鐘文杰

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 引言

火災(zāi)是高層建筑中最大的安全隱患[1]，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，防煙樓梯間是內(nèi)部人員的主要疏散通道[2]。為滿足安全疏散需要，多在防煙樓梯間采用機(jī)械加壓送風(fēng)方式來維持正壓，以此來阻止煙氣進(jìn)入[3]。

對(duì)于需要設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的樓梯間地上與地下部分，應(yīng)分別獨(dú)立設(shè)置[4－5]。當(dāng)受到條件限制，且地下部分為汽車庫或設(shè)備用房時(shí)，地上、地下可共用一套機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)[6]，但前提是需要采取有效措施分別滿足地上、地下部分的送風(fēng)量要求[7]。

對(duì)于地上、地下兩部分樓梯間的送風(fēng)量分配問題，若設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際送風(fēng)量與設(shè)計(jì)值有所出入，正壓值不能全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影響防煙效果[8]。因此，本文使用CFD軟件對(duì)不同送風(fēng)口尺寸和立管風(fēng)速對(duì)送風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其變化規(guī)律，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。另針對(duì)送風(fēng)機(jī)的兩種布置方式，分別對(duì)其進(jìn)行模擬并分析各自送風(fēng)量分配特點(diǎn)，以期對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考。

2 建筑概況及計(jì)算

2.1 建筑模型

第一棟建筑，地上七層，高度25.2 m；地下一層為汽車庫，加壓送風(fēng)系統(tǒng)總負(fù)擔(dān)高度為28.8 m。第二棟高層建筑地上23層，高度99.8 m；地下兩層，分別為車庫和設(shè)備用房，埋深9.9 m，地上、地下可以合用一套機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)總負(fù)擔(dān)高度為109.7 m。

2.2 送風(fēng)量計(jì)算

選取式(1)、式(2)為送風(fēng)量基本計(jì)算公式。門開啟時(shí)，達(dá)到規(guī)定風(fēng)速值(維持加壓部位所需正壓值)所需的送風(fēng)量L1，使用門洞風(fēng)速法計(jì)算:

式中:Ak為1層內(nèi)開啟門的截面面積(m2)。第一棟建筑防煙樓梯間疏散門門洞尺寸為2.1×1.6 m，第二棟建筑地上部分防煙樓梯間門洞截面尺寸為2.4×1.5 m，地下部分為2.3 m×1.5 m。v為門洞斷面風(fēng)速，第一棟建筑取1 m/s，第二棟建筑取0.7 m/s。N1為設(shè)計(jì)疏散門開啟的樓層數(shù)量，對(duì)于地上樓梯間:地上部分高度為99.8 m>24 m[9]，設(shè)計(jì)3層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝3；地上樓梯間為24 m以下時(shí)，設(shè)計(jì)2層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝2；對(duì)于地下樓梯間，設(shè)計(jì)1層內(nèi)的疏散門開啟，取N1＝1。

門開啟時(shí)，規(guī)定風(fēng)速值下的其他門漏風(fēng)總量L2使用壓差法[10－11]計(jì)算:

式中:A為每個(gè)疏散門的有效漏風(fēng)面積，疏散門門縫寬度取0.003 m。ΔP為計(jì)算漏風(fēng)量的平均壓力差(Pa)，開啟門洞處風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)，取ΔP＝6.0 Pa；開啟門洞處風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，取ΔP＝12.0 Pa。n為修正指數(shù)(一般取2)。1.25為不嚴(yán)密處附加系數(shù)。N2為漏風(fēng)疏散門數(shù)量，取N2＝加壓樓梯間的總門數(shù)－N1(設(shè)計(jì)疏散門開啟的樓層數(shù))。

門開啟時(shí)，達(dá)到規(guī)定風(fēng)速值所需的送風(fēng)量和其他門漏風(fēng)總量計(jì)算得出之后，樓梯間總的機(jī)械加壓送風(fēng)量Lj由兩項(xiàng)相加可得:

2.3 送風(fēng)口截面尺寸計(jì)算

樓梯間的地上部分每3層設(shè)置1個(gè)送風(fēng)口[12]，每個(gè)送風(fēng)口的設(shè)計(jì)送風(fēng)量平均分配；地下部分設(shè)置1個(gè)送風(fēng)口。結(jié)合式(4)計(jì)算送風(fēng)口截面面積。

式中:Q為設(shè)計(jì)送風(fēng)量，m3/h；Ad為送風(fēng)口的截面面積，m2；vd為設(shè)計(jì)風(fēng)速，取7 m/s，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)口參數(shù)設(shè)計(jì)

