某地下商业街火灾时机械排烟模式研究

薛 伟，杨 德

(南阳市公安消防支队，河南 南阳 473000)

某地下商业街火灾时机械排烟模式研究

薛 伟，杨 德

(南阳市公安消防支队，河南 南阳 473000)

地下商业街作为火灾防范的重点区域，有效设置其机械排烟尤为重要。以某地下商业街为例，使用数值模拟的方法对其不同排烟模式下的火灾烟气流动状态和烟气控制效果进行分析，研究了排烟速率、排烟范围以及补风设计对排烟效果的影响。通过对烟气层温度及烟气层沉降度的分析得出：排烟速率过大可能使得排烟效率降低，而非起火区的排烟可能导致烟气扰动，但适当增加补风口的面积能起到较好的排烟效果。

地下商业街；机械排烟；数值模拟；烟气流动

0 引言

随着城市的发展和人口的增长，高层建筑越来越多，地下建筑也应运而生。地下商业街在地下空间的开发利用中占有重要的地位，给人们生活带来便利的同时，也给火灾防治带来严峻的课题。Cox和Kumar在机械通风环境中对火灾进行了场模拟的研究，Cooper及Forney开展了房间火灾区域模拟的研究，Hinkley分析了热烟气在屋顶有通风口情况下的产生率，Morgan研究了烟气在大空间的水平流动，并且得出了封闭商场中烟气控制的设计方法。四川消防所建立了全尺寸地下商业街模型试验台，并在该试验台基础上研究了火灾烟气流动规律以及控制方法[1-2]。周子荐[3]等人比较了某地下场馆不同排烟方案的效果，发现排烟口在顶棚的排烟效果优于在侧墙上部的效果。胡隆华[4]在某地下商业街中开展了全尺寸机械排烟试验，结果表明补风口不宜布置在排烟口附近，否则会严重影响排烟效果。

我国的规范对排烟的具体模式并没有规定。本文以某地下商业街为例，使用FDS模拟火灾烟气的流动状况和烟气的控制效果，通过不同排烟模式的模拟，给出定性及定量的分析。

1 模型与场景设置

以某地下商业街的一个防火分区为例，如图1所示。该区域为拐角形，北侧有一个敞开出口A，南侧有一个可开启出口B，模型横向宽40 m，纵向共长48.8 m，被1 m高的挡烟垂壁划分为三个防烟分区，每个防烟分区均匀布置4个排烟口，每个排烟口面积设为0.6 m×0.8 m。火灾设置在防烟分区1内，考虑到该场所为设置自动喷水灭火系统的商场，火源按t2火设计，设置为快速增长-稳定火源，稳定功率为3 MW。

图1 FDS建立的地下商业街模型

如图2所示，模型在3.75 m高度的平面上设置6个热电偶，热电偶探测点自下至上从左向右依次编号为P1，P2，P3，P4，P5，出口，以分析其温度变化情况。为了分析热烟气层对人员疏散的影响程度，在模型中设置了8个烟气探测点，自下至上从左向右依次编号为a，b，c，d，e，f，g，出口，用以得出烟气下降到2 m高度的时间。

图2 烟气探测点与热电偶位置示意图

本文共设置了4个火灾场景进行分析，如表1所示。场景1，2在3个防烟分区均排烟，场景3，4仅在起火防烟分区即防烟分区1排烟；场景1设置排烟口风速为4.34 m·s-1，场景2，3，4设置排烟口风速为8.68 m·s-1。

表1 各场景参数设定表

2 结果与讨论

2.1 烟气流动规律

图3给出了场景1不同时刻3.75 m高度处能见度图，可以明显看到烟气沿着1区→2区→3区的方向呈倒“U”形流动。1区到2区流动是1区烟气填充满之后向2区的自然流动，而2区到3区的流动则明显与1区到2区的流动不同，三号通道的剖面图如图4所示，从中可以看出，由北侧出口A进入商场的气流对2区的烟气层造成了很大的扰动，并将大量烟气带入3区内。

图3 场景1不同时刻3.75 m高度处能见度

图4 395 s时三号过道剖面的能见度

2.2 排烟口风速对排烟效果的影响

场景2中排烟口风速是场景1的两倍，图5和图6给出了两个场景下模拟结果对比。3.75 m高度处温度对比如图5所示，可以看出1区各点温度高于2区各点温度，而2区各点温度又高于3区各点温度，这显示出烟气沿着1区→2区→3区的方向流动。另外，由于场景2排烟量较大，能够排除更多的热量，可以看出，场景1中各点的温度都较场景2中相应点的温度高10 ℃左右。

图6给出了场景1与场景2中烟气沉降到2 m高度的时间对比，在模拟时间内未沉降到2 m的计为500 s。从图中可以看出场景2中烟气层比场景1下降得快，即排烟量增加一倍之后，反而使得商场内烟气层更快下降到2 m。

这是由于排烟量增大后使得补风口的入口风速增加，过大的入口风速会破坏2区的烟气分层，并对烟气层产生扰动，导致烟气量大大增加，这就使得该模式下烟气反而沉降得更快。因此，场景1优于场景2，即4.34 m·s-1的排烟速率的排烟效果比8.68 m·s-1的排烟效果更好。

图5 3.75 m高度处烟气层温度对比图(场景1,2)

图6 烟气沉降到2 m高度的时间 对比图(场景1,2)

2.3 非起火防烟分区排烟对排烟效果的影响

场景2中1区、2区、3区风口全部打开，场景3中仅1区风口打开。图7和图8给出了两个场景下模拟结果对比。3.75 m高度处温度对比如图7所示，从烟气层温度来分析，两个场景中各点烟气层的温度相差很小，这说明场景2与场景3中的烟气排出量相差不大，也就是说非起火防烟分区的排烟风机并没有起到很大的排烟效果。

