盖下列车运用库火灾工况机械排烟效果研究

胡 睿, 许淑惠, 杨 林

(北京建筑大学 环境与能源工程学院, 北京 100044)

1 概述

由于大城市土地资源日益紧张,带上盖物业开发模式盖下建筑得到迅速发展。盖下列车运用库(简称盖下运用库)属于地下超大空间,库内热环境对于工作人员的健康和安全是必须考虑的因素[1]。由于盖下运用库由多种不同类型的建筑体组合在一起,目前没有具体标准来指导此类建筑的通风、防排烟及消防设计。因此,此类建筑的通风、防排烟及消防系统设计成为近年来学者探讨研究的热点[2-7]。目前,在对盖下运用库实际工程案例进行通风和排烟设计时,主要参照地下车库通风和排烟模式,根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》进行设计。而对于消防系统,受传统观念影响,鲜有喷淋装置对盖下运用库消防系统影响的研究[8-9]。

目前,对于盖下运用库通风、防排烟、喷淋装置的设计和研究基本上都是独立的:通风设计和研究集中在横向通风、纵向通风的对比方面,防排烟设计和研究集中在机械排烟、混合排烟(自然排烟+机械排烟)比较方面,喷淋装置设计和研究并非所有盖下运用库均要求设置。此外,射流风机协助排烟及喷淋装置对盖下运用库排烟效果的影响研究也较为少见。

本文以某盖下运用库为例,对火灾工况下,不同排烟方式的效果进行模拟分析。为方便阐述,本文不严格区分盖下运用库、运用库、库区等名称。本文的喷淋装置仅对火源热释放率产生影响。

2 工程概况

本文研究的盖下运用库平面图见图1。盖下运用库为列车停放、检修、保养以及维护的重要场所。盖下运用库的建筑面积为33 438.63 m2,总长285 m、宽142 m、高10 m,其间的列车道用长、宽均为2.3 m的混凝土柱隔开,各柱之间相距7.0～11.7 m。当发生火灾时,防火幕布在运用库中部将运用库分割成南北2个区域,选取运用库防火幕布分割的南区作为火灾发生时的研究对象。

图1 盖下运用库平面图

3 数值模拟方法

3.1 物理模型

取运用库南区进行研究,南区长×宽×高为285.0 m×51.2 m×10.0 m。运用库南区的三维物理模型见图2。

A～I—射流风机组编号; 1～9—排烟支管编号。图2 运用库南区的三维物理模型

运用库南区设置2套排烟系统,排烟系统的1、2号排烟风机位置见图2,均距运用库地面10 m高度。西段排烟系统有并行的5根排烟支管,编号为1～5。东段排烟系统有并行的4根排烟支管,编号为6～9。排烟支管1距西墙13 m,排烟支管9距东墙19 m,排烟支管1～9中心间距分别为22、24、30、25、50、25、25、34 m。每个排烟支管断面尺寸为2.0 m×0.8 m,底部距运用库地面7 m。

当运用库设有喷淋装置时,排烟支管底面设置2个排烟口,排烟口尺寸为1.6 m×1.2 m,同1根排烟支管上的2个排烟口中心距为25 m。当无喷淋装置时,排烟支管底面设置3个排烟口,排烟口尺寸为1.6 m×1.25 m,同1根排烟支管上的3个排烟口中心距为12.5 m。

盖下运用库的通风辅助装置采用鸭嘴式射流风机,射流风机安装在旋转装置上,安装高度为8.5 m,可实现水平180°旋转、竖直45°调节。通风系统自西向东共安装9组射流风机,每组4台,共36台。射流风机组编号为A～I,组与组中心间距为25 m,组中射流风机中心间距为12 m。单台射流风机喷口宽×高为2.0 m×0.9 m。

库区西侧设置4扇自然补风门,高×宽均为5.4 m×4.2 m,自然补风门门边间距8.6 m。每个自然补风门上方均设置2台送风机,送风机直径为1 m。在库区东侧同样位置设置数量、设备参数均相同的排风机,当火灾发生时,仅开启自然补风门,送、排风机均不工作。

