基于大空间场所辅助排烟方法的火灾先期排烟效率研究

王培平 尚文权 张锦 周小丁 广龙

(东莞新能德科技有限公司 广东东莞 523443)

0 引言

现代大空间高层建筑通常是多群体多功能的综合体，具有可燃物质多、火灾时产烟量大等特点[1-3]，因此其在设计时特别注重暖通照明规范和消防设施设计标准，一方面要满足建筑消防工程竣工验收，确保必要的消防设施依法配置和应急灭火救援，另一方面结合自然通风、空调新风和应急强排风系统来匹配新风换气量，以满足职业健康的要求。通常大空间高层建筑结构还具有储烟属性，在火情早期可延长人员安全疏散时间，但同时大空间场所扁长，且人群分布点多，储烟后自然排烟的效果差，人员必要的安全疏散时间较一般场所要长，若烟气不能及时排出建筑物，反而会造成火灾的快速蔓延[4-5]。大量烟气的聚集不仅严重威胁建筑物内部人员的安全疏散，而且导致现场条件恶劣，无法有效开展灭火救援行动，因此即便在建筑设计阶段考虑了双向楼梯和逃生层作为安全疏散通道，以便于人员的紧急逃生，但实际生产生活中，仅依靠建筑既有的消防灭火、应急排烟设施和安全通道，并不能保证所有人员能及时有效逃生，反而经常会因建筑排烟困难造成灭火救援耗时长，甚至人员窒息死亡[6-8]。

大量建筑火灾事故案例表明，即使火灾自动报警系统起到了一定的先期灭火防烟作用，但对于大空间场所火灾而言，火警后期的灭火不尽、排烟不及时、散烟效率低，进而导致外部灭火救援力量无法准确灭火施救，是人员烟气中毒、窒息伤亡的主要原因[9-12]。因此强化大空间高层建筑火警情况下的排烟能力，额外增加风道形成的逃生通道，是减少火灾时人员伤亡的一个有效途径[13-16]。为此，本文以移动式大功率鼓风排烟机和消防排烟机作为火灾应急辅助排烟手段，通过组合模拟测试，分析辅助排烟条件下所形成的安全疏散通道大小，以及火灾先期的排烟效率，为优化配置辅助排烟机提供数据指导，以期更及时有效地开展消防应急救援。

1 实验设计

分别购置2台正压鼓风机和2台消防负压排烟机，额定风量分别为50 000 m3/h和5 000 m3/h，以1.0 m/s作为最低捕获风速，模拟室外大空间场所、室内大空间建筑厂房和室内大空间仓储3种不同场景下的最大风速作用距离，分析风道对排烟效果的影响。室外大空间场所一般指一定范围内无遮挡条件的环境空间，如开放式展厅、大型歌舞台和大型公共娱乐场所。室内大空间建筑是具有固定面积的有限空间，根据其通风情况又分为有风道和无风道场所，所谓风道[17]，即是指在外部辅助抽风或排风情况下，可形成的若干近似非紊流风力场，如高架仓储。无风道室内大空间场所可以是地下停车场、大型办公场所、电影院、会议室和生产车间，而有风道室内大空间场所一般有地下超市、地铁、高架仓库、物流仓储等。

此外，针对某特定大空间高架仓储，模拟约6 000 m3的储烟环境，通过不同排烟组合方式确定风道所形成的安全疏散通道大小，对比分析不同辅助排烟条件下的火灾先期排烟效率。

2 大空间场所模拟辅助排烟时的安全疏散通道

2.1 不同大空间场景下的最大风速作用距离

借助移动大功率鼓风机和移动式消防排烟机，分别对若干空旷室外大空间、室内大空间建筑和室内大空间仓储模拟测试额定功率情况下的风速分布，以及最大风速作用距离。经模拟测试，移动鼓风机额定功率下的最近端风速最大为22 m/s，消防排烟机额定功率下的伸缩风管最近端风速最大为18 m/s，随着距离的增加，风速逐渐衰减，如表1所示。

表1 不同大空间场景下的最大风速作用距离 m

经实测显示，以上3种不同场景下的最大风速作用距离略有差异。在最低捕获风速1.0 m/s时，总体上移动式消防排烟风机辅助抽风时相对移动大功率鼓风机辅助鼓风时的最大风速作用距离稍小，室内大空间仓储场所在二者作用下的最大风速作用距离最大，其中采用移动式大功率鼓风机鼓风时最大风速作用距离约29.8 m，采用移动消防排烟机抽风时的最大风速作用距离为17.5 m。结果表明，最大风速作用距离不仅与风机本身的功率、摩阻有关，还与其存在的场景有关，有明显风道的场景风速作用距离最大。

