火灾时地下窗井自然排烟模拟与分析

□□ 李 娜,孙 鹏 (太原理工大学建筑设计研究院有限公司,山西 太原 030024)

引言

建筑防火的基本目标是采取必要的技术方法、建筑火灾预防措施、减少建筑火灾危害、保护人员生命和财产安全。建筑物内可燃物数量多且种类杂,火灾时会产生大量的有毒气体和高温烟气;烟气中的CO、CO2和HCl等有害成分对人体危害大,烟气的遮光性会降低室内能见度,不利于人员疏散和灭火救援。建筑防排烟系统采用自然或机械的方式阻止或排出室内烟气,保证建筑内部人员能及时疏散到安全区域;地下建筑多利用高温烟气产生的浮力,通过外墙上的高窗和窗井等自然排烟设施排至室外。

1 标准相关要求

根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[1]中3.1.3和4.1.1条规定可知,无论是多层建筑还是高层建筑,均提倡优先采用自然防排烟设施,在自然防排烟设施不能使用或不能达到设计要求时,才考虑设置机械防排烟设施。该标准的3.2和4.3节中,对自然通风设施和自然排烟设施的面积和位置做了明确规定,而对于地下建筑采用自然防排烟方式时,可开启外窗如何与室外有效连通,保证良好的通风条件尤为重要。地下建筑外墙上设置外窗时,常规做法有高窗、窗井或下沉式广场。

在地下建筑外墙上设置高窗时室内外高差应>0.9 m,减去防水台和梁高,高窗的高度仅为0.2 m;若保证有效面积为2 m2,长度则需10 m,这在工程中实现有一定的难度,且大部分建筑的室内外高差仅为0.3～0.5 m,不能设置高窗。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)[2]中6.4.12条规定,作为防火分隔的下沉式广场开口最近边缘之间的水平距离应≮13 m,其足够宽度的室外空间可以有效防止烟气聚集和蔓延。因高窗对室内外高差有要求,下沉式广场对边净距要求较大,工程中难以满足,因而在建筑设计中常用的做法是设置窗井。2021年9月1日实施的上海市DG/J08-88—2021《建筑防烟排烟系统设计标准》[3]中3.2.6条规定:“除本标准另有规定外,采用自然通风防烟方式的地下室疏散楼梯间或前室应贴邻下沉式广场或对边净距≥6 m×6 m的无盖采光井设置”。

窗井是地下室外墙的侧窗以挡土墙围砌成的井形采光口,与室外连通起通风作用。山西省DBJT04-35—2012《12系列建筑标准设计图集 12J2地下工程防水》[4]中C13的窗井做法剖面图,明确窗井净宽度应>1 m。工程中设计人员仅注重外窗面积满足规范要求,而对窗井净宽因无标准依据,未给予足够重视,特别是地下多层建筑利用同一个窗井自然通风或自然排烟时,每层之间是否会相互干扰、窗井截面积是否需要叠加及窗井的净宽等问题即是下文研究的重点。

2 火灾数值模拟

窗井作为地下室自然防排烟设施的配套措施,标准中并没有具体规定其做法和其他限定条件;常用窗井的净宽要求>1 m,工程中因地形条件和平面布局等原因部分窗井的净宽仅为0.6 m。现将通过数值模拟计算,分析烟气在窗井内蔓延扩散的过程,找到窗井净宽对烟气扩散影响的规律,为设计人员提供参考。Pyrosim是基于场模拟的火灾烟气流动模拟分析专用软件,其数值模拟结果可由图形软件Smoke view展示三维动画、二维云图和矢量图。

以采用自然通风的地下楼梯间为例,楼梯间层高为3 m,每层设置一个窗户,可开启外窗面积为2 m2,窗宽为2 m,窗高为1 m,窗台距地1 m,外侧窗井长度为3 m;连通走道处火源的热释放速率为1.5 MW,计算区域网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25 m,在窗井中心纵向设置温度和速度二维矢量切片。数值模拟中假设自然排烟和进风处于稳态条件下,模拟计算涉及参数在整个排烟过程是稳定不变的;不考虑室外风压作用、缝隙渗入和渗出的空气和烟气。

2.1 楼梯间在地下一层时模拟分析

当楼梯间在地下一层时,火灾产生的高温烟气通过楼梯间疏散门蔓延至楼梯间,烟气通过楼梯间的外窗经窗井排至室外。窗井净宽尺寸设置为1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m,火灾烟气蔓延速度分布如图1所示(w为窗井净宽)。由图1可以发现,窗井净宽为1.0 m和1.5 m时,窗井内满布烟气,烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,无室外新鲜空气进入窗井,达不到自然通风效果;窗井净宽为2.0 m时,靠楼梯间外墙侧烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧烟气向上蔓延速度仅为0.5 m·s-1,窗井底部有少量低温烟气,底部形成涡流,因无室外新鲜空气补充,通风效果不好;窗井净宽为2.5 m时,靠楼梯间外墙侧2 m之内烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧0.5 m之内有少量室外新鲜空气进入窗井,具备通风条件;窗井净宽为3.0 m时,靠楼梯间外墙侧2 m之内烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧1.0 m之内室外新鲜空气进入窗井,通风条件良好。

