单室不同自然排烟口面积的排烟效能分析

苟卡西

摘要：自然排烟口面积是自然排烟系统的重要影响因素，而现行规范中自然排烟口面积对净高不大于6m的房间来说，仅要求不小于房间建筑面积的2%;这一指标在建筑防火设计中显得较为简单笼统。通过对单室不同自然排烟口面积的情况下进行火灾数值模拟，分析不同自然排烟口面积在排烟效能中的表现，为后续研究和防火设计提供一些参考和建议。

关键词：自然排烟;面积;效能分析;数值模拟

自然排烟系统是建筑常用的排烟形式，具备经济、简单、易维护、易操作等优点，同时兼顾采光和通风的功能;但其排烟可靠性一直受人诟病，主要表现在其排烟效能影响因素较多，如排烟口有效面积、高度、形式、平面布局、自动灭火设施、外部环境等。目前现行规范[1]对自然排烟设计较为简单笼统;就房间自然排烟设计来说，对于净高不大于6m的房间其自然排烟口面积仅要求不应小于房间建筑面积的2%。通常设计人员仅按照规范最低要求进行设计并不会对其他影响因素进行关联设计和论证。鉴于以往对于自然排烟研究的深度以及目前设计应用的现状，本文仅对单室自然排烟口面积的排烟效能进行初步研究和分析。

1  数值模型

1.1  模型初始条件假定

本文建立10m（长）×10m（宽）×3m（高）的房间作为实体模型，其中四面隔墙居中设置自然排烟口，不考虑门洞设置，不考虑任何障碍物的设置（图1）;这样设置的目的是确保自然排烟有效顺畅且不受漏风量的影响。按照现行规范[1]相关要求，本文统一将自然排烟口高度设置于房间最小清晰高度（H=1.6+0.1×3=1.9m）以上，即自然排烟口底边距地面高度为1.9m[2]。

为加速FDS试验收敛，本文火源假定为办公室未设置喷淋系统的情况[3]，按照《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）相关规定，其火源最大功率6000kW，热释放速率参照t2极快速增长模型;火源设于地面中央1m×1m的区域[4]。其设置目的是尽可能保证烟气羽流均匀对称扩散。按照t2火增长模型公式Q=at2推算得到，当t=184s时房间火源达到最大功率。本次试验计算时长取500s且不考虑火源下降段模拟。环境因素由软件默认。

1.2  试验工况

房间内设置6个不同面积自然排烟口作为不同的试验工况，各工况四面隔墙上居中设置相同尺寸的自然排烟口[5]，且各工况仅改变自然排烟口的宽度，尽量避免排烟口高度变化带来的影响。其中工况1的自然排烟口面积为0，即未设置自然排烟口的情况。工况列表见表1。

1.3  安全指标

根据以往的研究[6]，火灾烟气致命的因素主要是温度、能见度和烟气毒性三项指标，并提出多种评价模型和判定方式[7]。本文安全指标将采用温度、能见度和氧浓度并采用分类判定的方式。通过研究发现烟气毒性的危害性往往滞后于温度和能见度，且毒性物质种类较多，其对人员的影响也不尽相同，所以本文采用氧气浓度等效代替烟气毒性作为安全指标。

由于本文选取的三项安全指标均是随时间和空间变化的量，而且人员耐受度也是随时间和空间变化[7]。要精确描述其危害性变化是不现实的。本文结合以往研究的经验将选取最小清晰高度范围内的加权平均值作为安全指标判定的标准。

