一种多功能气雾混流风幕防烟装置的研究与应用

赵志鹏 彭伟 石威 邹浩

摘要：针对目前消防防烟设备功能单一、维护成本高、防烟效果不佳的问题，用火灾动力学模拟软件FDS和流体力学模拟软件Fluent模拟气雾混流风幕防烟效果，通过对空气幕防烟的技术方法研究，选取合适的送排风方式，设计气雾混流风幕防烟装置。发生火灾时，防烟装置喷射出一定速度的气雾混流风幕，可高效阻隔高温烟气的蔓延，延长人员疏散时间且不影响人员的自由出入。在平时，防烟装置还可净化空气，有利于人们身体健康，提高了防烟装置的使用率。

关键词：气雾混流;风幕;防烟装置

2020年1—10月間，共发生火灾19.6万起，相当于每两分多钟，就有一起火灾发生，火灾仍然是对我们的生活产生威胁最大的一种灾害。当发生火灾时，火灾烟气的高温和毒性是致人伤亡的直接原因，烟气中固态微粒的遮光作用会降低能见度，影响人员逃生，因此火灾烟气对人员生命安全构成的极大威胁。现有的火灾防烟方式有防火门、防火卷帘、前室机械排烟、前室机械加压、走廊排烟、空气幕防烟、细水雾型水雾防烟等。防火门和防火卷帘的功能单一且完全密封较为困难并且为刚性阻断，给逃生人员和消防人员的进出带来严重的阻碍作用;前室机械排烟会使烟气扩散蔓延至楼梯间，不利于人员的安全疏散;前室机械加压、走廊排烟由于使楼梯间、前室维持足够的正压较困难，在实际应用中难以起到很好的效果，大量的新鲜空气流入会助长火势，并且需要较大的送、排风系统，占用较大的建筑空间，增加了建筑成本空间的占用;利用防烟空气幕阻挡烟气一方面会造成烟气堆积，烟尘固体颗粒的遮光作用对能见度的衰减会引发恐慌，另一方面容易将烟气吹至建筑下部空间、打破火灾烟雾的自然分层，易造成次生灾害;细水雾型水雾防烟效果好但会影响人员逃生的视野。各类防烟方式的应用都有其局限性。

基于此，将空气幕防烟和细水雾型水雾防烟两种方法相结合，研究气雾混流风幕防烟技术并设计多功能防烟装置，实现火灾防烟功能与日常净化空气功能相结合，能更好地解决火灾防烟问题。

一、气雾混流风幕防烟技术原理

（一）防烟原理

气雾混流是由空气和水雾颗粒组成，水雾颗粒与高温烟气相遇后会发生热量交换，水雾颗粒从热烟气中吸收的热量，水雾的吸热作用降低了烟气温度，并导致热浮力衰减，从而使烟气失去了水平蔓延扩散的动力源。水雾颗粒和烟气粒子相遇会发生凝并，形成水滴和炭黑粒子团，炭黑粒子团在重力和水雾颗粒的作用下沉降，改变了烟尘粒子的运动轨迹。

火灾中，烟气在水平方向扩散的流动速度约为0.3～0.8m/s，防烟装置产生垂直向下的气雾混流风幕的速度在8～12m/s，远大于烟气的流动速度，能在设置截面上形成具有一定强度的气雾混流幕墙，幕内外压力差来阻止横贯射流面的气体流动，从而有效地减少空气幕两侧区域的质量、组分与能量交换，烟气与之相遇后随气雾混流风幕偏转，从而烟气被气雾混流阻截。

（二）模拟分析

用FDS模拟在存在与不存在气雾混流风幕的条件下高层建筑条形走廊的火灾过程，对比分析烟气传播规律，通过比较关键位置处的温度、二氧化碳体积分数，评估气雾混流风幕的防烟效果。图2和图3表明，当存在气雾混流风幕时，走廊内的温度和CO体积分数都明显下降，可见气雾混流风幕可用于解决火灾防烟的问题。

二、送排风方式选择

传统空气幕防烟研究中，多采用单吹式，气流由上而下送出，实现烟气的阻隔。利用流体力学模拟软件Fluent模拟利用单吹式空气幕与吹吸式空气幕阻挡烟气扩散的火灾过程，对比分析的烟气传播规律。图4表明，这种空气幕一方面不仅易发生卷吸，防烟效率低，而且送风量大、容易将烟气吹至建筑下部空间、打破了火灾危险地区烟雾的自然分层，易造成次生灾害。另一方面单纯利用空气幕阻隔烟气，会导致烟气堆积，烟尘固体颗粒的遮光作用会导致能见度的衰减，不利于人员逃生。因此，单吹式空气幕防烟是以幕墙火灾侧环境条件恶化为代价的，故不宜采用。

该技术采用吹吸式空气幕的方式，即在上方设有吹风口，正下方设有排烟口。图5表明吹吸式空气幕阻断能力更强，且克服了单吹式空气幕打破了火灾危险地区烟雾的自然分层的弊端，通过在气雾混流风幕的下方设置排烟口，可使烟气被阻挡后及时从下方排风口处排出，不会影响人员逃生的视野。故本技术采用吹吸式空气幕，吹吸式气雾混流风幕防烟不会破坏幕墙火灾侧环境条件，阻断能力更强，从而获得较高的防烟效率。

