室内商业步行街排烟模式对烟气运动的影响分析_张丙森.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296室内商业步行街排烟模式对烟气运动的影响分析张丙森1肖剑仁2陈健3(1 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083;2 福建省建筑设计研究院福建福州350001;3 中国建筑科学研究院有限公司建筑防火研究所北京100013)摘要:室内商业步行街在为消费者带来良好体验的同时，也存在着巨大的消防隐患。一旦发生火灾，烟雾、高温等极易造成群死群伤的重大事故。通过 Pyrosim 仿真模拟，对室内商业步行街排烟模式进行研究，设置无机械排烟、二级排烟和三级排烟三组工况，依据所需研究内容设置相应模拟监测点，用来监测中庭及环廊处的温度、能见度、CO 和风速等影响人员疏散的关键指标。研究得出:在满足规范要求的排烟量以及设备正常联动的条件下，当火灾发生在房间走道时，相较于三级排烟模式，二级排烟模式，可以更好地抑制烟气在环廊中蔓延。但火灾发生在中庭时，两种排烟模式下烟气控制效果相近。同时，通过模拟，也可以验证，过余设计的环廊排烟，并不会对疏散造成不利影响。关键词:室内商业步行街;排烟模式;仿真模拟;烟气控制优化中图分类号:TU831文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0122 06Analysis on the influence of smoke exhaust mode on smoke movementin indoor commercial pedestrian streetZHANG Bingsen1XIAO Jianren2CHEN Jian3(1 School of Emergency Management and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083;2 Fujian Provincial Institute of Architectural Design and esearch CO，LTD，Fuzhou 350001;3 Institute of Building Fire esearch，China Academy of Building esearch，Beijing 100013)Abstract:Indoor commercial pedestrian street not only brings good experience to consumers，but also has huge potential fire hazards In caseof fire，smoke，high temperature and other on site conditions，it is very easy to cause major accidents of mass death and injury This paperstudies the smoke exhaust mode of indoor commercial pedestrian street through pyrosim simulation，sets three working conditions of no me-chanical smoke exhaust，secondary smoke exhaust and tertiary smoke exhaust，and sets corresponding simulation monitoring points accordingto the required research contents to monitor the key indicators affecting personnel evacuation，such as temperature，visibility，CO and windspeed in atrium and corridor