基于正交分析的防烟缓冲区参数设置研究*

赵贤周汝王晓栋谢娟何嘉鹏

（1.南京工业大学城市建设学院 南京210009； 2.南京工业大学安全工程学院 南京210009；3.江苏省城市与工业安全重点实验室 南京210009）

基于正交分析的防烟缓冲区参数设置研究*

赵贤1，3周汝2，3王晓栋1，3谢娟2，3何嘉鹏1，3

（1.南京工业大学城市建设学院 南京210009； 2.南京工业大学安全工程学院 南京210009；3.江苏省城市与工业安全重点实验室 南京210009）

为了研究典型长廊型高层建筑中走廊－前室缓冲区不同参数设置对烟气控制的影响，利用FDS软件建立长廊型高建筑火灾烟气运动模型。利用空气幕配合正压送风在前室门前形成防烟缓冲区，运用正交设计的方法分析流量比、空气幕射流速度以及空气幕射流角度对缓冲区防烟能力的影响，得出防烟缓冲区最佳模式为空气幕送风量与前室加压送风量之比为2∶1，空气幕射流速度为8m／s，空气幕射流角度为30°。与传统正压送风防烟模式相比 ，防烟缓冲区最佳模式下，前室的平均CO浓度降低了99.99%，平均温度降低了98.47% ，防烟缓冲最佳模式使前室加压送风量减少了1／3，楼梯间加压风量减少22.56% ，节约了送竖井的地面积，减少了进入走廊和火场区的送风量，使排烟效率提高了8.76%。

高层建筑 烟气控制 正交设计 缓冲区

0 引言

高层建筑火灾中，80%以上的遇难者是由于烟气中毒窒息致死［1］。近年来，国内外对狭长走廊的火灾烟气研究主要集中在烟气扩散特性以及毒害性上。针对自然排烟、机械排烟以及机械排烟与加压送风防烟相组合3种防排烟方式的不足，前人引入了空气幕防烟的模式。国内外对空气幕防烟的研究已取得一定的成果，FELISF等［2］对空气幕的防烟、防热能力进行了测量与分析；LUO N等［3］对空气幕条缝宽度、射流速度以及射流角度对防烟效果的影响进行了分析；何嘉鹏等［4］将传统正压防排烟模式与防烟空气幕模式进行组合形成走廊 －前室缓冲区，并对其防烟效果进行了分析；周汝等［5］对高层建筑火灾时烟气的垂向组合控制进行了研究；LI JX等［6］对缓冲区模式下不同烟气控制组合对防排烟效果的影响进行了分析。

本文利用FDS软件对长廊型高层办公建筑进行研究，运用正交设计对走廊－前室缓冲区空气幕参数、空气幕送风量与前室加压送风量之比进行工况设置，通过对不同工况进行比较分析 ，以寻求最佳的组合模式。

1 物理模型

为研究典型长廊型高层建筑中防烟缓冲区不同参数设置对烟气控制的影响，以南京市一幢15层的长廊型高层办公楼为研究对象。着火楼层选取第3层，平面示意图见图1。EP为1.2 m×0.5 m的排烟口，其中排烟口EP1在走廊左端15m处，EP2在走廊左端26m处；h为1.6m×0.2 m×0.5 m的挡烟垂壁，其中挡烟垂壁h1在EP1左端1m处，h2在EP2右端1m处；AC防烟空气幕在前室门前2m处。楼梯间每3层设置1个加压送风口，送风口尺寸为0.5m ×0.5 m。走廊长30m，宽1.6 m，净高2.5 m；走廊两边进深4.8 m，开间6 m，层高3.2 m，室内净高3 m；前室门宽1.2m，高2m。

图1 着火层平面示意

2 工况设置

2.1 边界条件的确定

综合考虑计算速度和精度，网格尺寸设为：着火层为0.1m×0.1 m×0.1 m，空气幕的部位局部加密，非着火层网格尺寸为0.4m×0.4m×0.4m，楼梯间网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m，总网格数为206 640 0个。研究中不考虑外界风的影响 ，着火房间门、着火层走廊到前室的门一直开启。着火层前室到楼梯间的门 ，第1层到室外的门，第1层、第15层走廊到前室的门和前室到楼梯间的门以及天台逃生门均180 s开启，其余门窗包括电梯井及楼梯井门全部关闭。初始温度为20℃，压力取1.013×105Pa，环境温度为0℃，火源功率为1.5MW，火源面积设为1m2，燃料为聚氨酯。

