火源功率对竖井负压控烟效果影响的实验研究

孙　焕，李元洲

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



火源功率对竖井负压控烟效果影响的实验研究

孙焕，李元洲*

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

摘要:基于竖井的烟囱效应原理，利用小尺寸实验台开展了一系列实验，通过改变油盘的尺寸，对竖井内的烟气温度、压力、速度以及通风口处的压力、气流速度进行测量，研究了火源功率对房间利用竖井进行负压控烟效果的影响。实验结果表明:一方面随着火源功率的增大，室内温度升高，热烟气形成的热压增大，使烟气向外膨胀;另一方面，竖井底部的烟气温度升高，竖井底部的负压值增大，烟囱效应增强，排烟速度增大，新鲜空气补入的速度增大，逐渐抑制住烟气从通风口向外溢出，达到了负压控烟的效果。

关键词:竖井;烟囱效应;火源功率;通风口;负压控烟

0　引言

火灾的发生往往伴随着烟气的产生，而火灾中的死亡大多是由于烟气窒息或中毒造成的。高层建筑内存在大量竖井、楼梯井、电梯等竖向通道，一旦发生火灾，烟气进入竖向通道，在烟囱效应的作用下，易造成火灾及烟气的快速蔓延，给建筑内的人员安全造成很大威胁。所以采取措施及时有效地组织控制着火房间内的烟气运动，将烟气控制在一定的范围内，使之不在整个高层建筑内蔓延，对防止火灾蔓延，保护人员的安全是非常有意义的。

室内燃烧是一种受限空间中的燃烧，通常室内存在可燃物，而燃烧所用的空气需由外界供给，房间一侧的通风口为新鲜空气流入及烟气流出的通道［1］。显然热烟气从通风口上半部流出，冷空气从通风口下半部流入，两者之间存在压力中性面。然而通过在房间的顶部连通一个竖井，其自然形成的烟囱效应可以在房间内形成负压，该负压的存在会对着火房间内的烟气流动产生重大影响，当负压足够大的时候，通风口处只会有新鲜空气流入，烟气则不会从通风口处溢出，而是直接从竖井排出。从而有效地将烟气控制在着火房间内，达到防止火灾蔓延的目的。

人们对高层建筑火灾烟气的流动与控制进行了大量的研究，国内外一些学者的研究［2-9］主要集中在烟囱效应的形成机理及在楼梯井、竖井内的运动机理和模型方面，对于利用烟囱效应进行排烟、控烟的研究较少。张［10］对高层建筑中利用竖井排烟的可行性进行了研究，李［11］进行了高层建筑房间利用竖井进行负压控烟的可行性研究。但利用竖井进行负压控烟的效果受到许多因素的影响，本文通过建立小尺寸实验台开展一系列实验，研究了火源功率对高层建筑房间利用竖井进行负压控烟效果的影响。

1　理论分析

烟囱效应是高层建筑发生火灾时，烟气向上蔓延的主要因素。一般情况下，建筑物内部较热而外部较冷，存在与外界相通的开口时，由于内外界压差，空气通常呈现出下进上出的流动模式。

图1　竖井水力分析图Fig.1 Hydraulic analysis in shaft

从流体力学可知，当空气在竖井内流动时，如图1所示，对于竖井入口与出口的总水头可用伯努利方程表示:

式中: P1、P2分别为竖井入口、出口截面处绝对压力，Pa; h1、h2分别为竖井入口、出口截面处的高度，m;ρ0、ρs分别为空气密度、烟气密度，g/cm3; v1、v2分别为竖井入口、出口截面处烟气的流动速度，m/s;ΔPs1为竖井入口、出口两截面之间的烟气流动阻力，Pa。

地面的大气压力为P，在任一截面处空气的绝对压力等于其表压力和大气压力之和，即:

式中，Ph1、Ph2分别为竖井入口、出口截面处的表压力，Pa; P为地面处的大气压力，Pa。

两截面的表压力差为:

式中，ΔPsd为由于介质速度变化而引起的压力水头损失称速度损失，Pa;

ΔPzs为由于密度变化而引起的流动损失，称自生通风力，Pa，记为:

竖井入口、出口的压差决定了竖井空气流动的方向，由式(4)可知，两截面的压差主要由沿程阻力损失、速度阻力损失和自生通风力组成。速度损失是由于通过截面变化或介质温度变化引起的介质速度变化造成。根据假设，对于在无截面变化的竖井内流动的一定质量的空气，可忽略速度损失造成的影响。流动水力损失是介质沿壁面流动而产生的沿程摩擦阻力，它始终与气流方向相反。因此，在无外力作用下，ΔPzs对于竖井内空气流动的方向和大小起到了重要的作用。

建筑物内外的压差变化与大气压相比要小得多，因此可根据理想气体状态方程得:

