室内排烟效率因子研究

孙 燕，黄 弘，李发强，郝承明，罗 亮

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)数控刀具有限公司，四川 成都 610207)

室内排烟效率因子研究

孙 燕1，黄 弘2，李发强3，郝承明1，罗 亮1

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)数控刀具有限公司，四川 成都 610207)

为合理有效地评估室内排烟系统的性能，采用火灾区域模拟和人员疏散模拟的方法，对比研究了SVE1、L-PFR、EFCS3这3个通风换气因子用以评价室内排烟效果的合理性，得到用L-PFR因子衡量排烟效率时，在排烟面积或排烟速率一定时，单位时间内流过房间的气体量越大，污染物越容易从房间内排出去的结论。在此基础上结合室内排烟的目的，从“以人为本”的角度出发，提出了考虑室内人员因素的“人均换气率(L-PFR(P))”因子，并进行计算分析，结果表明，用新提出的L-PFR(P)因子来评价室内排烟效率是可行的。

火灾；排烟效率因子；人均换气率；区域模拟；人员疏散

随着城市化进程和经济的发展，城市中迅速产生了大量楼房建筑物，这些楼房建筑内一旦发生火灾，大量高浓度、高温度的二氧化碳、一氧化碳及其他有毒烟气随之产生并很快向整个空间蔓延，如不及时进行室内排烟，这些烟气将极易造成室内人员缺氧、中毒和灼伤，给人员的健康带来严重的危害。

室内排烟的目的是以最快的速度用新鲜空气取代被烟气污染的空气，在这个过程中烟气对人员造成的危害大小很大程度上取决于室内排烟系统把这些被烟气污染的空气从室内排出去的效率高低。笔者在CFAST软件模拟典型t2火火灾发展过程和STEPS软件模拟室内人员疏散过程的基础上，研究了目前已经开发出的几个排烟效率因子，通过对比研究提出人均换气率这个新的排烟效率因子。

1 排烟效率因子

室内排烟效率是衡量室内排烟系统性能的一个重要指标。目前还没有人提出室内排烟效率因子这一概念，但是已经开发出了SVE系列因子、L-PFR、IACS、EF等通风换气因子来衡量通风设备的效率，在此可以借用通风换气因子来研究排烟效率因子。

1.1SVE系列因子

SVE系列因子包括SVE1～SVE6[1-2]。

SVE1是指在空间内有一个单独污染源点时空间内的平均污染物浓度。其计算公式为：

(1)

(2)

CS=q/Q

(3)

1.2L-PFR

L-PFR是局部区域内通风效率的指标，最初被定义为局部区域净化污染物的有效气流率，后来被定义为局部区域的通风效率[3]。L-PFR的计算公式为：

(4)

式中：Vdomain为局部空间的体积；VF为一个示踪粒子进入该局部区域后流出该局部区域的次数；Tp为示踪粒子在局部空间内滞留的时间，表示示踪粒子从局部空间内进入或产生到离开所需要的平均时间；VF·TP则表示局部空间内示踪粒子的总滞留时间；Qp为示踪粒子产生率；Cdomain为局部区域内的平均示踪粒子浓度。

1.3IACS

IACS表示集总污染物可及性，是结合污染物可及性和人员密度提出的，用于反映室内污染源对人员的影响[4]。但在IACS中，人员密度与时间无关，是人员在室内空间的一种静态分布，因此并没有体现出人员空间分布状态随时间的变化。

1.4EF

EF为有效因子，是任意时段内室内环境参数对人员的累积影响程度。EF分为EFCS因子和EFSA因子，分别定义为污染源有效因子和送风有效因子。EFCS下又定义了3个指标：EFCS1、EFCS2、EFCS3，分别用于评价某个暴露单元(EC)中的污染物在任意时段内对室内人群的影响、所有暴露单元的污染物在任意时段内对室内某个人员的影响、所有暴露单元中的污染物在任意时段内对室内人群的影响[5]。EFCS3的计算公式为：

(5)

(6)

笔者选定用SVE1、L-PFR、EFCS3这3个因子来研究不同排烟模式下的排烟效率。

2 数值计算原理及火灾场景设计

2.1火灾区域模拟原理

火灾区域模拟是建筑火灾中常见的一种分析方法，在工程中的应用比较普遍。对于大一点的建筑空间，顶棚附近的高温、高浓度烟气在向四周扩散的过程中，其温度下降，密度增大，密度差造成的浮力逐渐降低，在烟气到达四周墙壁之前可能已开始下沉，使得四周的烟气下降得比中间部分的烟气快[6]，此时将整个建筑空间划分为若干个子区域，在每一个子区域内采用上、下层区域模拟的方法模拟建筑物空间内烟气的变化。笔者采用CFAST程序模拟火灾变化。

2.2人员疏散模拟原理

目前对人员疏散的模拟分为运动学模型和行为学模型两大类。元胞自动机模型属于半行为学模型，其将所研究的逃生区域按矩形方式进行均匀网格化划分，每一个网格为一个元胞，行人按照一定规则分布在网格空间中。在模拟过程中，所有个体依照所处的环境、个体特征和自己的行为规则选择留在原单元或移动到相邻8个单元中的一格，每一个个体都具有根据自身和周围环境的判断分析能力，从而采取相应措施[7]。