设置3种火源位置:火源点1位于3号排烟支管下方,火源点2位于运用库中部,火源点3位于8号排烟支管下方。火源点1～3均距库区底部1 m高处。

无火灾时,射流风机不开启。发生火灾并启用射流风机进行辅助机械排烟时,原则上开启距火源点30 m以外的射流风机,每组射流风机的喷口均朝向火源方向且与南墙平行,风机射流俯角分别设定为向下7.5°、向下15.0°、向下30.0°。

3.2 网格无关性验证

单纯机械排烟和射流风机辅助机械排烟的计算均采用Fluent软件模拟。采用六面体结构性网格。网格无关性验证工况:火源位置为火源点1,开启排烟支管3,不开启射流风机。火灾发生60 s时,在火源点1竖直向上取2、6、8 m进行CO体积分数监测。发现当网格数量达到500×104后,CO体积分数不再受网格数增加的影响,因此网格数选取500×104。

3.3 数学模型

火灾时烟气的流动为非稳态过程,满足质量、动量、能量和组分守恒方程,由于火灾烟气流动为湍流,选择标准k-ε湍流模型。

3.4 初始条件、边界条件

① 初始条件

运用库内初始温度为28 ℃,CO2、CO初始体积分数均为0,自然补风门开启。

② 边界条件

室外空气温度为27 ℃,室外CO2、CO体积分数均为0,运用库各壁面、送、排风机均为绝热边界。自然补风门为压力入口,排烟口为速度出口。不考虑库区内氧气减少。

Fluent软件中的设置:选用瞬态,压力基求解,开启能量方程,标准k-ε模型,开启组分传输模型。无喷淋装置时:火源热释放率为8.0 MW,火源燃烧时间为600 s,CO2、CO生成速率分别为5.616、0.561 6 kg/s[10],排烟口风速为9.76 m/s。有喷淋装置时:火源热释放率为2.5 MW,火源燃烧时间为600 s,CO2、CO生成速率分别为1.755、0.175 5 kg/s[10],排烟口风速为8.029 m/s。射流风机风速为13.51 m/s。重力加速度竖直向下,9.81 m/s2。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》条文说明第6.3.8条对汽车库通风的相关规定指出,只要保证CO体积分数排放达标,其他有害物即使有一些分布不均匀,也有足够的安全倍数保证将其通过排风带走,因此以CO为标准来考虑车库通风量是合理的。文献[11]对火灾坏境的CO体积分数限值选取为0.04%。文献[12]指出当地下大空间中一氧化碳体积分数大于0.06%时,1～2 h内会引起窒息死亡。因此,本文仅考虑火灾现场的CO体积分数,并将火灾现场的CO体积分数限值设定为0.000 5。

4 工况设置及实测验证

4.1 工况

无喷淋装置工况、有喷淋装置工况分别见表1、2。

表1 无喷淋装置工况

表2 有喷淋装置工况

4.2 模型实测验证

为验证模型的准确性,对竖直监测线1、2上的风速实测值与模拟值进行比较。竖直监测线1、2的位置见图2中蓝色线段。竖直监测线1在B组射流风机与C组射流风机中间,距库南墙19.2 m,B组射流风机开启,射流风机射流俯角为向下7.5°。竖直监测线2在D组射流风机与E组射流风机中间,距库南墙44.8 m,D组射流风机开启,射流风机射流俯角为向下7.5°。在竖直监测线上,每隔1 m设置1个测点,采用AR866A型风速仪测量风速。竖直监测线1、2上的风速实测值与模拟值分别见图3、4。由图3、4可知,沿竖直监测线1、2高度方向,风速实测值与模拟值吻合度较好,平均相对误差的绝对值为8.6%。因此,模型的准确性较高。

