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1、高层建筑合用前室烟气控制方式的网络模拟分析济南同圆建筑设计研究院有限公司 陈军华哈尔滨工业大学 高甫生摘要 利用多区域网络模型，以20层高层建筑为例，对合用前室各种烟气控制方式进行了定量模拟分析，有助于深入了解合用前室的各种加压方式的特征，同时为评价加压防烟系统的效果提供了一种定量分析方法。模拟结果表明：加压送风量的大小对门两侧的压差值特别是着火层的门两侧的压差值具有决定性的影响；在楼梯间加压风量合适的情况下，合用前室完全可以不加压也可满足楼梯间及其合用前室的防烟要求。关键词 多区域网络模型 合用前室 烟气控制方式 加压送风量 压差值0 引言现行高层民用建筑设计防火规范（以下简称高规）8.3.
2、1规定下列部位应设置独立的机械加压送风的防烟措施1：1 不具备自然排烟条件的防烟楼梯间、消防电梯间前室或合用前室；2 采用自然排烟措施的楼梯间，其不具备自然排烟的前室。从上可归纳出，目前高层建筑采用机械加压送风方式主要有以下三种：只对楼梯间加压送风间接加压前室，楼梯间和合用前室同时加压送风和只对着火层前室加压送风。由于合用前室相对于楼梯间前室、消防电梯间前室，其烟气控制更加复杂，故本文只讨论合用前室的烟气控制方式。为避免加压送风量设计计算过程中，不同的设计者因使用的公式或选用的参数不同等原因，导致计算结果差别很大，高规8.3.2规定了加压送风量定值范围表供设计者参考。同时高规8.3.7还规定了
3、加压部位的正压值。只对楼梯间加压间接加压合用前室的加压方式与楼梯间和合用前室同时加压相比，节省了一套系统和投资，便于控制和管理，但合用前室是否可以不加压还有待讨论。为了了解各种加压方式的送风量与门两侧的压差值的关系，本文利用国外较为广泛使用的多区域网络模型对上述问题作了定量模拟分析。1 多区域网络模型简介多区域网络模型CONTAMW是美国国家标准和技术研究院（NIST）下属的建筑火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）开发的用于建筑物内多区域空气流动和污染物传播模拟研究的软件的最新版本。它将整个建筑物看成与室外相通的空气流通网络，网络节点即为
4、建筑物内的房间或称区域，各节点具有均一的压力和温度，网络连线为将各区域连通起来的各类空气流通路径，主要包括开启的窗户和门、窗缝、门缝以及不太明显却未必不重要的各种建筑维护结构的缝隙。网络模型将其中的每个区域（或称节点）作为一个控制体，利用质量、能量守恒等方程从宏观角度对整个建筑物的空气流动、压力分布和污染物的传播情况进行研究。典型的网络模型输入数据是气象参数（空气温度、风速）、建筑特点（高度、渗透面积、开口条件）、送风量和室内空气温度。网络模型可实现对建筑楼梯间加压防烟、局部区域排烟及二者联合使用的建筑防排烟系统进行研究分析，评价烟控系统效果及与人员有关的火灾安全分析。网络模型对火灾烟气的处理
5、手法十分粗糙，适用于远离火区的建筑各区域之间的烟气流动分析2-4。2 建筑模型模拟的高层建筑为20层，层高3m，共有279个区域，1386个空气流通路径。假定二层着火，其平面图如图1。图中所示区域图标为各区域定义温度、面积、压力和污染物等特征，空气流通路径为建筑物门、窗、楼板和墙等定义为空气泄漏特征。模拟时，各楼层的楼梯间开向前室的门（一道门）和前室开向走廊的门（二道门）处于关闭状态，模拟过程中采用的主要构件空气泄漏特征值来源于文献5。合用前室面积为10m2；假定起火房间面积为40m2，着火房间有一火源，模拟时火源不断的产生烟气，大多数可燃物在燃烧一段时间后，其烟气发生量将趋于稳定值。按最不利
6、情况考虑，模拟时设定火源烟气发生量为最大值，则求得烟气最大发生量为0.24kg/s6；条形走廊面积为80m2，火灾时使用机械排烟，按照每平方米面积60m3/h的排烟量计算，排烟机的排烟量为7200m3/h；对楼梯间采用多点加压均匀送风，每隔二层设置一风口，第一个风口设置在一层，共设7个风口，对合用前室需要加压的风口采用常闭式风口；双扇防火门的尺寸为2m1.6m，门在关闭时，门下沿距地面为0.01m，其余各处门缝为0.004m，流通面积为0.0488m2；电梯缝隙为0.006m，流通的面积为0.0576m2；当防烟楼梯间采用外窗自然排烟方式时，楼梯间外窗为每隔一层设置一个，第一个设置在二层，外窗
7、尺寸为1.5m1.5m。模拟时，所有楼层的门窗均关闭，不考虑外界的天气和风压的影响，外界温度为23，大气压为标准大气压。模拟过程为稳态模拟，其结果不随时间变化。图1 被模拟建筑着火层多区域网络平面图3 模拟结果分析3.1 对楼梯间和合用前室同时加压送风通过定加压风量模拟分析该加压方式工况下的各层门两侧的压差值特征，图2是楼梯间加压风量为20000m3/h，着火层合用前室加压风量为2000m3/h时，各楼层的一、二道门两侧的压差值分布图，从图中可以反映出楼梯间和合用前室都加压，走廊机械排烟的工况下，加压风量一定时，各楼层的一、二道门两侧的压差值变化规律：（1）一道门两侧的压差值在合用前室进行加压
