移动式排烟机在地下超市火灾中的排烟效果

杨 华

(济南市消防支队，山东 济南 250100)

移动式排烟机在地下超市火灾中的排烟效果

杨 华

(济南市消防支队，山东 济南 250100)

以某地下超市为研究对象，应用数值模拟方法，对灭火救援中通常采用的移动式排烟机对该场所火场排烟的作用进行了研究。考虑火场中机械排烟系统正常启动和未启动两种情况,分别针对排烟量为36 000和45 000 m3·h-1两种较常用的移动式排烟机进行了讨论，对火场中不同的排烟策略进行了分析，并得到相关结论，为此类地下超市采用移动式排烟机进行火场排烟时排烟方式的选择和灭火救援方案的制定提供参考。

灭火救援；移动式排烟；地下超市；火场排烟

0 引言

地下建筑由于在自然排烟设施设置、人员疏散以及灭火救援开展等诸多方面存在困难，一旦发生火灾，扑救难度远远大于地上建筑。对于地下建筑的火灾扑救而言火场排烟尤为重要。在火场中，采取正确而及时的排烟措施，可以有效地排除建筑内的烟气，辅助灭火救援行动的开展，增加被困人员的存活几率。移动式排烟是地下建筑火灾时灭火救援人员进入起火部位进行灭火战斗时常用的排烟手段。在火灾发生时，如果建筑内的固定排烟设施即建筑内机械排烟系统有效，应用移动式排烟机进行火场排烟是对固定排烟设施的重要辅助和补充。建筑内机械排烟系统因火灾失效的情况下，移动式排烟机将承担对建筑物内火灾烟气控制的任务。本文针对地下超市某一具体场景，结合当前基层消防中队移动式排烟机的配备情况，通过数值模拟方法对不同机械排烟系统状态下、应用不同排烟量的移动式排烟机、采用不同火场排烟策略时的排烟效果进行分析，为火场移动排烟策略的选择和灭火救援方案的制定提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

选择位于地下一层某超市作为研究对象，该超市防火分区面积2 000 m2，无开设自然排烟设施条件，全部采用机械排烟设施进行排烟。该防火分区共分为6个防烟分区，机械排烟系统按照该建筑建设时适用的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)进行设计，单位排烟量为120 m3·h-1·m-2。该地下超市的机械排烟口、安全出口设置位置、防烟分区划分及防火分区如图1所示。

1.2 数值计算模型

图1 某地下超市防火分区及防烟分区示意图

通过数值模拟方法对火场排烟进行模拟分析研究，与实体实验相比节省人力物力，且可以对多种火场排烟策略和方案进行模拟对比，是一种开展虚拟训练、为火场移动排烟策略的选择和灭火救援方案的制定提供参考的既有效又经济的方法。火灾数值模拟程序FDS(Fire Dynamics Simulator)应用于模拟火灾烟气蔓延的有效性已经得到了广泛、深入的研究和验证[1]。地下超市中火灾烟气的蔓延可以通过纳维尔·斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)进行描述。FDS采用大涡模拟(LES)对控制方程进行求解，并且在空间和时间上具有较好的二阶精度[2-3]。动力粘度、热传导率和物质扩散系数是LES中影响模拟结果质量的三个重要参数。这三个参数在实际模拟中无法直接应用，Smagorinsky给出了LES中体现这三个参数对控制方程影响的近似表达式[4]。他们给出的动力粘度μ表达式为：

式中，CS为Smagorinsky常数，不同流场的CS取值范围在0.1～0.25之间。前人的研究表明，对于建筑火场中的火灾烟气强浮力羽流，CS取0.18时实验数据与仿真结果有很好的一致性[5]。

热传导率和物质扩散系数与湍流粘度的关系可以用下式表达：

式中，Pr和Sc分别为Prandtl数和Schmidt数。Prandtl数和Schmidt数对于模拟火灾烟气蔓延和计算烟气层高度有重要作用。根据前人对于隧道内热浮力驱动流的研究结果[6]，当Pr和Sc分别取0.2和0.5时，烟气层高度的模拟计算值与实验结果有很好的一致性。因此，在本文研究中，Pr和Sc分别取0.2和0.5。

LES中的网格尺寸需要足够小，以便能够涵盖更多的与大涡运动有关的湍流尺度[2]。FDS推荐了一个用来衡量网格尺寸划分和湍流求解好坏与否的无量纲数[1]，该无量纲数由特征火源直径除以网格尺寸得到，即D*/δx。其中特征火源直径表示为：

美国核管制委员会开展的验证研究建议，D*/δx值应在4～16之间[7]。本研究中网格尺寸为0.25×0.25×0.25，计算区域共包括175 000个网格单元。设定的火源功率为1.8MW。通过计算可知D*/δx的值在4～16的范围内。CO浓度是火灾安全风险评估的重要参数，本文应用混合物分数燃烧模型对CO浓度进行模拟。

