“Z型”中庭烟气流动及自然排烟特性实验研究

黄 斌，舒 雅，姚 斌

(1.海南省海口市公安消防支队，海口，570200；2.四川法斯特消防安全性能评估有限公司，成都，610000；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



“Z型”中庭烟气流动及自然排烟特性实验研究

黄 斌1，舒 雅2，姚 斌3*

(1.海南省海口市公安消防支队，海口，570200；2.四川法斯特消防安全性能评估有限公司，成都，610000；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

“Z型”中庭自然排烟设计已经在部分高层建筑中实际运用。然而，现有规范对此类设计方法无具体指导性消防安全要求，同时缺乏相关研究。通过在海南某高层建筑中开展全尺寸火灾实验，选取中庭和办公室不同火灾区域和规模，在不同外界风向和风速下，通过监测有毒气体浓度、烟气温度和能见度以及烟气层厚度等参数，研究超过12 m的“Z型”高大中庭烟气流动特性及自然排烟效果，并分析其对中庭和人员安全性的影响。研究结果表明：该建筑采用“Z型”中庭能够有效排出烟气，自然排烟设计合理。所得结论可为消防部门审核该项目提供参考，也为类似高大中庭自然排烟设计提供科学依据。

“Z型”中庭；自然排烟；全尺寸火灾实验；烟气流动特性；消防安全

0 引言

建筑中庭一般连通多个楼层，一旦发生火灾容易造成火势和烟气快速向整个中庭扩散蔓延。同时，因其内部空间大、使用功能复杂、火灾载荷的不确定性，使得设计上难于实现防火、防烟完全分隔。有毒烟气的蔓延扩散是火灾中致人死亡的主要原因。前人试验证明，烟气竖向扩散速度约为4 m/s[1]，烟气在25 s左右就能蔓延到100 m高的建筑顶部，将顺着垂直通道从底层扩散到顶层。燃烧产生的大量有毒气体扩散后，可能会致使人员呼吸困难甚至窒息死亡。热烟气还会引燃周边的可燃物，如不及时控制火势将迅速向四周扩大蔓延，造成巨大的财产损失。典型案例如：1996年4月2日沈阳市沈阳商业城发生火灾，因消防设施停用，造成火势从中庭向各楼层扩散蔓延，火灾直接财产损失5519.2万元，所幸火灾发生在下班后，否则有可能造成重大人员伤亡。

诸多国内研究者已对中庭烟气流动及自然排烟特性进行了研究。如：孙等[2]主要针对中庭火灾烟气流动进行了理论分析和实验研究，确定了火灾时高大中庭烟气流动规律。霍等[3]通过模拟计算分析，对中庭火灾防排烟系统设计进行了模拟计算研究，结果表明排烟口的合理布置对中庭整体排烟效果起关键作用。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室建造了一个大空间实验厅，该大空间外部长22.4 m，宽12 m，高27 m，共6层全联通模拟实际中庭情况，每层在东西面设有自然通风排烟窗共8个，在顶部还设有4部机械排烟风机，对中庭自然排烟和机械排烟进行了多次研究，在大空间烟气的填充、机械排烟和自然排烟，水喷淋与排烟的互相作用等方面取得了一系列研究成果；在澳大利亚和英国等国家也开展了一些中庭自然排烟的研究，其排烟口主要是设置在屋顶或侧墙上，研究发现排烟口的尺寸、室外设计温度和室外风等因素对中庭自然排烟效果影响较大。

本文将针对海南某商务广场“Z型”中庭自然排烟的实际情况，通过理论分析和实验验证，研究该类中庭自然排烟的效果，主要研究确定不同着火区域、不同热释放速率、不同外界风向和风速对超过12 m的高大中庭火灾烟气流动规律的影响。

1 实验设计及开展

1.1 建筑中庭尺寸

本次实验中庭贯穿建筑十六至二十七层，建筑面积13533 m2。十六层南面设为进风口，布置成室内空中花园，属于架空层。二十七层北面设为排风口，同样布置成室内空中花园，也属于架空层，与中庭构成了类似于“Z型”的烟气流通通道，故又称此中庭为“Z型”中庭。十六层至二十七层，层高3.55 m，“Z型”中庭高42.6 m，每层中庭面积约为400 m2。建筑中庭剖面图如图1所示。

