中庭烟气控制性能化设计

1、1 1 / / 1717中庭烟气操纵性能化设计重庆大学 江芝芬 康待民摘 要 阐述了“处方式”建筑防火设计和性能化建筑防火设 计，介绍国外中庭烟气操纵性能化设计方法， 在此基础上探讨我 国建立中庭烟气操纵系统性能化设计的规范和设计指南， 提出我 国实现中庭性能化设计有待进一步研究和探讨的问题。关键词 性能化设计 烟气操纵 中庭0 0 引言由于火灾科学和计算机技术的飞速进展， 使人们能够对特定 建筑物的火灾过程进行模拟和分析，运用消防工程学的原理与方 法进行建筑防火设计。由此产生了一种新的设计方法“以性 能为基础的设计方法”， 性能化建筑防火设计是国际建筑防火领 域最前沿、最先进的技术。中庭是以

2、大型的建筑内部空间作为核心， 综合多种功能， 为 人们提供的一种便利、舒适、自然美妙的共享空间。由于中庭空 间大、功能多、复杂化且人流量大， 造成它的火灾隐患大、 人员 疏散困难。 中庭属“大空间结构”，其内部不宜进行防烟、防火分隔，这是对传统烟气 操纵措施的挑战。目前，差不多有许多 学术论文指出2 2 / / 1717我国现行的高层民用建筑设计防火规范 (GB50045-95)(GB50045-95)中关于中庭的烟气操纵系统设计的粗糙、不合理 性。我国目前尚没有一套较完善、 科学的法规来治理中庭烟气操纵系统的设计。本论文在引入性能化建筑防火设计的基础上，综述国外中庭烟气操纵系统设计方法，依照

3、中庭的“大空间结构”特点，探讨如何实现我国中庭烟气操纵系统性能化设计。1 1 “处方式”建筑防火设计与性能化建筑防火设计1 11 1 “处方式”建筑防火设计“处方式”建筑防火设计是设计人员按照传统规范条文所 规定的设计参数和指标，结合设计者本人的实践经验，从而制定 出符合规范要求的防火设计方案。 传统的防火设计规范对各类工 程的防火设计参数和指标都作了逐一对应的规定，设计者能够“对方抓药”似的选定，一旦设计中遇到“超越”规范的难题， 往往只能召开“专家会诊”会，凭借多数专家的经验来解决设计 中的困难。 “处方式”防火规范的弊病在于：对设计参数指标的 规定过于具体，限制了设计的灵活性，面对功能、

4、结构、装饰日 益复杂的建筑物，无法据此“因物制宜”设计出科学的、 合理的、 经济的消防安全系统方案，同时限制了消防方法的创新与进展。1 12 2 性能化建筑防火设计从二十世纪八十年代开始，国外提出了“以性能为基础的防火设计-Fire/Lifc safely卩crforniance Based Sysi-cmDesignDesign ”新概念，并开始对传统沿用的“处方式”的建筑防火设 计法规体系进行改革，提出制定“以性能为基础的防火规范”的 新思路。性能化防火规范只对建筑物要达到的消防安全目标、性能要求和设计时所需遵循的原则、方法等进行规定。性能化设计的步骤一般包括： 依照建筑物的结构、用途和内

5、 部可燃物等方面的具体情况确立消防安全目标和可量化的性能 要求；分析建筑物内部可燃物、人员等情况，确定性能指标和设 计指标；建立火灾场景和设计火灾；选择分析计算的方法；对设 计初步方案进行安全评估、确定设计方案并编写设计报告。2 2 国外中庭烟气操纵性能化设计2 21 1 进展概况中庭烟气操纵作为大空间建筑消防安全系统设计的一个重 要方面，细化研究中庭烟气操纵的性能化设计是构成消防安全系 统性能化设计的基础。美国在二十世纪九十年代初实施消防安全 系统性能化设计的理论，关于中庭烟气操纵系统设计已摒弃八十 年代的体积换气次数法。19911991 年美国消防协会“商业街、中庭 及大空间烟气操纵系统设

6、计指南 NFPANFPA 92B92B 规范的制定，设计 者开始采纳预测中庭烟层界面的方法进行中庭烟气操纵的性能 化设计，如此克服了体积换气次数法的不合理：对大空间，计算 的排烟量过大，不经济；而关于中小体积空间其值则偏小，达不 到安全烟气操纵预期目的。美国国家建筑治理规范（BOCABOCA 从 199319933 3 / / 17174 4 / / 1717年 BOCABOCA 1993a1993a BOCABOCA 1993t1993t 到 19961996 年 BOCABOCA 规范修订，逐步采纳和实现中庭烟气操纵的性能化设计。美国建筑统一指导规范 (UBC-ICBO)(UBC-ICBO

