機(jī)為煙氣先期消散時(shí)間內(nèi)的排煙風(fēng)機(jī)總流量, m3/min。

排煙風(fēng)機(jī)在額定功率下的風(fēng)速只與風(fēng)機(jī)特性有關(guān)，從以上公式可知，先期排煙時(shí)間越短，煙層厚度越大，先期排煙時(shí)間內(nèi)形成的輔助安全疏散通道越大或者風(fēng)道越長(zhǎng)，煙氣的先期排煙效率就越高。由于煙層厚度的大小與火災(zāi)產(chǎn)生源和建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)，人為無(wú)法改變，但如果通過(guò)加大風(fēng)道長(zhǎng)度或縮短形成輔助安全疏散通道的時(shí)間[26-27]，那么就可以提高先期排煙效率。

前文已驗(yàn)證增加輔助排煙風(fēng)機(jī)，可以加大風(fēng)道長(zhǎng)度，且相對(duì)單一或者二重組合方式而言，配以墻壁排煙風(fēng)機(jī)、移動(dòng)式消防排煙機(jī)和移動(dòng)式鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)的多重組合方式，其風(fēng)道是最長(zhǎng)的。此外，依舊針對(duì)某特定大空間高架倉(cāng)儲(chǔ)，模擬約6 000 m3的儲(chǔ)煙環(huán)境，對(duì)不同排煙組合方式的先期消散時(shí)間和排煙效率進(jìn)行了模擬測(cè)算，如表3。其中Hf以層高的一半的計(jì)算依據(jù)，墻壁事故排煙機(jī)的額定風(fēng)速為20 m/s，移動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)額定功率下的最近端風(fēng)速最大為22 m/s，消防排煙機(jī)額定功率下的伸縮風(fēng)管最近端風(fēng)速最大為18 m/s。

表3 某成品倉(cāng)庫(kù)不同組合排煙方式的先期消散時(shí)間、排煙效率

煙氣先期消散時(shí)間是指在輔助排煙的作用下即將形成輔助安全疏散通道時(shí)的排煙時(shí)間，煙氣先期排煙效率并不是某段時(shí)間的排煙效率，而是指能夠剛好形成輔助安全疏散通道時(shí)的排煙效率，經(jīng)模擬測(cè)試，組合方式1即無(wú)輔助排煙時(shí)的先期排煙效率為16.6%，組合方式2和3的先期排煙時(shí)間分別11 min、8 min，相對(duì)無(wú)輔助排煙時(shí)分別縮短了7 min、10 min，先期排煙效率分別為20.0%、34.4%，說(shuō)明增加輔助排煙風(fēng)機(jī)可有效提高排煙效率，且移動(dòng)式鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)的作用更為顯著；采用組合方式4，其先期消散時(shí)間僅需4 min，先期排煙效率達(dá)到67.3%，相對(duì)無(wú)輔助排煙時(shí)排煙效率提高了4倍，說(shuō)明多組合輔助排煙的排煙效果更佳。

4 結(jié)論

通過(guò)模擬不同大空間場(chǎng)所和某特定場(chǎng)景的高架成品倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)場(chǎng)景，借助移動(dòng)式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助排煙，得出以下結(jié)論：

(1)具有明顯風(fēng)道的室內(nèi)大空間場(chǎng)所，排煙風(fēng)速作用距離最大，增加輔助排煙風(fēng)機(jī)后可明顯增加風(fēng)道的長(zhǎng)度，不同組合排煙方式，其風(fēng)道長(zhǎng)度也不同，采用移動(dòng)式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙機(jī)的多組合輔助排煙方式，風(fēng)道長(zhǎng)度最長(zhǎng)，達(dá)到64 m。

(2)當(dāng)煙氣風(fēng)速場(chǎng)與倉(cāng)庫(kù)邊界相切時(shí)，半橢圓風(fēng)速場(chǎng)界任一點(diǎn)的煙氣濃度基本相同，此時(shí)煙氣風(fēng)速場(chǎng)之外的安全區(qū)域形成了安全疏散通道，經(jīng)過(guò)一段持續(xù)排煙時(shí)間后，半橢圓風(fēng)速場(chǎng)逐漸縮小，輔助安全疏散通道面積隨之?dāng)U大，其大小可表征為關(guān)于排煙時(shí)間t的分段函數(shù)，而排煙時(shí)間的長(zhǎng)短與輔助排煙風(fēng)機(jī)的數(shù)量和方位有關(guān)。

(3)針對(duì)某特定高架成品倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)煙6 000 m3的風(fēng)道模擬，推導(dǎo)出先期排煙效率公式，排煙效率與輔助疏散安全通道面積成正比，與先期消散時(shí)間t0成反比。對(duì)于特定場(chǎng)所而言，初期形成的輔助安全疏散通道面積是一定的，因此通過(guò)增加輔助排煙風(fēng)機(jī)來(lái)縮短先期煙氣消散時(shí)間，可以提高火災(zāi)先期排煙效率。

(4)通過(guò)模擬測(cè)試，同時(shí)使用墻壁事故風(fēng)機(jī)、移動(dòng)式消防排煙機(jī)和鼓風(fēng)排煙進(jìn)行排煙，先期煙氣消散時(shí)間可以縮短至4 min，先期排煙效率達(dá)到67.3%，相對(duì)無(wú)輔助排煙時(shí)排煙效率提高了4倍。