大空间设置上、下悬窗自然排烟效果对比研究*

刘 博，王春雨，耿伟超，邓 军，刘长春

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

高铁站候车厅、机场航站楼、体育馆等建筑空间高、面积大[1]，难以按照传统规范进行防火分隔，易导致烟气在整个建筑内蔓延，对人员疏散带来巨大阻碍。目前，大空间排烟方式[2]主要分为机械排烟和自然排烟，自然排烟经济环保、简单易操作，但排烟效果不如机械排烟稳定，极易受到外界环境、火源功率、建筑结构、开窗形式、环境风等影响[3-6]。韩峥等[7]认为自然排烟效果与开窗形式密切相关，采用上悬窗排烟时应增大其开窗面积。刘航[8]分析了开窗角度对悬窗排烟效果的影响，得到上悬窗排烟效率与开窗角度的正弦值成正比。窦清华等[9]分析了排烟窗不同启闭组合下航站楼的自然排烟效果，得到外界风下最优的开窗模式。国内学者在研究排烟窗对自然排烟的影响方面，主要以排烟窗面积、位置、大小为主，对不同结构形式悬窗对排烟效果的研究较少。本文基于FDS软件，通过模拟有风、无风时，大空间分别设置上、下悬窗的排烟效果，一方面，验证大空间采用自然排烟的有效性，另一方面，对比上、下悬窗的排烟效果。

1 模型建立及尺寸选择

1.1 模型建立

大空间一般采用逻辑防烟分区的概念划分防烟分区，即整个区域不设实体挡烟设施[10]，故火灾发生后烟气可在不同防烟分区之间自由流动。《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251—2017)规定建筑高度大于6 m时，单个防烟分区的最大允许面积不超过2 000 m2，且其长边最大允许长度不超过60 m[11]。基于相关设计规范，并考虑大空间建筑特点。选取1个防烟分区作为研究对象，为了避免烟气流动不均匀对烟气流动规律研究的影响，将研究模型长、宽、高尺寸设为40 m×40 m×10 m。参考《建筑防烟排烟系统技术标准》[12]，对无喷淋下其他公共场所建筑，火源功率设定为8 MW，火源类型设定为快速火，火灾增长系数设定为0.044，火源位置设定为建筑中心。根据某大空间当地常年实际风速，将环境风速取为3 m/s，风向与排烟口法线方向平行。根据《建筑防烟排烟系统技术标准》[11]计算排烟量为70.33 m3/s，需开窗面积为69.6 m2，补风面积36 m2。本文沿建筑2个边对称、均匀设置24个排烟窗，单个排烟窗长3 m，高2 m，图1为FDS建立的大空间物理模型，其中补风口沿建筑侧墙对称布置。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

为了便于分析大空间设置上、下悬窗的排烟效果，在每个排烟口处布置质量流量测点用以监测通过排烟口的烟气量，设置速度和压力测点用以分析排烟口的压差变化。同时，分别在过火源位置和距地面2 m高度设置温度、能见度、CO浓度、压力、速度场切片。

1.2 网格敏感性分析

采用大涡模拟进行火灾研究时，网格尺寸直接决定了模拟结果的准确性与可靠性。网格越细，计算结果相对越准确，但计算时间越长。FDS用户指南建议使用D*/δx的比值来确定网格大小，δx为网格尺寸，当D*/δx的比值范围在4～16时可以得到较为准确的计算结果[13-14]，具体计算公式如式(1)所示

(1)

式中：D*—火源特征直径，m；Q—火源功率，kW；ρ∞—空气密度，kg/m3；Cp—空气定压比热容，kJ/(kg·K)；T∞—环境温度，K；g—重力加速度，m/s2。

本文火源功率取为8 MW，根据4

图2 空间网格划分示意Fig.2 Schematic diagram of spatial grid division

1.3 模拟工况设定

对于自然排烟窗开启角度问题，目前还没有规范明确规定，《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102—2003)建议[15]窗户开启角度不宜大于30°，因此开窗角度取为30°，设置5组模拟工况，如表1所示。

表1 模拟工况Table 1 Simulation conditions

2 无风时上、下悬窗排烟效果对比分析

2.1 烟气蔓延规律

图3对比了不设排烟及分别采取上、下悬窗进行排烟时室内烟气流动情况。由图3可知，不设排烟时，烟气在600 s时便已下降到地面。设置悬窗排烟时，由于大空间储烟能力较好，烟气层在600 s时基本达到平衡状态，到1 200 s时未进一步沉降，烟气层底部距地面有一定安全高度以保证人员疏散，证明了上、下悬窗自然排烟的有效性。

