基于流體網(wǎng)絡的防火原理及防煙方案研究

基于流體網(wǎng)絡的防火原理及防煙方案研究

1總結(jié)1.1“網(wǎng)絡法”的5種典型工況由于當前gb50045-95號《民用建筑設計防火規(guī)范》（2005年版）（以下簡稱“高級規(guī)”）第8章的一些條款與第6章的安全配置條款中的預防樓樓梯之間的直接外提供商的安全出口明確矛盾，因此計算壓力風量的數(shù)學模型和相應的對策和措施失去了應用的價值。為此,筆者提出了“當量流通面積流量分配法”和“流體網(wǎng)絡分析法”兩種方法。根據(jù)兩種方法的適用范圍,筆者分別選擇了有代表性的范例進行了數(shù)值計算?！罢摀?jù)鏈”就是由“當量法”的10種工況,“網(wǎng)絡法”的5種工況(見另文)計算得到的數(shù)據(jù)集組成的。由于只涉及《高規(guī)》第8.3節(jié)機械防煙部分,故稱其為“狹義的論據(jù)鏈”。由于優(yōu)化防煙方案涉及《高規(guī)》第8.1.1條關于防煙設施的分類,包括了自然排煙防煙設施,因此,本文的內(nèi)容也應擴展到自然排煙防煙,這就是“廣義的論據(jù)鏈”。受篇幅所限,對此僅作簡單的概括性的說明。1)關于防煙樓梯間自然排煙防煙設施,《高規(guī)》第8.1.1條條文說明中指出,必須確保防煙樓梯間無煙,而在《高規(guī)》正文中將自然排煙防煙設施與機械加壓送風防煙設施并列,條文說明中則建議優(yōu)先采用自然排煙防煙。意即允許防煙樓梯間進煙,然后讓其“自行”排出,制造了人、煙“共處”的矛盾。2)文獻的研究表明,防煙樓梯間自然排煙防煙“50m和100m”的極限高度或安全界線是不存在的。3)自然排煙防煙設施的功能不是在火災時保證外窗開啟面積就能實現(xiàn)的,真正防煙功能的實現(xiàn)取決于兩個環(huán)節(jié),一是可控環(huán)節(jié)——操之在人,指的是自然排煙防煙外窗面積的大小和火災時能及時開啟(問責有主)。二是不可控環(huán)節(jié)——操之在“天”,指的是風力、風向、熱壓以及火災發(fā)生時空的隨機性等(問責無門)。4)將自然排煙防煙與機械加壓送風防煙兩類設施并列和優(yōu)先,是放大了可控環(huán)節(jié)、低估了自然力量的作用,違背了客觀實際。連并列條件都沒有,更無優(yōu)先的資格。因此,本文在“廣義論據(jù)鏈”的基礎上進行討論,在結(jié)論中只推薦機械加壓送風防煙設施,不再提及自然排煙防煙設施。1.2心氣流量的特性在規(guī)范中使用流速法、壓差法計算加壓送風量時還有以下問題:1)流速法是受同時開啟門數(shù)量n制約的,且國內(nèi)外對此的爭議并未結(jié)束,就在規(guī)范中引用,且擴展了使用范圍,是不夠慎重的。2)即使n層防火門M1,M2同時開啟,并不等于就有n路氣流能流動,因為只有通過M2流向防煙樓梯間有底層防火門MW底和頂層防火門MW頂?shù)臍饬魇峭〞车?而通過M1流向內(nèi)走道的氣流是否通暢受許多條件制約。如果內(nèi)走道設有自然排煙外窗,火災時,一般只開啟著火層外窗,但因開窗面積一般小于防火門M1的面積,這只能說著火層內(nèi)走道的氣流是通的,但并不能說通暢(只有流速能達到流速法計算式中的v時才能叫通暢),當火災時自然排煙外窗處于迎風面,氣流就流不出去。特別是走道長度≤20m、規(guī)范允許不設排煙設施時,氣流流到內(nèi)走道就會發(fā)生阻塞,送風量(風速)就不可能抵御煙氣的入侵。防煙系統(tǒng)也就會失效。因此n路氣流實際上是找不到的。3)計算模型中背壓系數(shù)的依據(jù)不足。兩種新的方法計算模型都能描述氣流的真實流動狀況,如氣流的分配,各路氣流的流量;能計算有效加壓送風量與無效加壓送風量的大小和比例,正壓間背壓的大小;能分析潛在的危險性及部位,提示應采取的措施。這就是提出新法取代舊法的依據(jù)。1.3本文的目的和任務筆者構(gòu)筑的“論據(jù)鏈”是根據(jù)兩種方法在各自不同工況下的數(shù)學模型算得的數(shù)值,并可據(jù)此提出防煙方案的評價標準,目的在于提出優(yōu)化防煙方案。2在不同的情境下，數(shù)學模型的典型示例2.1加壓創(chuàng)建內(nèi)走道影響防煙方案優(yōu)劣的因素歸納起來主要有以下幾項。