楊 林 解 宇 陳 文 盧國(guó)勝 蒲轢陽(yáng) 袁 羅

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市土地資源越來(lái)越緊張，高層住宅已經(jīng)成為城市居民住宅最主要的建筑形式。這些高層住宅建筑通常設(shè)置有天井、電梯井、樓梯井等豎向通道，其中樓梯井是火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員逃生的主要通道。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有害煙氣可能進(jìn)入樓梯井，進(jìn)而形成煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致煙氣在樓梯井內(nèi)的蔓延速度加快，給居民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，研究火災(zāi)時(shí)樓梯井內(nèi)煙氣在煙囪效應(yīng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)人員逃生和火災(zāi)煙氣控制具有重要意義。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)煙氣在豎向通道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律開(kāi)展了深入研究，結(jié)果表明豎井內(nèi)外的氣壓差與煙氣自身的浮力共同作用形成煙囪效應(yīng)［1-3］，煙囪效應(yīng)強(qiáng)度與豎井內(nèi)外的氣壓差大小成正比［4-5］，豎井內(nèi)外氣壓差與豎井尺寸、通風(fēng)位置以及火源位置密切相關(guān)［5-7］。文獻(xiàn)［8-10］進(jìn)一步闡明了電梯豎井內(nèi)煙囪效應(yīng)的成因機(jī)制，探討了高層建筑火災(zāi)時(shí)利用電梯豎井排煙的可行性，揭示了影響電梯豎井排煙的主要因素。文獻(xiàn)［11-17］以自然通風(fēng)窗口的位置為變量參數(shù)對(duì)煙氣在樓梯井內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，探究自然通風(fēng)窗口位置的不同對(duì)煙氣流動(dòng)和煙氣溫度上升的影響。通過(guò)設(shè)置不同開(kāi)閉狀態(tài)的樓梯井并向樓梯井內(nèi)加壓送風(fēng)，研究了不同環(huán)境風(fēng)速下和加壓送風(fēng)下樓梯井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)僅向井內(nèi)送風(fēng)會(huì)加快煙氣的蔓延，進(jìn)行加壓送風(fēng)則能夠阻擋煙氣入侵，減小其蔓延速度，并發(fā)現(xiàn)向樓梯井內(nèi)送風(fēng)會(huì)抑制井內(nèi)升溫。

從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，學(xué)者們主要圍繞建筑豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的煙囪效應(yīng)開(kāi)展了系列研究，但從樓梯井豎直空間上壓力分布變化規(guī)律的角度來(lái)探析送排風(fēng)模式對(duì)豎井煙囪效應(yīng)強(qiáng)弱的影響的研究較少。因此，本文采用FDS火災(zāi)模擬軟件對(duì)火災(zāi)時(shí)采用不同送、排風(fēng)模式的建筑樓梯井進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工況下樓梯井各層的氣壓規(guī)律、煙氣蔓延規(guī)律及溫度上升規(guī)律，研究影響煙囪效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素，更好地控制煙氣的蔓延，減小對(duì)人員的生命威脅。

1 火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)置

1.1 數(shù)值模擬介紹

FDS火災(zāi)模擬軟件是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST）開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，該軟件的計(jì)算重點(diǎn)是火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣和熱量傳遞的過(guò)程。煙氣持續(xù)流動(dòng)的變化過(guò)程是基于黏性流體流動(dòng)的Navier-Stokes方程進(jìn)行描述的，其中包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程。

連續(xù)方程：

能量方程：

動(dòng)量方程：

組分方程：

式中：Dl為組分?jǐn)U散系數(shù)，m2／s；Yl為組分濃度，kg／kg；F→為體積力，N為燃燒的質(zhì)量損失量，kg／s；q為輻射熱流量，W／m2；Φ為能量方程的耗散項(xiàng)；V→為速度矢量；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)，N·s／m2；P為壓力，Pa；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W／mK；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg／m3；V為體積，m3；e為內(nèi)能，J／m3。

1.2 火災(zāi)模擬場(chǎng)景概況

現(xiàn)階段我國(guó)中小城市郊區(qū)的居民住房多為自建房屋，該類居民自建住宅樓多用于出租，其層數(shù)大多為9至10層，存在著管理不規(guī)范、雜物隨意堆放等安全隱患。本文以綿陽(yáng)市郊區(qū)一棟10層居民自建住宅的樓梯井為原型，建立如圖1所示的樓梯井模型。