2 火灾场景及火场排烟方案设置

本文共设置了8个火灾场景及火场排烟方案，设置1个火源位置，如表1所示。由于该区域的可燃物主要是商品，发生火灾时为快速火，火灾增长速率α取0.046 89kW·s-2。参考《上海市工程建设规范——建筑防排烟技术规程》(DGJ08-88—2006)中给出的各类场所热释放速率值，考虑该场景火灾热释放速率按照设有喷淋的超市设计，同时又考虑到该地下超市的自动喷水灭火系统采用快速响应喷头，因此热释放速率设计为1.8MW。在该场景中，设计火灾以快速火增长到1.8MW，以后持续以1.8MW的热释放率稳定燃烧。根据基层消防中队所配备的移动排烟设备的实际情况，其排烟量基本在45 000m3·h-1以下，因此本研究选取了排烟量为36 000和45 000m3·h-1两种较常用移动式排烟机展开模拟计算。对于固定排烟设施，本文考虑正常启动和失效两种状态。

表1 火灾场景及火场排烟方案

针对此类地下超市建筑，灭火救援中通常采用水平排烟方式，较为常用的包括正压送风排烟和负压式排烟[8]。在火场排烟实际应用中，利用移动式排烟机进行正压送风使用频率较高。正压送风可以有效控制地下建筑内火灾烟气蔓延，同时也可以为开展内攻的消防员寻找起火部位和开展灭火救援提供更高能见度和安全性的灭火救援条件。负压式排烟多用于灭火战斗结束后清理火场。本文结合正压送风排烟和负压式排烟两种方法的特点，选择使用正压送风排烟和负压式排烟相结合的火场排烟方案。由于该地下超市东西方向进深较长，南北方向开间较短，本文分别选择在安全出口A进行正压送风、在安全出口B、C负压式排烟(方案1)以及在安全出口A进行负压式排烟、在安全出口B、C正压送风(方案2)两种火场排烟方案。考虑到消防灭火救援力量到场时间以及战斗展开时间，移动式排烟机启动的时间保守设为起火后600s。对于其他火场排烟方案，将在下一步研究中进行深入探讨。

3 模拟结果与分析

选取CO浓度和能见度作为分析火场排烟作用的指标。BS7974和SFPE针对CO浓度和能见度分别给出了相应的安全性标准，当CO浓度大于500ppm或能见度小于10m时即为危险状态。研究表明BS7974和SFPE给出的安全性标准适用于界定火场中被困人员和灭火救援人员的安全状态[9-10]。下文针对地下一层地面以上2m处的CO浓度和能见度进行分析。

3.1 固定式机械排烟系统启动

3.1.1 移动排烟量45 000m3·h-1

移动式排烟量设置为45 000m3·h-1时，通过模拟对比火灾场景1和场景2的CO浓度分布和能见度分布可知，火灾烟气在火灾发生后迅速蔓延，300s时安全出口B处由于走道狭窄出现CO积聚，浓度超过500ppm，安全出口B处能见度低于10m。在600s时，安全出口A和B附近均出现较大区域CO浓度大于500ppm，能见度低于10m。但是由于机械排烟系统的作用，防火分区内部基本处于安全状态。630s时，两个场景中的CO浓度均有所降低，能见度均有所提高。但场景1的排烟效果优于场景2的排烟效果。

3.1.2 移动排烟量36 000m3·h-1

移动式排烟量设置为36 000m3·h-1时，通过模拟对比火灾场景3和场景4的CO浓度分布和能见度分布可知，火灾烟气在发展到600s时的趋势与场景1和场景2类似，防火分区内部基本处于安全状态。630s时，两个场景中的CO浓度均有所降低，能见度均有所提高。由于移动式排烟量比场景1和场景2小，场景3和场景4的火场排烟效果分别与场景1和场景2相比较差。采取方案1的场景3的排烟效果基本满足火场排烟要求，而采用方案2的场景4的排烟效果不理想。

3.2 固定式机械排烟系统未启动

3.2.1 移动排烟量45 000m3·h-1

移动式排烟量设置为45 000m3·h-1时，通过模拟对比火灾场景5和场景6的CO浓度分布和能见度分布可知，由于机械排烟系统未启动，火灾烟气在封闭空间内迅速蔓延，烟气层迅速沉降。300s时安全出口A和B处的CO浓度均已经超过500ppm，安全出口A和B处均出现能见度低于10m的区域。600s时整个防火分区CO浓度全部超过500ppm达到危险状态，能见度全部达到危险状态。630s时，两个场景中的CO浓度均有所降低，但是排烟效果均不理想。采取方案1的场景5中，除了进行正压送风的安全出口A与火源之间的区域可以保障CO浓度低于500ppm、保障较高能见度以外，其他区域CO浓度均较高、能见度均较低；采取方案2的场景6中，除了局部区域CO浓度略低于500ppm外，大部分区域火场排烟效果不明显。

3.2.2 移动排烟量36 000m3·h-1

移动式排烟量设置为36 000m3·h-1时，通过模拟对比火灾场景7和场景8的CO浓度分布和能见度分布可知，火灾烟气在发展到300s和600s时发展趋势与场景5和场景6情况类似，在600s防火分区全部处于危险状态。630s时，采取方案1的场景7移动式排烟机可以保障进行正压送风的安全出口A附近CO浓度低于500ppm、能见度高于10m，而采用方案2的场景8的排烟效果不佳。

