热障效应对有顶步行街自然排烟的影响*

张　新，徐志胜，冉启兵,2，倪天晓,2，彭锦志,2

(1.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；2. 长沙科锐消防工程技术有限公司，湖南 长沙 410007)

0　引　言

近年来，国内掀起了一股建设有顶商业步行街的热潮。有顶商业步行街建筑在朝着功能综合化、规模扩大化、空间结构复杂化发展的过程中，给消防设计带来了全新的挑战[1-2]。有顶商业步行街的快速发展引发的消防安全问题引起了国内学者及行业人员高度关注，并对有顶商业步行街建筑火灾问题从多个方面进行了研究。目前的研究多基于商业步行街的火灾危险性、防火分隔要求、消防扑救、“亚安全区”的可行性等方面[3-7]。

对于有顶商业步行街的排烟设计，《建筑设计防火规范》GB 50016-2006[8]和《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045-95(2005年版)[9]均未作出明确规定，2015年5月开始实施的《建筑设计防火规范》GB50016-2014规定了有顶商业顶棚应设置自然排烟设施并宜采用常开式的排烟口，且自然排烟口的有效面积不应小于步行街地面面积的25%[10]。

自然排烟的驱动力主要来自于室内外温差形成的压差，室内上部热烟气层与室外温差越大，压差越大，烟气越易于排出。然而，在炎热的夏季，在太阳辐射和室外热空气作用下，屋顶的空气温度逐渐升高，最终在顶棚下方形成一定厚度的热空气层，并在室内形成自下而上温度升高的温度梯度场。火灾产生的烟气在浮力的作用下上升的过程中，卷吸空气，温度逐渐降低，屋顶的热空气层将成为烟气向顶棚上升的障碍，这种现象称为“热障效应”[11]。显然，热障效应将会对自然排烟效果产生一定的影响，因此，在现行国家规范规定有顶商业步行街顶棚开设自然排烟口进行自然排烟的背景下，研究热障效应对有顶步行街自然排烟的影响是非常必要的。本文对不同高度及不同环境温度条件下有顶商业步行街自然排烟时顶棚附近的温度、能见度以及排烟效率进行分析，探讨热障效应对有顶商业步行街自然排烟产生的不利影响。

图1　某商业综合体一层平面Fig.1　The first floor plan of a commercial complex

1　计算参数及火灾场景设计

本文采用美国国家技术标准局(NIST)建筑火灾实验室开发的火灾模拟软件FDS6.0进行数值模拟研究。FDS是基于场模拟的火灾模拟软件，采用先进的大涡模拟技术，已得到大量试验及实例的验证，在消防工程研究领域应用非常广泛[12-15]。

1.1　有顶商业步行街模型尺寸

本文以某商业综合体为背景进行相关研究。该商业综合体建筑层数4层，建筑高度20 m，每层建筑面积约为13 500 m2，其中步行街区域尺寸为200 m×15 m×20 m，由一个圆形和两个矩形中庭组成，步行街两侧以小型商铺为主，两侧商铺之间间距为15 m，两端各一个主出入口，其上各层设置玻璃幕墙，玻璃幕墙为可开启外窗的形式，火灾时可开启外窗进行辅助通风、排烟，其建筑平面如图1所示。

1.2　网格设置

网格精度对火灾模拟结果影响较大，精度越高，结果越精确，但是时间也成指数增长，经过大量的研究结果表明，模拟时采用0.1D*的网格尺寸较为合理，D*是火源特征直径，通常用下式计算：

(1)

式中：Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为环境空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

假设火源位于有顶商业步行街中庭内，参考上海市工程建设规范《建筑防排烟技术规程》DGJ08-88-2006[16]，设有喷淋的中庭火源热释放量为1.0 MW，考虑2.0倍安全系数，则最大火源热释放量为2.0 MW，据此计算得到D*约为1.26 m，数值模拟计算网格取为0.1 m，能够满足计算精度的要求。