笔者采用的STEPS程序是基于元胞自动机模型的、专门用于研究建筑物在火灾等紧急情况下行人的疏散问题。

2.3火灾场景设计

某房间长12.6m，宽6.0m，高2.4m，内设5张大小不等的电脑桌作为障碍物，现场共有19人在办公。现场示意图如图1所示。

图1 火灾模拟现场示意图

笔者将房间划分为8个子区域。房间的顶棚、墙壁和地板材料均为石膏板；火源位于2区，其主要成分为甲烷，增长近似按t2发展；笔者采用中速火[8]。火源参数如表1所示。

房间设有门D1～D2，设有水平开口的窗户W1～W4，火灾模拟过程中，W1、W3、D2处于完全关闭状态，W2、W4处于完全打开状态，D1初始时处于完全关闭状态。

房间设有7个水平开口的机械排烟口O1～O4、O01～O03，其中后3个机械排烟口在图1中统称为O0。初始时所有机械排烟口均处于完全关闭状态。笔者共模拟4种不同的排烟模式V1～V4，不同排烟模式下启用的机械排烟口、对应的房间通风量、排烟速率和排烟面积如表2所示。

表1 火源参数表

表2 排烟模式设置

假设火灾在0时刻发生，20 s 时D1和启用的机械排烟口都切换到完全打开状态，同时房间内的人开始通过D1向室外疏散。

3 计算结果及分析

根据表1计算得到火灾发展过程中污染物CO的产生率随时间的变化情况，如图2所示。

图2 CO产生率随时间的变化

火灾发生后人员疏散过程中各个区内人数随时间的变化如图3所示。根据火源参数和数值计算结果，得到房间内的SVE1值、EFCS3值及1区和3区的L-PFR值随时间的变化，如图4所示。

图3 人员疏散过程

图4 SVE1值、EFCS3值及1区和3区的L-PFR值随时间的变化

SVE1为房间内平均污染物浓度，其值越小排烟效果越好。结合图2和图4可知：火灾刚发生时，污染物CO的产生率比较小，房间内扩散的CO浓度也较小，因此SVE1值较小且随时间变化较小；20 s时，由于开启了房间的门D1和机械排烟口，CO快速向外界扩散，使得房间内的CO浓度快速降低，因此SVE1值有瞬降趋势；此后，CO产生率快速增加，门D1和机械排烟口的排烟速率已无法抵偿火灾产生CO的速率，因此房间内的CO浓度逐渐增加，SVE1值也逐渐增加；由于CO的排放要滞后于CO的产生，因此在接近火灾末期时，当CO产生率开始快速下降时，室内的CO浓度依然比较高，因此SVE1值快速增大。

用SVE1指标评价排烟效率时，对比V2、V3排烟模式，得到相同排烟面积下，通风量小的排烟效果更好；对比V3、V4排烟模式，得到相同排烟速率下，通风量小的排烟效果更好。

EFCS3为房间内污染源对人员的影响，其值越小排烟效果越好。由图4可知：0～1 s，火灾的发生使得房间内CO的浓度快速升高，因此对人的影响迅速增加；1～20 s，房间内CO浓度的增加速率没有CO产生率增加得快，因此EFCS3呈缓慢下降趋势；20 s之后人员开始疏散，门D1和机械排烟口开启，但室内人员减少的速率大于由于开启排烟导致的CO浓度降低的速率，因此EFCS3呈上升趋势；到了27 s附近，房间内人数大幅度减少，同时CO产生率迅速增加，使得EFCS3出现下降趋势；37 s以后，室内人员疏散完毕，EFCS3稳定在37 s时刻的值。

用EFCS3指标评价排烟效率时，对比V3、V4排烟模式，得到相同排烟速率下，通风量小的排烟效果更好。

L-PFR为房间内排出污染物的能力，其值越大排烟效果越好。由图4可知：20 s前房间只开启窗户W2、W4，室内CO浓度比较大，因此L-PFR值较小；20 s时开启了门D1和机械排烟口，室内CO浓度增加速率快速减缓，因此L-PFR值快速增加；之后由于火灾的发展，室内CO浓度迅速增加，L-PFR值又有所减小；600 s之后，CO的产生率和室内CO浓度都开始下降，但由于CO的扩散排放要滞后于CO的产生，因此L-PFR值呈下降趋势。

用L-PFR指标评价排烟效率时，对比V1、V2排烟模式，得到相同通风量和相同排烟面积下，分散排烟效果比集中排烟效果好；对比V2、V3排烟模式，得到相同排烟面积下，通风量大的排烟效果更好；对比V3、V4排烟模式，得到相同排烟速率下，通风量大的排烟效果更好。

