排烟口位置对“侧室—通道”式建筑排烟效果的影响

杨平　吕品

摘 要：排烟口布置方式对于火灾时期的排烟系统的排烟效果影响较大，为了对比分析排烟口布置方式对侧室-通道结构火灾时期排烟效果的影响，利用FDS火灾模拟软件对“侧室-通道”结构火灾时期排烟口顺通道走向上的不同布置方式的排烟效果进行了模拟研究。对比分析了排烟口均匀布置与集中布置、靠近疏散出口布置与靠近火源布置四种工况条件下的排烟效果；结果表明：排烟口均匀布置比集中布置时疏散出口区域烟气温度低5.4%，能见度提高10%；靠近火源布置比靠近疏散出口布置时疏散出口区域烟气温度低11.5%。

关键词：地下商业街；排烟口；数值模拟；排烟效果

中图分类号：TU922；X913.4 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0060-04

研究对象“侧室-通道”结构是相对于隧道类狭通道和一些学者研究的“房间-走廊”结构[1]而提出的，“侧室-通道”结构最主要的是一些人防商业两用的地下商业街。这类结构由于空间密闭，通道狭长，人员密集，火灾时期烟气温度高、有害气体浓度高、人员疏散与救援困难等特点，并且火灾中人员的死亡主要是由于烟气造成的[2-3]，防排烟系统设计成为不可或缺的一部分，其中排烟口的水平布置是一个关键性问题；排烟口水平位置确定不当，火灾时期排烟效果就很难保证，若将排烟口设置在烟气蔓延的一维水平运动阶段时，将明显加剧烟气层界面的湍流卷吸，导致排烟效果不理想[4]，当前“侧室-通道”结构建筑的排烟口布置方式一般参考规范对排烟口的水平布置方式，即“排烟口距离所在防烟分区最远端不超过30 m”[5]和“与附近安全出口沿走道方向相邻边缘之间的最小水平距离不应小于 1.50 m” [6]，很难满足设计要求，不少学者对排烟口在垂直方向上的布置方式的排烟效果进行过研究[7-8]，均能给出排烟口靠顶棚布置能够提高排烟效率的结论，但是对于排烟口在水平方向上的布置方式的排烟效果并未过多探讨；本文针对排烟口在水平方向上的不同布置方式的排烟效果进行了一系列对比研究，得出了一些结论。

1 模型简介

1.1 工程模型

选用某地下商业街一个防火分区为研究对象，该分区中通道尺寸（防烟分区使用面积）：75m×6m×3m，疏散出口位于分区两端，疏散出口尺寸为2.5 m×3 m；排烟口布置于通道顶棚，尺寸为0.8 m×0.6 m（见图1）。根据规范采用排烟量每平方米面积不小于60 m3/h（计算排烟风机风量时应考虑10%～20%的漏风量），为了避免补风量对排烟效果的影响，假设补风量为50%，补风口均匀布置于通道侧壁下部，补风口尺寸为0.4 m×0.4 m。

（a）防火分区俯视图

（b）防火分区主视图

图1 工程模型示意图1.2 火源模型

排烟口布置方式是相对于而言，在火源位置选取上，为了满足最远疏散距离不超过40 m的要求，确定火源位于防火分区中间位置的侧室内，侧室尺寸6 m×6 m×3 m，门洞为2m×2.5m。由于未设置喷淋系统的地下商业街火灾在轰燃前的热释放速率可达2 MW以上[9]，设定火源为1.5 MW快速火，火灾增长系数为0.046 9 kW/s-2，火源位于侧室中间部位。

1.3 测点布置与确定模拟工况

由于主要研究疏散出口区域的烟气参数，考虑到火灾过程中，人员疏散时烟气温度的对人员产生的危害性较大，以及能见度在人员疏散过程中的重要性，所以在靠近疏散出口区域1.8 m高度分别均匀对称设置6个温度测点和6个能见度测点；在高度1.8 m处设置能见度、温度、烟气水平蔓延速度切片。为了对比排烟口水平方向布置方式对排烟效果的影响，分别对水平方向均匀布置、集中布置、靠近疏散出口布置和靠近火源点布置四种工况条件下的排烟效果进行了对比分析。工况1（均匀布置）为5个排烟口均开启，排烟量均匀分配；工况2（集中布置是相对于工况1而进行定义的）为开启两端排烟口A1、A2和通道中间位置排烟口C，3个排烟口平均分配排烟量；工况3（靠近疏散出口布置）为开启通道内靠近两端疏散出口的4个排烟口A1、A2、B1、B2，4个排烟口平均分配排烟量；工况4（靠近火源布置）为开启通道内靠近火源的3个排烟口B1、B2、C，3个排烟口平均分配排烟量（见表1）。

1.4 数值模拟方法与边界条件

火灾发生后，烟气由发生火灾的侧室涌入通道，发生在通道内的烟气流动是三维非稳态的不规则流动。运用当前火灾模拟软件Fire Dynamics Simulator（FDS）能够很好的模拟出火灾烟气流动过程中的各种速度、压力、温度等参数的变化；采用FDS模拟软件的大涡模拟（LES），该模型是目前解决流体动力学问题最常用的，并且能够得到很好的模拟结果。模拟软件对于边界条件均给出了默认值，考虑到工程模型实际，选环境温度为T0=20 ℃，对于通道的壁面统一处理为混凝土。

2 模拟的结果的对比分析

2.1 不同工况条件下疏散出口区域烟气参数变化趋势

不同工况条件下疏散出口区域1.8 m高度烟气温度与能见度随时间的变化趋势如图2～图3所示。由于烟气水平蔓延受阻侵入人员疏散高度，所以能否延迟疏散出口区域的烟气温度与能见度达到危险值是判定排烟系统排烟效果的一个重要标准。