1.3　数值模拟参数设置

1.3.1火源参数

设定火源燃烧物质为丙烷，单位面积热释放量为500 kW，火源面积4 m2，火灾按照t2快速火发展(火灾增长系数0.046 89 kW/s2)，火灾在206.5 s时刻达到最大热释放速率并保持稳定。

1.3.2顶棚空气温度

假设室内地面附近的空气温度为293 K(20℃)，密度为1.2 kg/m3，考虑建筑顶棚附近空气由于太阳热辐射和外界热空气的热对流作用下的温度升高到50℃，45℃，40℃，35℃，30℃和25℃共6种不同情况，则研究工况设计如表1所示。

表1　不同顶棚附近温度工况

1.4　火羽流最大高度计算

根据《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》(Third Edition)第二部分第一章：火羽流、火焰高度和空气卷吸[17]，如果环境空气竖直方向上存在温度梯度而分层时，也就是说建筑内屋顶下方的空气因为受到太阳辐射等作用导致温度升高，高于建筑内地面附近的温度时，就会影响火灾产生的羽流的上升，手册提供了计算火灾产生的羽流能够升高的最大高度。

(2)

表2　不同步行街净空高度工况

2　热障效应对自然排烟效果的影响分析

2.1　热障效应对自然排烟效果的影响

图2所示为距有顶商业步行街顶棚下方0.5 m处的能见度在水平方向的分布情况，当顶棚附近空气温度为25℃，30℃，35℃，40℃，45℃和50℃时，步行街顶棚下方能见度分别在距离火源位置约135 m，105 m，95 m，85 m，55 m和45 m处时升高到30 m，也就是说基本没有烟气到达该位置。

图2　距顶棚下方0.5 m处能见度在水平方向的变化规律Fig.2　Changes of visibility 0.5 m below ceiling in horizontal direction

在距离火源位置15 m处的能见度竖直方向上的变化如图3示，从图中可以得出，随着顶棚附近空气温度增加，相同高度处的能见度逐渐降低。当顶棚附近空气温度从25℃升高到35℃时，能见度为30 m的高度由15 m降低到9 m，当顶棚附近温度从35℃升到50℃时，能见度为30 m的高度维持在9 m，但是在9 m以上的能见度随着顶棚附近温度的升高而降低，说明了随着顶棚附近温度的升高聚集的烟气越来越多，即排出的烟气越来越少。

图3　火源位置15 m处能见度在竖直方向的变化规律Fig.3　Changes of visibility 15 m away from fire in vertical direction

2.2　热障效应作用下的自然排烟效率

自然排烟效率为由所有自然排烟窗排出的烟气量占火灾产生的烟气量的百分比，用排烟窗排出的CO2质量速率表征烟气排出量，用火灾产生的CO2质量速率表征烟气生成量[18]。

在火灾数值模拟FDS中，其默认的燃烧物为丙烷，丙烷的燃烧化学反应式为：

C3H8+4.963O2→2.964CO2+3.998H2O+0.04Soot

(3)

丙烷燃烧热值为47 284 kJ/kg，结合上述燃烧反应方程式，计算得到火源功率为2.0 MW时，火灾单位时间内生成的CO2量为0.125 kg/s。

根据模拟结果，顶棚附近温度变化时，单位时间内排出的CO2量及计算出的排烟效率见表3。

表3　排烟效率

排烟效率随顶棚附近空气温度的变化如图4示，从图中可以看出，随着顶棚附近空气温度的增加，排烟效率逐渐降低，且近似于线性关系，拟合得到的线性函数为y=133.18-1.8x(25≤x≤50)。

图4　排烟效率随顶棚附近空气温度的变化规律Fig.4　Changes of smoke extraction efficiency with environment temperature near ceiling

图5　1 200 s时刻过火源中心能见度竖向分布Fig.5　Visibility distribution at the surface across fire source at 1 200 s