模型平面尺寸為5.2 m×2.6 m，總高為30.0 m，層高為3.0 m。模型中，初始溫度設(shè)為20℃，環(huán)境大氣壓的相對(duì)壓強(qiáng)設(shè)為0 Pa；為了對(duì)溫度、氣體壓力和煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，每層于樓梯井中心線上選取1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委2020年報(bào)告，我國(guó)成年人平均身高為1.65 m，其呼吸高度大約為1.60 m，故本文在各樓層1.5 m處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。將火源設(shè)置在樓梯井底部，火源面積為1.0 m×1.0 m。文獻(xiàn)［18］指出客房、過(guò)道等有無(wú)噴淋的火災(zāi)火源功率是不一致的，本文模擬一般室內(nèi)火災(zāi)合成材料燃燒時(shí)的火源功率且無(wú)噴淋系統(tǒng)，同時(shí)考慮最不利條件，選取本文的火源熱釋放速率為5 000 kW；Heskesta［19］指出火源燃燒過(guò)程前期遵循t2火的增長(zhǎng)，因此本研究采用t2火進(jìn)行模擬分析，將火災(zāi)類型設(shè)為t2極快速增長(zhǎng)火，增長(zhǎng)因子為0.187 6 kW／s2。根據(jù)式（5）計(jì)算得熱釋放速率在164 s達(dá)到最大值，總?cè)紵龝r(shí)長(zhǎng)設(shè)為350 s。為了使模擬結(jié)果更加接近真實(shí)結(jié)果，本次模擬網(wǎng)格采用火災(zāi)特征直徑D*（Characteristic fire diameter）［20］公式進(jìn)行計(jì)算，如式（6），計(jì)算的網(wǎng)格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

圖1 樓梯井模型Fig.1 Stairwell model

t2火模型公式：

其中：Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW／s2；t為時(shí)間，s。

火災(zāi)特征直徑：

其中：D*為火災(zāi)特征直徑；g為重力加速度；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ0為空氣密度，kg／m3；Cp為定壓比熱容，kJ／（kg·K）；T0為環(huán)境空氣溫度，單位為K。

1.3 火災(zāi)工況介紹

為研究不同送排風(fēng)模式對(duì)樓梯井火災(zāi)煙氣蔓延、溫度及相對(duì)氣壓的影響，選擇如表1所示的6種排風(fēng)和送風(fēng)組合工況進(jìn)行模擬。

表1 模擬工況匯總Table 1 Summary of simulated working conditions

各個(gè)樓層自然排風(fēng)窗、機(jī)械排風(fēng)窗和機(jī)械送風(fēng)窗的面積和其在樓層的位置如圖2所示。自然排風(fēng)窗的面積為1.44 m2，機(jī)械排風(fēng)窗與機(jī)械送風(fēng)窗的面積分別為1.44 m2和1.00 m2，機(jī)械排風(fēng)速度和送風(fēng)速度均為1 m／s。模型中只有一樓樓梯間防火門(mén)打開(kāi)，其他樓層的防火門(mén)全部關(guān)閉，門(mén)與墻、門(mén)與門(mén)之間的縫隙忽略不計(jì)。

圖2 排風(fēng)窗與送風(fēng)窗的位置Fig.2 Positions of smoke exhaust window and air supply window

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工況下各樓梯層氣壓的變化情況

由于可燃物在樓梯井的一樓燃燒，一樓的溫度變化迅速，相較于其他樓層的溫度變化規(guī)律，一樓具有一定的特殊性，故本文只對(duì)第二層及以上樓層的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。模擬研究發(fā)現(xiàn)，工況1、工況2、工況3、工況4下各樓層氣壓變化規(guī)律相似，而工況5、工況6下各樓層氣壓變化規(guī)律相似，故分別列出工況2、工況4和工況6下各樓層氣壓變化規(guī)律如圖3所示，并選擇第2層、第6層和第10層分別代表樓梯井底部樓層、中部樓層和頂部樓層。

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，自然排煙工況和機(jī)械送風(fēng)與自然排煙組合工況的氣壓變化規(guī)律相似，但在這兩種工況下底部和中部樓層的峰值負(fù)壓的大小有很大的差別，說(shuō)明機(jī)械送風(fēng)設(shè)備加入后明顯減小了中部和頂部樓層的峰值負(fù)壓；對(duì)比圖3（b）和圖3（c）可以看出，機(jī)械送風(fēng)與自然排煙組合工況和機(jī)械送風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)組合工況底部樓層氣壓開(kāi)始下降的時(shí)刻有較大的差距，且中部樓層氣壓變化規(guī)律有明顯的區(qū)別，后者中部樓層氣壓在穩(wěn)定后呈較大的正壓狀態(tài)，說(shuō)明機(jī)械排風(fēng)設(shè)備加入后會(huì)改變樓梯井內(nèi)的氣壓變化規(guī)律。