①最小清晰高度内温度加权平均值不大于120℃[8];②最下清晰高度内能见度加权平均值不小于5m;③最小清晰高度能氧浓度加权平均值不小于10%。

2  数值模拟分析

2.1  温度分析

图2为各工况下温度时间曲线，通过图形和试验数据列表可得到：工况1和工况2分别在137s达到219℃的峰值温度和202s达到253℃的峰值温度，两个工况均出现拐点，最小清晰高度内的烟气温度达到峰值后持续下降。这里出现拐点的情况是由于当烟气浓度达到一定程度后导致氧气浓度相对降低以至室内环境不再支持火源继续燃烧;工况1曲线出现低于环境温度甚至达到负值的情况是由于软件计算离散数据的表现，不影响本文的研究;实际情况烟气温度将会无限趋近于环境温度。由于工况1未开设自然排烟口，其火源熄灭的时间必将比工况2出现的早，通过图2也能看出工况1拐点较工况2提前，而且溫度峰值也相对较低。工况3至工况6均未出现拐点即环境氧浓度能够保持火源持续燃烧，烟气温度峰值均在峰值功率达到后出现，其中工况3稳定在190℃上下、工况4稳定在140℃上下、工况5稳定在110℃上下、工况6稳定在90℃上下。通过比较，其峰值温度随排烟口面积增大而呈梯度下降的趋势。

以上分析说明排烟口面积对最小清晰高度内的烟气温度控制是较为显著的。在火源持续燃烧的情况下，烟气温度随着排烟口面积的增大能够有效降低，但效果逐步降低;当排烟口面积达到房间面积16%以上时才符合本文温度安全指标。尽管排烟口面积较小的情况下能更快地阻止火源持续燃烧和蔓延，但按照火源增长的速率也将更短时间能让房间达到更高温度，对人员疏散和停留是极其不利的。

2.2  能见度分析

图3为能见度时间曲线，通过图形和数据列表可得到：各工况下烟气始终会充满整个房间，这是由于火源和烟气的增长是随时间幂次方的增长，烟气增长速率明显大于排烟口的排烟速率。通过图3看出，随着排烟口面积的增大能见度突破安全指标限值的时间逐渐延迟，但差别不大。其中工况1至工况6最小清晰高度内能见度突破5m的时间分别为61s、63s、70s、74s、82s、86s，基本上火源功率尚未达到最大即出现能见度极限。其中工况1和工况2上文提到会导致火源熄灭温度下降，但其根源是热辐射耗损，并非烟气持续排出所致;当火源熄灭后温度下降导致火风压降低，其自然排烟速率相应下降，所以能见度并不能因为火源熄灭而得到改善。

以上分析说明排烟口面积对最小清晰高度内烟气能见度控制不显著。自然排烟口排烟机理主要是被动排烟，火风压是其排烟的主要驱动力;在火源和烟气快速增长的情况下自然排烟口的排烟速率显得微不足道[9]。这里推论，若采用较低速率的火源增长模型进行试验，各工况下烟气也必将充满房间，能见度始终会在火源达到最大功率之前突破安全指标，仅在时间上相对延迟而已。

2.3  氧濃度分析

图4为氧浓度时间曲线，通过图形和数据列表可得到：工况1由于没有排烟口，烟气急速蔓延，在137s时房间内最小清晰高度内氧浓度达到不支持火源继续燃烧的极限后火源熄灭;同时图4中也能看到工况1的曲线在此时发生微小突变，即火源不再按照原先的速率产生烟气，而以相对较慢的速率产生，直至180s时房间内氧气耗尽，最小清晰高度内氧浓度降为0，几乎是火源功率达到最大时出现。工况2和工况6，空气能够不断的补充，其氧浓度不会降至0;但随着排烟口面积的增大其氧浓度能保持更高的水平，其效果呈梯度下降，最终无限趋近于初始氧浓度。从图中还可看出，工况2至工况6在约100～200s的阶段均呈现出不同曲率的氧浓度下降段，此时间段相当于火灾的增长阶段，氧浓度降低和烟气增长打破平衡，导致这样的急速下降段。在约200s时火源功率达到最大或火源熄灭导致烟气增长趋缓，其氧浓度和烟气增长再度保持平衡，于是出现图中的水平段。