同时，为保证自然排烟效率，在建筑每层东西两侧增设楼层辅助排烟窗，每侧布置2扇(除二十六层、二十七层外)，每扇窗尺寸为1.125 m×2.4 m，每扇排烟窗开窗面积2.7 m2，即每层中庭排烟窗面积合计10.8 m2。排烟窗设在玻璃幕墙上，玻璃幕墙离主体建筑(混凝土部分)0.6 m，窗户底离地面1.1 m。二十六层、二十七层东西两侧各布置1扇排烟窗，即该两层每层中庭排烟窗面积合计5.4 m2。

1.2 火灾场景设置

“Z型”中庭全尺寸火灾模拟实验首要任务是确定实验的场景，结合实际情况分析，本实验选取的火灾场景分别在中庭底部、中部和顶部。假设建筑十六至二十七层的主要可燃物为中庭和走廊中供人休息的沙发和座椅以及办公室内的办公家具及用品等。根据综合分析，分别选取以下8个火灾场景进行火灾模拟实验。火灾场景说明见表1所示[4]。现场实验时，考虑到4.0 MW和6.0 MW的火偏大，可能会对人员和建筑的安全造成威胁。因此，现场采取减小火源功率的方式开展全尺寸模拟实验，各场景选用的火源功率见表2。并且通过在中庭底部中央同一着火点不同火源功率的实验，观察不同火源功率下“Z型”中庭烟气蔓延规律和烟气流动情况。

图1 某商务广场南北向剖面图Fig.1 North-south cross-sectional view of one business square

表1 火灾场景说明表

表2 实际火灾场景火源功率选用情况

1.3 实验开展

(1)实验燃料

(2)热电偶布置及采集

准备3串型号为K型的热电偶，热电偶直径0.5 mm。K型热电偶的组成材料是镍硅合金和镍铬合金。3串热电偶分别布置在中庭内南北两侧的中间处和火源附近(见图2)，贯穿整个中庭，为准确测得烟气在“Z型”中庭中的流动速度和烟气温度，分为长、短两种热电偶串。长串热电偶上每隔2 m布置一个热电偶，每串21个，连接热电偶的电缆长度不小于55 m，共1串，布置在中庭正中央东侧3 m处，主要用于中庭中央部位烟气温度的测量；短串热电偶每隔1 m布置一个热电偶，每串18个，连接热电偶的电缆长度不小于40 m，共2串，安装在中庭南北向中间位置，用于测量中庭南北两侧的烟气温度，实验数据收集由安装好数据收集软件的计算机完成。

图2 热电偶布置图Fig.2 Thermocouple arrangement

(3)摄像机的布置

摄像机布置在中庭首层(十六层)两台和中庭顶层(二十七层)排气口处一台，中庭首层一台摄像机拍摄火源、另一台摄像机布置在中庭一侧，重点拍摄整个中庭内的烟气扩散蔓延情况，排气口摄像机拍摄烟气排出排气口时的情况。摄像机记录从人员布置设备到数据收集结束的全过程。

(4)大风扇的布置

进风口高速风模拟：在十六层架空层进风口布置3台大风扇。在中庭底层和中庭中间层实验时，通过大风扇提高进风口的风速，模拟在大风情况下火灾烟气蔓延情况。

排风口逆风模拟：在中庭底层实验时，选取一个火灾场景进行模拟实验，同时在二十七层架空层排风口处分别布置3台大风扇，模拟在逆风情况下火灾时烟气的扩散情况。

要求风扇配置变频控制器，能够改变风速，模拟不同的外界风速。

风扇的转速为3800±100转，风量约为20000±550 m3/h，尺寸为500 mm×650 mm×900 mm，能制造的最大风速为16 m/s，能够满足海南常年的最大风速。

(5)片光源激光器的布置

该仪器主要用于火场中烟气粒子扩散情况的成像监测。根据不同火灾场景，分别布置在不同楼层开展监测。

(6)有毒气体侦检仪的布置

布置在火源上一层的走廊边，开始实验后每隔1 min对现场有毒气体浓度进行一次检测并记录。重点记录一氧化碳的浓度值。现场手持有毒气体侦检仪的人员要带上空气呼吸器并做好个人防火，确保个人人身安全。

2 实验结果分析

考虑到热辐射对热电偶所测量烟气温度的影响，靠近油盆附近的热电偶所测的烟气温度值可能存在偏差，可忽略不计。在十六层实验时，只统计了从上至下共12个热电偶所测烟气温度值；在二十二层和二十七层实验时，统计从上至下共8个热电偶所测烟气温度值。

