基于BIM的绿色建筑排烟系统碳排放优化设计

王 兴

(福建林业职业技术学院 建筑工程系,福建 南平 353000)

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进,高层、超高层以及大空间公共建筑逐渐兴起,与日益增多的建筑相对的是大部分建筑项目的消防措施做得并不到位,很多建筑物的排烟系统设计效果不佳,常常使得大量污染物排放到空气之中,严重影响了城市的空气质量[1],为建筑物的消防安全埋下隐患。近年来,人们越来越重视健康、节能环保,随着绿色建筑理念的发展,也对绿色建筑全寿命周期中的安全性、舒适性和健康性越来越重视。根据相关调查可知,发生在建筑内的火灾事故多是由于建筑设计不合理或排烟系统设计不合理导致的,从而造成了财产损失,或是人员伤亡。建筑排烟系统是大多数公共建筑的重要组成部分,一直受到人们的密切关注[2]。当建筑发生火灾时,浓烟给受困人员逃离火灾现场增加了阻碍,吸入过多浓烟还会造成呼吸困难甚至窒息,威胁人民的生命财产安全,给消防员的救援行动也增加了难度[3]。这些有毒气体排放至大气中将严重影响空气质量,污染绿色环境,因此对建筑中的排烟系统进行优化显得尤为重要[4]。

为了保证建筑的安全可靠,确保人民财产和生命的安全,维护绿色环境,减少污染物,提出采用BIM技术对建筑排烟系统碳排放进行优化设计,在日常工作时,能够改善空气质量,排除热气以及污染物,营造健康清新的环境;在火灾发生时能够及时报警,迅速地进行浓烟排除,提高碳排放能力,并将排除的浓烟进行特殊处理,在过滤出有害污染物后再排放到空气中,降低火灾对大气环境的污染。而且能够有效阻止浓烟扩散,降低浓烟对生命的威胁,为人们争取更多的逃离以及救援时间[5]。

1 建筑排烟系统硬件的碳排放优化

本研究所涉及的建筑排烟系统中的硬件结构,主要包括排风管道、管井、排风机等[6]。排烟系统是大多数建筑保证人民财产和生命安全不可或缺的安全设备,为保障排烟系统在发生火灾时能够正常运行,利用BIM技术构建建筑信息模型,同时系统本身设备均采用不可燃材料,为争取更多逃离和救援时间打好基础。建筑排烟系统硬件结构如图1所示。

图1 绿色建筑排烟系统硬件结构Fig.1 Hardware structure of smoke exhaust system of green buildings

该模型仿真选择排风机为某民用建筑轴流排风机,其工作电压为220 V,转速达到960～1 450 r/min,风压达到256～600 Pa,工作效率在56%～93%之间;排风管道建模直径约为20 cm,水平面到排风罩的距离为2.8 m,排风罩扩张角为直角,长度为6.25 cm;防火阀安装在建筑物房间的隔板之中,离承重墙保持200 mm的距离;管井可利用电梯竖井,深度为60 m,门开关选用GHL-K1;选用一台安装Windows10系统的电脑作为中央计算机,用于解释计算机指令以及处理数据;其I/O模块选用SPM-SDIO-MD2型号,用于计算机及各设备之间的数据通信。由此完成建筑排烟系统的硬件设计。

图2 排风总管设计位置Fig.2 Design position of exhaust manifold

1.1 排风管道

建筑的防排烟系统分为机械加压送风的排风设备和开启外窗的自然通风的排烟设备[7]。排风管道从形状上分为矩形与圆形两种,为了减少矩形管道四角局部涡流造成的压力损失,设计的防排风系统选用圆形管道。当火灾发生时,防排风系统主要用于防烟和排烟,防烟即维持某一特定区域内的正压,使产生的烟无法进入;排烟则是尽快将浓烟通过排风管道排出,并进行一系列的污染物过滤操作,减少空气污染,保证人员的逃离和救援工作的顺利进行。

在平时,排烟系统的作用在于消除余热、余湿以及污染物等,使室内和室外的空气得以相互流通,将室内已污染的空气排出,将室外新鲜的空气输入,从而借用排风管道改善室内的空气质量。