3 CFD模擬

分別模擬兩棟不同高度的建筑，防煙樓梯間正壓送風(fēng)口布置均為:地上每3層設(shè)置1個(gè)出風(fēng)口，地下部分設(shè)1個(gè)，位于地下1層。自上而下依次對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行編號(hào)，見圖1。

圖1 兩棟建筑樓梯間送風(fēng)立管模型

風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件(pressure-outlet)；選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量(偏斜率)為0.9；選擇標(biāo)準(zhǔn)為k－ε湍流模型。

4 結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由圖2可知，CFD計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。在無閥調(diào)節(jié)條件下，靠近送風(fēng)機(jī)的樓層，其前室壓力滿足規(guī)范要求。

圖2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線

4.2 送風(fēng)量隨立管流速變化情況

在總送風(fēng)量維持恒定的情況下，研究各個(gè)出風(fēng)口的出風(fēng)量隨立管入口流速的變化情況。各個(gè)樓層出風(fēng)口截面保持表1中的尺寸不變，調(diào)節(jié)風(fēng)速和與其相對(duì)應(yīng)的立管截面面積，在不同的入口流速下進(jìn)行模擬。

圖3、圖4分別為兩棟建筑的立管入口風(fēng)速在9～18 m/s變化時(shí)，各個(gè)樓層出風(fēng)口風(fēng)量和平均流速的變化情況。送風(fēng)機(jī)設(shè)置在上部時(shí)，對(duì)第一棟建筑，隨著立管流速增加，距離送風(fēng)入口最近的出風(fēng)口1的風(fēng)量持續(xù)減小，位于中間的出風(fēng)口2風(fēng)量基本維持穩(wěn)定，而距離最遠(yuǎn)的出風(fēng)口3的風(fēng)量則隨著立管流速的增加而增大。由于出風(fēng)口截面面積保持不變，風(fēng)口的平均出口風(fēng)速與出風(fēng)量完全成正比。對(duì)于第二棟建筑，出風(fēng)口數(shù)量多，風(fēng)管長度大，變化沒有第一棟建筑明顯，但距離頂部送風(fēng)入口最近出風(fēng)口的風(fēng)量隨立管流速的增加而減小，位于中間部位的風(fēng)口(出風(fēng)口5、6)出風(fēng)量稍有波動(dòng)但總體變化不大，底部的出風(fēng)口(出風(fēng)口7、8和9)隨立管流速增加，風(fēng)量隨之增大，其中最底部出風(fēng)口9最為明顯。

圖3 第一棟高層建筑送風(fēng)機(jī)在上部時(shí)出風(fēng)口風(fēng)量及平均風(fēng)速

圖4 第二棟高層建筑送風(fēng)機(jī)在上部時(shí)出風(fēng)口風(fēng)量及平均風(fēng)速

圖5、圖6分別為兩棟建筑正壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)置于系統(tǒng)底部時(shí)的模擬結(jié)果?？梢?，各層出風(fēng)口的風(fēng)量分布與上送風(fēng)的情況相似。

圖5 第一棟高層建筑送風(fēng)機(jī)在下部時(shí)出風(fēng)口風(fēng)量及平均風(fēng)速

圖6 第二棟高層建筑送風(fēng)機(jī)在下部時(shí)出風(fēng)口風(fēng)量及平均風(fēng)速

送風(fēng)機(jī)設(shè)置在上部或下部，系統(tǒng)風(fēng)量分布基本一致:距離送風(fēng)入口越近，送風(fēng)量和送風(fēng)速度相對(duì)越小，且出口風(fēng)量與立管入口風(fēng)速成反比；距離最遠(yuǎn)的出風(fēng)口風(fēng)量和出口風(fēng)速最大，出口風(fēng)量與立管入口風(fēng)速成正比。另外，單純靠改變立管的入口風(fēng)速難以使地下部分滿足風(fēng)量要求，且易造成地上部分出風(fēng)口風(fēng)量分配不均。

4.3 送風(fēng)量隨送風(fēng)口尺寸變化情況

為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，除控制立管入口風(fēng)速外，還需對(duì)出風(fēng)口尺寸進(jìn)行調(diào)整。

以第一棟建筑為例，取豎向風(fēng)道入口風(fēng)速15 m/s，調(diào)整出風(fēng)口尺寸，直至地上與地下樓梯間總風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求，且地上部分各出風(fēng)口風(fēng)量盡量均勻，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 中高層建筑出風(fēng)口尺寸調(diào)整