The results show that under the conditions of meeting the standard smoke exhaust volume and normal linkage ofequipment，the control effect of the three level smoke exhaust mode is better than that of the two level smoke exhaust mode in the environ-mental field of the ring corridor，and the control effect of the two smoke exhaust modes in the environmental field of the atrium is similar;Atthe same time，the simulation data also shows that the design of circular corridor smoke exhaust is conducive to personnel evacuation，whichdoes not support the assumption that the excessive design of circular corridor smoke exhaust has an adverse impact on evacuationKeywords:Indoor commercial pedestrian street;Smoke exhaust mode;Simulation;Smoke control optimization基金项目:福建省科技计划项目“室内商业步行街火灾烟气蔓延特性及控制关键技术研究与应用”(2019Y3002)。作者简介:张丙森(1997)，男。E-mail:xjr fjadi com cn通讯作者:肖剑仁(1970)，男，教授级高工。收稿日期:2022 07 010引言室内商业步行街一般位于大型商业综合体内，用于连通综合体内购物、餐饮、娱乐等商业经营场所，并形成大型的室内共享空间1。从其用途上可知，室内商业步行街具有空间跨度大、连通性强、人员密集以及流动性大等特点。室内商业步行街在为消费者带来良好体验的同时，也存在着巨大的消防安全隐患。步行街内一旦发生火灾，极可能导致大面积立体性燃烧，火灾和烟气迅速蔓延，而步行街日均客流量一般超过 1 万人次，发生火灾时烟雾、高温等现场条件给人员造成的恐慌，往往导致疏散混乱、疏散预案难以执行，极易造成群死群伤的重大事故2。据统计，火灾中 80%以上的人员伤亡与烟气有关，烟气是各类火灾危害中致人伤亡的最主要原因3。现行建筑设计防火规范(GB50016 2014)(2018 年版)，对有顶棚步行街建筑，要求顶棚应设置自然排烟，并宜采用常开式的排烟口，同时对开口面2023 年 02 期 总第 296 期张丙森，肖剑仁，陈健室内商业步行街排烟模式对烟气运动的影响分析123积进行了规定4;现行建筑防烟排烟系统技术标准(GB51251 2017)就建筑中庭、回廊及周围房间排烟量做了规定5。但在规定排烟量后，如何组合排烟，规范未做要求。而现实实际中主要有二级排烟和三级排烟两种模式:二级排烟即中庭机械排烟、房间机械排烟，三级排烟即中庭机械排烟、环廊机械排烟、房间机械排烟。甘延霞通过全尺寸试验对比中庭两种排烟方案，得出当回廊较宽、较长时，采用三级排烟方案，当回廊较窄、较短时，采用二级排烟方案6;张梅红等通过热态发烟试验得出，相比于二级排烟，三级排烟模式下环廊排烟，可有效阻止烟气蔓延至步行街高大空间7。理论上增加一级环廊排烟，将有利于减轻烟气在环廊区域的聚集，增加疏散可用时间。然而，过余设计的环廊排烟，甚至有可能将中庭内部上升的烟气卷吸至环廊区域，反而对疏散造成不利影响8。故笔者通过采用 Pyrosim火灾模拟软件，研究室内商业步行街不同级别排烟对烟流扩散的影响。