图8给出了场景2与场景3中烟气沉降到2 m高度的时间对比，可以看出，场景2中各处烟气层沉降到2 m高度的时间均比场景3短，这说明非起火防烟分区的排烟导致了烟气流动加快，烟气层更早降到临界值，这对人员疏散是非常不利的。

由此可知，非起火分区的排烟仅能够降低门口的温度，但是其抵消了起火防烟分区的压差，促进了烟气的流动，使烟气更快地沉降，场景3排烟效果优于场景2。

图7 3.75 m高度处烟气层温度对比图(场景2,3)

图8 烟气沉降到2 m高度的时间 对比图(场景2,3)

2.4 起火防烟分区排烟模式比较

场景1中1区、2区、3区风口全开，风速为4.34 m·s-1，场景3中仅1区风机开，风速为8.68 m·s-1。图9和图10给出了两个场景下模拟结果对比。3.75 m高度处温度对比如图9所示，从烟气层温度来分析，场景1中各点温度均高于场景3中各点温度。虽然场景1中的排烟量大于场景3，但是其排烟量有2/3在非起火分区，对室内温度没有起到很好的降低效果，反而使其“有效排烟量”少于场景3，故其烟气层温度高于场景3；又由于场景3中过高的排烟风速产生了严重的吸穿现象，使其各点烟气层温度并没有大幅低于场景1中各点温度。

图10给出了场景1与场景3中烟气沉降到2 m高度的时间对比，可以看出，除没有下降到2 m的点外，场景1中各点烟气层都比场景3中各点烟气层先下降到2 m高度处，这主要是由于非起火防烟分区的排烟对烟气流动的加快作用。因此，场景1的排烟效果不如场景3。

图9 3.75 m高度处烟气层温度对比图(场景1,3)

图10 烟气沉降到2 m高度的时间 对比图(场景1,3)

2.5 补风口数量对排烟效果的影响

场景3中出口B关闭，场景4中出口B开启。图11和图12给出了两个场景的模拟结果对比。3.75 m高度处温度对比如图11所示，从烟气层温度表明，场景4中2区温度相比于场景3中有所上升，这主要是由于场景3中仅有一个补风口，其风速较大，对烟气层造成了很大的扰动，并将大量烟气带入3区，使得商场顶部烟气温度降低。而场景4中增加了一个补风口，减小了对烟气层的扰动，导致顶部烟气温度升高。

图12给出了场景3与场景4中烟气沉降到2 m高度的时间对比，可以看出打开出口B后对3区内烟气沉降有较大的影响。烟气由2区向3区的流动主要是依靠出口A补入的空气流将烟气吹向3区，

图11 3.75 m高度处烟气层温度 对比图(场景3,4)

因此出口A的入口风速大小就决定了进入3区的烟气量。场景4中增加了一个补风口，使得出口A的入口风速下降，因此减少了进入3区的烟气量，从图12可以看出，c、d两点烟气层高度下降到2 m的时间分别延长了40 s和130 s。

图12 烟气沉降到2 m高度的时间 对比图(场景3,4)

3 结论与展望

本文采用FDS对某地下商业街的一个防火分区进行了数值模拟，讨论了不同排烟模式的烟气控制效果，结果表明：(1)更高的排烟速率未必会有更好的排烟效果。排烟速率过快可能会产生吸穿现象，使排烟效率下降，补风口入口风速的增加会对烟气流动造成扰动，破坏烟气分层并导致烟气控制效果较差，不利于人员疏散。(2)非起火防烟分区的排烟消除了非起火防烟分区和起火防烟分区的压差，促进了烟气的扩散。(3)在非起火区增设补风口有利于减小补风口风速，延长烟气层沉降时间。

火灾是一个非常复杂的现象，本文只选取了一个固定位置火源进行研究，其他位置的排烟情况还有待进一步探讨。由于地下商业街模式较多，而本文只是选取其中的一个特定模型进行研究，其他模型的排烟系统也有待继续研究。

[1] 张青岚,兰彬,张文良,等.地下商业街火灾烟气流速的试验研究[J].消防科学与技术,2001,20(1):13-16.

[2] 兰彬,梅秀娟,张文良,等.地下商业街火灾热释放速率试验研究[J].消防科学与技术,2000,19(2):4-8.

[3] 周子荐,沈震.某大型场馆不同排烟方案的比较与分析[J].消防科学与技术,2009,28(11):820-823.

[4] HU L H,HUO R,LI Y Z,et al.Full-scale burning tests on studying smoke temperature and velocity along a corridor[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2005,20(3):223-229.

(责任编辑李蕾)

MechanicalSmokeExtractionSystemofUndergroundCommercialBuildings

XUE Wei, YANG De

(NanyangMunicipalFireBrigade,He’nanProvince473000,China)

Because underground commercial buildings are the focal points of fire protection, effective mechanical smoke extraction is of vital importance to the fire safety of underground commercial buildings. Therefore, a computer simulation is undertaken to analyze the smoke flow and smoke control effectiveness with various smoke extraction methods. The influence of different smoke extraction velocity, extraction coverage area and air supply on the effectiveness of smoke extraction is studied. Based on the analysis of the temperature and height of smoke layer, this paper concludes that high velocity of smoke extraction will reduce the efficiency of extraction, and smoke extraction in the non-smoking area will disturb the smoke while enlarging the area of air supply can achieve a better result.

underground commercial building; mechanical smoke extraction; computer simulation; smoke flow

2017-07-26

薛伟(1975— )，男，河南潢川人，高级工程师； 杨德(1983— )，男，湖北枣阳人。

X932；D631.6

A

1008-2077(2017)10-0042-05