综上所述，用SVE1和EFCS3评价室内排烟效果时，其他条件保持不变，室内通风量越小排烟效果越好，这就意味着在排烟面积一定或者排烟速率一定时，单位时间内流过房间的气体量越小，污染物越容易从房间内排出去，这样的结论显然有悖于常理。而用L-PFR评价排烟效率时，其他条件保持不变，室内通风量越大排烟效果越好，即在排烟面积一定或者排烟速率一定时，单位时间内流过房间的气体量越大，污染物越容易从房间内排出去，这样的结论比较合理。因此得到，用L-PFR作为因子衡量排烟效率更为合理。

4 提出新排烟效率因子

研究室内排烟的目的是为了尽可能减小污染物对室内人员造成的危害，因此从“以人为本”的角度讲，研究室内排烟不能离开对室内人员的考虑。结合上述观点，提出“人均换气率L-PFR(P)”这一新因子：

(7)

式中：L-PFRi(t)表示第i区t时刻的局部通风效率；ni(t)表示第i区t时刻的人数；L-PFR(P)i(t)表示第i区t时刻的局部人均换气率。

L-PFR(P)越大，说明烟气对人的影响越小，排烟效果就越好；反之，排烟效果越差。当ni(t)为0时，排烟对人没有意义，规定此时L-PFR(P)为0。

火灾过程中房间内1区、3区、5区、7区的L-PFR(P)值随时间的变化如图5所示。由图3可知，火灾发生后的人员疏散过程中，1区内的人数在26 s、36 s急剧减少，3区内的人数在27 s急剧减少，5区内的人数在22 s急剧减少，7区内的人数在22 s急剧减少，因此图5中这些局部区域内对应时刻的L-PFR(P)值均出现了峰值。可见局部区域内的L-PFR值和人数共同决定了L-PFR(P)的走向。

图5 L-PFR(P)值随时间的变化

由图5可知，5区远离火源，有窗户W2和机械排烟口O1开启，且疏散过程中人数较少，因此L-PFR(P)值非常大；1区远离火源，有门D1开启，但疏散过程中人数比较多，因此L-PFR(P)值较小；3区、7区靠近火源，尤其3区既无排烟口、疏散过程中人员又较多，因此3区、7区的L-PFR(P)值最小。

由于疏散过程中人员主要集中在1区，因此对1区L-PFR(P)的研究更有意义。通过研究可知：相同排烟面积下气流量大的排烟效果更好；相同排烟速率下气流量大的排烟效果更好。这与用L-PFR评价排烟效率得到的结论一致，因此用提出的人均换气率L-PFR(P)因子评价排烟效率是合理可行的。

5 结论

(1)在目前国际上已经提出的多个用于评价设备排烟效率的通风换气因子中，笔者用SVE1、L-PFR、EFCS3这3个因子来研究不同排烟模式下的排烟效率。研究得到用SVE1和EFCS3因子评价排烟效率时，在排烟面积或排烟速率一定时，单位时间内流过房间的气体量越小，污染物越容易从房间内排出，该结论有悖于常理；而用L-PFR因子评价排烟效率时，得到单位时间内流过房间的气体量越大，污染物越容易从房间内排出，该结论较为合理。因此用L-PFR因子衡量室内排烟效率更为合理。

(2)结合结论(1)和室内排烟的目的，从“以人为本”的角度，提出了考虑室内人员因素的“人均换气率(L-PFR(P))”因子，且通过计算分析得到用L-PFR(P)因子评价排烟效率时，得到在排烟面积或排烟速率一定时，单位时间内流过房间的气体量越大，污染物越容易从房间内排出，该结论比较合理，表明用L-PFR(P)因子评价室内排烟效率是合理可行的。

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[8] 舒中俊，孙华玲.火灾区域模拟原理及CFAST软件应用[J].武警学院学报，2004，20(2)：30-32.

SUN Yan:Engineer; China Nuclear Power Research and Design Institute, Chengdu 610041, China.

Research on Indoor Smoke Exhaust Efficiency Eactor

SUNYan,HUANGHong,LIFaqiang,HAOChengming,LUOLiang

In order to evaluate the performance of indoor smoke exhaust system more reasonably, fire regional simulation method and occupants evacuation simulation method are used, SVE1, L-PFR, EFCS3 ventilation and ventilation factors were compared to evaluate the effectiveness of indoor smoke. In this paper, when the exhaust gas efficiency is measured by the L-PRF factor, the larger the amount of gas flowing through the room per unit time, the easier the pollutants can be discharged from the room when the smoke exhausted area or the smoke exhausting rate is constant. The conclusion is reasonable. On the basis of this, the factor of "per capita ventilation rate (L-PFR (P))" factor of indoor personnel was put forward from the point of "human-oriented" and through calculation and analysis.The results show that it is reasonable and feasible to evaluate indoor smoke efficiency with the newly proposed L-PFR (P) factor

fire; smoke exhaust efficiency fator; L-PFR(P); regional simulation; occupants evacuation

2095-3852(2017)01-0045-05

A

2016-09-27.

孙燕(1987-)，女，陕西榆林人，中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室工程师.

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.01.010