1建筑概况以福建省福州市某大型建筑为研究对象，总建筑面积226 969 m2，其中地上建筑面积147 610 m2，地下建筑面积 79 359 m2;建筑内含一直线型步行街，长154 m，宽 17 m，步行街总面积为 2618 m2，步行街内有3 个长方形中庭，中庭高19.8 m，步行街共四层，层高为 4.5 m(含吊顶)。建筑内业态丰富，火灾荷载大，火灾危险性高。商场和超市销售的大多数商品均为可燃物，其中不乏小型的易燃易爆品。影院、KTV 在内的各类店面装修中大量使用了易燃、可燃材料，以及节假日促销活动中临时增设的摊位、广告页为火灾的发生埋下隐患。与此同时，餐饮店铺厨房中使用的明火，也往往成为火灾的源头。本文选择其室内步行街区域为研究对象，对其进行火灾场景数值模拟研究。模型整体示意图如图 1所示。火源及部分排烟口位置示意如图 2 所示。图 1模型整体示意图图 2火源及部分排烟口位置示意图2数学模型及边界条件利用 Pyrosim 软件，对室内商业步行街火灾场景进行设计，仅对步行街火灾发展阶段和稳定燃烧阶段进行模拟，对火灾衰减阶段不做研究。建筑内部排烟系统依据 建筑防烟排烟系统技术标准(GB51251 2017)中 4.6.3 条和 4.6.5 条，设置顶棚机械排烟、环廊机械排烟及房间机械排烟风量。火灾场景模拟时间为 1800 s。2.1边界与初始条件设置2 2.1边界条件工况环境设置参考福建省福州市冬季气候:环境温度 20，气压 102400 Pa，平均风速 2.5m/s，风向为东北风方向(X 轴正方向与 Y 轴正方向夹角 45)，重力加速度为 9.78910 m/s2。建筑内墙体、柱等设置为混凝土，建筑地板设置为混凝土，建筑屋顶采光顶棚设置为玻璃。2 2.2火源设置火源选取 t2火源模型，根据以往火灾事故案例，选取步行街周围商铺快速燃烧的装修家具作为火源材料。火源功率依据建筑防烟排烟系统技术标准(GB51251 2017)，选取走道有喷淋条件下的热释放速率，即 Q=1.5 MW。火灾增长时间依据规范设置，最后得出，1.5 MW 火灾增长时间为 91.80 s。2.2网格划分数值模拟中，网格密度对计算结果的准确性非常重要，特别是在火灾初始阶段，网格密度的影响不容忽略。其中，火源区域受网格密度影响最为敏感，浮力羽流区次之。以往的经验表明，当量火源直径 D*与火源附近网格尺寸 x的比值介于4 16 时，可以获得较好的计算精度9 12。因此，鉴于模拟对象是大124福建建筑2023 年型室内商业步行街，生成网格数较多，故采用局部加密火源区域网格方式，将火源附近区域网格尺寸设置为 0.2 m 0.2 m 0.2 m，火源附近中庭区域网格尺寸设置为 1 m 1 m 0.5 m，其它区域网格尺寸均设置为 1 m 1 m 1 m。2.3模拟工况排烟级别优化研究设置无机械排烟工况、二级排烟工况以及三级排烟工况，对比无机械排烟情况下，二级排烟与三级排烟对烟气控制的效果。模拟工况表如表 2 所示。表 2模拟工况表工况/条件火源位置火源功率模拟时长环廊挡烟垂壁中庭机械排烟环廊机械排烟房间机械排烟工况 1一楼房间走道15 MW1800 s工况 2一楼房间走道15 MW1800 s工况 3一楼房间走道15 MW1800 s2.4模拟监测点位置为研究房间走道火灾下，不同级别排烟对烟流扩散的影响，在建筑内部环廊及中庭布置相应的温度、能见度、风速及 CO 监测点。在 1#中庭右侧 1 4 各楼层环廊垂直布置5 个监测点，间隔0.5 m，用以监测环廊温度(能见度、风速及 CO 监测点位置与温度测点位置相同);为研究环廊机械排烟口开启是否会对中庭烟气向环廊蔓延产生影响及影响大小，在距离1#中庭侧壁水平 1.0 m 处垂直布置 35 个温度监测点，从距离地面 0.5 m 到 17.5 m，间隔 0.5 m 布置;同时为研究烟气在 2#、3#中庭扩散蔓延情况，在距离 2#、3#中庭侧壁水平 3.5 m 处，分别垂直布置 16 个温度监测点，从距离地面 2.3 m 到 17.3 m，间隔 1.0 m 布置。环廊及中庭监测点分布左视图如图 3 所示。同时设置相应的切片，切片及监测点布置俯视图如图 4所示。