8、送风的楼层比较低，甚至出现负压，即合用前室的压力值大于楼梯间的压力值，如1、2、3层，其中2层为着火层由于走廊进行机械排烟，其一道门两侧的压差值要大于相邻两层；而在合用前室未进行加压送风的楼层压差值急剧升高，如3层以上各层，且这些楼层的一道门两侧的压差值几乎相等。（2）二道门两侧的压差值在合用前室进行加压送风的楼层比较高，如1、2、3层，其中2层，即着火层由于走廊进行机械排烟，其二道门两侧的压差值在建筑各层数达到最高；而在合用前室未进行加压送风的楼层则急剧降低，如3层以上各层，且这些楼层的二道门两侧的压差值接近相等。（3）在对合用前室加压送风的楼层，二道门两侧的压差值要大于一道门，其中着火层差
9、值最大；而在未对合用前室进行加压送风的楼层，结果正好相反。且未对合用前室加压送风的各楼层的一道门两侧的压差值的差值几乎相等，同时二道门两侧的压差值也有同样的规律。楼梯间送风量为16000m3/h时，模拟得到各层一、二道门两侧的压差值随着火层合用前室送风量的变化情况。表1列举了楼梯间加压风量恒定的工况下，合用前室不同加压送风量时的1、2、3、10、20层的一、二道门两侧的压差值。表中P1为一道门两侧的压差值，P2为二道门两侧的压差值，单位均为Pa（下文的表均同）。由于着火层前室的二道门是最靠近充满烟气的走廊，所以其两侧的压差值对防烟效果和人员的疏散显得尤为重要。将表1中着火层的门两侧的压差值绘制
10、在图3上，从图表中可以看出：（1）楼梯间加压风量一定时，随着合用前室加压风量的增大，合用前室有加压风量的楼层，如1、2、3层，其一道门两侧的压差值逐渐减小，甚至出现负值，即楼梯间的压力小于合用前室的压力，而二道门两侧的压差值逐渐增大；合用前室无加压风量的楼层，如420层，其一、二道门两侧的压差值都逐渐增大，且前者增幅大于后者。（2）加压风量与门两侧的压差值关系：楼梯间加压风量为16000m3/h时，着火层合用前室加压风量小于2000m3/h范围内，着火层的二道门两侧的压差值小于53.1Pa，此时一道门两侧的压差值大于1.8Pa，其中在送风量为630m3/h左右，一、二道门两侧的压差值均为20.
11、5Pa，该模拟结果与文献7中的分析及试验结果非常接近，从而间接证明了模拟结果的可靠性。在送风量为850m3/h左右，一、二道门两侧的压差值分别为17Pa、25Pa；加压送风量在20006000m3/h时，二道门两侧的压差值为53.1215.1Pa，此时一道门两侧的压差值为1.8108Pa；加压风量大于6000m3/h后，二道门两侧的压差值大于215.1Pa，此时一道门两侧的压差值将小于108Pa。综上分析所述：采用对楼梯间、合用前室同时加压送风的加压方式时，合用前室的加压风量不可太大，否则将出现合用前室严重超压，而且合用前室与楼梯间之间出现负压差，使加压送风量向楼梯间倒流的现象，例如，对于20
12、层建筑，当楼梯间加压风量为16000m3/h、合用前室加压风量超过2000m3/h后，就会出现这种情况。而高规表值推荐的风量为1800022000m3/h，若取18000m3/h风量按三层合用前室同时送风计算，则每层送风量为6000m3/h，此时二道门两侧的压差值达到215.1Pa以上，将会出现防火门打不开，人员无法疏散的危险局面。比较合适的合用前室加压送风量大约为630850m3/h。但是，当同时开门的数量为3时，此时着火层的二道门门洞处的风速约为0.47m/s，这么小的门洞风速阻挡不了烟气侵入合用前室。此种加压方式对合用前室的烟气控制不是很适合。表1 着火层合用前室加压风量不同时各层的门两
13、侧的压差值楼层位 置着火层合用前室加压送风量/（m3/h）50010002000400060008000P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2119.459.79.60.817.952.351.2155112.5300202.1222.317.51528.21.853.129.7111108215.1225359.6318.13.887.22.01340.139.917189.73281641030.21.632.41.839.62.454.63.768.34.982.56.22030.92.1332.4402.8544.166.55.279.26.4 图2 各楼层的门两侧的压差值分