2.1 不同风速条件下“Z”型中庭排烟能力的分析

实验共进行了两天，风速比较稳定，通过风速仪具体测得风速的平均值见表3。由表3可知，在整个“Z型”中庭里，一直存在稳定的气流，由16层南部进风口进风，然后垂直向上，从27层北部排风口排出。另，实验3由于下雨，大量的风从27层排烟口倒灌进入中庭，等同于用大风扇模拟逆风情况开展实验。

表3 风速仪测得风速的平均值

根据海南常年各风向频率，可以看出西南风占的比率较高，使得在本次实验的“Z型”中庭中，可以形成稳定的纵向风。在无风的情况下，火焰和烟气会一起沿纵向火源的两侧对称扩展。此次实验中，在一定的纵向风速下，火焰和烟气会产生分离。以实验1为例，当进风口风速为2.4 m/s时，火焰与烟气在火源上方分离，火焰和大部分烟气向北侧偏转，但仍有部分烟气向南侧流动。在实验2中，风速增大至3.3 m/s，火焰的偏转角更大，烟气南侧流动受到抑制，基本向北侧流动。可见，进风口风速越大，烟气越集中在中庭北侧。

2.2 不同火灾场景下“Z”型中庭排烟能力的分析

从现场观测以及热电偶温度变化可以判断，由于中庭空间高大，所有实验烟气沉降高度未超过20 m。因此，热电偶分析图选择的是中庭上方24 m内的热电偶开展分析。

(1)实验1

实验1中，南北两侧分别选取了上方24 m中的12个热电偶，从上到下编号分别是第1号、3号、5号……23号。中间选取的热电偶是从上到下的1号～12号。

柴油点燃后，油池火立即熊熊燃烧。在前1 min内，火焰的形状尚不清晰，火焰高度不足1.5 m。但火焰尖端很快达到3.0 m以上(如图3)，同时产生大量翻滚的浓烟，实验具体温度变化曲线图如图4所示。北侧热电偶温升较中间热电偶慢是因为火源在正中间，烟气首先到达中间热电偶。而温度峰值为46℃左右，比中间热电偶要高出4℃，这是因为由于存在由南至北，由下至上的气流，使得烟气向北侧偏移、聚积。而南侧的热电偶温升仅有2℃左右，这是因为气流将烟气都吹到了北侧，使得南侧烟气较少、较稀。从图4可以看出，最上面的三个热电偶温度并不是最高的。这是因为27层北侧有开口，大量的烟气从此处流出，使得烟气温度降低所致。这也从侧面说明了Z型中庭对烟气流动的影响是很大的。

图3 实验场景1现场Fig.3 Site scene of experiment 1

(2)实验2

实验2选取的热电偶位置与实验1相同，火源位置也相同，但火源功率增大了一倍。风速较实验1略有增大，具体温度变化如图4所示。从图4中可以看出，实验2的温度变化同实验1类似，只是温度升的更高，上升的速度也更快。中间热电偶最高温度达49℃，北侧最高温度达53℃，但整体烟气变化所用的时间没有延长。理论分析，在没有风的情况下，实验2的烟气排放时间会比实验1长很多。但由于实验2的风速比实验1高(16层南侧，实验1为2.4 m/s，实验2为3.3 m/s；27层北侧，实验1为0.62 m/s，实验2为1.2 m/s)，使得烟气排放时间并没有增加，甚至略有减少。这说明了风速对“Z型”中庭的排烟能力有较大的影响，适当增加风速，可以较大的提高建筑的人员安全性。

图4 实验1、2热电偶温度曲线变化图Fig.4 Thermocouple temperature curve graph of experiment 1 and 2

(3)实验3、4、5、6、7、8

实验3是在下雨初期进行的，这时风速较大，约为3 m/s。风从27层排烟口倒灌进入，使得上升的烟气出现紊乱，同时由于向下的风压大于向上的烟气浮力，致使烟气无法正常从27层排烟口排出，造成烟气大量的在16层(着火层)停留、扩散蔓延，使得16层烟气浓度较大，存在较大危险，而其他楼层则相对安全。

实验4、实验5分别在16层的西南和东北两个角进行。实验6、实验7中，南北两侧分别选取了上方16 m中的8个热电偶，从上到下分别是第1号、3号、5号。15号。中间选取的热电偶是从上到下的1号～12号。