圖3 工況2、工況4和工況6下第2層樓、第6層樓和第10層樓氣壓變化規(guī)律Fig.3 Variation Laws of air pressure in layers 2，6 and 10 under conditions 2，4 and 6

圖4為不同工況下樓梯井頂部與底部的氣壓差值和中部與底部的氣壓差值圖。從圖4（a）可以看出，隔層自然排煙工況下頂部與底部的氣壓差值最大，機(jī)械排風(fēng)和機(jī)械送風(fēng)組合工況下頂部與底部的氣壓差值最小。從圖4（b）可以看出，機(jī)械排風(fēng)和機(jī)械送風(fēng)組合工況下中部與底部的氣壓差值明顯比另外幾種工況大得多，說(shuō)明機(jī)械送風(fēng)設(shè)備和機(jī)械排風(fēng)設(shè)備同時(shí)加入工況時(shí)在減小頂部與底部氣壓差的同時(shí)也會(huì)明顯增大中部與底部的氣壓差。

圖4 不同工況下樓梯井頂部與底部的氣壓差值、中部與底部的氣壓差值Fig.4 Air pressure differences between the top and bottom of stairwell and between the middle and bottom under different working conditions

2.2 不同排風(fēng)通風(fēng)模式下各樓層煙氣蔓延情況

各工況下煙氣蔓延情況相似，圖5為在工況1下火災(zāi)發(fā)生40，80，120，153，160，350 s后煙氣蔓延的情況，可以看出在火災(zāi)開(kāi)始發(fā)生時(shí)煙氣迅速向上蔓延，在153 s時(shí)煙氣充滿整個(gè)樓梯間，直至模擬結(jié)束都未見(jiàn)消散。

圖5 工況1下煙氣蔓延圖Fig.5 Smoke spread under working condition 1

圖6顯示了不同工況下煙氣蔓延至樓梯井10樓所需時(shí)間。從圖6可知，從工況1到工況4煙氣蔓延至樓梯井10樓所需要的時(shí)間逐漸增加，對(duì)比工況1、工況2、工況3、工況4的兩種氣壓差值可知，從工況1到工況4中部與底部的氣壓差值相近，但頂部與底部的氣壓差值逐漸減小，從而導(dǎo)致煙氣蔓延至頂樓的時(shí)間增大，說(shuō)明在中部與底部的氣壓差值相近的情況下，樓梯井內(nèi)頂部與底部的氣壓差值越小，煙氣蔓延的速度越小，煙囪效應(yīng)強(qiáng)度越弱。對(duì)比前4種工況送、排風(fēng)方式的區(qū)別可知，火災(zāi)發(fā)生時(shí)機(jī)械送風(fēng)設(shè)備能夠減小樓梯井內(nèi)的氣壓差，減小煙氣的蔓延速度，從而減弱煙囪效應(yīng)。工況5和工況6下煙氣蔓延至頂樓所需時(shí)間小于工況3和工況4，對(duì)比工況3、工況4、工況5、工況6的兩種氣壓差值可知，中部與底部的氣壓差大于頂部與底部的氣壓差，表明中部與底部的氣壓差過(guò)大則會(huì)加快煙氣蔓延的速度，從而導(dǎo)致煙囪效應(yīng)增強(qiáng)。對(duì)比工況3、工況4、工況5、工況6的送、排風(fēng)方式的區(qū)別可知，火災(zāi)發(fā)生時(shí)機(jī)械排風(fēng)對(duì)煙囪效應(yīng)的抑制效果不如自然排風(fēng)。

圖6 不同工況下煙氣蔓延至第10層樓所需時(shí)間Fig.6 Time required for smoke to spread to the 10th floor under different working conditions

