大型物流仓库自然排烟优化设计研究

沈智伟

(上海嘉定区消防支队，上海 201800)



大型物流仓库自然排烟优化设计研究

沈智伟

(上海嘉定区消防支队，上海 201800)

屋顶自然排烟有采光带和天窗两种常用方式，采光带需要一定的温度才能开启。以某大型物流仓库中火灾隐患最大的防火分区为研究对象，利用火灾动力学软件FDS模拟了12种不同的火灾场景，分析了在不同火源功率情形下采光带的开启情况及有效性，研究了不同火源位置、不同天窗设计对排烟的影响，从而优化物流仓库的排烟天窗设计。

大型物流仓库；采光带；天窗；自然排烟；FDS

0 引言

大型物流仓库要求建筑有高大空间，占地面积一般在10 000 m2以上，建筑高度多在12 m以上，货架堆放物品的密度大、数量多、品种复杂，整座建筑空间呈现连续开放的形态，发生火灾后，极易形成大面积火灾[1]。现有物流仓库的排烟方式主要有开设常开窗进行自然排烟和设置机械排烟设施两种，无论采取何种方式，由于仓库空间高大，其初起火灾类似于室外无风状态火灾，在货架和货物的阻挡之下，烟气到达屋面层的时间较长。热烟气从产生到排出室外的时间较长，会引燃热烟气流经处的室内可燃物，使室内陷入烟雾浓、温度高、能见度低的高危状态，对建筑结构安全造成威胁，也不利于人员疏散和灭火救援的展开。

根据大型物流仓库自然排烟优化设计的研究内容，结合火灾动力学模拟软件FDS，研究不同功率火源的采光带的开启情况，并比较不同排烟天窗、不同火源位置，对排烟口排烟量、温度场、烟气层高度等参数的影响，通过这几个重要参数的对比研究，设计最优化的排烟模式[1-7]。

1 火灾场景的设置

模拟仓库长190 m、宽100 m、高12 m，建筑总面积19 139 m2，具有4个防火分区[2]，存放了大量口香糖，查阅口香糖成分及相关资料，可知其火灾规模为2.5 MW。该仓库4个防火分区中有两个与外界接触，周围门窗多，发生火灾容易被发现和扑灭，火灾隐患小；另外两个火灾隐患较大，且情况类似。因此，选取火灾隐患较大的一个防火分区为研究对象，其总面积4 560 m2，两侧有侧窗，顶部为长3.01 m、宽0.6 m的128个采光带。

工况设计为：(1)屋顶采用采光带排烟，在不同火源功率(2 MW、4 MW、8 MW)情况下采光带的开启情况，共3种场景；(2)屋顶采用天窗排烟，在总面积相同的情况下，采用3种不同规格尺寸的排烟窗，火源位置设计为墙角火、边缘火、中间火三种火源，共9种场景。设定火灾为t2快速增长火，模拟时间为1 800 s，网格设计为0.5 m×0.5 m×0.5 m，12个火灾场景的设定具体见表1。

2 数值模拟结果对比分析

2.1 采光带排烟效果

表1 某物流仓库的12种火灾场景

图1 2 MW火源采光带1 800 s时状态

图2 4 MW火源采光带1 800 s时状态

易熔采光带能在高温条件下(一般大于80 ℃)自行熔化并不产生熔滴，当屋顶使用采光带排烟时[3]，在火源功率为2 MW和4 MW的情况下，屋顶温度在轰燃之前不能达到80 ℃，采光带不能有效开启，如图1、图2所示。当火源功率比较大(8 MW)时虽然能达到80 ℃，100 s时第一个采光带开启排烟，随后所有采光带都开启，但是由于火源功率太大，防火分区内所有物品很快被引燃，整个防火分区在280 s时发生轰燃，具体如图3所示。由于货物高度比较高，在图中可以看到火焰已经通过采光带溢流出来，顶部最高温度能达到1 500 ℃。

图3 8 MW火源采光带300 s时状态

由顶棚射流的相关知识来解释在三种不同大小火源情况下采光带开启情况的不同，Alpert根据全尺寸试验推导出在羽流撞击顶棚所在区域内，最高温度可按下式计算[4]：

(1)