以上分析说明排烟口面积对最小清晰高度内氧浓度控制较为显著。当排烟口面积达到房间面积的20%时，基本能一直保持最小清晰高度内的氧浓度不受烟气影响，始终保持初始氧浓度的水平，当排烟口面积达到房间面积8%时才符合氧浓度安全指标。

3  结语

本文分类判定的方式有效分析了排烟口对各安全指标控制的显著性，试验验证自然排烟口在排烟过程中对烟气温度和氧气浓度的控制比较好，且随排烟口面积的增大其排烟控制效能呈梯度下降，对能见度的控制效能几乎忽略不计。

自然排烟口面积与火源燃烧紧密联系。过小的排烟口能阻止火源燃烧和蔓延，但其产生的烟气温度增长较快且温度峰值相对较高，其造成氧气浓度降低较快且长时间维持较低水平;过大的排烟口不能阻止火源燃烧，但其产生的烟气温度增长较为缓慢且峰值温度相对较低，其造成氧气浓度降低缓慢且长时间维持较高水平。实际情况下，越大的排烟口越能助长火源持续充分燃烧，因为更大的排烟口更利于室内空气的流动和补充，其烟气危害性持续时间将会更长。所以排烟口面积并不是越大越好，也不是越小越好，合适的排烟口面积应当是取最优值，这也是后续需要研究的内容。

通过6个工况的试验，自然排烟口面积需要较大占比才能符合安全指标的要求，若考虑自然排烟口其他设置因素的不利影响或烟气毒性的增大，其排烟效能将大打折扣或完全失效。当然安全指标是建立在人员安全疏散的前提下，其允许疏散时间内的烟气危害性和排烟效能也是一个相对的概念。本文虽然未结合人员疏散时间进行排烟效能分析，但通过本文试验的横向对比能够了解到自然排烟口面积和排烟效能方面的单一关系，为今后研究奠定基础。

参考文献：

[1]GB51251-2017.建筑防烟排烟系统技术标准[S].

[2]陈寅，王蔚.开窗高度对室内走道自然排烟的影响[J].消防科学与技术，2013，32（4）：376-378.

[3]王晓岚，朱国庆，张国维.小型办公室类建筑自然排烟效果的数值模拟与分析[J].中国科技论文在线，2010.

[4]孙昊，王佰顺.火源位置的不同对自然排烟的影响[J].消防科学与技术，2012，31（1）：23-26.

[5]熊筠，刘方圆，张文华，等.相同自然排烟面积条件下不同设置形式排烟效果的数值模拟研究[J].消防技术与产品信息，2017（3）：13-15.

[6]王新民，姚建，彭欣.火灾时期致命因素危害时间的研究[J].消防科学与技术，2005，24（1）：3.

[7]李山岭，蒋勇，邱榕，等.火灾烟气危害定量评价模型THVCH及其应用[J].安全与环境学报，2012，12（2）：250-256.

[8]童庆杰，权高峰，邵力.火灾事故中人的心理及行为分析[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2004（3）：159-162.

[9]周云斐，易亮，杨洋.环境风作用下室内火灾自然排烟研究[J].中国安全生产科学技术，2012，8（12）：63-67.

Ventilation efficiency of single

room with different areas

of natural smoke outlet

Gou Kaxi

（Anshun Fire and Rescue Brigade，Guizhou  Anshun  561000）

Abstract：The area of natural smoke vent is an important influencing factor of natural smoke exhaust system， and the area of natural smoke vent in the current code is only required to be not less than 2% of the room floor area for rooms with net height not more than 6 m; this index seems to be simple and general in the building fire protection design. The article analyzes the performance of different natural smoke vent areas in smoke extraction efficiency through numerical simulation of fires in single rooms with different natural smoke vent areas， and provides some references and suggestions for subsequent research and fire protection design.

Keywords：natural smoke outlet; area; efficiency analysis; numerical simulation