内走道机械排烟效率研究

唐铭芳 曾 烨

(1.厦门市公安消防支队思明大队 福建厦门 361000； 2.厦门市公安消防支队特勤大队 福建厦门 361000)

内走道机械排烟效率研究

唐铭芳1曾 烨2

(1.厦门市公安消防支队思明大队 福建厦门 361000； 2.厦门市公安消防支队特勤大队 福建厦门 361000)

机械排烟常应用于内走道排烟设计中，由于排烟量、补气方式、排烟管道、排烟口与排烟风机的设置不同，排烟效果将产生较大差别。基于烟气在排烟口、排烟管内的流动过程分析，给出了排烟管道距离风机不同位置处各排烟口排烟流速和流量计算的方法和步骤。采用数值模拟方法对不同总排烟量、不同补气方式以及不同排烟量分布情形下走道火灾的排烟效果进行了分析比较，给出了提高排烟效果的优化建议。建筑设计和消防灭火扑救过程中，应充分考虑补气方式以及排烟口流量不均匀分布对排烟效果的影响，以提高排烟系统的可靠性和选择安全性较高的扑救路径。

内走道；机械排烟；排烟口；排烟效率；数值模拟

0 引言

随着建筑规模、功能以及面积等因素多样化的需求，建筑中往往会出现各种类型的内走道。火灾发生时，火灾烟气由起火房间进入内走道再进行蔓延。作为人员疏散的必经通道，一旦烟气进入内走道，势必将大大影响建筑内人员的安全疏散，同时，内走道通风条件差，烟气排出困难，给救援人员进入到火场扑救带来了困难。因而，对内走道进行烟气控制是此类建筑消防设计中必须考虑的重要问题之一[1]。设置合理高效的防排烟系统是保障建筑火灾条件下人员安全的必要措施之一。我国的相关规范也对内走道防排烟系统设计进行了规定，如《高层民用建筑设计防火规范》[2]第8.4.1条、《建筑防火设计规范》[3]第9.1.3和9.4.1条等。

机械排烟是利用排烟风机通过排烟口和管道系统将火灾烟气排至室外的一种排烟方式，其特点是稳定、高效，但需要专门的管道、风机和动力系统，对于大型建筑和复杂的内走道，机械排烟是常采用的一种排烟方式。一个设计优良的机械排烟系统在火灾中能排出大部分的火灾生成热，使火场温度大大降低，对人员安全疏散和灭火救援起到重要作用。然而，实际工程设计中经常出现机械排烟的排烟口、管道布置以及补气设置不合理的情况，使排烟效率大大降低。排烟口位置，总排烟量、各排烟口排烟量的分配，以及补气的设置，都将对排烟效果产生重大的影响[4-7]。在目前的内走道机械排烟系统设计中，各排烟口处的排烟流速一般假设为相同，忽略了排烟口与风机距离对排烟流速的影响，对各排烟口流量不均匀分布对排烟效果影响的研究并不多。同时，各消防规范对建筑内走道排烟时的补气设置也没有具体规定，实际建筑内走道机械排烟系统的补气基本依靠自然方式进行。其实，补气方式对排烟效果将会产生一定的影响，走道排烟效果直接影响建筑防排烟系统的设计和实际消防救援策略的制定。因此，对其开展研究具有较大的实际应用价值。

图1 走道机械排烟示意图

1 走道排烟效果影响因素

1.1总排烟量

排烟量是机械排烟系统的关键设计参数，防火规范对于走道所在防烟分区的排烟量均有相应下限规定。排烟量越大，单位时间排出的烟气越多，因而对疏散和救援越有利。但是随着排烟量的增加，排烟口处的流速增大，易出现“吸穿效应”，使烟气层下部的空气也被大量吸入排烟管排出至室外，降低了排烟效率。同时，排烟管内气体流速的增加，也提高了对风机压力和功率能耗的要求，降低了排烟系统的经济性。因此，实际机械排烟系统设计时，应在满足规范要求的前提下充分考虑经济流速的要求，选择适当的排烟量，而不是一味地追求大排烟量。

1.2机械排烟口流量分布

机械排烟系统通常由风机和管道系统组成，对于同一管道上不同位置处的排烟口，由于距离风机位置的差别，排烟时排烟口内外压差一般是不同的，因而各排烟口的排烟流量也将不同。距离风机近(管道距离)处排烟口的排烟流量较大，远离风机处排烟口的排烟流量较小。对于较长的排烟管道，加上管道的漏风，距离风机最近排烟口的排烟流量与最远排烟口排烟量甚至可相差数倍以上。而且，距离风机最近的排烟口处流速易超过规范规定的最大流速(可能会导致“吸穿”效应)。由于排烟口流速和流量的不均匀分布，排烟效果随火灾发生的位置不同而不同，火源位于排烟量大排烟口附近时，排烟效率一般会高于比火源位于排烟量较小排烟口附近。