图3 不同时刻烟气流动示意Fig.3 Schematic diagram of smoke flow at different moments

2.2 烟气特性参数分析

在大空间中，火灾的烟气温度、能见度及CO浓度是衡量人员能否安全疏散的重要指标，判断人员能否安全疏散的指标如表2所示[15]。

表2 人员生命安全评估准则Table 2 Assessment criteria of personnel life safety

图4为过火源横截面温度、能见度及CO浓度分布图。由图4可知，不设排烟时，模拟结束后整个室内空间温度大于60 ℃，能见度小于10 m，对人员安全疏散造成严重威胁，但CO浓度仍满足人员安全疏散要求，因此下文主要以室内温度和能见度2个指标入手判断人员疏散安全性。由表2可知室内温度小于60 ℃及能见度大于10 m的区域为安全区域。当开启任意悬窗排烟后，室内温度及能见度的分布有了明显变化。开上悬窗排烟时，温度安全区域主要分布在室内5.5 m以下部分，开下悬窗排烟时，温度安全区域分布在室内7 m以下部分，下悬窗温度安全区域的临界高度比上悬窗高出27%；开上悬窗时，能见度安全区域分布在室内5 m以下，开下悬窗时，能见度安全区域在5.5 m及以下部分，下悬窗能见度安全区域的临界高度比上悬窗高出10%。图5为距地面2 m处温度、能见度及CO浓度分布图。由图5可知，不设排烟时距地面2 m处温度和能见度均超过危险临界值，开启任意悬窗排烟后，除火源附近少部分区域温度及能见度不满足疏散要求外，其他大部分区域均在危险临界值以下，上、下悬窗均可以有效排烟。

图4 过火源横截面温度、能见度及CO浓度分布(1 200 s)Fig.4 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at cross section of fire source (1 200 s)

图5 距地面2 m处温度、能见度及CO浓度分布(1 200 s)Fig.5 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at 2 m above ground (1 200 s)

2.3 上、下悬窗排烟效果对比

为了进一步分析大空间建筑上、下悬窗排烟效果的差异，从排烟口总质量流量，室内热烟气层温度，单个排烟口压力及速度4个方面综合对比分析2种悬窗排烟效果。图6(a)为排烟口总质量流量随时间变化曲线图。由图6(a)可知，排烟口总质量流量随时间先增大后基本保持不变，600 s后基本趋于平衡。对600～1 200 s阶段排烟量求平均值得出上、下悬窗平均排烟量分别为49.5 kg/s和64.3 kg/s，下悬窗排烟量相比上悬窗提高了30%。烟气层温度随时间变化规律如图6(b)所示，开上、下悬窗排烟时稳定阶段室内热烟气层平均温度分别为106 ℃和94 ℃，二者相差12 ℃，下悬窗比上悬窗降低了12.7%。另外选取距火源距离最近的排烟口，分析其稳定阶段时的速度及压力，如图6(c)～(d)所示，开上、下悬窗排烟时排烟口速度分别为0.35 m/s和0.7 m/s，下悬窗比上悬窗增高了50%；压力分别为3.1 Pa和0.4 Pa，下悬窗比上悬窗降低了87%。开上悬窗排烟时排烟口速度小，压力大，不利于排烟，开下悬窗排烟时排烟口速度大，压力小，有利于排烟。

图6 排烟口处烟气特性参数随时间变化规律Fig.6 Change laws of smoke characteristic parameters at exhaust outlet with time

3 有风时上、下悬窗排烟效果对比分析

3.1 建筑周围流场及压力分布

存在环境风时，建筑周围流场及压力分布会发生改变。图7(a)为建筑流场分布图，由图可知，当气流以恒定速度到达排烟口时，受建筑阻挡，气流呈辐射状向两侧改向。建筑两侧远离建筑的区域及迎风面气体流速较高，为3.2～3.8 m/s，而靠近建筑2侧的区域及背风面气流速度较小，为0.6～1.2 m/s，速度差的存在导致建筑2侧及背风面产生一定的涡旋，使得建筑两侧及背风面成为负压区。图7(b)为建筑压力分布图，可以能够直观看到建筑迎风面压力较大，压力值分布在5.5～7 Pa，而建筑2侧及背风面压力急剧减小，压力值分布在-0.4～0.6 Pa，从迎风面到两侧压力降低差值分布在5.9～6.4 Pa。