1)內(nèi)走道有、無自然排煙外窗及外窗的開、關狀態(tài);2)加壓送風部位;3)前室或合用前室加壓送風口開啟方式;4)加壓送風形式:單室(點)加壓送風(《高規(guī)》表8.3.2-1、表8.3.2-3、表8.3.2-4)或多室(點)加壓送風(《高規(guī)》表8.3.2-2);5)防火門的規(guī)格,包括防火門M1,M2,MW底,MW頂開啟時及關閉時的面積;6)與內(nèi)走道相連的房間數(shù)量及其門縫、外窗縫隙面積;7)內(nèi)走道機械排煙系統(tǒng)的設置。以上各種條件的組合成為工況劃分的原則。2.2模型建立與模型構(gòu)建選擇《高規(guī)》表8.3.2-1、表8.3.2-4對前室加壓兩個防煙方案作為典型范例1,2,根據(jù)不同條件,按氣流流動特性劃分為10種工況,根據(jù)本文的目的與任務,建立每種工況各并聯(lián)氣流通路當量流通面積Adi、空氣流量Ldi、加壓送風量有效利用率e及正壓間背壓p4個子項的模型,組成計算模型群。2.3樣本條件、假設和氣流流動的設計因條件、假設及圖形均與文獻中內(nèi)容相同,故不在此重復。2.4開啟退火層及其外窗表1中N為系統(tǒng)負擔的樓層數(shù),n為同時開啟門數(shù)量;“開啟n層內(nèi)走道外窗”表示同時開啟的外窗層數(shù)與同時開啟門的數(shù)量匹配,n=2表示開啟著火層及其上一層外窗;n=3表示開啟著火層及其上、下層外窗。Z表示內(nèi)走道空間,W表示室外無限空間,Azck表示內(nèi)走道外窗開啟面積,p表示正壓間背壓,A表示防火門的面積,F表示防煙樓梯間自然排煙外窗面積,下標m表示防火門,k表示開啟,g表示關閉,z表示走道,zck表示自然排煙外窗,L表示樓梯間;底表示底層,頂表示頂層,火表示著火層,非表示非著火層,Q表示前室。續(xù)表續(xù)表續(xù)表3防火門規(guī)格計算除了表1中的10種基本工況及每種工況的4個子項的計算數(shù)學模型外,筆者還對其中7種工況按3種防火門規(guī)格(除Am1k=Am2k=3.2m2外)增加了Am1k=Am2k=2.0m2和1.6m2兩種,總計24種工況,進行了相應的數(shù)值計算,構(gòu)成了計算數(shù)值集,其結(jié)果匯總于表2。4“討論鏈”的分析4.1數(shù)據(jù)分析4.1.1開啟內(nèi)走道后,加壓研磨量和加壓風1)從范例1的工況1的數(shù)據(jù)中看出,防煙樓梯間加壓前室不送風會出現(xiàn)以下情況:①加壓送風量的有效利用率很低,最高18.61%,最低11.03%,81.39%～88.97%的加壓送風量是無效的,其中從防煙樓梯間白白跑掉了79.29%～76.92%的送風量,這是由于防煙樓梯間有直接對外的疏散外門所致。因此,向這個部位加壓是不可取的。②對同一個工況,防火門面積越小,損失的風量越小,這是與經(jīng)濟性相關的數(shù)據(jù),說明減小風機型號節(jié)能的潛力是很大的。③對于同一個工況,背壓隨防火門面積的減小而減小。2)比較工況1,2,Am1k=3.2m2時,只開啟著火層內(nèi)走道外窗的工況2,比開啟內(nèi)走道n層自然排煙外窗工況1的總風量下降,由原來的20.3055m3/s下降到18.0772m3/s,加壓送風量有效利用率由原來的11.03%提高到12.39%,Am1k越小越明顯;當Am1k相同時,背壓基本相同。3)對于工況3,當內(nèi)走道無自然排煙外窗時,內(nèi)走道上的房間外窗縫隙面積太小,產(chǎn)生的“瓶頸效應”使防煙系統(tǒng)失效(這是因為抵御煙氣入侵的風量無法通過,必須采取補救措施),這與Am1k的大小無關。4)對于工況4,內(nèi)走道設機械排煙系統(tǒng),使內(nèi)走道壓力pZ≤0,其目的一是打通氣流通路上的“瓶頸”,二是增大著火層從M1通向內(nèi)走道的當量流通面積Ad1(滿足并聯(lián)通路的定義)。工況2與工況4相比(按Am1k均為3.2m2計)加壓送風量由18.0772m3/s下降到8.6540m3/s;加壓送風量有效利用率由12.39%提高到25.88%;背壓由8.4984Pa下降到1.3917Pa。5)工況4與工況5相比,二者都是內(nèi)走道設機械排煙系統(tǒng),工況5將加壓送風部位從防煙樓梯間移至前室。在防火門規(guī)格相同的條件下,加壓送風量減小,正壓間背壓降低,加壓送風量有效利用率提高。6)當防火門面積Am1k=3.2m2時,工況5與工況1相比,風量由20.3055m3/s下降到4.2484m3/s,背壓由8.4584Pa下降到0.6958Pa,加壓送風量有效利用率由11.03%上升到52.73%。