诱导排烟系统应用于地下车库的实验研究

王依晗,梁参军,陆 松,谢启源,张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)

诱导排烟系统应用于地下车库的实验研究

王依晗,梁参军,陆 松,谢启源,张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)

运用实验研究的方法分析了诱导排烟系统在地下车库中应用的可行性,研究了布置方式、诱导风速等敏感参数对排烟效果的影响,主要分析了火源上游不同位置处温度的变化。结果表明,诱导排烟系统能有效地抑制烟气向上游的逆流并能加强烟气的热对流,降低上游烟气的温度;另外,开启少于均匀布置诱导风机数目下,菱形布置诱导风机下的排烟效果优于均匀排列布置;在实验风速范围内,诱导排烟系统对上游烟气的控制和降温能力随着诱导风速的增加而提高,同时,在火源功率一定的条件下,增大诱导风速对控烟效果的改善存在临界值。

诱导排烟;诱导风速;布置形式;地下车库;实验研究

0 引言

目前我国地下车库采用的排烟系统为风管式排烟,按我国《汽车库、修车库、停车场防火设计规范》中规定,排烟风机的排烟量应按换气次数不小于6次/h计算确定[1]。因此,面积为2000m2,层高3m的地下车库所需排烟量为 36000m3/h。如果按8m/s的风速来设计,主风管尺寸一般取为2500mm×500mm,实际运营中,地下车库还需设水管路、电路等各种管线,这使本身层高就低的地下空间更为拥挤[2]。车库内的排烟系统大多是与通风系统合用,排风口按上部排1/3的风量,下部排2/3的风量设计[3]。当只开启上部开口进行排烟时会造成风速过大的问题,因此需要在管道上增设防烟调节阀以控制排烟时的风速。这种设计使控制系统变的很复杂,且一旦调节阀失效,会导致烟气在下部排风口的作用下向下蔓延,对人员安全造成更大的威胁。

无风道诱导风机以其占用空间小、通风效率高的特点在地下车库的通风系统中得以广泛应用[4,5],近来许多学者提出用诱导风机辅助排烟的设想。诱导排烟的设计理念是一方面利用射流风机产生的高速射流扰动周围大量气体从而在一定的空间内获得流速场以阻止烟气逆向的流动,另一方面利用射流将烟气诱导至车库一侧再通过机械或自然排烟口排出[6],自然排烟口指空间内自然开口或竖井开口,机械排烟则需要安装机械排烟装置将诱导至一侧的烟气集中机械排出。

国内张靖岩,肖泽南等人对地下车库诱导排烟系统的可行性进行了数值模拟研究,结果表明诱导风机经过合理布置,可以提高地下车库内的排烟效率,使空间内维持一定面积的清晰区域[7,8]。国外也有部分学者与公司进行诱导排烟系统的模拟和实验研究,如葡萄牙学者Viegas通过 FDS模拟得出诱导风机在一定距离内能阻止烟气的回流[9,10]。英国的COL T公司和Building Research Establishment(BRE)合作展开了使用诱导风机进行诱导排烟的全尺寸实验。实验结果表明诱导风机能够诱导烟气向预先设计的方向运动,具有控制烟气的能力。

以上这些工作主要集中在模拟研究工作,要想推进诱导排烟系统在工程上的应用,对其具体的设计参数需要更深一步的实验研究。本文设计缩小尺寸诱导排烟实验台,主要用于分析诱导排烟系统应用时诱导风机的布置形式、诱导风速的大小对排烟效果的影响。

1 实验台简介

1.1 实验台设计

采取NFPA推荐的相似比例1:8[11]搭建诱导排烟车库实验装置如图1所示,尺寸为3m×5m×0.6m。

图1 诱导排烟实验台外观Fig.1 Appearance of impulse exhaust system

实验台顶部和两侧选用透明的防火玻璃利于实验现象的观测,端部采用防火板制作推拉门,可调节通风口大小或连接送排烟装置,本次实验中两端均设高和宽均为2m的开口作为自然补风和自然排烟口;实验火源采用宽度10cm的方形油盘,燃料为甲醇;诱导风机使用台湾SUNON生产的直流12V,0.7A的轴流风机为风扇,直径为8cm,在风扇前后增加导流罩改装制成。诱导风机接直流调压仪,转速可调。实验台内布置有 K型热电偶等测量装置。