图 3环廊及中庭监测点分布左视图图 4切片布置俯视图3结果分析3 1排烟模式对环廊环境场的影响以 1#中庭右侧环廊内 1 4 层垂直布置的温度、能见度、CO 体积浓度、风速监测点数据为依据，研究二级排烟和三级排烟对环廊环境场的影响，以无机械排烟工况作为对比工况。针对切片图，选取稳定燃烧时间 1000 s 作为对比时间节点。2023 年 02 期 总第 296 期张丙森，肖剑仁，陈健室内商业步行街排烟模式对烟气运动的影响分析125图5(a)、(b)、(c)所示，是各工况1 4 层环廊温度分布图。由图可知，无机械排烟受到无排烟口和环廊挡烟垂壁影响，其环廊烟气温度在一楼处，随着房间测点高度的增加而升高，到二楼及以上楼层，温度变化幅度变小，并随着楼层增加而降低;二级排烟模式受房间、中庭排烟口作用，环廊烟气整体温度相比有较大幅度下降，整体在 60以下，60即人员疏散逃生临界温度;三级排烟模式下，即增加环廊机械排烟口后，一楼环廊处烟气温度波动较大，未呈现出前两个工况温度稳定变化的趋势，但 1 4 层环廊烟气温度进一步下降。图6(a)、(b)、(c)所示，是各工况1 4 层环廊能见度分布图。由图可知，无机械排烟下，所有楼层能见度测点在 8 mins 内降至 10 m 以下，10 m 即人员疏散逃生能见度临界值;二级排烟模式，二楼、三楼及四楼 2 5 m 处，能见度均未下降至临界值，且图中显示一楼各高度处能见度降到 10 m 的时间有所增加;三级排烟模式，一楼以上楼层整体能见度维持在 30 m，且一楼 0 5 m 和 1 m 高度处能见度未下降至临界值，一楼 1 5 m、2 m 和 2 5 m 处能见度降至 10 m 的时间也有较大幅度增加。对比各工况在环廊各楼层温度与能见度分布得出:三级排烟相比二级排烟，在着火层及非着火层环廊温度控制上较好，整体温度是相对下降。但三级排烟受环廊排烟口作用，排烟造成排烟口附近产生负压，周围烟气受浮力和压力作用运动，从而导致环廊烟气温度浮动较大;能见度方面，增加环廊排烟口，使得非着火层 2、3 层能见度由 20 m 均提升到 30 m，着火层环廊1 m 以下能见度都在10 m 以上，1 m 以上能见度到 10 m 的时间延迟近 2 mins。(a)无机械排烟(b)二级排烟(c)三级排烟图 5不同排烟模式下的 1 4 层环廊温度(a)无机械排烟(b)二级排烟(c)三级排烟图 6不同排烟模式下的 1 4 层环廊能见度图 7(a)、(b)、(c)所示，是各工况 1 4 层环廊CO 体积分数变化图。无机械排烟下，一楼环廊测点CO 体积分数随着测点高度的增加而升高，二楼及以上楼层 CO 体积分数随着高度的增加而降低;二级排烟模式各测点 CO 体积分数增长趋势与自然蔓延较为相近，但整体 CO 体积分数大幅度下降;三级排烟模式一楼各测点 CO 体积分数受环廊机械排烟口影响，出现波动，CO 体积分数相比二级排烟继续下降。图8(a)、(b)、(c)所示，是各工况 1 4 层环廊风速分布图。由图可知，无机械排烟和二级排烟环廊风速分布较为相似。一楼2 5 m 处风速均在 1 m/s 以上波动，二楼至四楼2 5 m 处均在 0 3 m/s 以下波动;三级排烟下，可见一楼至四楼处环廊风速均在 0 4 m/s。同时，根据模拟中环廊排烟口联动的数据，发现一楼至126福建建筑2023 年三楼环廊处均有机械排烟口联动，四楼环廊未出现联动，此间接说明，四楼环廊风速相比之下较小。同前两工况对比可知，环廊机械排烟口启动后，一楼由于受到环廊排烟作用，较多烟气排出，一楼25 m 处风速有所降低。而二楼及三楼由于有一定量烟气达到，并联动开启了机械排烟口，故二楼、三楼25 m 处风速有所增加。(a)无机械排烟(b)二级排烟(c)三级排烟图 7不同排烟模式下的 1 4 层环廊 CO 体积分数(a)无机械排烟(b)二级排烟(c)三级排烟图 8不同排烟模式下的 1 4 层环廊风速3 2级别排烟对中庭环境场的影响以 1#中庭、2#中庭及 3#中庭垂直布置热电偶测点数据，以及切片 X=319 m 所测数据为依据，研究二级排烟和三级排烟对中庭环境场的影响。以无机械排烟工况作为对比工况，选取稳定燃烧时间 1000 s作为对比时间节点。图9 所示，是各工况1#中庭垂直方向烟气温度分布图。