7、)在19941994 年修订时，也全面采纳了性能化设计的方 法。NFPANFPA 92B92B 分不在 19951995 年、19971997 年和 20002000 年进行了修订， 使中庭烟气操纵性能化设计逐步完善。以下简要介绍NFPANFPA 92B92B规范中烟气 操纵性能化设计步骤。22 2 性能化设计步骤一、确定火灾强度 Q(kW)Q(kW)有两种火灾模型：稳定火灾和非稳定火灾可供选择。1 1 稳定火灾放热量为常数的火灾定义为稳定火灾。规范中给出了每单位着火面积的放热量：对限制可燃物的中庭取225225 kW/mkW/m2;未限制可燃物的中庭取 500500 kW/mkW/m2。一般

8、假定着火面积为 9.39.3 m m2，同时 考虑中庭实际火灾隐患和过渡燃料情况，着火面积适当取大，最大可取为 5050 m m2。2-2-非稳定火灾防火工程师常用 t t2型火灾来近似非稳态火灾，其火灾强度可2米纳计算式：Q=Q= atat (kW)(kW)。a a 为增长系数(kW/s(kW/s2) )，视火灾增长的速度可选：慢速 0.0029310.002931、中速 0.011270.01127、快速 0.046890.04689、极快 0.18780.1878 ; t t 为燃料燃烧时刻（s s）。在缺乏放热量设计资料的情况下，可假定为稳态火灾，女口5 5 / / 1717此使设计的

9、系统更加可靠。二、中庭烟层界面的预测可用下面的三种计算方法（NFPANFPA 92B92B）来预测中庭烟层界面（见图 1 1）下降的高度：图 1 1方法一:式中：Z Z烟层界面距地面的高度（m m）；H H中庭顶棚距地面的高度（m m）；A A中庭水平横截面积（m m2）；Q Q 火灾稳定放热量（kWkW）; = 1,11 0. 281n6 6 / / 1717t t 烟层界面下降到 Z Z 处所需的时刻（s s）;用法：给定疏散时刻，计算烟层界面是否下降到安全高度。NFPANFPA92B92B 规范中疏散时刻定为 2020 分钟，安全高度跟据中庭建筑的形 式而定，其值为中庭底层的最高出口高度

10、加上1.81.8 米。方方法二工法二工ZH式中：各参数意义同前；用法：计算任何时刻的烟层界面的位置。方法三工烟宦界面高度大于火焰高度时（ZAZ,用式：mP, = O. MIQVZ阶+6 0018Qe烟层界面高度小于火焰高度时（ZVZ1）、用式；叫=0 032Q严*Z其中*Q=O. 7Qi = 0. 16GQ尹式中:mpt.mpz产烟量（kg/s） ?QC-对流放热童（ifW）忆】火焰髙度（m）【见图1）。用法：取一时刻步长 t t，用反复计算法来预测不同时刻烟层界 面的位置，同时也用于计算产烟量。它不如以上两种方法直接。例如，疏散时刻定为 2020 分钟，从火灾发生开始至疏散结 束，取 t t

11、 = 1010,从 1 1, 1111, 2121到 12011201 秒，烟气层变化情况的计算步 骤为：以中庭顶棚高度 H H 为烟气层界面初始高度，即Z Z=H H 代入方法三 m mp1计算式，计算出初始时的烟气质量流量m mP1。2计算初始时烟气体积流量 V V V V= m mi/ /ps(m(m3/s)/s) ；ps为烟气 密度(kg/m(kg/m3) )。7 7 / / 17173计算 1 1 秒后的产烟量，第 1 1 秒所增加的烟气层厚度( (假定 烟层厚度均匀) )：dzdz = V/A(m)V/A(m) , A A 是中庭的横截面积(m(m2) )，再以 Z Z= H-dz

12、H-dz 代入式，方法三m mi计算式计算出产烟量。4计算 1111 秒后的烟层界面，第 1111 秒后的烟气体积流量：V V =10m10mps(m(m3) ),( (当 时刻步长 4 取专门小时，可视在这时刻 步长内烟层厚度随时刻呈线形变化 ) )。烟气层厚度：dzdz = V/A(m)V/A(m); 烟气层界面高度：Z Z= H-dz(m)H-dz(m),如此类推，计算出 212112011201 秒的烟层界面高度乙三、烟气操纵系统的选择依照中庭烟层界面的预测初步确定：假如烟层界面下降到安全高度的时刻大于安全疏散时刻，则采纳烟气填充自然排烟系 统，否则，采纳机械排烟系统，以一定烟气量排出

