中庭式建筑内回廊排烟方法有效性的研究

1、中庭式建筑内回廊排烟方法有效性的研究第7卷第3期2007年6月平安与环境JoumolofSafetyandEnvironmentJun,2007中庭式建筑内回廊排烟方法有效性的研究钟委,霍然,王浩波(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥230027)摘要:中庭式建筑各楼层均通过中庭相连,因此给建筑物内机械排烟设计造成了困难.近年来一些学者提出了回廊排烟的概念,但并没行了描述,从理论上分析了采用回廊排烟控制建筑内烟气蔓延的效拟,对理论分析进行了验证.还对回廊内蓄烟池的深度进行了讨论,提出将回廊蓄烟池深度设为1m左右是比拟适宜的.关键词:平安工程;中庭回廊排烟;蓄烟池;二维线性羽流中图分类

2、号:TU998文献标识码:A0引言中庭式建筑以其赏心悦目的视觉空间,自然宜人的内部环境和巨大的商业价值等功能深受人们的欢送,从而得到了广泛的运用.但中庭建筑内由于各层与中庭直接相连,一旦发生火灾,烟气就有可能通过中庭进入到各个楼层中.因此,如何控制火灾烟气的蔓延是中庭式建筑消防设计中的关键问题.中庭建筑内常用的机械排烟设置方式有集中式和分散式两种方式种方式目前应用得最广泛,国内外学者也进行了比拟深入的量的空气导致烟气量大大增加,因此,对于高度较高的中庭需的区域均设置机械排烟.这种方式所需的机械排烟量较小,但其风管设计复杂,维护管理麻烦.因此,在实际中庭建筑中较少采用.由于以上两种排烟方式均存在

3、缺乏,近年来有的学者提出了回廊排烟的概念_5'.王荣辉等'8_利用CFAST模拟了一中庭建筑的回廊排烟效果,并开展了回廊排烟的模拟实验点,因此,其实验结果说服力不强.本文将从理论上分析回廊机械排烟对烟气蔓延的控制效果,并采用场模拟软件FDS对一实际中庭式建筑进行模拟,对比分析采用回廊排烟前后的排烟效果.1回廊排烟中的烟气流动的分析当某房间发生火灾,火灾烟气在房间内蓄积后进入回廊,当回廊内被烟气蓄满后将进一步进入中庭,见图1.烟气从回廊向中庭溢出时其溢流长度为整个回廊的长度,一般情况下溢流长度远远大于溢流厚度,可以认为溢流的卷吸特性在长度方向上处处相同,因此,可以用二维线性浮力羽

4、流来描述溢流特征J.假设在图中O点处存在一虚拟线性火源,其火源功率为*收稿日期:20070llO作者简介:钟委,博士研究生,从事地铁火灾烟气控制研究;霍然,教授,博士生导师,从事大空间建筑火灾及烟气控制研究.基金工程:国家自然科学基金重点支持工程(50536030)Q.,其在回廊下方单位长度上产生的烟气质量流率正好等于m'0,由二维线性浮力羽流的质量卷吸流率公式可知,0点距z.亦口.Q.1/(1)式中为空气的质量定压热容,kJ/(kg?K);To为环境温度,K;为环境空气密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2.当在单位长度的回廊内加上m'的机械排烟量时,单位长度回廊的溢流量

5、为m'.一m'.假设虚线源的位置不变,那么相当于虚线源的火源功率减小至Q.Q.=f)(2)因此溢出烟气在ee庭内上升的距离为时,其产生的烟气质量流率可以表示为-o.s():(3)根据式(3)可知,通过回廊机械排烟能够有效减少中庭所需的机械排烟量,而且中庭高度越高,这种效果就越明显.2中庭建筑回廊排烟效果的计算机模拟本文主要采用美国NIST开发的场模拟程序FDS进行模拟,采用大涡模拟(LEs)方法数值求解低速的,热驱动下流动的NavierStokes方程,重点在于火灾中的烟气和热量的传输气的湍流混合,其根本思想是混合产生的烟气涡旋足够大,可以对流体动力学方程给出足够精确的计算结果

6、.本文所模拟的建筑为典型的中庭式建筑,建筑共有8层,每层均为办公区域,通过回廊与中庭相连,办公区域与回廊间采用防火玻璃进行分隔,见图2.中庭最高处为42m,按照规办公区域起火,火源功率设置为3MW快速增长火,如果起火后只开启中庭机械排烟其结果见图3.当只进行中庭机械排烟,且排烟量为130000m3/h时,起以下的高度,排烟效果很不理想.为了改善机械排烟效果,本文提出了2种方案:1)加大中庭机械排烟量,将中庭排烟量从130000m3/h提高到180000m3/h;2)在4层的回廊内设置机械排烟,排烟量按照回廊面积每平方米120m3/h确定为35000m3/h.起火房间图1烟气运动简化示意图Fig