图3 竖直监测线1上的风速实测值与模拟值

图4 竖直监测线2上的风速实测值与模拟值

5 模拟结果分析

5.1 无喷淋装置

模拟时,以火源点为原点展开模拟,Oz方向的模拟长度为260 m。以工况1-2为例,分析库区CO体积分数分布,见图5。图5a为火灾发生600 s时,库区中间竖直截面的CO体积分数分布。图5b～5f分别为火灾发生60、180、300、420、600 s时,库区10 m高度水平截面(简称10 m高度截面)的CO体积分数分布。由图5a可知,当火源点1单独燃烧时,CO由火源点向上扩散,由于开启的排烟支管在火源点正上方,CO并未大面积扩散至库区其他位置。图5b～5f可知,在火灾发生60 s时,CO已扩散至库顶处。随着时间推移,CO继续扩散,在火灾发生300 s时几乎将库区西侧完全污染。在火灾发生600 s时,CO有扩散至库区东侧的趋势,但在射流风机和排烟系统的共同作用下,扩散趋势被抑制。

图5 工况1-2库区CO体积分数分布

无喷淋装置时,各工况库区10 m高度截面CO体积分数(指CO平均体积分数)、烟气温度(指烟气平均温度)随距火源点距离(指水平距离)的变化分别见图6～11。由图6～11可知,对于3种火源点位置,工况1-1、1-5、1-9的CO体积分数、烟气温度最高,工况1-2、1-6、1-10的CO体积分数、烟气温度最低。由于CO由火源点向上扩散,库区顶部为烟气聚集区,当库区10 m高度截面CO体积分数低于0.000 5时,认为库区其他区域的CO体积分数也低于限值。

图6 无喷淋装置时工况1-1、1-2、1-3、1-4库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图7 无喷淋装置时工况1-5、1-6、1-7、1-8库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图8 无喷淋装置时工况1-9、1-10、1-11、1-12库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图9 无喷淋装置时工况1-1、1-2、1-3、1-4库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

图10 无喷淋装置时工况1-5、1-6、1-7、1-8库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

图11 无喷淋装置时工况1-9、1-10、1-11、1-12库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

因此,无喷淋装置时,与单纯采取机械排烟相比,开启射流风机辅助机械排烟可有效降低CO体积分数、烟气温度,使远离火源点的大部分区域CO体积分数低于限值。射流风机射流俯角向下7.5°时,可最大限度降低CO体积分数及烟气温度。

5.2 有喷淋装置

有喷淋装置时,各工况库区10 m高度截面CO体积分数、烟气温度随距火源点距离的变化分别见图12～17。图12～17仅给出单纯机械排烟工况与射流风机射流俯角向下7.5°的射流风机辅助机械排烟工况的CO体积分数、烟气温度。由图12～17可知,有喷淋装置时,开启射流风机辅助机械排烟可降低CO体积分数、烟气温度,但效果不显著。从经济角度出发,对于有喷淋装置的运用库,发生火灾时,可不开启射流风机辅助机械排烟。

图12 有喷淋装置时工况2-1、2-2库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图13 有喷淋装置时工况2-5、2-6库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图14 有喷淋装置时工况2-9、2-10库区10 m高度截面CO体积分数随距火源点距离的变化

图15 有喷淋装置时工况2-1、2-2库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

图16 有喷淋装置时工况2-5、2-6库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

图17 有喷淋装置时工况2-9、2-10库区10 m高度截面烟气温度随距火源点距离的变化

6 结论

① 无喷淋装置时,与单纯采取机械排烟相比,开启射流风机辅助机械排烟可有效降低CO体积分数、烟气温度,使远离火源点的大部分区域CO体积分数低于限值。射流风机射流俯角向下7.5°时,可最大限度降低CO体积分数及烟气温度。

② 有喷淋装置时,开启射流风机辅助机械排烟可降低CO体积分数、烟气温度,但效果不显著。从经济角度出发,对于有喷淋装置的运用库,发生火灾时,可不开启射流风机辅助机械排烟。