2.3 不同排風(fēng)通風(fēng)模式下樓梯井頂部樓層的溫度變化情況

圖7為不同工況下第10層樓樓梯井的溫度變化圖。由圖7可知，工況1、工況2下第10層樓樓梯井的峰值溫度最高，工況4下第10層樓樓梯井的峰值溫度最低，對(duì)比工況1、工況2和工況3、工況4的送、排風(fēng)方式區(qū)別可知，機(jī)械送風(fēng)設(shè)備加入后會(huì)明顯降低樓梯井內(nèi)的峰值溫度。工況5、工況6下第10層樓樓梯井的峰值溫度明顯高于工況4下的峰值溫度，通過(guò)對(duì)比工況4和工況6送排風(fēng)方式的區(qū)別可得，在送風(fēng)方式相同的情況下，機(jī)械排風(fēng)設(shè)備對(duì)降低樓梯井頂部樓層峰值溫度的作用不如自然排風(fēng)。根據(jù)以上分析可知，機(jī)械送風(fēng)與自然排煙的組合工況對(duì)峰值溫度的抑制效果最好，機(jī)械送風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)的組合工況次之，自然排煙工況的效果最差。

圖7 不同工況下第10層樓的溫度變化Fig.7 Temperature change of 10th floor under different working conditions

霍然等［21］研究發(fā)現(xiàn)人類處于65℃的環(huán)境中將無(wú)法進(jìn)行呼吸，但火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度上升迅速，為了安全起見(jiàn)把50℃作為溫度危險(xiǎn)臨界點(diǎn)。頂部樓層在不同工況下溫度達(dá)到50℃所需要的時(shí)間不同，具體時(shí)間如表2所示。

表2為不同工況下第8、第9、第10層樓溫度到達(dá)50℃所需時(shí)間表。由表2可知，從工況1到工況4，上部3個(gè)樓層溫度到達(dá)50℃所需的時(shí)間逐漸增大，在工況4下只有第8層在205 s時(shí)達(dá)到50℃以上，第9、第10層樓均未達(dá)到50℃，說(shuō)明機(jī)械送風(fēng)設(shè)備在降低樓層峰值溫度的同時(shí)也會(huì)減小溫度上升的速率。在工況5、工況6下上部樓層溫度達(dá)到50℃所需時(shí)間大于工況1和工況2所需時(shí)間，但小于工況3、工況4所需時(shí)間，說(shuō)明機(jī)械送風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)組合工況也會(huì)降低溫度上升的速率，但其效果并不如機(jī)械送風(fēng)與自然排煙組合工況。

表2 不同工況下第8、第9、第10層樓溫度達(dá)到50℃所需時(shí)間Table 2 Time required for building 8，9 and 10 to reach 50℃under different working conditions

3 結(jié)論

基于對(duì)不同送、排風(fēng)模式下樓梯井模型的火災(zāi)過(guò)程模擬分析，得出如下結(jié)論與建議：（1）在樓梯井采用自然排風(fēng)方式基礎(chǔ)上，加入機(jī)械送風(fēng)設(shè)備能夠較好地減弱火災(zāi)時(shí)樓梯井的煙囪效應(yīng)，同時(shí)能夠降低樓梯井頂部樓層的峰值溫度并減小樓梯井內(nèi)溫度上升的速率；在樓梯井采用機(jī)械送風(fēng)方式基礎(chǔ)上，加入機(jī)械排風(fēng)設(shè)備能夠降低樓梯井內(nèi)的峰值溫度和溫升速率，但同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)樓梯井的煙囪效應(yīng)；送、排風(fēng)窗口或設(shè)備越多，對(duì)煙囪效應(yīng)的減弱效果越好，同時(shí)對(duì)峰值溫度和溫升速率的抑制效果也越好。（2）自然排煙和機(jī)械送風(fēng)的組合工況對(duì)樓梯井煙囪效應(yīng)減弱效果最好，隨著自然排風(fēng)窗口和機(jī)械送風(fēng)設(shè)備的增加，樓梯井底部與頂部的氣壓差逐漸減小，煙氣蔓延速率和溫度上升的速率逐漸減小。（3）機(jī)械排風(fēng)與機(jī)械送風(fēng)組合工況對(duì)樓梯井內(nèi)煙囪效應(yīng)的減弱效果較差。（4）對(duì)于中小城市郊區(qū)居民自建9至10層房屋，住宅樓梯井的通風(fēng)排煙設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用自然排煙窗與機(jī)械送風(fēng)設(shè)備相組合的方式，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，將自然排風(fēng)窗全部打開(kāi)并啟動(dòng)機(jī)械送風(fēng)設(shè)備，有利于減弱煙囪效應(yīng)，減緩煙氣蔓延，增加人員的安全逃生時(shí)間，但不能盲目增設(shè)送、排風(fēng)設(shè)備，避免增大火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的危險(xiǎn)性。