4 结论

从模拟结果来看，当固定式机械排烟系统正常开启时，在600s的时间范围内，机械排烟系统可以保障防火分区绝大部分面积处于安全状态。当机械排烟系统不能正常启动时，防火分区内部分区域在300s时已处于危险状态，600s时防火分区全部处于危险状态。说明固定式机械排烟系统的正常启动对于火灾烟气控制至关重要。相关消防安全责任主体单位和消防设施维护保养单位应按相关规范制定详尽的消防设施管理和维护保养措施，进行定期维护保养，确保固定消防设施正常工作。消防战训部门应强化“防消联勤”工作模式，强化消防战训部门对辖区单位内部固定消防设施情况的熟悉工作。

机械排烟系统正常启动情况下，移动式排烟量为45 000m3·h-1时，采取排烟方案1和方案2均能有效排烟；移动式排烟量为36 000m3·h-1时，采取排烟方案1时火场排烟效果可以满足火场排烟要求，采用方案2排烟效果不佳。机械排烟系统不能正常启动时，移动式排烟量为45 000m3·h-1时，采取火场排烟方案1可以保障安全出口A与火源之间区域处于安全状态，采取方案2时排烟效果不佳；移动式排烟量为36 000m3·h-1时，采取火场排烟方案1可以保障安全出口A附近处于安全状态，采用方案2排烟效果不佳。从模拟计算结果来看，无论采取何种火场排烟方案及移动式排烟量，当时间达到900s时所达到的排烟效果基本趋近一致，但对于时间十分宝贵的灭火救援行动而言，能够在更短的时间内达到排烟效果从而为灭火战斗和被困人员救援提供有力保障，无疑是十分重要的。因此，当该地下超市起火位置如本文设定的位置时，火场排烟方案1明显优于方案2。此类地下超市开展火场排烟时，应尽量使正压送风和负压排烟风机设置于有利于使火场在进深方向形成纵向通风的位置，且应使负压排烟量大于或等于正压送风量。

由于火场排烟效果与火源位置、固定式机械排烟系统排烟口位置、防火分区平面和防烟分区划分等多种因素有关。针对以上因素对于此类地下超市火场排烟作用的影响，还有待进一步研究。本文中基于FDS数值模拟的研究结果可为此类地下超市火场采用移动式排烟机开展排烟时排烟方式的选择和灭火救援方案的制定提供参考。

[1]FRIDAYPA,MOWRERFW.ComparisonofFDSModelPredictionswithFM/SNLFireTestdata[M].NationalInstituteofStandardsandTechnology,Gaithersburg,MD,2001.

[2]McGrattanK,McDermottR,etal. Fire Dynamics Simulator (version 5) User’s Guide[K]. National Institute of Standards and Technology, Washington, DC,2009.

[3] McGrattan K, HOSTIKKAS,etal. Fire Dynamics Simulator (version 5) Technical Reference Guide[K]. National Institute of Standards and Technology, Washington, DC,2009.

[4] SMAGORINSKY J. General Circulation Experiments with the Primitive Equations I. The Basic Experiment[J]. Monthly Weather Review,1963,(3).

[5] ZHANG W, HAMER A, KLASSEN M,etal. Turbulence Statistics in a Fire Room Model by Large Eddy Simulation[J]. Fire Safety Journal,2002,37.

[6] HUA L H, HUO R, CHOW W K. Studies on Buoyancy-driven Back-layering Flow in Tunnel Fires[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2008,32.

[7] NUREG—1824. Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications[M]. United States Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC,2007.

[8] 荀迪涛，李思成,王万通.灭火战斗中火场排烟方法探讨[J].消防科学与技术，2014,33(1):99-102.

[9] BS 7974. Application of Fire Safety Engineering Principles to the Design of Buildings——Code of Practice[S]. British Standards Institution, London, UK,2001.

[10] Society of Fire Protection Engineers. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering,2008 Edition[K]. National Fire Protection Association, Quincy, MA,2008.

(责任编辑 马 龙)

Study on Smoke Extraction Functions of Mobile Smoke Ventilator in the Underground Supermarket Fire

YANG Hua

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250100,China)

Based on the numerical simulation method, the study on smoke extraction functions of mobile smoke ventilator which is common-used in the firefighting of the underground supermarket fire was conducted. Two common types of exhaust volume were discussed, namely 36 000 and 45 000 m3·h-1. The different fire ventilation strategies in a specific fire scenario were analyzed. The effect of mechanical smoke extraction system was considered. The results are applicable to the selection of smoke extraction method of mobile smoke ventilator and formulation of firefighting and rescue plan in such kind of underground supermarket fire.

firefighting and rescue; mobile smoke ventilator; underground supermarket; fire smoke extraction

2015-07-16

杨华(1986— )，男，山东泰安人，工程师，工学博士。

TU892

A

1008-2077(2015)10-0017-04