从实验6中可以看出，在22层南侧点燃火源，产生大量烟气，烟气达到22层顶部，形成射流，迅速蔓延至整个22层南侧。然后少部分烟气从南侧东西两边排烟窗排出室外，大部分烟气溢流到中庭，沿中庭墙体逐渐向上蔓延。着火层上两层南侧能见度较低，烟气全覆盖该两层南侧，如果人员无法及时通过走廊疏散到防烟楼梯间，应在房间内等待救援。中间热电偶只有最上面两个有明显的温升，这是因为烟气没有聚积，到达顶部后迅速排出。南侧的第11、13个热电偶温升明显，是因为这两个热电偶在火源附近，因为热辐射而导致温度升高。

实验7的实验现象和实验6类似。区别在于实验7中间热电偶没有明显温升，这是因为7中烟气从北侧上升，而气流在27层顶部由南至北，使得烟气没有接触中间热电偶。从这两组实验可以看出，在单层发生火灾，烟气在这一楼层会迅速蔓延，使得能见度迅速降低，CO、CO2浓度、温度迅速升高，对人员安全造成很大威胁。在火灾层的上两层，也会有大量的烟气进入，较为危险。

实验8在27层南侧走廊进行，由于实验是在最顶层进行的，而且没有向下的气流，所以烟气不会向下蔓延，其他楼层比较安全。在27层，风由南至北，使得烟气可以掠过中间和北侧最上面的热电偶，造成明显的温度变化。

2.3 不同火灾场景下CO浓度分析

在27层北侧出风口布置有毒气体侦检仪，用来测量CO浓度，具体的CO浓度-时间变化曲线如图5所示。实验1和实验2工况类似，但实验2功率比其他实验大一倍，所以在27层，CO浓度也是最高的。实验3是倒灌工况，27层没有CO检出。在实验数据中，最高的CO浓度出现在实验2的第7分钟，为37 ppm。人的CO耐受极限为500 ppm，可见，在27层出口处CO的浓度已经对人体构不成太大的影响，“Z型”中庭有较好的自然排烟能力。

图5 CO浓度-时间曲线图Fig.5 CO concentration - time curves

2.4 不同火灾场景下烟气层厚度分析

在建筑火灾中，人们通常比较关注热烟气的沉降和蔓延，而烟气层界面的高度位置可以通过检测温度、能见度和燃烧产物的浓度的变化而得知。在实验和模拟计算中，我们发现，烟气层界面的温度、能见度和燃烧产物的浓度在纵向上是连续变化的，不过变化速率比较剧烈。

通过布置在16层的摄像机来观察烟气层的变化情况。观察实验1：测得“Z型”中庭内的室温为30.5℃，从视频中可以看出点火前12盏灯的亮度相近，都很明亮，能清晰见到灯的轮廓，这表明中庭内无烟气，能见度高；点火之后，火焰的轮廓渐渐清晰，大量黑色烟气向上翻滚，呈现锥形扩张。但由于南侧进风，火焰和烟气均向中庭北侧偏移(实验场景1中庭能见度如图6)。16 min时，烟气基本上全部排放完毕[5]。

此外，实验数据表明，烟气的最高温点和浓度最大点在北侧，而不是火源上方的顶棚处，距顶棚10 m左右处。这是由于纵向通风流过火区产生节流效应，又由于上侧有向外的风，使得顶部温度变低所致。我们用录像法来定量的测量烟气层的厚度。取烟气层刚刚接触指示灯，衰减度为0的时间为t1，取烟气层完全漫过指示灯，衰减度为1的时间为t2。从t1～t2之间选取一个时间点t0，即为烟气层到达此指示灯的时间[6]。则有：

(1)

其中，P为在区间(t1，t2)选取合适值的百分比，参考相关文献取P为0.3。

烟气层降到一定高度以后，由于存在烟囱效应，大量烟气会从27层开口处排出。因此，烟气层厚度会逐渐减少，我们取烟气离开指示灯的时间为t0。综合两个时间，即可得到烟气层高度的变化。

(1)实验装置布置

在实验空间中庭正中央，布置有40 W的电灯泡12个，每层一个，相距为3.55 m。从上至下编号分别为1～12。具体地，指示灯对应高度如表4所示：

图6 不同时段实验场景1中庭能见度Fig.6 Atrium visibility in the different periods of experiment 1

表4 实验灯泡布置高度

Table 4 Bulb height layout in the experiment

灯号123456789101112高度(m)42.639.0535.531.9528.424.8521.317.7514.210.657.13.55

摄像机布置在中庭首层(十六层)两台和中庭顶层(二十七层)排气口处一台，中庭首层一台摄像机拍摄火源、另一台摄像机布置在中庭一侧，重点拍摄整个中庭内的烟气扩散蔓延情况，排气口摄像机拍摄烟气排出排气口时的情况。