三、多功能气雾混流风幕防烟装置及技术实施

（一）防烟装置设计

多功能气雾混流风幕防烟装置结构，如图6所示。

其主要结构包括：包括外壳、电机、叶轮、挡风板、过滤块、储水箱、控制盒、烟雾报警器、超声波雾化器、混合室、排气室、过滤室。

①烟雾报警器实时检测烟雾浓度;②蓄水箱储存一定量的水，为雾化提供水源;③超声波雾化器可发出高频谐振，产生水雾颗粒;④电机为叶轮提供动力;⑤挡风板调节气流走向，实现不同工作状态的转换;⑥混合室将空气与水雾充分混合，形成气雾混流;⑦排气室将气流排出形成风幕;⑧过滤室将空气进行层层过滤，净化空气;⑨控制盒实现装置的远程操控。

（二）除尘技术实施

一种多功能气雾混流风幕防烟装置，包括外壳。外壳前侧设有进风口，外壳底部设有储水箱，外壳内部设有用于气雾混合的混合室。混合室下侧设有蓄水池，混合室与蓄水池之间设有通风口，储水箱通过自动补水阀与蓄水池相连接。蓄水池内有少量的水，液面下设置有超声波雾化器，超声波雾化器可发出高频谐振，将水分子打散成小分子云雾，小分子云雾从通风口进入混合室内。混合室内固定安第二电机和搅拌叶轮，第二电机带动搅拌叶轮转动，将混合室内的空气与小分子云雾充分混合，混合室与排气室通过出风板连通，排气室下侧设有出风口，排气室内固定安装第一电机和风机叶轮，第一电机带动叶轮转动形成负压，使空气与小分子云雾进入混合室内，并从排气室下侧的出风口处排出，形成一道气雾混流风幕，阻挡火灾烟气扩散。其次，通过调节挡风板关闭排气室下侧的出风口，使空气经过滤室后排出，可以起到净化空气的作用。

其中，蓄水池的底部安装有超声波雾化器，超声波雾化器设置在蓄水池内的液面以下，超声波雾化器可产生高频谐振，将液态水分子结构打散而产生水雾颗粒，水雾颗粒在负压的作用下通过通风口进入混合室内。第二电机驱动叶轮转动，形成负压使空气从进风口进入混合室内，与混合室内水雾颗粒混合后进入排气室，最后从出风口被排出形成一定速度的氣雾混流风幕，出风口处设有挡风板，用来调节出风口的角度。控制盒内设有PLC控制器和无线通信接收模块，PLC控制器分别与第一电机和第二电机连接，通过控制盒内的PLC控制器控制第一电机和第二电机，实现装置的启动。无线通信接收模块与远程遥控器上的无线通信发射模块配合，可以实现装置的远程控制。

四、气雾混流风幕防烟技术特点

（一）高效阻挡烟气扩散

防烟装置产生一定速度的气雾混流风幕，通过幕内外压力差来阻止横贯射流面的气体流动，从而有效地减少空气幕两侧区域的质量、组分与能量交换，阻断火灾烟气扩散。由于水雾颗粒有捕捉烟尘粒子尘和降温的作用，气雾混流风幕的防烟效率大大提高。

（二）有效阻隔区域的温度

气雾混流风幕能有效阻隔火场区域的高温，水雾颗粒密度大、速度高，可以快速地吸收火场的热量。

（三）解决消防设备使用率低的难题

防烟装置实现了日常净化空气功能与火灾防烟功能相结合，成本降低，提高了防烟装置的使用率，便于市场推广。

五、结语

通过对气雾混流风幕防烟技术的研究，针对传统防烟技术防烟效率低、消防设备功能单一、使用率低、维护成本高等弊端，设计了一种多功能气雾混流风幕防烟装置，通过该装置及相关技术能有效阻挡火灾烟气扩散。

（一）通过气雾混流风幕阻挡烟气扩散，可高效阻隔高温烟气的蔓延，延长人员疏散时间且不影响人员的自由出入。

（二）该技术采用吹吸式空气幕的方式，通过设置排烟口来提高空气幕的阻断能力，并避免破坏火灾烟气的自然分层与烟气堆积，有利于人员逃生。

（三）防烟装置实现了日常净化空气功能与火灾防烟功能相结合，提高了防烟装置的使用率，且无须定期维护，成本降低，有利于市场推广。

参考文献：

[1]杨浩哲.火灾中烟气侧向渗漏对前室空气幕防烟效果影响研究[J].节能，2020，39（06）：158-160.

[2]肖蓓.复式空气幕在建筑防烟中的可行性研究[J].城市建筑，2020，17（16）：166-168，174.

[3]肖蓓，杨浩哲，张华蕾.非理想环境中空气幕关键参数对防烟效果影响机理研究[J].节能，2020，39（05）：143-146.

[4]梅秀娟，高东丽，王凯红，王钟宽，李明轩，林鹏.防烟空气幕在隧道火灾中的试验研究[J].消防科学与技术，2019，38（03）：349-351.

[5]罗娜，李安桂，刘向伟，冷斌.新型空气幕防烟性能研究[J].南昌大学学报（工科版），2016，38（03）：235-239.

[6]袁昌宇.混流云雾煤矿除尘装置研究与应用[J].煤矿机械，2019，40（05）：124-126.

[7]梁强.狭长空间火灾中细水雾型水幕阻烟性能实验及应用研究[D].北京工业大学，2017.

[8]黄冬梅.单吹式防烟空气幕防烟效果的数值模拟研究[D].西南交通大学，2008.

[9]何嘉鹏，王东方，唐晓亮，陈泽民，龚红卫.高层建筑火灾防烟空气幕的实验研究[J].中国安全科学学报，2002（06）：40-43，94.