由此可以看出，自生通风力ΔPzs与烟气的温度有关，当竖井底部的温度升高，自生通风力增大，而温度又与火源功率有关。

热释放速率是表示火灾发展的一个主要参数，其可以通过下式计算得到［12］。

火源功率增大，室内温度升高，进入竖井底部的烟气温度亦会升高，则会对烟气的流动有不同的影响。一方面，室内温度的升高会使得房间内的热压增大，使得烟气向外膨胀，易从通风口处溢出;另一方面竖井底部的温度升高会使得竖井底部的负压值增大，烟囱效应增强，排烟速度增大，通风口处补入新鲜空气的速度增大，则可能会抑制住烟气溢出房间。因此本文便以此为研究点，通过改变油盘尺寸的大小，研究火源功率对利用竖井进行负压控烟效果的影响，能否抑制烟气从通风口处溢出。

2　实验设计

本实验是在火灾科学国家重点实验室大空间实验厅内的楼梯井实验台上进行的小尺寸实验，如图2所示。起火房间尺寸是0.8 m(长)×0.8 m(宽) ×1 m(高)，竖井高度为10 m，截面为0.2 m(长) ×0.2 m(宽)。

图2　竖井实验台Fig.2 Experiment table

为了研究火源功率对高层建筑房间利用竖井进行负压控烟的影响，通过改变油盘尺寸来改变火源功率，故设计了不同尺寸的油盘: 0.08 m×0.08 m、0.1 m×0.1 m、0.12 m×0.12 m、0.14 m×0.14 m、0.2 m×0.2 m。油盘放置在天平上，位于房间的中间位置，采用无水乙醇作为燃料，其平均热值为3.0×104kJ/kg。通过天平记录质量损失速率，从而计算火源的热释放速率，所有燃料效率取为0.8。为了测量竖井内和房间内的温度变化情况，分别在竖井内设置了一串11个间隔为1 m的热电偶，在房间内一侧设置了一串5个从室内高度0.6 m到1.0 m间隔为0.1 m的热电偶，共计16个温度测点，热电偶的型号均为K型，直径为1 mm。同样为了记录竖井内的压力变化情况，在竖井内设置了一串6个间隔为2 m的压力传感器。除此之外在竖井底部设置了一个速度探头，用于测量排烟速度。在房间的侧壁上设置有通风口，并在通风口上边缘的中间位置处分别设置了一个压力测点和一个速度测点。实验工况如表1所示。

3　结果分析

3.1火源功率对烟囱效应的影响

表1给出了各尺寸油盘在稳态燃烧阶段的热释放速率值，图3给出了所有工况下室内温度的变化情况。可以知道，随着室内高度的增大，温度在不断升高。随着油盘尺寸的增大，火源功率增大，室内顶部的温度不断增大，因此进入竖井底部的烟气温度也将会不断升高。

表1　实验工况表Table 1　 List of test conditions

图3　室内温度的变化曲线Fig.3 Variation of indoor temperatures

由图4竖井内的温度分布情况可以知道，随着火源功率的增大，竖井底部的温度不断增大，与上述室内顶部的温度的变化情况一致;且当火源功率一定时，竖井内的温度随着相对竖井底部高度的增大而减小。竖井底部的温度越大，室内外的温差便会越大，从而使得竖井底部的压差越大，烟囱效应越强烈，排烟速度越大。

由图5不同工况下，竖井内的压力分布情况可以看出，所有的工况下，竖井内的压力均为负压，且对于同一个火源功率来说，竖井内的负压值随着相对竖井底部的高度的升高，而不断减小，逐渐趋近于室外压力。竖井底部的负压值随着油盘尺寸的增大不断增大，这是由于火源功率增大，使得进入竖井底部的烟气温度不断增大，室内外温差亦不断增大。竖井底部的负压值越大，烟囱效应越剧烈。从图5中可看出，火源功率较小时，最下部测点的绝对压差小于第二个测点的绝对压差，但随着火源功率增加，最低点的绝对压差又逐渐增大，并最终大于第二个测点的绝对压差。这是因为在烟囱效应作用下，烟气是倾斜着流动进入竖井的，当火源功率较小时，在竖井底部的流动并不剧烈［13，14］，动压较小;而火源功率增大时，流动加强，对竖井底部的扰动增加，动压增大，使压差又变大。由图6可以看出，随着火源功率的增大，竖井底部的排烟速度不断增大。

图4　竖井内不同高度的温度变化曲线Fig.4 Variation of temperature in the shaft

图5　竖井内的压力变化曲线Fig.5 Variation of pressure in the shaft

因此在其它条件一定的情况下，火源功率增大，竖井底部的负压值增大，烟囱效应增强，排烟速度增大，越易将烟气从竖井内排出。

图6　竖井底部的排烟速度Fig.6 Variation of velocity at the bottom of shaft

3.2火源功率对负压控烟效果的影响

如上述所述，火源功率的增大一方面会使在竖井底部的负压值增大，烟囱效应增强;另一方面温度升高也会使热压增大，烟气向外膨胀的压力也增大。压力测点布置在通风口的上边缘处的中间位置，若测得此处的内外压差是负值，说明室外的压力大于室内的压力，在通风口处不存在中性面，没有烟气溢出，烟气都是从竖井排出;若测得压力大于0，说明在通风口处存在压力中性面，新鲜空气从中性面以下流入室内，烟气从中性面以上溢出房间。图7给出了通风口处的压力变化情况。由图7可知，通风口处的压力随着火源功率的增大而减小，由正值逐渐转变为负值，说明烟气逐渐由有溢出转变为没溢出。