考虑内走道的机械排烟系统如图1所示，机械排烟系统由排烟风机、排烟管道和排烟口组成，排烟口均匀分布于排烟管道(编号1,2…n)，启动排烟系统时各排烟口开启面积为Ai，相邻排烟口间距为Δl，假设排烟管截面尺寸均匀，面积为Ad。排烟系统启动后，气体由走道进入排烟管道并由风机排出。理想情况下，排烟管道内壁没有摩擦阻力存在，则各排烟口流速是均匀分布的，各排烟口排烟量相等。而实际上，由于各排烟口距离风机距离不同，气体流动时受到的摩擦阻力和压力损失不同，因而各排烟口处气体流速与流量将各不相同，流速与流量的分布将与排烟口、排烟管尺寸、风机流量、压头、排烟口间距、管道壁面阻力系数等因素有关[8]。

对于未发生火灾情形，气体在走道与排烟系统中的流动可视为正压流体流动，由于流动过程中气体的压力变化相对于大气压力小得多，因而可将气体视为不可压流体。对排烟口i，流动的质量守恒和能量守恒方程为：

vi-1ρAd+Cdui-1ρAi=viρAd

(1)

(2)

(3)

其中vi为排烟口i处前方排烟管道内气体的平均流速，ms-1；ui为排烟口i处的气体流速，ms-1；ρ为气体密度，kgm-3；Cd为无量纲流通系数；pi为排烟管内排烟口i上方处静压，Pa；ζxi和ζyi为汇流局部压力损失系数；λ为排烟管内无量纲沿程阻力系数；d为排烟管当量直径，m；p0i为排烟口i下方处静压，Pa。一般来说，走道的截面积远大于排烟管道截面积，因此走道内的p0i可视为环境压力p0。

边界条件：

v1=0

(4)

(5)

联立式(1)～(5)，采用数值方法便可求出排烟管和各排烟口处的流速和流量分布。

考虑内走道机械排烟系统，走道尺寸为2m宽，3m高，50m长，排烟管尺寸1000mm×500mm，排烟口尺寸为600mm×600mm，风机排烟量为10m3/s，排烟口共5个，均匀分布于排烟管，相邻排烟口间距为10m，风机与最近排烟口距离为5m。利用式(1)～(5)计算得各排烟口处平均流速如图2所示。

由图2可见，各排烟口流速并非均匀分布，随着与排烟风机距离的减小，排烟口处流速增加较快。上例中，距离风机最近的排烟口与最远排烟口排烟量差别超过6倍。

图2 排烟口流量与距风机距离关系

1.3补气方式

由于自身位置与几何特性的原因，火灾发生时走道与外界的开口包括与起火房间相通的门以及走道两端的窗。机械排烟过程中走道进行自然补气时，若气体通过走道两端的开口进入(直接补气)，则进入的气体为新鲜空气。而若气体通过起火房间与走道间的门进入(间接补气，外界环境空气先通过起火房间与外界的通风口进入起火房间，再通过起火房间进入走道)，此时进入走道的新鲜空气量较少，而大部分气体为烟气，补气效率显著降低。因而补气的设置也将会对排烟效果产生影响。

2 数值模拟

以前文所述内走道及其机械排烟系统为物理模型，采用火灾场模拟软件FDS程序对火灾后走道烟气控制情况进行模拟，物理模型如图3所示。火灾发生于与走道相通的某个房间(走廊端部或走廊中部)，起火房间尺寸为4m×3m×3m，与走廊联通的门尺寸为1.0m×2.0m，与外界联通窗户尺寸为2.0m×1.5m，离地高度为1m；火源位于起火房间地面中间，火源为稳态火源，功率为1MW；排烟口均匀分布于走道上部，相邻排烟口间距为10m，两端排烟口距走道尽头距离为5m，各排烟口排烟流量按均匀与不均匀两种条件设置。对于均匀排烟工况，各排烟口排烟流量均为2m3/s，平均流速均为5.56m/s；对于非均匀排烟工况，风机位于走道靠近房间3一端，各排烟口排烟量和平均流速按图2设定。环境温度为20℃，共进行8个工况模拟计算，各模拟工况如表1所示。

编号总排烟量(m3/s)排烟口流速分布火源位置补气位置C0110均匀房间1起火房间窗户C0210均匀房间2起火房间窗户C0310均匀房间3起火房间窗户C0410非均匀房间1起火房间窗户C0510非均匀房间2起火房间窗户C0610非均匀房间3起火房间窗户C075均匀房间2走道两端窗户C0810均匀房间2走道两端窗户

3 结果分析

风机启动后，火灾烟气通过门蔓延至走道并被排烟系统排出，空气通过起火房间窗户或走道两端窗户补充进入走道。从计算结果可看出，风机启动约350s后，走道内烟气分布基本进入准稳定状态。图4给出了各工况起火后600s时走廊中截面的温度分布，从等温线分布可以对比不同影响因素对走道机械排烟效果的影响。

图4 各工况600s时走道中截面温度分布(单位：℃)