从图中可以得知，无机械排烟条件下 1#中庭整体烟气温度较高，二级排烟、三级排烟下 1#中庭垂直方向烟气温度整体控制在 26。可见，无论是二级排烟还是三级排烟，都对 1#中庭烟气温度有较好控制。经过对比，对 1#中庭烟气温度的控制，两种条件下相差不大。由于无机械排烟工况设置环廊挡烟垂壁起到蓄烟作用的原因，可见在 1 5 m 到 2 5 m 之间有近 10 的增幅。相比较不同的级别排烟下，其温度的增幅控制在 4以内，可知级别排烟对烟气向相邻中庭蔓延控制的效果相近。图 9各工况 1#中庭烟气温度分布图图 10各工况 2#中庭烟气温度分布图图 11各工况 3#中庭烟气温度分布图2023 年 02 期 总第 296 期张丙森，肖剑仁，陈健室内商业步行街排烟模式对烟气运动的影响分析127图 10、图 11 所示，是各工况 2#、3#中庭垂直方向烟气温度分布图。从图中可以看到，在二级和三级排烟条件下，烟气向周围中庭的蔓延得到很好的控制。到 3#中庭时，测点处位置的温度变化幅度小，说明烟气影响小。从中庭温度比对上看，级别排烟，对烟气在 2#、3#中庭的控制差别不大。(a)无机械排烟(b)二级排烟(c)三级排烟图 12各工况 X=319 m 中庭温度分布图图12 所示，是各工况 X=319m 中庭温度分布图。由图可知，无机械排烟下，中庭内部整体温度均有所上升，且温度变化区域大;二级排烟下，在中庭和房间机械排烟作用下，1#中庭及相邻2#中庭处有温度变化，但其变化幅度较小;三级排烟下，可见温度变化区域进一步缩小。4结论在一楼热释放速率为 1 5MW 的房间走道火灾条件下，通过 Pyrosim 火灾仿真软件，模拟室内商业步行街级别排烟对烟气运动的影响，得到以下结论:(1)通过对比级别排烟对环廊温度场影响，可知无论是二级排烟，或是三级排烟，均可以满足人员安全疏散逃生所需临界温度。能见度方面，二级排烟模式除火源所在层能见度改善效果较差，其余楼层均可满足临界能见度;三级排烟模式由于增加环廊排烟，非火源楼层能见度受到烟气影响更小，其四层环廊感烟探测器未达到设定阈值，未实现联动。但由于三级排烟下增加环廊排烟口，其环廊处环境温度、风速波动幅度相对较大。(2)通过对比排烟模式对中庭影响，可知排烟模式在控制烟气向其他中庭蔓延方面效果明显。从不同排烟模式上看，三级排烟与二级排烟对中庭环境场的控制效果较为接近，差别很小。(3)通过模拟结果显示:在满足规范规定的排烟量以及设备正常联动的情况下，环廊排烟的设计，对环廊区域人员疏散逃生环境有所改善，有利于人员疏散逃生。此在一定程度上，驳斥了“过余设计的环廊排烟甚至有可能将中庭内部上升的烟气卷吸至环廊区域并对人员疏散逃生造成影响”的观点，但同时后续还应通过现场火灾实体试验，进行进一步验证。参 考 文 献 1 DBJ/T 13 273 2017 福建省室内商业步行街消防安全技术标准 S 2017 2 霍然，胡源，李元洲 建筑火灾安全工程导论M 合肥:中国科学技术大学出版社，2009 3 徐亮，范俊轶 某有顶商业步行街消防安全性能设计 J 中国公共安全(学术版)，2014，4(01):61 64 4GB50016 2014(2018 年 版)建 筑 设 计 防 火 规 范 S 2018 5 GB51251 2017 建筑防排烟系统技术标准 S 2017 6 甘廷霞，夏莹 中庭两种排烟方案的实验对比 J 消防科学与技术，2015，34(09):1155 1158 7 张梅红，陈斯斯，林勋 大型商业综合体室内步行街烟气控制试验J 消防科学与技术 2016，35(12):16831686 8 张梅红，池巧灵，陈立民 室内步行街三级排烟效果试验研究 J 消防科学与技术，2017，36(09):1229 1232 9 王艳，吴超鹏 基于 CFD 方法的室内步行街排烟方案分析 J 合肥工业大学学报:自然科学版，2015，38(09):1291 1296 10 赵志远 室内步行街火灾烟气流动与控制研究D 长沙:中南大学，2014 11 Grattan 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