移動式排煙機(jī)在地下超市火災(zāi)中的排煙效果

楊 華

(濟(jì)南市消防支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

移動式排煙機(jī)在地下超市火災(zāi)中的排煙效果

楊 華

(濟(jì)南市消防支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

以某地下超市為研究對象，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對滅火救援中通常采用的移動式排煙機(jī)對該場所火場排煙的作用進(jìn)行了研究?？紤]火場中機(jī)械排煙系統(tǒng)正常啟動和未啟動兩種情況,分別針對排煙量為36 000和45 000 m3·h-1兩種較常用的移動式排煙機(jī)進(jìn)行了討論，對火場中不同的排煙策略進(jìn)行了分析，并得到相關(guān)結(jié)論，為此類地下超市采用移動式排煙機(jī)進(jìn)行火場排煙時(shí)排煙方式的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

滅火救援；移動式排煙；地下超市；火場排煙

0 引言

地下建筑由于在自然排煙設(shè)施設(shè)置、人員疏散以及滅火救援開展等諸多方面存在困難，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地上建筑。對于地下建筑的火災(zāi)撲救而言火場排煙尤為重要。在火場中，采取正確而及時(shí)的排煙措施，可以有效地排除建筑內(nèi)的煙氣，輔助滅火救援行動的開展，增加被困人員的存活幾率。移動式排煙是地下建筑火災(zāi)時(shí)滅火救援人員進(jìn)入起火部位進(jìn)行滅火戰(zhàn)斗時(shí)常用的排煙手段。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果建筑內(nèi)的固定排煙設(shè)施即建筑內(nèi)機(jī)械排煙系統(tǒng)有效，應(yīng)用移動式排煙機(jī)進(jìn)行火場排煙是對固定排煙設(shè)施的重要輔助和補(bǔ)充。建筑內(nèi)機(jī)械排煙系統(tǒng)因火災(zāi)失效的情況下，移動式排煙機(jī)將承擔(dān)對建筑物內(nèi)火災(zāi)煙氣控制的任務(wù)。本文針對地下超市某一具體場景，結(jié)合當(dāng)前基層消防中隊(duì)移動式排煙機(jī)的配備情況，通過數(shù)值模擬方法對不同機(jī)械排煙系統(tǒng)狀態(tài)下、應(yīng)用不同排煙量的移動式排煙機(jī)、采用不同火場排煙策略時(shí)的排煙效果進(jìn)行分析，為火場移動排煙策略的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

選擇位于地下一層某超市作為研究對象，該超市防火分區(qū)面積2 000 m2，無開設(shè)自然排煙設(shè)施條件，全部采用機(jī)械排煙設(shè)施進(jìn)行排煙。該防火分區(qū)共分為6個(gè)防煙分區(qū)，機(jī)械排煙系統(tǒng)按照該建筑建設(shè)時(shí)適用的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單位排煙量為120 m3·h-1·m-2。該地下超市的機(jī)械排煙口、安全出口設(shè)置位置、防煙分區(qū)劃分及防火分區(qū)如圖1所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

圖1 某地下超市防火分區(qū)及防煙分區(qū)示意圖

通過數(shù)值模擬方法對火場排煙進(jìn)行模擬分析研究，與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相比節(jié)省人力物力，且可以對多種火場排煙策略和方案進(jìn)行模擬對比，是一種開展虛擬訓(xùn)練、為火場移動排煙策略的選擇和滅火救援方案的制定提供參考的既有效又經(jīng)濟(jì)的方法。火災(zāi)數(shù)值模擬程序FDS(Fire Dynamics Simulator)應(yīng)用于模擬火災(zāi)煙氣蔓延的有效性已經(jīng)得到了廣泛、深入的研究和驗(yàn)證[1]。地下超市中火災(zāi)煙氣的蔓延可以通過納維爾·斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)進(jìn)行描述。FDS采用大渦模擬(LES)對控制方程進(jìn)行求解，并且在空間和時(shí)間上具有較好的二階精度[2-3]。動力粘度、熱傳導(dǎo)率和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)是LES中影響模擬結(jié)果質(zhì)量的三個(gè)重要參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)在實(shí)際模擬中無法直接應(yīng)用，Smagorinsky給出了LES中體現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)對控制方程影響的近似表達(dá)式[4]。他們給出的動力粘度μ表達(dá)式為：