2.2 不同组合辅助排烟方式的风道大小

采用不同组合辅助排烟方式，人为释放约6 000 m3储烟量，对某大型聚合物锂离子电池成品仓库进行了风道模拟测试，如图1所示。该成品仓库长度约为100 m，宽度约为60 m，成品按照预先划定的区域堆放，堆放高度约1.6 m。成品仓库大致由延长度方向的过道分为两侧摆放，中间过道宽度为1.8 m，仓库建筑层高约4.5 m。模拟测试中选用任一排烟方式来测试风速场，发现沿仓库中间过道和临近的高架中间过道都形成了未封闭的风道。

图1 某成品仓库不同组合排烟方式的风道模拟

实测结果表明，仅仅使用墙壁事故排烟机，其最大作用距离只有6.5 m左右，而增加辅助排烟后所形成的风道有所增加，如表2所示。如使用移动式消防排烟风机排烟时，形成的风道约20 m；使用移动式鼓风排烟机排烟时，形成的风道约38 m；使用以上3种组合方式排烟时，横向风道约为64 m。由此可见，风道大小与辅助排烟的组合方式以及数量有关。另外，作者也特别模拟了非线性组合排烟的场景，其所形成的风道长度介于对应的单一排烟方式之间，说明风道大小也与组合排烟风机的位置有关。

表2 某成品仓库不同组合排烟方式的风道长度

2.3 不同组合辅助排烟方式的安全疏散通道面积

传统的安全疏散通道一般是指建筑内的疏散走道、楼梯、电梯以及逃生层，但是往往在火灾时先期浓烟难以在短时间内消散，一方面是视线被遮挡，另一方面是烟气会造成人员呼吸困难甚至中毒，人员并不能及时通过这些安全通道快速逃生，因此需要在开窗通风、事故排烟的基础上辅以强化排烟措施来快速排烟，在建筑内部短时间内形成若干风道，即辅助安全疏散通道，以便于人员迅速疏散逃生[18-20]。通过以上模拟测试，烟气的风速场可近似于风道径向风速组成的弧形区域(浅色区)，那么，辅助安全疏散通道则可视为烟气风速场之外的区域(深色区)，如图2所示。

图2 辅助安全疏散通道面积示意

假设排烟时间为t时的风道横向距离可近似为弧形椭圆区域的长轴长，记为H。当t=0时，排烟风机刚启动并未形成风速场，H为0，随着排烟时间的延长，整个储烟场所的烟气向出风口流动并在某个时间t0时，椭圆会与场所界面相切，此时的长轴长最大，等于冒烟场所内部或者外部走廊的宽度H0，此t0可认为是烟气先期消散时间；随后烟气开始迅速消散，H随着衰减。

当t

图3 烟气风速场半椭圆面积与排烟时间的关系

当t=t0时，先期消散时间此时的辅助安全疏散通道面积的大小等于冒烟场所(矩形)的面积减去烟气风速场(半椭圆)面积，因此最大半椭圆的面积和此时的辅助安全疏散通道面积分别为

(1)

(2)

由于给定的辅助排烟机的风速一定，而排烟量不同，因此烟气风速场从无到最大与从最大到快速消失所需的时间也不同，它们与排烟量成正比。根据实际烟气浓度测试，半椭圆烟气风速场的烟气浓度在一段时间内几乎没有变化，直至某个时间t1时，烟气浓度才开始慢慢减小，此时半椭圆才开始变小，直至消失。经Fluent数值模拟，半椭圆面积增长或消减的大小符合二次函数关系，因此辅助安全疏散通道的面积S变化规律可用图4来表示。

图4 辅助安全疏散通道面积与排烟时间的关系

如图4所示，辅助安全疏散通道的面积S是关于排烟时间t的一个分段函数，即为

(3)

式中，S为辅助安全疏散通道面积，m2；H为风道横向距离或烟气风速场弧形区域长轴长，m；H0为风道最大横向距离或椭圆最大长轴长，m，其取值与排烟机的位置有关，一般为冒烟场所内或者是外部走廊的宽度；L为风道长度, m；L0为风道径向长度,一般为冒烟场所内或者是外部走廊的长度，m；t为排烟时间, min；t0为烟气先期消散时间, min。

3 大空间场所模拟辅助排烟时的先期排烟效率

通常排烟系统的排烟效率定义为:在风机作用下单位时间内所有开启排烟阀的排出烟量之和占烟气生成量的百分比，也就是所有组合排烟风机排烟效率之和，用质量百分数(式(4))或体积百分数(式(5))可表示为[21-22]

(4)

(5)