式中，T为温度，℃；Q为火源功率，MW；H为高度，一般取12 m。

计算可知，当Q分别为2 MW、4 MW、8 MW时，Tmax分别为42 ℃、67 ℃和107 ℃。考虑到采光带不在火羽流撞击范围内及周围环境的影响，因此，采光带在低火源功率情况下是不会开启的，在高火源功率情况下虽然开启，但是由于火源功率太大，火灾很快蔓延，并且发生轰燃，采光带已经达不到延迟轰燃的效果。

2.2 天窗排烟效果

由于采光带很难达到开启温度，即使在火源功率很大的情况下达到开启温度，但是此时火灾蔓延很快，迅速发生轰燃，因此，建议用天窗而不是采光带进行顶部排烟，并重点研究对于不同火源位置、不同大小天窗的排烟效果。

2.2.1 烟气层高度比较

通过FDS模拟得出天窗排烟9种工况的烟气分布情况。

2.2.1.1 在模拟时间600 s，当火源位于中央位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气层在水平方向分布比较均匀，三种天窗的烟气层分布并无明显差距。当火源位于边缘位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气在水平方向上主要分布在边缘位置附近，其靠近火源位置的烟气层厚度比火源位于中央位置时相应位置的烟气层厚度高，三种天窗的烟气层分布并无明显差距。当火源位于墙角位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气在水平方向上主要分布在墙角位置附近，其靠近火源位置的烟气层厚度比火源位于中央位置和边缘位置时相应的烟气层厚度高。8个天窗、32个天窗、128个天窗三种排烟方式在墙角位置附近的烟气层厚度按由高到低的顺序分布。

2.2.1.2 在模拟时间1 200 s，当火源位于中央位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气层在水平方向分布比较均匀，三种天窗的烟气层分布差距并不明显。当火源位于边缘位置时，烟气层高度在货物高度以上，但是主要分布在边缘位置附近，其靠近火源位置的烟气层厚度比火源位于中央位置时相应位置的烟气层厚度高，三种天窗的烟气层分布差距并不明显。当火源位于墙角位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气在水平方向上慢慢往远离火源位置蔓延，但是主要分布在墙角位置附近，其靠近火源位置的烟气层厚度比火源位于中央位置和边缘位置时相应的烟气层厚度高。8个天窗、32个天窗、128个天窗三种排烟方式在墙角位置附近的烟气层厚度按由高到低的顺序分布。

2.2.1.3 在模拟时间1 800 s，当火源位于中央位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气层在水平方向分布比较均匀，三种天窗的烟气层分布并无明显差距。当火源位于边缘位置时，烟气层高度在货物高度以上，烟气主要分布在边缘位置附近，其靠近火源位置的烟气层厚度比火源位于中央位置时相应位置的烟气层厚度高，三种天窗的烟气层分布并无明显差距。当火源位于墙角位置时，屋顶有8个天窗和32个天窗的防火分区分别在1 346 s和1 661 s时发生轰燃，烟气迅速蔓延至整个防火分区。128个天窗的防火分区与600 s和1 200 s时烟气层分布并无明显差距，排烟效果良好，没有引发轰燃。

2.2.2 防火分区顶部温度比较

2.2.2.1 在模拟时间600 s，当火源位于中央位置时，三种天窗的防火分区屋顶的最高温度都是26 ℃左右，顶部天窗排烟效果很好。当火源位于边缘位置时，三种天窗的防火分区屋顶最高温度都是29 ℃左右，比火源位于中央位置时的温度略高。当火源位于墙角位置时，8个天窗的屋顶最高温度最高，为86.3 ℃；其次为32个天窗屋顶，最高温度76.5 ℃；最后为128个天窗的屋顶，最高温度为40 ℃。