14、布 图3 在合用前室不同送风量时着火层的门 两侧压差值分布3.2 只对着火层合用前室加压送风以下分析针对防烟楼梯间采用外窗自然排烟方式的情况，此时只对着火层合用前室进行加压送风。改变合用前室的加压送风量，模拟得到一、二道门两侧的压差值见表2，从表中得出：此加压方式的送风量向楼梯间、走廊和电梯竖井三个方向流动，着火层一、二道门两侧的压差值得绝对值几乎相等。着火层合用前室加压风量在4000m3/h之内时，二道门两侧的压差值将小于79.4Pa，其中送风量在2130m3/h左右，压差值为25Pa，基本满足一、二道门均关闭时的合用前室的加压要求；送风量超过6000m3/h后，二道门两侧的压差值将大于17
15、6.3Pa，一道门两侧的压差值减小于122.4Pa，此工况下二道门开启困难，一道门关闭困难。综上分析所述：采用只对着火层合用前室加压送风的加压方式时，合用前室的加压风量不可太大，否则将出现合用前室严重超压，而且二道门打不开，一道关不起来。例如，对于20层建筑，当合用前室加压风量超过5000m3/h后，就会出现这种情况。而高规表值推荐的风量为2800032000m3/h，若取28000m3/h风量按三层合用前室同时送风计算，则每层送风量为9333.3m3/h，此时二道门两侧的压差值接近400Pa左右，将会出现防火门打不开，人员无法疏散的危险局面。比较合适的合用前室加压送风量大约为2130m3/h
16、。但是，当同时开门的数量为3时，此时着火层的二道门门洞处风速约为0.2m/s，这么小的门洞风速阻挡不了烟气侵入合用前室。此种加压方式对合用前室的烟气控制也不是很适合。表2 合用前室加压送风量不同时着火层的门两侧的压差值楼层位 置着火层合用前室加压风量/（m3/h）100030004000500060009000P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P227.99.344.645.578.779.4122123176176.33943943.3 只对楼梯间加压送风间接加压合用前室图4是楼梯间加压风量10000m3/h时，各楼层的一、二道门两侧压差分布图，从图中可以反映出：除着火层外，其它各
17、层一道门两侧的压差值几乎相等，二道门两侧的压差值也有同样的规律，但一道门两侧的压差值大于二道门两侧的压差值。笔者认为这要是由于经由楼梯间门缝进入合用前室的风量中大部分通过电梯缝渗漏到电梯竖井中，仅有少量通过二道门门缝进入走廊。改变送风量，模拟得到各层一、二道门两侧的压差值。表3列举了不同加压送风量工况下1、2、3、10、20层的一、二道门两侧的压差值。将表3中着火层的门两侧的压差值绘制在图5上，从图表中可以看出：（1）与其它层的二道门两侧的压差值相比，着火层的二道门两侧的压差值很大，且随着加压风量的增大，两者的差值逐渐增大。而着火层的一道门两侧的压差值在加压风量很小的时候，不及其它层的一道门两
18、侧的压差值大，但随着加压风量的增大，着火层的一道门两侧的压差值逐渐加大，最终超过其它层的一道门两侧的压差值，并且两者差值逐渐加大。（2）在加压风量很小时，着火层的一道门两侧的压差值小于二道门两侧的压差值，随着加压风量的增大，前者的值将越来越大于后者的值，如在送风量为10000m3/h时，前者是后者的0.955倍；而在送风量为40000m3/h时，前者是后者的4.2倍。（3）加压风量与门两侧的压差值关系：送风量在20000m3/h以内时，着火层的一、二道门两侧的压差值分别小于45.6Pa、13.5Pa；在200004000m3/h范围内，一道门两侧的压差值为46.3194.2Pa，二道门的两侧的
19、压差值为13.546.1Pa，其中送风量在20600m3/h左右，一道门两侧压差值为50Pa；此时二道门两侧的压差值为15Pa。这说明对于20层建筑，当加压送风量为20600m3/h时，就可基本满足一、二道门关闭时楼梯间和合用前室的加压要求。而高规表值推荐的风量为3500040000m3/h，远大于模拟所得到合适的加压风量。改变楼梯间加压送风量，同时开启着火层、着火层上一层和底层的两道门，利用场模型模拟得到着火层开门门洞处的平均风速见表48，表中V1为一道门门洞处的风速，V2为二道门门洞处的风速。从表中可以看出：加压风量在10000m3/h以内，着火层的二道门门洞处的风速在0.53m/s以内，
20、其中送风量在9300m3/h左右，风速达到0.5m/s；加压风量在1000030000m3/h范围内，风速为0.531.59m/s，送风量超过30000m3/h时，风速将超过1.59m/s。同时仍要考虑附加风量8，表4中模拟得到门洞风速值所对应的原加压风量应乘以附加系数1.55，得到该门洞风速值实际对应的加压风量。其中模拟送风量在13000m3/h左右，实际加压风量为20150m3/h左右，风速达到0.7m/s，这个风量与前面分析的一、二道门关闭时，满足楼梯间和合用前室加压要求的风量20600m3/h基本一致。表3 楼梯间加压送风量不同时各层的门两侧的压差值楼层位 置楼梯间加压送风量/（m3/