3.1总排烟量的影响

对比工况C07和C08准稳态时走道烟气温度分布云图，从走道内气体40℃等温线可看出，在这两种排烟工况下，烟气均被有效地控制在走道上部空间，且工况C08中温度高于40℃的气体区域面积要较工况C07中小，说明增大排烟量对排烟效果具有一定的提升作用。从温度分布云图也可看出，两个工况的部分排烟口处均出现了“吸穿”效应。

3.2排烟量分布的影响

从工况C01-C06的温度分布云图可看出，火源位置与排烟口的设置对排烟效果均产生明显的影响：

起火房间位于走廊端部时，在走廊远离火源端出现温度较低的区域(低于40℃)，低温区域面积与排烟方式相关，非均匀排烟条件下，距离起火房间最近的排烟口靠近风机时，低温区域面积最大，排烟效果最好。距离起火房间最近的排烟口远离风机时，低温区域面积最小，排烟效果较差。均匀排烟工况中的低温区域面积介于两者之间。

当起火房间位于走廊中部时，在走廊两端区域的温度较低，均匀排烟工况下，两端的低温区基本呈对称分布。非均匀排烟工况下，排烟量大(靠近风机)一侧的低温区域面积较大。

在实际工程走道的机械排烟系统设计中，应充分考虑风机位置和排烟管、排烟口设置对排烟效果的影响。如果一个排烟管上排烟口太多，风机远端的排烟口很可能不能发挥排烟效果，而距离风机较近的排烟口又很可能会发生“吸穿”效应，大大降低排烟效率。因此，在设计走道机械排烟系统后，还应对走道防烟分区、排烟口和排烟管道内气体的流量、流速等参数进行核算和优化，以充分利用排烟系统的排烟效能；在消防灭火救援过程中，也可以根据起火位置以及走道排烟系统的风机位置选择较为安全的扑救路径。

3.3补气方式的影响

对比工况C02和C08走道的温度分布云图，相同总排烟量和排烟口流量分布条件下，不同的补气方式对排烟效果具有决定性的影响。利用走道两端与外界相通的窗户进行直接补气对排烟效果的提升具有很大的作用；而利用起火房间与外界相通的窗户进行间接补气时排烟效果较差。间接补气时，空气进入起火房间后大部分被卷吸至火源上方的羽流中变为烟气，进入走道的新鲜空气量很少，因而排烟效果差。

4 结论

(1)总排烟量是走道内机械排烟系统的重要设计参数之一，总排烟量越大，排烟效果越好，但随着排烟量的增加，排烟口处气体流速增大，易出现“吸穿”效应，降低排烟量的利用效率。

(2)由于与风机的距离不同，各排烟口的排烟量产生了不均匀分布。排烟口流量分布的不均匀性对排烟效果将产生影响，若起火区域位于距离风机较近的排烟口附近，则排烟效果较排烟口排烟量均匀分布的理想情形有所提高，反之，排烟效果下降。

(3)补气方式对排烟效果具有关键性的影响。采用走道与外界通风口进行直接补气时，其排烟效果要远好于利用起火房间开口进行间接补气。

走道是两侧房间人员疏散和消防力量进行灭火救援的必经之路，因而起火后保证走道的安全可维持状态，对人员的安全疏散以及消防扑救具有非常关键的作用。在走道的机械排烟系统设计中，为充分利用排烟系统的排烟能力，应重点考虑其补气方式，尽量采用直接补气方式，并对排烟口和排烟管道内气体的流量、流速等参数进行核算和优化，根据实际需要选择合适的排烟量分布形式。在消防灭火救援过程中，则可以根据起火位置以及走道排烟系统的风机位置选择安全性较高的扑救路径。

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[2] GB50045-95(2005版) 高层民用建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

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StudyonExhaustEfficiencyofCorridorwithMechanicalExhaustSystem

TANGMingfangZENGYe

(Xiamen Fire Detachment Siming Fire Brigade, Xiamen 361000)

Mechanical exhaust is frequently applied in smoke control in corridor.However, the exhaust efficiency varies much with different configuration of total exhaust rate, air makeup, exhaust inlet, smoke duct and exhaust fan.Based on theoretical analysis of smoke movement in smoke duct and through exhaust inlet, method and procedure for calculating exhaust rate of each exhaust inlet in a smoke exhaust duct with an exhaust fan were proposed.Numerical simulation with FDS software package was also performed to study the exhaust efficiency under different exhaust and air makeup setting.Exhaust rate of each exhaust inlet was assumed to be uniform and non-uniform was applied in the numerical simulations, respectively.Recommendation for enhancement of exhaust efficiency is proposed.In practical design of building smoke management system and planning of fire fighting strategy, consideration on effect of air makeup and non-uniform exhaust rate distribution on smoke exhaust efficiency should be taken to increase the reliability of smoke control system and choose relatively-safe rescue routine.

Corridor; Mechanical exhaust; Exhaust inlet; Exhaust efficiency; Numerical simulation

TU834.1

A

1004-6135(2017)10-0100-04

唐铭芳(1990.9- ),女，工程师。

E-mail:1127212650@qq.com

2017-08-09