2.2.2.2 在模拟时间1 200 s，当火源位于中央位置时，三种天窗的防火分区屋顶的最高温度都是65 ℃左右。当火源位于边缘位置时，三种天窗的防火分区屋顶的最高温度都是75 ℃左右，比火源位于中央位置时的温度略高。当火源位于墙角位置时，8个天窗的屋顶最高温度最高，为86.3 ℃，其次为32个天窗屋顶的最高温度84.2 ℃，最后为128个天窗屋顶的最高温度75 ℃。与600 s时的温度场分布比较，由于火焰蔓延的影响，其最高温度范围扩大。

2.2.2.3 在模拟时间1 800 s，当火源位于中央位置时，三种天窗的防火分区屋顶的最高温度都是65 ℃左右。当火源位于边缘位置时，三种天窗的防火分区屋顶的最高温度都是75 ℃左右，比火源位于中央位置时的温度略高。这两种火源位置温度场与1 200 s时的温度场分布比较，由于火焰蔓延的影响，其最高温度范围扩大。当火源位于墙角位置时，8个天窗的防火分区在1 346 s时达到轰燃，32个天窗的防火分区在1 661 s时达到轰燃，最高温度都达到1 000 ℃以上。

2.2.3 排烟口排烟量分布

在排烟口设置烟气质量流量探测点，记录每个排烟口随时间其排烟量的变化，并且用origin[7]画出几个代表窗口的排烟量随时间的变化曲线。以此来研究不同天窗排烟量与其离火源位置的关系。

2.2.3.1 图4～图6是8个天窗排烟时，对应不同火源位置的天窗排烟量随时间的分布规律，选取的是一个对角线上的两个代表天窗。在火源位于中央位置时，两个天窗的排烟量没有差异；当火源位于边缘位置时，由于两个排烟口距离火源位置相当，所以排烟量也没有差异；当火源位于墙角位置时，由于B1号天窗距离火源位置很近，从而两个窗口的排烟量有了很大的区别，并且可以观察到在1 346 s时由于轰燃，排烟量突增，之后逐渐趋于平缓。

图4 8个天窗火源位于中央位置排烟口排烟量

图5 8个天窗火源位于边缘位置排烟口排烟量

图6 8个天窗火源位于墙角位置排烟口排烟量

2.2.3.2 图7～图9是32个天窗时，对应不同火源位置天窗排烟量随时间的分布规律，选取的是一个对角线上的四个代表天窗。在火源位于中央位置时，B5和C3比A8和D1离火源近，其排烟量也相对大；当火源位于边缘位置时B5离火源最近，其排烟量最高；当火源位于墙角位置时由于D1号天窗距离火源位置最近，其排烟口排烟量最高，并且远远高于其他三个排烟口的排烟量，还可以观察到在1 661 s时由于轰燃，排烟量突增，后又逐渐趋于平缓。

图7 32个天窗火源位于中央位置排烟口排烟量

图8 32个天窗火源位于边缘位置排烟口排烟量

图9 32个天窗火源位于墙角位置排烟口排烟量

2.2.3.3 图10～图12是128个天窗时，对应不同火源位置天窗排烟量随时间的分布规律，选取的是一个对角线上的四个代表天窗。在火源位于中央位置时，D11和F6比A16和H1离火源近，其排烟量也相对大，但总体差距很小。当火源位于边缘位置时，D11离火源最近，其排烟量最高。当火源位于墙角位置时，F6开始的排烟量比较小，随着时间的变化排烟量不断增多，最后和H1天窗的排烟量相当，并且此时防火分区没有发生轰燃，说明当顶部排烟口比较多、分布范围比较广时，虽然单个排烟口面积比较小，但是能有效及时地排出最近位置的烟气，从而防止轰燃的发生。由以上不同火源位置、不同大小排烟口排烟量的曲线可以看出，排烟量基本与离火源位置成反比，离火源越近，其排烟量越大，离火源越远，其排烟量越小。

图10 128个天窗火源位于中央位置排烟口排烟量

图11 128个天窗火源位于边缘位置排烟口排烟量

图12 128个天窗火源位于墙角位置排烟口排烟量

2.2.3.4 图13和图14分别为火源位于中央位置及火源位于墙边位置三种天窗排烟口总排烟量。总排烟量从高到低依次为128个天窗、32个天窗、8个天窗，由此可知排烟效果最好的是128个天窗的分布模式。