式中，CS為Smagorinsky常數(shù)，不同流場的CS取值范圍在0.1～0.25之間。前人的研究表明，對于建筑火場中的火災(zāi)煙氣強(qiáng)浮力羽流，CS取0.18時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果有很好的一致性[5]。

熱傳導(dǎo)率和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與湍流粘度的關(guān)系可以用下式表達(dá)：

式中，Pr和Sc分別為Prandtl數(shù)和Schmidt數(shù)。Prandtl數(shù)和Schmidt數(shù)對于模擬火災(zāi)煙氣蔓延和計(jì)算煙氣層高度有重要作用。根據(jù)前人對于隧道內(nèi)熱浮力驅(qū)動流的研究結(jié)果[6]，當(dāng)Pr和Sc分別取0.2和0.5時(shí)，煙氣層高度的模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。因此，在本文研究中，Pr和Sc分別取0.2和0.5。

LES中的網(wǎng)格尺寸需要足夠小，以便能夠涵蓋更多的與大渦運(yùn)動有關(guān)的湍流尺度[2]。FDS推薦了一個(gè)用來衡量網(wǎng)格尺寸劃分和湍流求解好壞與否的無量綱數(shù)[1]，該無量綱數(shù)由特征火源直徑除以網(wǎng)格尺寸得到，即D*/δx。其中特征火源直徑表示為：

美國核管制委員會開展的驗(yàn)證研究建議，D*/δx值應(yīng)在4～16之間[7]。本研究中網(wǎng)格尺寸為0.25×0.25×0.25，計(jì)算區(qū)域共包括175 000個(gè)網(wǎng)格單元。設(shè)定的火源功率為1.8MW。通過計(jì)算可知D*/δx的值在4～16的范圍內(nèi)。CO濃度是火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)評估的重要參數(shù)，本文應(yīng)用混合物分?jǐn)?shù)燃燒模型對CO濃度進(jìn)行模擬。

2 火災(zāi)場景及火場排煙方案設(shè)置

本文共設(shè)置了8個(gè)火災(zāi)場景及火場排煙方案，設(shè)置1個(gè)火源位置，如表1所示。由于該區(qū)域的可燃物主要是商品，發(fā)生火災(zāi)時(shí)為快速火，火災(zāi)增長速率α取0.046 89kW·s-2。參考《上海市工程建設(shè)規(guī)范——建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ08-88—2006)中給出的各類場所熱釋放速率值，考慮該場景火災(zāi)熱釋放速率按照設(shè)有噴淋的超市設(shè)計(jì)，同時(shí)又考慮到該地下超市的自動噴水滅火系統(tǒng)采用快速響應(yīng)噴頭，因此熱釋放速率設(shè)計(jì)為1.8MW。在該場景中，設(shè)計(jì)火災(zāi)以快速火增長到1.8MW，以后持續(xù)以1.8MW的熱釋放率穩(wěn)定燃燒。根據(jù)基層消防中隊(duì)所配備的移動排煙設(shè)備的實(shí)際情況，其排煙量基本在45 000m3·h-1以下，因此本研究選取了排煙量為36 000和45 000m3·h-1兩種較常用移動式排煙機(jī)展開模擬計(jì)算。對于固定排煙設(shè)施，本文考慮正常啟動和失效兩種狀態(tài)。

表1 火災(zāi)場景及火場排煙方案

針對此類地下超市建筑，滅火救援中通常采用水平排煙方式，較為常用的包括正壓送風(fēng)排煙和負(fù)壓式排煙[8]。在火場排煙實(shí)際應(yīng)用中，利用移動式排煙機(jī)進(jìn)行正壓送風(fēng)使用頻率較高。正壓送風(fēng)可以有效控制地下建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延，同時(shí)也可以為開展內(nèi)攻的消防員尋找起火部位和開展滅火救援提供更高能見度和安全性的滅火救援條件。負(fù)壓式排煙多用于滅火戰(zhàn)斗結(jié)束后清理火場。本文結(jié)合正壓送風(fēng)排煙和負(fù)壓式排煙兩種方法的特點(diǎn)，選擇使用正壓送風(fēng)排煙和負(fù)壓式排煙相結(jié)合的火場排煙方案。由于該地下超市東西方向進(jìn)深較長，南北方向開間較短，本文分別選擇在安全出口A進(jìn)行正壓送風(fēng)、在安全出口B、C負(fù)壓式排煙(方案1)以及在安全出口A進(jìn)行負(fù)壓式排煙、在安全出口B、C正壓送風(fēng)(方案2)兩種火場排煙方案?？紤]到消防滅火救援力量到場時(shí)間以及戰(zhàn)斗展開時(shí)間，移動式排煙機(jī)啟動的時(shí)間保守設(shè)為起火后600s。對于其他火場排煙方案，將在下一步研究中進(jìn)行深入探討。