1.2 实验工况

实验共设20台诱导风机,风机沿 X方向依次为1-4列,每列间隔1000mm,记为 F n.1-F n.4,沿Y方向依次为1-5行,每行间隔500mm,记作F 1.n-F 5.n,实验时根据各工况参数设计开启不同位置的诱导风机。热电偶测点的布置如图2所示,编号沿X方向依次为1-4列,记为 n.1#-n.4#,沿 Y方向依次为1-6行,记作1.n#-6.n#。热电偶串之间的X向间隔为500mm,Y向间隔为500mm,测点的安装高度距离顶棚100mm。

图2 风机及测点布置示意图Fig.2 Arrangement of impulse fans and thermocouple

本文研究了诱导风机出口风速和诱导风机布置形式这两个参数对诱导排烟效果的影响,共设置了九个工况,各工况的详细布置参数如表1所示。

表1 实验工况参数表Table 1 Parameters of experimental conditions

E A 3 F 1.n、F 3.n、F 5.n(n=1、3)F 2.n、F 4.n(n=2、4)1 0 5 自然排烟 自然补风

2 实验结果

2.1 诱导排烟系统的可行性分析

实验工况E0在整个实验过程中没有开启诱导风机,烟气从两端开口自然排出。实验工况 EA4-1在点燃火源同时启动诱导风机。从图3中可以看到,无诱导风机的情况下车库上游的温度最高可达40℃,而在诱导风机的诱导下,整个实验过程中上游的温度基本没有升高,维持在20℃之下,说明烟气受到诱导从一端自然排出,没有向上游逆流,诱导风机对烟气逆流的阻隔作用是十分有效的。

工况EA4-2在点燃火源后5min打开诱导风机,图4中所测的分别为风机启动前与风机启动后相对稳定的条件下,诱导风机上游不同列测点的温度均值。从图中可以看出,当诱导风机启动一段时间后背风侧温度较启动前降低,并且离诱导风机较近第3列和第4列测点的温度下降更多,说明诱导风机不仅有效地阻止了烟气向上游的逆流,并且加快了上游热烟气的对流,使得上游的温度下降更快。

图3 自然排烟与诱导排烟效果对比Fig.3 Compare the effect between nature venting and impulse exhaust system

2.2 诱导风速变化

为了研究诱导风机的出口风速对排烟效果的影响,设置了四个实验工况,EV1至 EV4的诱导风机的出口风速依次为2m/s,3m/s,4m/s和5m/s。四个工况的其它参数设置均一致,12台诱导风机分三行均匀布置,点燃火源5min后开启,具体参数如表1所示。

图4 风机启动前后温度分布对比Fig.4 Temperature before and after the activation of impulse fans

从图5不同出口风速下温度的变化比较可以看出,在实验风速范围内,诱导风机出口风速越大,开启风机后上游温度越低;但随着出口风速的提高,温度的变化幅度减小。如图6降温幅度随诱导风速的变化曲线所示,相对于2m/s的诱导风速,当提高到3m/s的风速是地,降温幅度增了21%,而诱导风速为3m/s和4m/s时的降温幅度差别不大,到了5m/s后,降温幅度又增大了8%。由此可见,诱导风机的出口风速增加,诱导排烟的效果更为显著,对降低上游温度越为有利;同时,在火源功率一定的情况下,达到有效抑制烟气逆流的出口风速后,再提高诱导风机的出口风速对诱导排烟效果的改善不再明显。

2.3 诱导风机布置形式

选取三种布置方式:两行均匀布置 EA1、三行均匀布置EA2以及菱形布置EA3,两行均匀布置下开启的诱导风机数为8台,三行阵列布置下开启的诱导风机数为12台,而菱形布置开启的诱导风机数为10台,点燃火源5min后启动风机,具体参数如表1中所示。

从图7(a)和图7(b)中可以看出,均匀布置条件下上游的温度都有下降,但不同位置的温度下降幅度相差较大。各工况的火源都在第2行第4列风机的位置,因此当只开启第2、4行风机的条件下,靠近火源的第1行测点温度降低幅度较小,仍维持在26℃;只开启1、3、5行风机的条件下各行的温度下降幅度差别很大,特别是火源所在的第2行由于没有风机的阻隔,测点温度最高达35℃。然而从图7(c)中可以明显的看出菱形布置下各行的温度一致下降到20℃之下。