(2)实验结果及讨论

我们以实验1为例，定量地说明烟气层的厚度变化。观察摄像机，得到烟气接触各指示灯的时间t1，根据将指示灯的标号换算成所代表的高度，绘成烟气层高度变化图如图7所示。

图7 烟气层高度变化图Fig.7 Smoke layer height variation

从图7中可以看出，火源开始燃烧，烟气层迅速下降，最低可以下降到10 m左右，而且持续了不短的一段时间(240 s左右)。而之后，烟气迅速排出，烟气层高度迅速上升，在200 s之内即上升至最高层排出。这与目测法的观察结果还有热电偶法的计算结果是相类似的。

录像法在确定烟气层的厚度方面是比较准确的。与目测法相比，它将烟气层厚度的计算定量化，使得其更准确、可信。与热电偶法相比，它将烟气层的高度直接反映在图表上，而不是通过温度的变化来分析烟气的变化，使得其更直观、形象。因此，这种方法是计算烟气层厚度的非常值得拓展的新型测量法。通过它，我们也可以更直观的看到Z型中庭具有的较强的排烟能力。

3 结论

本文针对大型公共建筑的烟气控制进行研究，并结合“Z型”中庭自然排烟工程实例，分析了高大中庭火灾危险性，设定了不同工况、不同位置的火灾场景，进行“Z型”中庭全尺寸火灾模拟实验，得出如下结论：

1.在海口地区，高度不超过45 m的“Z型”中庭内一旦发生火灾，通过自然排烟方式能及时、有效的排出中庭内的烟气，基本能保障人员安全疏散要求。

2.“Z型”中庭一旦发生火灾，着火层北侧的上面楼层存在能见度较低，有毒烟气浓度较高的风险，应加强后期管理，减少公共区域的可燃物。并加大建筑内人员的培训力度，确保所有人都懂得使用简易防烟设施而自我逃生疏散；同时，应采取一定的挡烟措施，如在中庭的北侧增设电动挡烟垂壁等，并加强消防设施维护保养以确保完整好用。

3.为确保能及时探测到高大中庭火灾，应根据中庭实际情况加装火焰探测器，与现有的感烟探测器形成复合型火灾探测系统。

[1] 杨景宇, 李飞. 中华人民共和国消防法释义[M]. 北京: 中国市场出版社, 2009: 114-115.

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[4] DGJ08-88-2006, 建筑防排烟技术规程[S].

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[6] 尤飞, 等. 大空间建筑火灾中烟气层界面的一种判定[J]. 火灾科学, 2000, 9(4): 58-65.

Experimental research on smoke flow and natural smoke exhaust features of Z-shaped atrium

HUANG Bin1， SHU Ya2， YAO Bin3

(1. Haikou Fire Detachment, Hainan 570200, China；2. Faster Fire Safety Performance Evaluation Limited of Sichuan, Chengdu 610000, China;3. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The design of natural smoke exhaust system for the “Z” shaped atrium has already been used in some high-rise buildings. However, the existing standard of the design method for such atriums has no specific guidance on fire safety requirements, and lacks of related research. This paper reported a full-scale fire experiment in a high-rise building in Hainan for different fire areas and scales in atrium and offices. For over 12 meters “Z” shaped tall atrium, we studied the smoke flow characteristics and the effect of natural smoke exhaust with different external wind directions and wind speeds. Then we analyzed the influence of the smoke flow and the natural smoke exhaust on the atrium and personnel safety, by monitoring the concentration of toxic gas, flue gas temperature, visibility and flue gas thickness and so on. The results showed that the building which adopts the “Z” shaped atrium can effectively discharge flue gas, and the natural smoke exhaust design is reasonable. The conclusion provides reference for fire departments to review the projects and also provides a scientific basis for design of natural smoke exhaust in similar types of tall atriums.

“Z” shaped atrium; Natural smoke exhaust; Full-scale fire experiment; Smoke flow characteristics; Fire safety

1004-5309(2016)-00140-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.03.04

2016-01-28；修改日期：2016-05-10

黄斌(1984-)，男，海南海口人，中国科技大学工程硕士，海口市公安消防支队工程师，主要研究方向为建筑防火。

姚斌，E-mail: binyao@ustc.edu.cn

TU998.1；X932

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