图1 窗井内烟气速度分布矢量云图

2.2 楼梯间在地下二层时模拟分析

当火源位置位于地下二层时,火灾产生的高温烟气通过楼梯间疏散门蔓延至楼梯间,一部分烟气因热压作用顺楼梯梯段向上蔓延,一部分烟气通过楼梯间地下一、二层的外窗经窗井排至室外。当楼梯间为地下一层时,窗井净宽在2.0 m之内时井内充满烟气,因而当楼梯间在地下二层进行数值模拟时,窗井净宽尺寸设置为3.0 m、4.0 m、5.0 m和6.0 m,火灾烟气温度和蔓延速度分布如图2所示。由图2可以发现,窗井净宽为3.0 m时,窗井内满布烟气,烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,无室外新鲜空气进入窗井,达不到自然通风效果;窗井净宽为4.0 m时,靠楼梯间外墙侧3.5 m之内烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧0.5 m之内有少量室外新鲜空气进入窗井,与地下二层底部烟气混合成低温烟气易形成涡流,具备通风条件,但通风效果不好;窗井净宽为5.0 m和6.0 m时,靠楼梯间外墙侧3.5 m之内烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧1.5～2.0 m之内有大量室外新鲜空气进入窗井,通风条件良好。

图2 窗井内烟气速度分布矢量云图

2.3 楼梯间在地下三层时模拟分析

当火源位置位于地下三层时,火灾产生的高温烟气通过楼梯间疏散门蔓延至楼梯间,一部分烟气因热压作用沿楼梯梯段向上蔓延,一部分烟气通过楼梯间地下一、二和三层的外窗经窗井排至室外。当楼梯间在地下二层时,窗井净宽在3.0 m之内时井内充满烟气,因而当楼梯间在地下三层进行数值模拟时,窗井净宽尺寸设置为4.0 m、5.0 m和6.0 m,火灾烟气温度和蔓延速度分布如图3所示。由图3可以发现,窗井净宽为4.0 m和5.0 m时,窗井内满布烟气,无室外新鲜空气进入窗井,靠楼梯间外墙侧3.5 m之内向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧0.5～1.5 m之内低温空气回流,形成涡流,无自然通风条件;窗井净宽为6.0 m时,靠楼梯间外墙侧3.5 m之内烟气向上蔓延速度为1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墙侧2.5 m之内一部分低温烟气与少量室外空气混合向下回流,窗井底部烟气浓度相对低,高温烟气在窗井内不能很好扩散,不利于自然通风。

图3 窗井内烟气速度分布矢量云图

通过楼梯间的数值模拟分析综合比较可知,楼梯间在地下一层时,窗井净宽≥2.5 m时,自然通风效果良好;楼梯间在地下二层时,窗井净宽≥5.0 m时,自然通风效果良好;楼梯间在地下三层时,窗井净宽为6.0 m时,自然通风效果不能满足要求,建议采用机械加压送风系统。

3 模拟结果与分析

当地下建筑为多层时,火灾烟气在楼梯间的蔓延过程如图4所示。当火源位置位于为地下建筑的底层时,火灾产生的高温烟气通过楼梯间疏散门蔓延至楼梯间,一部分烟气因热压作用沿楼梯梯段呈螺旋方式上升,一部分烟气通过楼梯间窗井排至室外,如图4(a)所示。

图4 楼梯间火灾烟气蔓延示意图

火灾排出的烟气温度很高且烟气中含有大量未燃烬的可燃气体,排至室外后会继续燃烧;高温烟气周围补充新鲜空气的条件不同,靠近外墙面的火焰内侧,空气得不到有效补充,形成负压区,高温烟气的卷吸作用扑向外墙壁面形成贴壁现象[5]。因窗井内无遮挡,高温烟气在窗井内的蔓延速度比楼梯间快,从地下三层上升至地下二层和地下一层时,因高温烟气的卷席和贴壁作用,会有少量烟气会经地下二层和三层的外窗蔓延至楼梯间内,对人员安全疏散造成威胁,如图4(b)和(c)所示。

火灾时地下多层建筑的疏散楼梯间采用自然通风方式时,可开启外窗均打开,楼梯间内竖向连通,若窗井进深尺寸不够大时,窗井内的烟气会有二次卷吸进入楼梯间的危险[6]。结合楼梯间的数值模拟分析和上海市DG/TJ08-88—2021《建筑防烟排烟系统设计标准》中3.2.6条规定,地下建筑采用自然防排烟系统时,若其为地下一层窗井,建议净宽≥2.5 m;若其为地下二层窗井,建议净宽≥5.0 m;若地下建筑大于两层时,宜采用机械防排烟系统。

工程中窗井的大小应结合建筑功能布局、基底面积、地面绿化和地下防水等综合考虑,若窗井进深≥2.5 m,不仅占地面积大、节能和排水设施会比较复杂,且因窗井深度影响水、暖和电等设备管线的平面布置位置和标高。

4 结论

结合地下建筑采用自然防排烟系统与窗井结合使用时的影响因素和相关标准要求,利用Pyrosim软件将火灾烟气模拟与地下窗井自然排烟进行数值耦合分析,提出建议为:窗井在地下一层时净宽应≥2.5 m;窗井在地下二层时净宽应≥5.0 m;地下建筑大于两层时应采用机械防排烟系统;但不同类型的地下建筑,火灾烟气蔓延与建筑类别、平面布局、火源位置、可开启外窗位置及数量紧密相关,地下窗井的净宽应在满足标准要求的基础上结合工程情况,综合分析建筑的火灾危险性,以合理设置窗井。