图2 疏散出口区域1.8 m高度烟气温度 由图2可见，火灾发展前期，工况3疏散出口区域烟气温度最先开始升高且高于其他工况，这主要是由于工况3通道内靠近火源位置的排烟口C未开启，造成大量高温烟气在通道内蔓延；工况1、2、4在火灾发展前期疏散出口区域烟气温度的发展趋势上没有较大区别，这主要是由于三种工况条件下通道内靠近火源位置的排烟口C均处于开启状态，故可以判断靠近火源布置的排烟口（C）在火灾发展前期对于延迟疏散出口区域温度达到危险临界值有明显的优势。

图3 疏散出口区域1.8 m高度能见度由图3可见，火灾发展前期四种工况对出口区域的能见度改善上有明显的区别，工况3相对于工况1和4，烟气层向疏散高度侵入时间提前20～30 s；图2与图3所显示规律基本一致。工况3劣于工况2，这主要是由于工况3和工况2靠近疏散出口区域的排烟口A1、A2处于开启状态，且工况3排烟口A1、A2所分配的排烟量要略大于工况2。

综合上述分析可知，靠近火源布置的排烟口（C）在火灾发展前期对于延迟疏散出口区域温度达到危险临界值有明显的优势；靠近疏散出口区域的排烟口（A1、A2）则会提前疏散出口区域能见度达到危险临界值时间。

2.2 不同工况条件下疏散出口区域烟气时均值

不同工况条件下火源功率达到最大值疏散出口区域距离疏散出口不同位置1.8m高度烟气层温度与能见度时均值如图4～图5所示。

由图4可见， 均匀布置排烟口时（工况1）疏散出口区域的烟气时均值为55 ℃， 比集中布置排烟口（工况2）58 ℃低5.4%；靠近火源布置排烟口时（工况4）疏散出口区域的烟气温度时均值为54.7 ℃，靠近疏散出口布置排烟口时（工况3）61 ℃低11.5%；工况4条件下烟气温度略低于工况1，主要是因为工况4属于近火源布置方式，在烟气蔓延初期排烟系统排出了大量高温烟气，所以单从烟气温度考虑，工况4要优于工况1。

由图5中疏散出口区域烟气能见度时均值可见，工况2为最不利方式；均匀布置排烟口时（工况1）疏散出口区域的能见度时均值为9.5 m，比集中布置排烟口时（工况2）8.5 m提高10%。靠近火源布置排烟口（工况4）疏散出口区域的能见度时均值为9.0 m，略低于靠近疏散出口布置排烟口时（工况3）的9.3 m。此时工况3与工况1相近，主要是因为工况3条件下疏散出口区域排烟能力大大增强，能够将疏散出口区域的烟气大量排出，疏散出口区域能见度得到改善，但是由于工况3条件下，通道上层烟气向通道两端蔓延趋势增强，烟气层与下层空气层之间的热质交换加强，下层空气层温度相对较高。

综合上述分析可知，疏均匀布置排烟口与靠近火源布置排烟口排烟效果相当；均匀布置排烟口时，疏散出口区域能见度提高；靠近火源布置排烟口时，疏散散出口区域烟气温度较低。

3 结论

1） “侧室-通道”结构采用机械排烟时，排烟口布置形式对排烟效果影响较大。排烟口均匀布置相对于集中布置，疏散出口区域烟气温度降低5.4%，能见度提高10%；排烟口靠近火源布置相对于靠近疏散出口布置，疏散出口区域烟气温度降低11.5%，能见度略有减小。

2） 对于“侧室-通道”结构建筑，在经济允许的前提下，应适当增加排烟口数量；在排烟量分上应按照通道中一个防烟分区内远离疏散出口的排烟口排烟能力适当增强，而靠近疏散出口的排烟口的排烟能力适当减小；工程应用中在排烟口数量有限且均匀布置有困难时，可选择尽量将排烟口布置在防火分区中部远离疏散出口位置可提高排烟效果。

参考文献：

[1] 李晓，杨立中，武来喜，等.火源位置对房间-走廊式结构下烟气危害性影响的实验研究[J].火灾科学，2009（2）：88-94.

[2] 陈珊珊，蒋勇，邱榕，等. 某商铺火灾热和烟气危害性数值研究[J]. 哈尔滨工程大学学报，2012（9）：1 097-1 103.

[3] BESSERRE R，DELORT P.Recent studies prove that the main cause of death during urban fires is poisoning by smoke[J].Urgences Medicales，1997，16（2）：77-80.

[4] 纪杰，霍然，胡隆华，等.长通道内排烟口与火源相对位置对机械排烟效果的影响[J].工程力学，2009（5）：234-238.

[5] 国家人民防空办公室， 中华人民共和国公安部. GB 50098-2009人民防空工程设计防火规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2009.

[6] 中华人民共和国公安部. GB 50016-2006建筑设计防火规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2006.

[7] 靖成银，何嘉鹏，周汝.自然通风下横向走道防排烟方式和排烟口位置对烟气状态的影响模拟[J].中国安全科学学报，2007（11）：48-53.

[8] 许小磊，何嘉鹏，周汝，等.某高层建筑条形走廊排烟口布置方式的研究[J]. 安全与环境学报，2011（1）：172-175.

[9] 兰彬，梅秀娟，张文良，等.地下商业街火灾热释放速率试验研究[J].消防科学与技术，2000（2）：4-8.

（责任编辑：何学华 吴晓红）