3 模擬結(jié)果與分析

選取CO濃度和能見度作為分析火場排煙作用的指標(biāo)。BS7974和SFPE針對CO濃度和能見度分別給出了相應(yīng)的安全性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)CO濃度大于500ppm或能見度小于10m時(shí)即為危險(xiǎn)狀態(tài)。研究表明BS7974和SFPE給出的安全性標(biāo)準(zhǔn)適用于界定火場中被困人員和滅火救援人員的安全狀態(tài)[9-10]。下文針對地下一層地面以上2m處的CO濃度和能見度進(jìn)行分析。

3.1 固定式機(jī)械排煙系統(tǒng)啟動

3.1.1 移動排煙量45 000m3·h-1

移動式排煙量設(shè)置為45 000m3·h-1時(shí)，通過模擬對比火災(zāi)場景1和場景2的CO濃度分布和能見度分布可知，火災(zāi)煙氣在火災(zāi)發(fā)生后迅速蔓延，300s時(shí)安全出口B處由于走道狹窄出現(xiàn)CO積聚，濃度超過500ppm，安全出口B處能見度低于10m。在600s時(shí)，安全出口A和B附近均出現(xiàn)較大區(qū)域CO濃度大于500ppm，能見度低于10m。但是由于機(jī)械排煙系統(tǒng)的作用，防火分區(qū)內(nèi)部基本處于安全狀態(tài)。630s時(shí)，兩個(gè)場景中的CO濃度均有所降低，能見度均有所提高。但場景1的排煙效果優(yōu)于場景2的排煙效果。

3.1.2 移動排煙量36 000m3·h-1

移動式排煙量設(shè)置為36 000m3·h-1時(shí)，通過模擬對比火災(zāi)場景3和場景4的CO濃度分布和能見度分布可知，火災(zāi)煙氣在發(fā)展到600s時(shí)的趨勢與場景1和場景2類似，防火分區(qū)內(nèi)部基本處于安全狀態(tài)。630s時(shí)，兩個(gè)場景中的CO濃度均有所降低，能見度均有所提高。由于移動式排煙量比場景1和場景2小，場景3和場景4的火場排煙效果分別與場景1和場景2相比較差。采取方案1的場景3的排煙效果基本滿足火場排煙要求，而采用方案2的場景4的排煙效果不理想。

3.2 固定式機(jī)械排煙系統(tǒng)未啟動

3.2.1 移動排煙量45 000m3·h-1

移動式排煙量設(shè)置為45 000m3·h-1時(shí)，通過模擬對比火災(zāi)場景5和場景6的CO濃度分布和能見度分布可知，由于機(jī)械排煙系統(tǒng)未啟動，火災(zāi)煙氣在封閉空間內(nèi)迅速蔓延，煙氣層迅速沉降。300s時(shí)安全出口A和B處的CO濃度均已經(jīng)超過500ppm，安全出口A和B處均出現(xiàn)能見度低于10m的區(qū)域。600s時(shí)整個(gè)防火分區(qū)CO濃度全部超過500ppm達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，能見度全部達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。630s時(shí)，兩個(gè)場景中的CO濃度均有所降低，但是排煙效果均不理想。采取方案1的場景5中，除了進(jìn)行正壓送風(fēng)的安全出口A與火源之間的區(qū)域可以保障CO濃度低于500ppm、保障較高能見度以外，其他區(qū)域CO濃度均較高、能見度均較低；采取方案2的場景6中，除了局部區(qū)域CO濃度略低于500ppm外，大部分區(qū)域火場排煙效果不明顯。

3.2.2 移動排煙量36 000m3·h-1

移動式排煙量設(shè)置為36 000m3·h-1時(shí)，通過模擬對比火災(zāi)場景7和場景8的CO濃度分布和能見度分布可知，火災(zāi)煙氣在發(fā)展到300s和600s時(shí)發(fā)展趨勢與場景5和場景6情況類似，在600s防火分區(qū)全部處于危險(xiǎn)狀態(tài)。630s時(shí)，采取方案1的場景7移動式排煙機(jī)可以保障進(jìn)行正壓送風(fēng)的安全出口A附近CO濃度低于500ppm、能見度高于10m，而采用方案2的場景8的排煙效果不佳。