同样在通风口上边缘的中间位置设置速度测点，图8给出了通风口处的风速随火源功率的变化情况。可以知道，随着火源功率的增大，通风口处的风速不断增加。这是因为随着火源功率增大，烟囱效应增强，排烟速度增大，所以为了补充更多空气，通风口处的风速亦会随之增大。与图6竖井底部的排烟速度的变化情况是相对应的。如图8所示气流速度小于0，说明此测点处气流流动方向是由室内到室外，烟气溢出。气流速度大于0代表此测点处气流流动方向是由室外到室内，外界新鲜空气流入室内。

由上述分析可以知道，当火源功率为20.4 kW和29.8 kW时，通风口上边缘的压力均大于0，速度均为负值，说明室外压力小于室内压力，这两种工况均有烟气从房间内溢出，一方面是因为当火源功率较小时，竖井底部的温度不高，其所产生的负压值不大，烟囱效应并不强烈，因实验条件的限制，房间与竖井的连接有一段弯道，且受到阻力的影响，没有使烟气迅速从竖井内排出;另一方面，房间的热烟气所形成的热压迫使烟气向外膨胀，以至于烟气从通风口处溢出。当火源功率分别为41.6 kW、54.3 kW 和85.4 kW时，此3种工况通风口上边缘的压力均小于0，速度均大于0，说明室外压力大于室内压力，没有烟气从房间内溢出，整个通风口都用于补充新鲜空气。这说明火源功率增大，竖井底部的温度升高，其对烟囱效应的影响要大于对热压的影响，烟囱效应增强，新鲜空气补入的速度较快，致使烟气均从竖井排出，抑制了烟气从通风口处溢出。

图7　通风口上边缘处压力Fig.7 Variation of pressure at the upper edge of the air vent

图8　通风口上边缘处的风速Fig.8　 Variation of velocity at the upper edge of the air vent

4　结论

本文利用小尺寸实验台开展了一系列实验，通过改变油盘尺寸大小，分析了房间内的温度变化，竖井内的温度、压力、速度变化情况以及通风口处压力、速度的变化情况，研究了火源功率对高层建筑房间利用竖井进行负压控烟的效果的影响。

1)基于烟囱效应的原理，理论分析了高层建筑房间利用竖井进行负压控烟的基理，了解到火源功率的变化对负压控烟效果有一定的影响。

2)随着火源功率的增大，一方面进入竖井底部的烟气温度升高，内外温差增大，在竖井底部产生的负压值增大，烟囱效应增强，房间内的负压值增大;另一方面温度升高也会使热压增大，烟气向外膨胀的压力也增大。当通风口处的负压足够大的时候，通风口处将不会存在中性面，不会有烟气溢出。

3)对于本实验其它条件不变的情况下，在油盘尺寸较小时，火源功率比较小，烟囱效应不强烈，但热烟气形成的热压使得烟气向外膨胀，新鲜补入的速度不足以抑制烟气的溢出;当火源功率增大，烟囱效应增强，但其对热压的影响相对较小，在通风口处形成负压，室外压力大于室内压力，抑制了烟气的溢出。说明对于本实验条件下，随着火源功率的增大，烟囱效应增强，房间内的烟气由溢出通风口到没有烟气溢出，负压控烟效果增强。

4)通过实验可以看出，利用竖井产生的烟囱效应在房间内产生的负压，可以有效地抑制烟气溢出起火房间。

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Influence of fire source on the negative pressure smoke control by shaft stack effect: Experimental studies

SUN Huan，LI Yuanzhou
(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Abstract:Based on the principle of stack effect，a set of experiments were carried out by varying the pool size in a small scaled configuration，and the effect of the fire power on smoke control in the room using a shaft was studied.The temperature，pressure，velocity in the shaft，as well as the pressure and velocity in the vent were measured and studied.Results showed that with the increase of fire power，the temperature in the room and the pressure produced by hot smoke increased，making the smoke expands outward.On the other hand，the temperature and the negative pressure at the bottom of shaft increased，with enhancement of stack effect，and the increase of the smoke velocity and the velocity in the vent，inhabiting the smoke overflow from the fire room gradually.By these effects，the smoke can be successfully controlled by negative pressure.

Keyword: Shaft; Stack effect; Fire power; Vent; Negative pressure

通讯作者:李元洲，E-mail: yzli@ustc.edu.cn

作者简介:孙焕，女，安徽人，中国科学技术大学硕士，研究方向为建筑防排烟研究。

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目;江苏省科技计划项目(BE2016643)资助。

收稿日期:2015-03-20;修改日期: 2015-04-24

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.02

文章编号:1004-5309(2015) -00129-07

中图分类号:TU998.1; X923; X932

文献标识码:A