3 结论与展望

3.1 结论

图13 火源位于中央位置三种天窗排烟口总排烟量

图14 火源位于墙边位置三种天窗排烟口总排烟量

(本文以某大型物流仓库中火灾隐患较大的防火分区作为研究对象，研究采光带和天窗排烟的效果，根据FDS模拟结果，主要结论为：(1)在小功率火源2 MW、4 MW)的情况下，烟气温度不能达到采光带的开启温度(80 ℃)，达不到理想的排烟效果；在大功率(8 MW)的情况下，火焰很快蔓延并轰燃，采光带不能发挥有效作用。(2)在天窗的优化设计模拟研究中，模拟了对应不同火源位置和大小不同但总面积相同的天窗的烟气层厚度，所选防火分区顶部温度及排烟口排烟量随时间的分布规律。当火源位于中央或者边缘位置时，发生轰燃的可能性比较小，但是当火源发生在墙角位置时，如果排烟天窗距离其火源比较远，虽然排烟天窗的总面积没有变，但有可能发生轰燃。这是由于在墙角如果顶部没有很好的排烟天窗，火焰在燃烧时不能有效卷吸外界冷空气，温度上升很快，从而引发轰燃。(3)通过采光带和排烟天窗的模拟可以看出：天窗在排烟效果上明显优于采光带，因顶棚射流温度通常不能及时达到采光带的开启温度；在保证面积不变的情况下，天窗分布个数多、分布范围广更有益于有效及时地把距离其位置最近的烟气排出；由于墙角位置卷吸冷空气难度大，在墙角位置上部安装天窗更能有效地避免火灾发生快速蔓延。

3.2 展望

本文所选取的大型物流仓库结构比较简单，且口香糖的燃烧热和引燃温度等都有一定的独有性，对于其他燃料及复杂结构仓库而言，此结论有效性还需进一步验证。对于侧窗面积很大的仓库，还需研究侧窗和天窗共同作用下的排烟效果，在最大限度提高排烟效果情况下，研究侧窗和天窗的面积分配。自动喷淋系统对火焰、仓库内温度等的作用，以及如何消除排烟窗过早开启对自动喷淋系统动作产生的不利影响，也是进一步研究的重点。

[1] 余华,何学秋.仓库火灾特点、原因及防范对策探讨[J].中国安全生产科学技术,2005,1(5):85-87.

[2] 王友博,程远平.仓储建筑自然排烟数值模拟[J].消防科学与技术,2011,30(4):279-283.

[3] 公安部上海消防科学研究所,上海市消防局.建筑防排烟技术规程:DGJ 08—88—2006[S].2006.

[4] 范维澄,王清安,姜冯辉,等.火灾学简明教程[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1995:243-244.

[5] 谢斌,康侍民,刘勇.浅谈中庭烟气管理系统[J].重庆大学学报(自然科学版),2002,25(8):104-107.

[6] 杜静.浅谈防排烟设计要点[J].湖南暖通空调,2006(1):22-24.

[7] 张凯.常见可燃建筑材料火灾及毒性烟气模拟研究[D].淮南:安徽理工大学,2009.

(责任编辑 马 龙)

Study on Natural Smoke Exhaust Optimization Design in Large-scale Logistics Warehouses

SHEN Zhiwei

(JiadingDistrictMunicipalFirebrigade,Shanghai201800,China)

This study takes the fire compartment with the highest fire risk in a large-scale logistics warehouse as its subject, and uses Fire Dynamics Simulator (FDS) to simulate 12 different kinds of fire scenes. Lighting belts and skylights are two common ways of natural smoke exhaust. Since lighting belts can only work when their temperature reaches a certain degree, it is essentially important to do research on when it will work and whether it can work at fire scenes, and to study the smoke exhausting effect when different burner positions and different sizes of skylights are designed with the purpose of optimizing skylight design.

large-scale logistics warehouse; lighting belt; skylight; natural smoke exhaust; FDS

2016-12-18

沈智伟(1982— )，男，上海人，工程师。

TU998.1

A

1008-2077(2017)06-0009-06