21、h）10000200003000040000P1P2P1P2P1P2P1P2111.80.145.13.2101.59.7179.619.526.56.846.313.5108.926.9194.246.13110.143.92.598.37.4163.9151011.60.344.32.798.47.7173.615.22012.30.7453.3998.3174.115.8综合上文的分析以及“只对楼梯间加压送风”的模拟分析表明：当楼梯间和合用前室连接时，采取只对楼梯间加压、合用前室不加压的送风方案，只要楼梯间加压风量足够，如建筑为20层时的楼梯间加压送风量为20600m3/h左右，不仅可以
22、防止合用前室出现严重超压的情况，而且可以既满足门关闭时的楼梯间和合用前室的正压要求，又能满足同时开门的数量为3时的着火层的门洞风速要求。此种方式加压方式对合用前室烟气控制比较适合。由于本文模拟均为稳态模拟，在分析开门工况时，把门设定为一直处于开启状态，模拟的工况为最不利情况。实际情况是当人员疏散时，门突然开启时间只是短暂的几秒钟，这种情况对于防止烟气侵入更为有利。表4 楼梯间加压送风量不同时着火层门洞处的平均风速门洞处的风速/（m/s）楼梯间加压送风量/（m3/h）50001000020000300004000050000V10.2770.5581.1111.662.212.76V20.264
23、0.5341.061.592.112.63图4 楼梯间加压风量为10000m3/h时 图5 楼梯间送风量不同时着火层的门各楼层的门两侧压差值分布 两侧压差值分布4 结论1）数值模拟显示，加压送风量的大小对各楼层的楼梯间和合用前室门两侧的压差值，特别是着火层的门两侧的压差值具有决定性的影响。无论采用何种加压方式，加压风量的选取都特别重要，过大造成超压，过小阻挡不了烟气侵入疏散通道。同时从维持合用前室与走廊相同的压差值所需的风量来看，本文模拟20层所需的风量小于高规所建议的的加压风量，例如，只对楼梯间加压送风，维持合用前室与走廊压差值为25Pa时，模拟得到送风量为27000m3/h，而高规推荐值为
24、35000m3/h。2）对楼梯间和合用前室分别加压送风、两者的加压风量分别为16000m3/h和630m3/h时，着火层的门两侧的压差值均可保持在20Pa左右。该模拟结果与文献7一文中的分析及试验结果非常接近。3）当楼梯间采用外窗自然排烟、仅对着火层合用前室进行加压送风时，其加压风量为2130m3/h，即可使着火层的二道门两侧的压差值维持25Pa左右。4）采取只对楼梯间加压、合用前室不加压的送风方案，只要楼梯间加压风量足够，不仅可以防止合用前室出现严重超压的情况，而且可以既满足门关闭时的楼梯间和合用前室的正压要求，又能满足同时开门的数量为3时的着火层的门洞风速要求。5）本文仅对楼梯间和前室门关
25、闭时门两侧的压差值进行分析，有关开门对压差值的影响将另文讨论。参考文献：1 高层民用建筑设计防火规范GB50045-95. 北京:中国计划出版社, 20012 A. M. Musser. Multizone modeling as an indoor air quality design tool J. Healthy Buildings 2000, 2002(2): 4554603 W. S. Dols. A tool for modeling airflow and contaminant transport J. ASHRAE Journal. 2001, 43(3): 35424 G.
26、 N. Walton. CONTAMW2.4 User Manual. NISTIR 7251. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. 20045 A. K. Persily, M. I. Elizabeth. Input data for multizone airflow and IAQ analysis. National Institute of Standards and Technology. NISTIR 6585, Gaithersburg, MD. 20016 霍然, 胡源. 建筑火灾安全工程导论. 中国科学技术大学出版社, 19997 高甫生, 王砚玲, 邱旭东. 高层建筑加压送风系统的试验研究. 暖通空调. 2003, (4):31358 陈军华. 高层建筑楼梯间及前室烟气控制方式的数值模拟研究. 哈尔滨工业大学硕士学位论文. 2006, 72797