在相同防火門規(guī)格條件下工況5是范例1的5個工況中防火性能最好的。代表范例1的優(yōu)化方向。4.1.2結(jié)果21)范例2與范例1相比,雖然防煙樓梯間都有直通室外的門(面積6.4m2),但范例2工況6的防煙樓梯間還有6.0m2的自然排煙外窗。由于加壓部位是前室,正壓間的氣流從防煙樓梯間流至室外要經(jīng)過M2→防煙樓梯間再經(jīng)并聯(lián)的門洞與窗洞(6.4m2+6.0m2=12.4m2),兩級串聯(lián)后才能到達室外,其當量流通面積A={(1/Am2k2)+[1/(6.4+6.0)2]}-1/2=[(1/3.22)+(1/12.42)]-1/2=3.0985m2。而范例1的工況1,正壓間防煙樓梯間的氣流從防煙樓梯間到達室外,只經(jīng)過MW底+MW頂,其當量流通面積A=6.4m2,范例2的工況6的A只有3.0985m2,范例1工況1的A為6.4m2,相差一倍多。2)工況7與工況6,火災時只開啟著火層前室風口與開啟n層風口相比,以Am1k=3.2m2為例,風量由15.5640m3/s下降到9.4876m3/s,有效利用率由14.39%上升到23.61%,背壓基本不變。說明加壓部位由防煙樓梯間移到前室后效果好得多。3)工況8內(nèi)走道無自然排煙外窗,由于通過著火層M1的氣流不通暢(產(chǎn)生瓶頸效應)而使防煙系統(tǒng)失效,必須采取補救措施。4)工況9和10都是在內(nèi)走道設機械排煙系統(tǒng),不僅LZ,e,p都得到改善,也避免了瓶頸效應的產(chǎn)生。工況10是取消樓梯間的自然排煙外窗使FCZ=0,這時的LZ,e,p是范例2工況6～9中效果最好的。比較范例1的工況5與范例2的工況10,可以看出已演變?yōu)橥粋€方案,說明條件再變最終都是會變成內(nèi)走道設機械排煙系統(tǒng),只向前室或合用前室加壓送風的方式。4.1.3防煙樓梯間部位加壓對《高規(guī)》表8.3.2-2分別加壓防煙方案分析的結(jié)論,簡要概括有以下三點。1)與《高規(guī)》表8.3.2-1一樣,向防煙樓梯間這個部位加壓是不妥當?shù)?。只能向合用前室加壓?)《高規(guī)》表8.3.2-2分別加壓的做法,筆者在文獻中證明其可靠性不及單獨加壓。本文用數(shù)據(jù)分析表明,5個工況中按最小門洞處風速0.7m/s要求判定,3/5達不到要求,加壓送風量有效利用率5個工況中最高只有15.857%。4.2關于預防吸煙的假設的幾個問題1面對《條例》中關于預防吸煙的章節(jié)之間的矛盾嚴格執(zhí)行《高規(guī)》第6章安全疏散的條文規(guī)定,并采用新的計算方法和相應的對策措施。22區(qū)分假設、理想、設計和管理的矛盾盡可能減少同時開啟防火門層數(shù)n的制約。3強化內(nèi)涵潛在的作用只開啟著火層前室或合用前室的加壓送風口即可。全開風口,不僅激活了n的動態(tài)特性,同時還強化了n不完整的內(nèi)涵潛在的作用。同時開啟n層風口,會把n的動態(tài)看作靜態(tài),步入著火層及其上、下層與n重合的誤區(qū)。4避免將高效層的氣流通道產(chǎn)生的“瓶頸效應”對防煙系統(tǒng)造成的影響在內(nèi)走道設置機械排煙系統(tǒng)不僅是最有效的對策措施,也是防煙、排煙系統(tǒng)聯(lián)合運行的一種戰(zhàn)略。5結(jié)論5.1確定優(yōu)化方案加壓送風防煙方案與許多復雜的工程條件有關,有些條件不是連續(xù)性的,有的條件有,有的條件沒有,有的條件參數(shù)是階躍式的,因此,優(yōu)化方案不可能用一個計算公式來描述。但可以通過對矩陣式數(shù)值匯總表的分析,綜合出判定標準,確定為以下三項:1)總加壓送風量LZ;2)加壓送風量有效利用率e;3)正壓間背壓p。e越大越好,LZ與p越小越好,且三者是相互關聯(lián)的。因為這三項標準都是在保證抵御著火層煙氣入侵即可靠性的前提下求得的。三項標準的結(jié)合,體現(xiàn)了方案的安全可靠性和經(jīng)濟合理性。5.2內(nèi)走道黃布置時火災時只開啟退火層前室或愈合前室1)加壓送風部位。防煙樓梯間及其前室或合用前室和消防電梯獨用前室,只需在前室或合用前室設置加壓送風系統(tǒng),在內(nèi)走道設置機械排煙系統(tǒng)。2)前室或合用前室設常閉型加壓