为实现防火和避免空气回流现象的发生,采用垂直排风管道为研究对象进行分析,根据不同楼层,增加排风管长度,使每一层的排风管能在楼层之间实现传递。同时,将排风管分为两种管道,分别是大管道和小管道。大管道作为总管道,能够直接到达屋顶,在每一层都铺设小管道用于吸烟,在每层的屋顶安装大号排风总管,运用竖风道原理,将大小排风管采用并排方法装置,缩小占用面积增大横截面,当有害污染气体被吸入小排风管后上升,当气体到达屋顶时转入总排风管道,依靠紧密的结构关系实现排气的快速流动,达到合理排放的效果。利用BIM技术,构建排风管道模型,如图2所示。

为了提高排风总管道对气体的排放以及送入的效率,在室内的排风管道口设计一个排风罩,使用排风罩将污染物控制在较小的区间内,从而在最大程度上降低气体的吸收范围。为方便气体的采集和控制,水平面到排风罩的距离应为2.8 m,设计的防排风系统的排风管道直径约为20 cm,排风罩的扩张角为直角,长度为6.25 cm。

1.2 防火阀

当建筑没有消防安全事故发生时,排风系统主要负责自然排风,除去污染物,其工作流程较为简单。当火灾发生时,排风系统将对特定区域加压送风排烟,以实现有效的碳排放。根据我国的相关规定,在建筑的房间隔板之间必须要设置防护阀,尤其是在火灾危险发生率较大的建筑中,同时应将防火阀设计在隔离的位置,使其与承重墙应保持在200 mm的距离之内,以便确保能够满足发生火灾时及时排烟的需要[8]。

根据建筑内场所不同,排风系统大致分为3类防火阀:排风防火阀、280 ℃防火阀和排烟防火阀,如表1所示。

表1 排风系统中的不同防火阀Tab.1 Different fire dampers in exhaust system

在设计建筑排烟系统时，为不影响系统的平时通风和碳排放过滤，排风防火阀需要保持常开以维持室内的空气清新，当室内发生火灾而且烟气温度高达280 ℃时系统将自动关闭排风防火阀，如果烟气温度不断升高，而280 ℃防火阀并不能有效控制此时的烟气量，那么将开启排烟防火阀，增加排烟力度，为受困人员和救援行动争取更多的时间[9]。

1.3 排风机

排风机是建筑排烟系统中的重要组成部分[10]。依据热胀冷缩原理,当温度升高时,空气分子会受热膨胀,导致相同体积内的空气分子数量减少,热气和污染物会随着流动在屋顶聚集,因此排风机应设计在屋顶,通过排风机将热气与污染物从排风管道中排除使室内的气压变低[11]。根据系统的硬件架构,利用BIM技术在ArchiCAD软件中搭建排风机模型,排风机示意图如图3所示。

图3 排风机示意图Fig.3 Schematic diagram of exhaust fan

基于上述过程,利用BIM技术对建筑排烟系统硬件进行信息模型构建,从而实现排烟系统碳排放的优化设计,通过对室内空气进行通风换气来提高空气质量。

2 建筑排烟系统软件的碳排放优化

建筑排烟系统通过计算采集气体中的含烟量以及污染物含量采用不同的排风模式,并根据计算结果判定危险系数,若危险系数较高,则会立即采取自动报警措施[12]。

2.1 污染物计算

为保证室内的空气质量,排烟系统将实时对室内空气进行采集,计算其污染物含量。污染物含量计算公式如下:

C=0.15Vt

(1)

其中,C代表污染物浓度；V代表烟气量；t代表采集空气时的室内温度；0.15为经验系数。当C值小于0.06时则代表空气质量良好,不需要进行污染物排除,则排风系统将进行日常的除余热、余湿等工作,反之则始终进行换气工作直至C值小于0.06,同时,所过滤出的污染物并不会排到大气中,而是经过化学处理,并将其转换成无污染物质。若C值超过0.42时,则表示室内污染物重度超标,已经危害到人员生命时将引发报警程序[13]。