13、生成的烟气。 是否选择自然排烟还要考虑当地的室外设计温度、风的条件和建筑形式( (如：有无储烟器、自然排烟口的面积、高度等) )。由于 火灾时会发生断电，且自然排烟经济，在澳大利亚和英国常采纳，而在美国大多采纳机械排烟。选择机械排烟系统时还要进行以下 设计计算。1 1 产烟量的确定在中庭地面发生火灾时，用方法三：n np1= 0.071Q0.071Q1/3c c Z5/3+0.0018Q+0.0018Qc计算。8 8 / / 1717机械排烟的目的是把烟气底层操纵在一定的安全高度Z Z 处，以防危及人员安全，同时要防止烟气直冲顶棚（即顶棚喷射）而损 坏顶棚结构，由此 Z Z 的选择应保证烟气层

14、的厚度不小于中庭高度 H H 的十分之一。在与中庭相通的主体建筑发生火灾时，挑台产烟量（见图 2 2） 按下式计算：mb= OUl(Q Wf(2bH 0. 3y) 在与中庭相通的主体建筑发生火灾时， 窗台产烟量 （见图 3 3）按下式计算:式中： m m挑台产烟量（kg/skg/s）；W W 烟气绕流过挑台的宽度（m m）；Z Zb挑台以上的烟层界面的高度（m m）；1 + 0. 063Zb + 0.6y y y火焰至挑台的垂直高度（m m）侧侧前9 9 / / 1717nu = O 071Qf （Zv+a）5/3+ O. 0018QtH= Z40A 沪沪H护一护一2 1HW式中：mwmw-

15、窗台产烟量（kg/skg/s）；Z Zw窗户顶部至烟层界面的高度 （m m）；a a等效高度（m m）；AwAw窗户开口的面积（m m2）；H H窗户开口的高度（m m）。2 2 排烟口的位置、型号和数量的选择为幸免排烟口抽吸周围空气（见图 4 4），要限制排烟口的最大排烟量；同时，为防止各排烟口抽吸的烟气流相互干扰，要限制1010 / / 1717各排烟口最小间距。最大排烟量：式中：m mmax-各排烟口最大排烟量（kg/skg/s）;TS烟层的绝对温度（K K）（）（ 一般取 345K345K）;T To周围空气的绝对温度（K K）（）（ 一般取 294K294K）；B B排烟口位置因子（

16、无量纲）（）（见图 5 5）；d d排烟口下烟层的厚度（m m）（）（ 一般为中庭高度 H H 的十分 之一）。最小间距:=32B V严式中：S Smin-排烟口间的最小间距（m m）；v ve排烟体积流量（m m3/s/s）。同时考虑前述方法三中烟气层变化情况计算步骤的第、第步和中庭建筑形式来确定排烟口的位置、数量和型号等。国外在少数中庭建筑中采纳“中部隔断”措施：即在中庭的一定高度处设置隔板，隔板只在火灾时由消防操纵室依照探测器 信号远程操纵。隔板动作，中庭完全被隔断成上下空间；平常隔 板放开，中庭上下贯穿。这种方式较适合于“瘦高型”中庭，它 的可行性有待进一步研究。加唤=3.135 Ts

17、-1 1/2i 7 1111 / / 1717B=2.8(a)远离墙壁的顶棚排烟口远离墙壁的顶棚排烟口m河河 顶棚顶棚 B-2.03 3 烟道布置、阻力计算和排烟风机的选择依照中庭建筑形式布置烟道， 计算沿程阻力和局部阻力， 然后依照压头和排烟量来确定耐火风机的选型。从风机性能曲线图顶棚顶棚沪2.02.0(b)邻墙的顶棚排烟口邻墙的顶棚排烟口(G)邻顶棚的增排烟口邻顶棚的增排烟口1212 / / 1717或性能表中就能确定风机理论排烟量：烟气质量流量m me( ( kg/s)kg/s)和体积流量 v ve= m/m/Ps,ps取烟气温度 345K345K 时的密度。3 3 建立中庭烟气操纵性能化设计规范和设计指南的探讨 研究如何从现行的“处方式”中庭烟气操纵设计方法转化为性能化设计方法是实现建防火性能化设计的一个子课题。 为关 心设计人员进行中庭烟气操纵的性能化， 研究建立性能化设计规 范和指南来指导设计尤为重要。 建