图5 不同诱导风速下温度随时间的变化Fig.5 T emperature history with different impulse velocities

图6 温度降低幅度随风速变化 Fig.6 T emperature drop with different impulse velocities

图7 不同布置形式下温度随时间的变化Fig.7 Temperature drop with different arrangements of impulse fans

比较实验工况 EA1和 EA2可以看出,虽然诱导风机增加了4台,风机间距缩小,但由于受火源位置的影响,诱导排烟效果并没有明显增强,这说明了均匀的布置虽然易于设计,但如果间距不够小,容易造成烟气从两行风机的间隙中向上游蔓延,受火源位置影响较大。而对比工况 EA2和 EA3得知,尽管EA3只开启了10台诱导风机,但隔烟气效果明显强于EA2,即菱形布置在开启少于均匀布置风机数目的条件下,能更好的控制烟气的逆流。

3 结论

本文通过设计不同实验工况对比火源上游温度的分布,得出以下结论:

(1)诱导风机能有效的抑制烟气的逆流并加速热烟气的对流,在开启诱导风机的条件下,车库上游温度显著下降,这有利于人员的逃生和消防扑救。

(2)在实验风速范围内,随着诱导风速的增加,诱导排烟系统的控烟能力和降温能力提高,但对于一定的火源功率,诱导风机出口风速对排烟效果的提高存在一个临界值。

(3)诱导风机在车库上方菱形错位布置,在开启少于均匀布置风机数目的条件下,也能更有效的控制烟气的逆流,降低车库上游的温度。

[1]GB50067-97,汽车库、修车库、停车场设计防火规范[S].

[2]崔海燕,徐丽鹤.地下汽车库通风与排烟系统的设计分析[J].山西建筑,2008,34(33):197-198.

[3]张巍.地下汽车库通风与防排烟系统的设计[J].甘肃科技,2003,19(6):78-79.

[4]杨积波.喷流诱导通风系统在某工程地下车库中的应用[J].暖通空调,2003,33(5):71-73.

[5]高峻峰.浅谈无风管诱导通风系统在地下汽车库的应用[J].科技情报与经济.2006,16(19):163-164.

[6]Lu S,Wang YH.Numerical study of impulse ventilation for smoke control in an underground car park[A],第五届消防性能化与消防工程研讨会论文集[C].广州,2010.

[7]张靖岩,肖泽南.气流诱导技术在扁平地下车库的防排烟模拟研究[J].消防科学与技术,2008,27(4):239-242.

[8]张靖岩,肖泽南.射流风机用于地下车库类建筑防排烟的可行性探讨[J].中国安全生产科学技术,2008,4(1):21-24.

[9]Viegas JC.The Use of Impulse Ventilation for Smoke Control in Underground Car Parks[J].Tunneling and Underground Space Technology.2010,25:42-53.

[10]Viegas JC.CFD Study of Smoke Control Inside Enclosed Car Parking Using Jet Fans[A],9thInternational fire Science&Engineering Conference[C].2001:1465-1470.

[11]NFPA 92B,Guide for Smoke Management Systems in

Malls,Atria,and Large Areas[R].2000.

Experimental study on the application of impulse exhaust system in underground car park

WANG Yi-han,LIANG Can-jun,LU Song,XIE Qi-yuan,ZHANG He-ping

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Experimental study has been carried out to investigate the feasibility of the use of impulse ventilation system for smoke control in underground car park.The impact of the parameters such as arrangement and impulse velocity on the exhaust effect was analyzed.The results have shown that the well designed impulse exhaust system is capable of preventing the flow of smoke to upstream and cooling the smoke.Moreover,diamond-shaped arrangement of impulse fans can control the smoke better than uniform array layout.The exhaust effect increases when the impulse velocity is increased,meanwhile,under any specific heat release rate,there would be an extreme value for impulse velocity to improve the smoke control effect.

Impulse exhaust system;Fans arrangement;Impulse velocity;Underground car park;Experimental study.

X932;TU988.1

A

1004-5309(2011)-0111-06

2010-12-28;修改日期:2011-03-23

王依晗(1988),女,汉族,河南省新乡市长垣县人。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生,主要从事建筑火灾烟气控制研究及消防性能化分析设计。