2.2 设置参数的确定

根据《建筑设计防火规范》［7］，该楼层总的排烟量为7 200 m3／h。为了提高防烟缓冲区的防烟能力，排烟口EP1，EP2的排烟量分别为总排烟量的2／3，1／3。根据流速法，门洞风速v＝0.7m／s，得出前室的加压送风量Q＝6 048 m3／h。工况设置时空气幕送风量与实际的前室加压送风量之和为原计算的前室加压送风量的2／3即4 032m3／h，此送风量分成前室正压送风和缓冲区空气幕。疏散楼梯间加压送风量按压差法计算，传统正压送风防烟模式楼梯间加压送风量按 ΔP＝50 Pa计算，所得加压送风量为15 495m3／h。而采用缓冲区防烟模式时，此时前室的相对压力在1～4 Pa，所以计算疏散楼梯间加压送风量时 ΔP取30 Pa，得出楼梯间加压送风量为12 000m3／h。与传统正压送风防烟模式相比，楼梯间加压送风量减少了22.56%，从而减少了送风竖井的面积。所有送风、排烟系统均在60 s开启。本文通过正交设计的方法，对空气幕送风量与前室加压送风量之比（A）、空气幕射流速度（B）、空气幕射流角度（C）这3个因素进行3因素3水平的设置，选择L934的正交表，具体设置及计算见表1。

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟判据

火灾发生后60 s报警，人员在房间内、走廊内的行走速度分别为1.0，0.5 m／s，确认反应时间为120 s，计算得到人员于发生火灾后180 s开始逃生，该楼层所需最大安全疏散时间为244.8 s，取300 s为判定依据。大量研究表明，烟层高于人眼特征高度时（通常1.2～1.8 m），若上部烟气的热辐射强度已对人产生危害就认为到了危险状态，180℃为危险状态的判定界限，文中取1.5 m处分析比较不同烟气状态。根据美国NFPA调查得知，火灾时CO的体积分数高于2×10－3就可能造成中毒。因此，取CO体积分数2×10－3为作为人员逃生危险判据。

3.2 最佳模式的选取

表1为模拟方案及指标值。

根据表1中A，B，C三个因素所对应的CO和温度的极差可得出一定范围内影响防烟效率的主次关系：送风量比＞空气幕射流角度＞空气幕射流速度。3个因素中因素A所对应的CO的极差和温度的极差最大，表明一定范围内因素A的改变对走廊－前室缓冲区防烟能力的影响最为显著，应优先考虑，该因素对应的优水平为A3，最优组合为A3B2C2。因为最优组合不在正交表的工况设置中 ，且A3为边缘水平，所以追加工况10和工况11，如表2。通过比较不同工况发生火灾后180～300 s时段内前室的平均CO浓度和平均温度，得出最优组合模式下走廊－前室缓冲区防烟效果最好。因此防烟缓冲区最佳模式是空气幕送风量与前室加压送风量之比为2∶1，空气幕射流角度为30°，空气幕射流速度为8m／s。

表1模拟方案及指标值

表2追加工况及指标

3.3 防烟缓冲区最佳模式与传统正压送风防烟模式的比较

图2为火灾发生300 s时走廊内烟气温度的分布情况。防烟缓冲区最佳模式下烟气被阻挡在缓冲区左侧，虽然缓冲区左侧烟气温度总体比传统正压送风时高，但缓冲区内温度接近于环境温度，形成一个无烟区，有利于人员的疏散，而传统正压送风模式下已有大量热量进入前室。

图2 300 s时不同工况走廊内温度分布

图3为火灾发生300 s时防烟缓冲区最佳模式下和传统正压送风模式下的CO分布，最佳模式下烟气被阻挡在缓冲区左侧，虽然缓冲区左侧CO浓度比传统正压送风时的高，但处于安全范围以内，且缓冲区和前室CO浓度几乎为零，有利于人员疏散，而传统正压送风模式下已有大量CO进入前室。