送風(fēng)口3距離立管入口最遠(yuǎn)，送風(fēng)量最大，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)風(fēng)量，所以需要減小面積，控制送風(fēng)量。對(duì)于地上的兩個(gè)風(fēng)口，出風(fēng)口1距離立管入口最近，出風(fēng)量最小，所以需要增大風(fēng)口面積來增加風(fēng)量；風(fēng)口2雖在調(diào)整前出風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量最為接近，但由于總風(fēng)量保持不變，三個(gè)樓層的送風(fēng)口之間相互影響，隨著送風(fēng)口3面積的減小和送風(fēng)口1面積的增大，若其尺寸仍維持850×850不變，出風(fēng)量將會(huì)大幅增加，所以出風(fēng)口2的尺寸應(yīng)適當(dāng)減小。

經(jīng)對(duì)出風(fēng)口尺寸進(jìn)行調(diào)整，地上、地下及各層送風(fēng)量基本滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果顯示，不管上送風(fēng)或下送風(fēng)，為滿足設(shè)計(jì)風(fēng)量，樓層送風(fēng)口的面積始終沿立管內(nèi)空氣流動(dòng)方向呈遞減趨勢(shì)。此外，調(diào)節(jié)樓層送風(fēng)口的截面面積可使各樓層送風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求，但風(fēng)口面積的減小可能導(dǎo)致送風(fēng)口風(fēng)速超過規(guī)范推薦的7 m/s。

第二棟建筑，取豎向風(fēng)道最大風(fēng)速17 m/s。表3、表4計(jì)算結(jié)果與第一棟相似。但不同的是，第二棟建筑層數(shù)多，豎向風(fēng)道長，送風(fēng)口數(shù)量多，地上不同樓層送風(fēng)口靜壓或送風(fēng)量的不平衡率減小，風(fēng)口尺寸調(diào)整后，各送風(fēng)口風(fēng)速基本在7 m/s左右。而且將送風(fēng)機(jī)放置在系統(tǒng)上部時(shí)更有利于減少地上樓層送風(fēng)量的不平衡率。

表3 高層建筑送風(fēng)機(jī)位于上部時(shí)出風(fēng)口尺寸調(diào)整

表4 高層建筑送風(fēng)機(jī)位于下部時(shí)出風(fēng)口尺寸調(diào)整

5 結(jié)論

本文以地上、地下防煙樓梯間合用一套機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的高層建筑為研究對(duì)象，使用CFD軟件對(duì)其機(jī)械加壓送風(fēng)量進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論:

(1)按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，會(huì)導(dǎo)致各樓層送風(fēng)口風(fēng)量、送風(fēng)風(fēng)速與設(shè)計(jì)設(shè)定值偏差明顯，致使個(gè)別樓梯空間超壓時(shí)，另外樓梯空間靜壓不能滿足規(guī)范要求，且豎向立管長度越短，其斷面風(fēng)速越大，這一現(xiàn)象越為明顯。

(2)為使地上、地下樓梯間的風(fēng)量都能達(dá)到設(shè)計(jì)值且出風(fēng)量盡量均勻，在設(shè)計(jì)出風(fēng)口尺寸時(shí)，地上部分的出風(fēng)口截面積應(yīng)沿空氣流動(dòng)方向呈遞減變化，地下部分的送風(fēng)口視送風(fēng)機(jī)位置而定:送風(fēng)機(jī)在上部時(shí)，地下風(fēng)口的截面積應(yīng)適當(dāng)縮小，送風(fēng)機(jī)在下部時(shí)，風(fēng)口面積要適當(dāng)加大，尺寸可根據(jù)具體情況模擬計(jì)算確定。

(3)送風(fēng)機(jī)設(shè)置在頂部相較于設(shè)置在底部，其地上、地下風(fēng)量偏差有所減小，地上部分的出風(fēng)口風(fēng)量分配更加均勻。所以在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮將送風(fēng)機(jī)置于系統(tǒng)頂部。

(4)從數(shù)值模擬結(jié)果看，采用等截面豎向風(fēng)道與變送風(fēng)口面積的方法，可避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法帶來的送風(fēng)量或靜壓偏離規(guī)范要求的問題。但這容易造成個(gè)別風(fēng)口風(fēng)速超7 m/s情況，建議適當(dāng)放寬對(duì)每個(gè)樓層正壓送風(fēng)口送風(fēng)速度的限定。