4 結(jié)論

從模擬結(jié)果來看，當(dāng)固定式機(jī)械排煙系統(tǒng)正常開啟時(shí)，在600s的時(shí)間范圍內(nèi)，機(jī)械排煙系統(tǒng)可以保障防火分區(qū)絕大部分面積處于安全狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械排煙系統(tǒng)不能正常啟動時(shí)，防火分區(qū)內(nèi)部分區(qū)域在300s時(shí)已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，600s時(shí)防火分區(qū)全部處于危險(xiǎn)狀態(tài)。說明固定式機(jī)械排煙系統(tǒng)的正常啟動對于火災(zāi)煙氣控制至關(guān)重要。相關(guān)消防安全責(zé)任主體單位和消防設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)單位應(yīng)按相關(guān)規(guī)范制定詳盡的消防設(shè)施管理和維護(hù)保養(yǎng)措施，進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，確保固定消防設(shè)施正常工作。消防戰(zhàn)訓(xùn)部門應(yīng)強(qiáng)化“防消聯(lián)勤”工作模式，強(qiáng)化消防戰(zhàn)訓(xùn)部門對轄區(qū)單位內(nèi)部固定消防設(shè)施情況的熟悉工作。

機(jī)械排煙系統(tǒng)正常啟動情況下，移動式排煙量為45 000m3·h-1時(shí)，采取排煙方案1和方案2均能有效排煙；移動式排煙量為36 000m3·h-1時(shí)，采取排煙方案1時(shí)火場排煙效果可以滿足火場排煙要求，采用方案2排煙效果不佳。機(jī)械排煙系統(tǒng)不能正常啟動時(shí)，移動式排煙量為45 000m3·h-1時(shí)，采取火場排煙方案1可以保障安全出口A與火源之間區(qū)域處于安全狀態(tài)，采取方案2時(shí)排煙效果不佳；移動式排煙量為36 000m3·h-1時(shí)，采取火場排煙方案1可以保障安全出口A附近處于安全狀態(tài)，采用方案2排煙效果不佳。從模擬計(jì)算結(jié)果來看，無論采取何種火場排煙方案及移動式排煙量，當(dāng)時(shí)間達(dá)到900s時(shí)所達(dá)到的排煙效果基本趨近一致，但對于時(shí)間十分寶貴的滅火救援行動而言，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到排煙效果從而為滅火戰(zhàn)斗和被困人員救援提供有力保障，無疑是十分重要的。因此，當(dāng)該地下超市起火位置如本文設(shè)定的位置時(shí)，火場排煙方案1明顯優(yōu)于方案2。此類地下超市開展火場排煙時(shí)，應(yīng)盡量使正壓送風(fēng)和負(fù)壓排煙風(fēng)機(jī)設(shè)置于有利于使火場在進(jìn)深方向形成縱向通風(fēng)的位置，且應(yīng)使負(fù)壓排煙量大于或等于正壓送風(fēng)量。

由于火場排煙效果與火源位置、固定式機(jī)械排煙系統(tǒng)排煙口位置、防火分區(qū)平面和防煙分區(qū)劃分等多種因素有關(guān)。針對以上因素對于此類地下超市火場排煙作用的影響，還有待進(jìn)一步研究。本文中基于FDS數(shù)值模擬的研究結(jié)果可為此類地下超市火場采用移動式排煙機(jī)開展排煙時(shí)排煙方式的選擇和滅火救援方案的制定提供參考。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Study on Smoke Extraction Functions of Mobile Smoke Ventilator in the Underground Supermarket Fire

YANG Hua

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250100,China)

Based on the numerical simulation method, the study on smoke extraction functions of mobile smoke ventilator which is common-used in the firefighting of the underground supermarket fire was conducted. Two common types of exhaust volume were discussed, namely 36 000 and 45 000 m3·h-1. The different fire ventilation strategies in a specific fire scenario were analyzed. The effect of mechanical smoke extraction system was considered. The results are applicable to the selection of smoke extraction method of mobile smoke ventilator and formulation of firefighting and rescue plan in such kind of underground supermarket fire.

firefighting and rescue; mobile smoke ventilator; underground supermarket; fire smoke extraction

2015-07-16

楊華(1986— )，男，山東泰安人，工程師，工學(xué)博士。

TU892

A

1008-2077(2015)10-0017-04