图3 300 s时不同工况走廊内CO分布

与传统正压送风防烟模式相比，缓冲区最佳模式下 ，前室的平均CO浓度降低了99.99%，平均温度降低了98.47%。由于总的前室加压送风量减少了1／3，楼梯井的加压送风量减少了22.56%，从而节约了送风竖井的占地面积，减少了到达走廊和火场的空气量，减缓送风量对烟气的稀释和减少次生灾害的发生，与传统正压送风模式相比，缓冲区最佳模式排烟效率提高了8.76%。

4 结语

（1）与传统正压送风防烟模式相比 ，防烟缓冲区最佳模式下，前室门前的空气幕作为柔性隔断，有效地阻止烟气进入前室，并且在走廊到前室的门前形成一个无烟区，使前室的平均CO浓度降低了99.99%，平均温度降低了98.47%，有利于人员的疏散。

（2）防烟缓冲区最佳模式下，总的前室加压送风量减少了1／3，楼梯间的加压送风量减少了22.56%，从而节约了送风竖井的占地面积，减少了进入走廊和前室的送风量，减缓送风量对烟气的稀释和减少次生灾害的发生。

（3）与传统正压送风相比，防烟缓冲区最佳模式下排烟效率提高了8.76%。

［1］公安部消防局.中国消防年签［Z］.昆明：云南人民出版社，2014：11.

［2］FELIS F.Simultaneousmeasurementsof temperature and velocity fluctuations in a double stream－twin jet air curtain for heat confinement in caseof tunnel fire［J］.InternationalCommunications in Heat andMass Transfer，2010，37：1191－1196.

［3］LUON，LIA G.An experiment and simulation of smoke confinementutilizing an air curtain［J］.Safety Science，2013，59：10－18.

［4］何嘉鹏，李静娴，周汝，等.高层建筑“走廊－前室缓冲区”防火效果的数值分析［J］.土木建筑与环境工程，2011（1）：98－104.

［5］周汝，章玮.高层建筑火灾时烟气的垂向组合控制研究［J］.工业安全与环保，2012，38（6）：44－46.

［6］LIJX，HE JP.Numerical and experimental investigation on smoke－buffer effectof different smoke－control combination in corridor［J］.Advanced Materials Research，2011（250／253）：2919－2922.

［7］中华人民共和国公安部 .建筑设计防火规范：GB 50016－2014［S］.北京：中国标准出版社，2014.

Parameter Setting of the Smoke Prevention Buffer Zone Based on Orthogonal Analysis

ZHAO Xian1，3ZHOU Ru2，3WANGXiaodong1，3XIE Juan2，3HE Jiapeng1，3
（1.School of Urban Construction，Nanjing University of TechnologyNanjing210009）

To study the influence of the different parameter settings of the corridor－atria buffer zone on the smoke control ability of the buffer zone in a typical straight corridor of high－rise building，this paper uses FDS（Fire Dynamics Simulator）software to build a fire－smokemovementmodel of a straight corridor type high－rise building.Taking advantage of the smoke prevention buffer zone，which is the combination of air curtain and positive pressure air supply，this paper analyzes the influence of flow ratio，jet angle and jet velocity of air curtain on smoke prevention ability of the buffer by using the orthogonal design，and concludes that the smoke prevention ability of thebuffer isbestwhen ratioofairoutputof air curtain to air outputof atria pressurize is 2∶1，jetvelocity of theair curtain is 8m／sand jetangleofair curtain is30°.Comparedwith the traditional positive pressure ventilationmodel，the average concentration of CO in theatria decreases by 99.99%and the average temperature decreasesby 98.47%underbestmodeof smoke prevention bufferzone.What’smore，underbestmodel of smoke prevention bufferzone，the airoutputof atria pressurize decreasesby 1／3，theairoutputofstaircase pressurize decreases by 22.56% and the floor area of the air shaft is saved.In addition，the air output into the corridor and fire area is reduced and the smoke extraction efficiency increase by 8.76% .

high－rise buildings smoke control orthogonal design the buffer zone

赵贤，男，1990年生，硕士，主要从事高层建筑防排烟研究。

2015－11－04）

国家自然科学基金（51478219）。

周汝，男 ，副教授，博士，主要从事建筑防排烟，性能化防火设计等方面的研究。