2.2 烟量计算

当建筑发生火灾时,需判断着火点位置。如果着火点是在建筑内,那么着火点所产生的烟气羽流被称为轴对称羽流。轴对称羽流是由于浓烟受到浮力作用的影响产生的,在不断上升的过程中,从四周吸取空气,从而形成了羽流。由于吸收空气会使烟气羽流的温度和流速逐渐降低,但是体积则会逐渐增大,这就使其形状更像是倒锥形,具体如图4所示。

图4 轴对称羽流形状图Fig.4 Axisymmetric plume shape

在发生火灾时,烟气的产生量可以用以下公式(2)计算:

m=0.032Qh

(2)

其中,Q表示火灾时对流部分产生的热量；h代表烟气层高度；0.032为经验系数；m表示计算得出的烟气含量。当m大于0.032时表示空气中的含烟量已经超标,此时排风系统将自动报警,并关闭自然排风防火阀,开启排烟防火阀,加速疏散浓烟,将浓烟从排风管道排出,并过滤出浓烟中的有害污染物,避免其污染大气环境。

2.3 报警程序

为保障建筑内人员的生命及财产安全,在建筑排烟系统碳排放优化中设计报警程序,当空气中的碳排放严重超标或发生火灾时,排风系统将根据污染物含量以及含烟量的计算结果自动启动报警程序。考虑到总服务台操作人员无法进行人为操作的情况下,一般系统会自动储存一段人工报警的语音文件,若报警系统启动后无操作人员操作,系统将在10 s后自动拨打119、120等报警电话,尽最大可能保证人员的生命安全。

设计的报警程序是利用BIM技术所实现的,BIM技术能多方位地对建筑信息进行模拟,使得所有建筑信息都能整合到由BIM技术所构建的三维信息数据库中。由此可见,BIM技术更有利于中央计算机对建筑数据进行识别与处理,从而有效进行建筑排烟系统的碳排放优化设计。

3 实验研究

3.1 实验目的

为检测设计排烟系统的碳排放能力,设计对比实验。模拟建筑空气环境,选用传统建筑排烟系统和设计系统在相同的模拟环境下进行对比实验,并分析二者的碳排放能力。

3.2 实验参数

设计的实验参数如表2所示。

表2 实验参数Tab.2 Experimental parameters

3.3 实验条件

以高度为70 m的建筑排烟系统为实验对象,选取2020年排烟量较大的11:00～14:00之间数据,验证此阶段建筑排烟系统碳排放量。采用仿真系统模拟建筑空气环境,选用传统排烟系统和设计系统在相同的模拟环境下进行对比实验,控制变量唯一,对比不同气层中,两系统的碳排放情况,对比其碳排放优化效果。

3.4 实验结果与分析

根据上述实验参数进行实验,同时选用传统的排烟系统和设计系统对同一建筑进行相同条件的模拟对比实验,得到的实验结果如表3所示。

表3 实验结果对比表Tab.3 Comparison of experimental results

根据上表实验结果可以看出设计的排烟系统碳排放效率较传统建筑排烟系统高,能有效排除烟气以及污染物,值得被更多的建筑甚至其他各类建筑应用。

为进一步体现设计的排烟系统的高速性,选取传统的污染物含烟量与设计系统的污染物含烟量进行对比实验,分析二者的计算效率,得到对比实验结果如图5所示。

图5 计算效率实验结果对比Fig.5 Comparison of experimental results of calculation efficiency

根据上图可以明显看出,设计的污染物含烟量计算方法比传统方法更加快速,能够节省更多的逃离以及救援时间,在最大限度上保障人民的生命安全及利益。

4 结束语

针对目前建筑排烟系统效率低、排放控制效果不佳的问题,在原建筑排烟系统的基础上进行改造,提升其排烟效果。为进一步验证本文系统的实用性,采用其与传统的排烟系统进行仿真实验对比,其对比结果如下:

1)排烟效率实验:在气层高度为16 m时,设计的排烟系统以89.3 kg/s的速度排烟,优于对比系统,排烟效果更好。

2)污染物含烟量计算对比:迭代40次后,本文系统的污染物含烟量计算效率达到90%以上,而对比系统的污染物含烟量计算效率不到80%,本文系统的含烟量计算效率更高。

基于此,本系统可加快建筑物的排烟效果,在短时间内实现碳排放控制,并且其污染物含烟量计算效率更高,值得推广应用。