3　高度及热障效应作用下的自然排烟效果

3.1　能见度竖向变化规律

图5给出了模拟时间1 200 s时刻过火源中心能见度竖向分布图，从图中可以看出，随着步行街高度由20 m增加到40 m，能见度由2层变为3层，且分层越来越明显，烟气分别在距离火源水平距离70 m，59 m，42 m，20.5 m及15 m处难以达到顶棚，逐渐沉降，表明烟气受到环境空气热分层影响趋于明显。

当步行街高度增加到35 m时，能见度在距火源位置约20.5 m处就开始出现分层，20.5 m以外的烟气已不能达到步行街顶部，当步行街高度增加到40 m，能见度出现分层的位置与35 m高度基本一致，但是沉降更低，仅火源正上方的烟气能够达到步行街顶部，与理论计算结果基本一致。

3.2　温度竖向变化规律

火源中心竖直方向上烟气温度与环境空气的温度差如图6示，由图可以看出，随着步行街高度增加，步行街顶棚下方的温度差逐渐降低，步行街高度为20 m，25 m，30 m，35 m和40 m时，顶棚下方1 m处的温度差分别为：45.9℃，37.5℃，26.5℃，19.2℃和6.1℃，当烟气层温度与环境空气温度差低于15℃时，此时的烟气已经基本失去浮力，会在空中滞留或沉降，自然排烟难以有效将烟气排出至室外。在步行街高度为35 m，顶棚附近环境空气温度为45℃时，顶棚下方1 m处的烟气层温度与环境空气温度差为19.2℃，略大于15℃，而步行街高度为40 m时，烟气层温度与环境空气温度为6.1℃，远低于15℃，此时自然排烟将无法有效排出室内烟气。

图6　火源中心竖直方向上温度差Fig.6　Temperature difference above fire source in vertical direction

3.3　流速竖向变化规律

火源中心竖直方向上的气流速度分布如图7示，由图可以看出，随着步行街高度增加，竖向流速逐渐减小，且减小幅度逐渐增大，当步行街高度分别为20 m，25 m，30 m，35 m和40 m时，其顶棚下方1 m处的流速分别约为3.0 m/s，2.5 m/s，1.8 m/s，1.1 m/s和0.3 m/s。当步行街高度为40 m，顶棚附近环境空气温度为45℃时，顶棚下方1 m处的烟气流动速度仅为0.3 m/s，烟气几乎刚好到达顶棚位置，自然排烟效果受热空气层的影响很大。

图7　火源中心竖直方向上烟气流速Fig.7　Smoke velocity above fire source in vertical direction

结合火源正上方步行街顶棚下的烟气层温度与环境空气的温度差，以及顶棚下的烟气流动速度分析得出，当步行街高度为35 m，顶棚附近环境空气温度为45℃时，烟气层温度与环境空气的温度差为19.2℃，烟气流速为1.1 m/s，温度差与流速相对较大；当步行街高度为40 m，顶棚附近环境空气温度为45℃时，烟气层温度与环境空气的温度差为6.1℃，烟气流速为0.3 m/s，温度差与流速已经很小，为保证自然排烟效果的有效性，在设定的火灾场景下，有顶商业步行街高度不宜大于35 m。

4　结论

1)当有顶商业步行街建筑高度一定时，顶棚附近环境温度越高，对自然排烟阻碍越大，自然排烟效果越差，自然排烟效率与热空气温度呈现线性变化趋势。

2)当顶棚附近环境温度一定时，有顶步行街高度越高，竖直方向的温度差越小，烟气流速越小，自然排烟效率越低。

3)当顶棚附近环境温度为45℃，步行街高度为35 m时的烟气层温度与环境温度差及烟气竖向流速均较大，但是当高度增加到40 m时，烟气层温度差及烟气竖向流速均很小，此时烟气已基本无法到达步行街顶部，自然排烟将失去作用，因此，在设定的火灾场景下，有顶步行街高度不宜大于35 m。

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