式中,η为排烟系统的排烟效率，%；mei为第i个排烟风机排出的烟气质量，kg/min；mP为火灾时可生成的烟气总质量，kg/min；Vei为第i个排烟风机排出的烟气流量，m3/min；VP为火灾时可生成的烟气流量，m3/min。

由于火灾现场烟气产生是一个非稳态过程，其产生的位置、速率随着时间的变化而变化，且烟气浓度在不同的时刻排出的烟气密度也是不同的，因此烟气质量生成量和烟气排出量均难以测定，无法准确表征排烟效率[23-25]。对于火灾先期排烟效率，本文假定该时刻形成的烟气流场在半椭圆边界上的任一点烟气浓度呈现稳态分布，采用烟气量来表征先期消散时段内的排烟效率，即以辅助安全疏散通道与烟层高度之积作为t0时刻的烟气排出总量，以辅助风机排出的烟气总流量作为t0时刻产生的烟气总流量，如下表示：

(6)

式中，η0为烟气先期排烟效率, %；S为辅助安全疏散通道面积，m2；Hf为烟层高度或烟层厚度，m；t0为烟气先期消散时间, min；∑V风机为烟气先期消散时间内的排烟风机总流量, m3/min。

排烟风机在额定功率下的风速只与风机特性有关，从以上公式可知，先期排烟时间越短，烟层厚度越大，先期排烟时间内形成的辅助安全疏散通道越大或者风道越长，烟气的先期排烟效率就越高。由于烟层厚度的大小与火灾产生源和建筑结构有关，人为无法改变，但如果通过加大风道长度或缩短形成辅助安全疏散通道的时间[26-27]，那么就可以提高先期排烟效率。

前文已验证增加辅助排烟风机，可以加大风道长度，且相对单一或者二重组合方式而言，配以墙壁排烟风机、移动式消防排烟机和移动式鼓风排烟风机的多重组合方式，其风道是最长的。此外，依旧针对某特定大空间高架仓储，模拟约6 000 m3的储烟环境，对不同排烟组合方式的先期消散时间和排烟效率进行了模拟测算，如表3。其中Hf以层高的一半的计算依据，墙壁事故排烟机的额定风速为20 m/s，移动鼓风机额定功率下的最近端风速最大为22 m/s，消防排烟机额定功率下的伸缩风管最近端风速最大为18 m/s。

表3 某成品仓库不同组合排烟方式的先期消散时间、排烟效率

烟气先期消散时间是指在辅助排烟的作用下即将形成辅助安全疏散通道时的排烟时间，烟气先期排烟效率并不是某段时间的排烟效率，而是指能够刚好形成辅助安全疏散通道时的排烟效率，经模拟测试，组合方式1即无辅助排烟时的先期排烟效率为16.6%，组合方式2和3的先期排烟时间分别11 min、8 min，相对无辅助排烟时分别缩短了7 min、10 min，先期排烟效率分别为20.0%、34.4%，说明增加辅助排烟风机可有效提高排烟效率，且移动式鼓风排烟风机的作用更为显著；采用组合方式4，其先期消散时间仅需4 min，先期排烟效率达到67.3%，相对无辅助排烟时排烟效率提高了4倍，说明多组合辅助排烟的排烟效果更佳。

4 结论

通过模拟不同大空间场所和某特定场景的高架成品仓库火灾场景，借助移动式消防排烟机和鼓风排烟风机进行辅助排烟，得出以下结论：

(1)具有明显风道的室内大空间场所，排烟风速作用距离最大，增加辅助排烟风机后可明显增加风道的长度，不同组合排烟方式，其风道长度也不同，采用移动式消防排烟机和鼓风排烟机的多组合辅助排烟方式，风道长度最长，达到64 m。

(2)当烟气风速场与仓库边界相切时，半椭圆风速场界任一点的烟气浓度基本相同，此时烟气风速场之外的安全区域形成了安全疏散通道，经过一段持续排烟时间后，半椭圆风速场逐渐缩小，辅助安全疏散通道面积随之扩大，其大小可表征为关于排烟时间t的分段函数，而排烟时间的长短与辅助排烟风机的数量和方位有关。

(3)针对某特定高架成品仓库储烟6 000 m3的风道模拟，推导出先期排烟效率公式，排烟效率与辅助疏散安全通道面积成正比，与先期消散时间t0成反比。对于特定场所而言，初期形成的辅助安全疏散通道面积是一定的，因此通过增加辅助排烟风机来缩短先期烟气消散时间，可以提高火灾先期排烟效率。

(4)通过模拟测试，同时使用墙壁事故风机、移动式消防排烟机和鼓风排烟进行排烟，先期烟气消散时间可以缩短至4 min，先期排烟效率达到67.3%，相对无辅助排烟时排烟效率提高了4倍。