7、.1Smoke'Spropagationduringsmokeexhaustincorridori07当采用方案1,将中庭排烟量从130000m3/h提高到180000m3/h后,排烟效果有了明显的改善,中庭内烟气层高度被控制在7层以上,见图4;但7,8层的回廊仍然被烟气充满,不利于这两层内人员的平安疏散.当采用方案2,在回廊内设置机械排烟后,大大减少了起火层向中庭溢出的烟气量,因此,即使维持原有的中庭排烟烟后的模拟结果.从图5可以看出,中庭内的大局部区域没有烟气存在.比照方案1和2可以发现,在回廊内加上35000m/h的机械排烟,其效果要优于增加50000m/h的中庭机械排烟量,从而

8、验证了在中庭式建筑内设置回廊机械排烟来控制烟气的有效性.3回廊蓄烟池深度对排烟效果的影响回廊深度太浅,在回廊内蓄积的烟气层厚度就较小,排烟时将会有较多的空气被带人烟气层并被机械排烟排出_1,从而使得风机的工作效率降低;然而蓄烟池的深度又不宜过大,因为它不仅会影响到建筑的美观,同时也会增加建造的难度.因此,本文模拟计算4种蓄烟池深度,即0.5m,1m,1.5m,2m,通过比照过火源截面上两个系列点的温度来分析其排烟1O8别位于中庭中轴线两侧10m的位置,其高度分别为37m,32.5m,28m和23.5m,见图6.图7给出了4种蓄烟池深度情况下,各个点最高温度分布.从图中可以看出,随着蓄烟池深度的

9、增加,各点的温度也逐渐降低.这说明蓄烟池深度越大,由回廊向中庭溢出的烟深度从0.5m变为1m时,各点的温度有非常明显的变化;而从1m变为2m时,各点温度虽然也有降低,但降低的幅度却很小.这一结果说明了当蓄烟池深度到达1m以后,再增加蓄烟池深度对于提高排烟效果意义不大.因此,将蓄烟池深度设为1m是比拟适宜的.图2采用FDS建立的某中庭式建筑结构示意图rig.2SketchmapoftheatriumbuUdg'SstructureestablishedbyFDS(a)过火源截面1000时温度超过25的区域(b)过火源截面1000s时能见度低于20m的区域图3只进行中庭排烟时的模拟结果(a

10、)过火源截面1000s时温度超过25的区域(b)过火源截面1000s时能见度低于20m的区域图4中庭排烟量为180000m/h时的模拟结果(a)过火源截面1000S时温度超过25oC的区域(b)过火源截面1000S时能见度低于20m的区域图5保持中庭排烟量不变在回廊设置机械排烟的模拟结果2007年6月钟委,等:中庭式建筑内回廊排烟方法有效性的研究Jun,20074567图6比照分析中所选取点的位置示意图Fig?6Dibuti0n0ftw0series0fpointsinanalysi.E83230p28越26赠242220高度/m(a)系列1各点最高温度分布323436384O42444648

11、高度/m(b)系列2各点最高温度分布图7采用不同蓄烟池深度时各点最高温度模拟结果whenthedepthofreservoirchnges4结论对于含有中庭的高大建筑物,采用回廊与中庭共同机械排烟的设计概念能够较好地控制火灾烟气在建筑内的蔓延,在起火层回廊内设置机械排烟,能够大大减少中庭内的机械排烟量,并且其效果随着中庭高度的增加而更加明显.回廊内蓄烟池的深度会直接影响到回廊排烟的效果,FDS计算的结果说明,随着蓄烟池深度的增大,回廊排烟的效果变好;但是当蓄烟池深度到达lm后,再继续增加其深度,对回廊排烟效果改善的程度较小,因此,将蓄烟池深度设为1m左右是比拟理想的选择.References(

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18、siontechniqueknownasFDSisusedtosimulatetheeffectofsmokeex.haustinthewindingcorridorinanactualmansiontovalidatetheadfion,properdepthofsuchreservoirisproposedbasedonthesim-ulationresults.Asisknown,theatriumarchitecturehastakenfash.ioninpresentChina,f0rperhapstheiradvantageofallitsgroundflooioinedwithe

19、achotherintoathrough.to.the.endwindingcorr1.dors.However,thereremainstobeahardnuttodesigntheirsmoketheannex,theexhaustfanorventilatorwillbegintoworktoproduceanegativepressure,inwhichthefiresmokecanbemadetoentertheatriumtogetreleased.ismethod.thoughconvenientforimple.mentation,remainsunfavorable,becausethesmokefluxtobere-leasedincaseoffirema