从图7(b)也可看出，开上悬窗时室内压力明显高于开下悬窗，开上悬窗时室内压力值大于6 Pa，开下悬窗时压力值小于2.5 Pa，下悬窗室内压力值比上悬窗低出58.3%，说明2者排烟效果存在很大差异。图8为烟气层温度分布图，比较可知，开上悬窗时室内烟气层在600～1 200 s稳定阶段时的平均温度为101 ℃，开下悬窗时为86 ℃，下悬窗的烟气层平均温度明显低于上悬窗，与上悬窗相比降低了17%，而温度越高室内压力也必然越大。结合室内压力分布及烟气层温度综合分析可知开下悬窗时的排烟效果要明显优于开上悬窗。

3.2 烟气蔓延规律

图9为有风条件下建筑整体排烟效果图。开上悬窗排烟时，迎风侧排烟窗失效，烟气全部从背风侧排烟窗排出。而采用下悬窗排烟时，迎风侧和背风侧排烟窗均能够有效排烟。

图9 整体排烟效果(1 200 s)Fig.9 Overall smoke exhaust effect (1 200 s)

图10为室内烟气流动图，与无风时室内烟气分布相比，有风时室内烟气分布非常散乱，且烟气下降速率加快。开上悬窗排烟时，600 s时烟气层已下降至地面，开下悬窗时烟气层高度也有明显降低，但未完全降至地面。综合整体排烟效果及室内烟气层高度来看，下悬窗排烟效果优于上悬窗。

图10 室内烟气流动Fig.10 Indoor smoke flow

3.3 烟气特性参数分析

图11(a)为烟气空间温度分布图。由图11(a)可知，开上悬窗时，热烟气层温度小于60 ℃的安全区域主要分布在空间内5.6 m及以下，开下悬窗时，热烟气层安全区域分布在6.3 m及以下，开下悬窗时空间内的安全区域临界高度比上悬窗高出12.5%，且无论是开上悬窗或下悬窗，在模拟时间内，高温烟气层均不会对人员安全造成威胁。图11(b)为烟气能见度分布图，当风速为3 m/s时，开上悬窗，能见度安全区域为2.6 m及以下部分，安全区域临界高度比无风时低出48%，开下悬窗时，安全区域为4.3 m及以下部分，比无风时低出21.8%，且下悬窗安全区域临界高度比上悬窗高出65.3%，火源2侧能见度呈现非对称分布，开上悬窗时，火源左侧(迎风侧)安全区域在2 m及以下，火源右侧(背风侧)在4.8 m以下；开下悬窗，火源左侧安全区域区域在4.2 m以下，火源右侧在5 m以上。无论是上悬窗排烟还是下悬窗排烟，火源左侧安全高度均明显小于火源右侧，主要原因是迎风侧排烟口排烟受限，而背风侧则有利于烟气的排出。

图11 环境风下过火源横截面温度、能见度及CO浓度分布(1 200 s)Fig.11 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at cross section of fire source (1 200 s)

图12为距地面2 m处烟气温度、能见度和CO浓度分布图，由图可知，对于2种开窗类型，距地面2 m处烟气的温度除火源附近大于60 ℃之外，室内大部分区域温度都低于60 ℃。如图12(b)所示，除火源附近外，开上悬窗时室内左侧(迎风侧)大部分区域能见度低于10 m，而开下悬窗时除火源附近外其他区域能见度均不低于10 m。综上，在风速3 m/s的条件下，上悬窗迎风侧排烟窗失效，导致其整体排烟效果降低，下悬窗迎风侧、背风侧均能够有效排烟，下悬窗排烟优于上悬窗。

图12 环境风下距地面2 m处温度、能见度和CO浓度分布(1 200 s)Fig.12 Distribution of temperature,visibility and CO concentration at 2 m above ground (1 200 s)

4 结论

1)无环境风时，距地2 m处烟气温度、能见度和CO浓度均在危险临界值以内，建筑采用上、下悬窗均能将烟气控制在一定高度处。但下悬窗总排烟量要比上悬窗高出30%，开下悬窗时，室内温度安全区域的临界高度比上悬窗高出27%，能见度安全区域的临界高度比上悬窗高出10%，证明下悬窗排烟效果更好。

2)风速为3 m/s时，建筑采用上悬窗排烟，迎风侧排烟口不能正常排烟，距地2 m处能见度低于10 m，导致整体自然排烟失效；开下悬窗排烟，迎风侧及背风侧排烟窗均能有效排烟，自然排烟有效。

3)无论是有风还是无风条件下，下悬窗的实际排烟效果都优于上悬窗。有风条件下，采用上悬窗排烟时，建议关闭迎风侧排烟窗并增大背风侧排烟窗开启角度来增大有效排烟面积，降低环境风对自然排烟的影响。实际应用中应优先选用下悬窗作为自然排烟窗。