教研樓火災(zāi)逃生疏散最優(yōu)通風(fēng)方式數(shù)值試驗(yàn)研究
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姚曉雨，李鐵
（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京10008）
摘要：高校教研樓潛在火災(zāi)源與高密度人流共存，火災(zāi)逃生疏散是保障災(zāi)后人身安全的重要環(huán)節(jié)。為探索火災(zāi)逃生疏散最優(yōu)逃生條件，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT，數(shù)值分析防火分隔導(dǎo)致多種通風(fēng)方式的起火分區(qū)溫度、煙氣場(chǎng)分布規(guī)律，研究火場(chǎng)逃生疏散的最優(yōu)通風(fēng)方式。結(jié)果表明，火災(zāi)初期開(kāi)啟防火分隔設(shè)施更有利于人員逃生疏散；關(guān)閉防火分隔設(shè)施條件下，防排煙系統(tǒng)開(kāi)啟略優(yōu)于關(guān)閉；研究背景條件下，開(kāi)啟防火分隔為逃生疏散最優(yōu)方案；火災(zāi)后關(guān)閉防火分隔設(shè)施可以控制火災(zāi)蔓延，降低財(cái)產(chǎn)損失，但應(yīng)在確保人員安全疏散后進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：火災(zāi)；逃生疏散；防火分隔；通風(fēng)方式；FLUENT
0 引言
高校教研樓集實(shí)驗(yàn)、研究和教學(xué)為一體，潛在火災(zāi)源與高密度人流共處多層多室建筑物內(nèi)�；馂�(zāi)發(fā)生后，科學(xué)阻斷火場(chǎng)空間、采取有效通風(fēng)和人群疏散，對(duì)安全工作至關(guān)重要。對(duì)此，應(yīng)以正確認(rèn)識(shí)起火區(qū)域溫度場(chǎng)和煙氣場(chǎng)擴(kuò)散規(guī)律為基礎(chǔ)。相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)可見(jiàn)，趙軼運(yùn)用FLUENT對(duì)不同火災(zāi)強(qiáng)度及通風(fēng)情況下地鐵火災(zāi)煙氣開(kāi)展數(shù)值模擬，并證實(shí)在卷簾門全部開(kāi)啟情況下，以60 m3/S送風(fēng)可達(dá)到人員安全疏散；譚斌構(gòu)造混合湍流模型，模擬火場(chǎng)煙氣濃度和溫度，證實(shí)混合湍流模式在火災(zāi)模擬中的實(shí)用性；黃瀚鋒運(yùn)用FDS對(duì)中庭教學(xué)樓火災(zāi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行模擬認(rèn)為自然排煙口狀態(tài)和人員疏散方式二者共同影響人員疏散，且在自然排煙口關(guān)閉時(shí)，中庭起火最危險(xiǎn)。張勇運(yùn)用FDS模擬熱釋放速率為6 MW的火源點(diǎn)分別在教學(xué)樓的一樓、中間層和頂樓時(shí)，200、300、400 s后對(duì)人員安全夠成威脅。科技文獻(xiàn)檢索顯示，關(guān)于高校教研樓火災(zāi)方面的研究較少，大部分學(xué)者關(guān)于火場(chǎng)的數(shù)值模擬較為廣泛采用軟件FDS，且未涉及防火分隔阻斷火災(zāi)蔓延后，起火分區(qū)的流場(chǎng)特征。本文將研究對(duì)象聚焦于高校教研樓，使用流體軟件FLUENT，數(shù)值分析防火分隔導(dǎo)致多種通風(fēng)方式的起火分區(qū)溫度、煙氣場(chǎng)分布規(guī)律，研究火場(chǎng)逃生疏散的最優(yōu)通風(fēng)方式，為火場(chǎng)逃生疏散提供技術(shù)支持。
1 研究背景
本文以北京某高校教研樓8層為研究對(duì)象，該教研樓為“L”形，鋼筋混凝土鋼架結(jié)構(gòu)，教研樓平面如圖1所示，中部為兩部電梯，1、2、3為防煙樓梯間，4、5為防煙前室，6為配電室（強(qiáng)電），7為防火卷簾，8、9為排煙口，10為正壓送風(fēng)口。每樓層尺寸50 mx43 mx3.3 m。
教研樓潛在火災(zāi)源復(fù)雜，本研究取危險(xiǎn)性最高的配電室火災(zāi)源，即假設(shè)8層發(fā)生配電室火災(zāi)，分3種情況討論火災(zāi)溫度、煙氣在該層走廊內(nèi)的分布規(guī)律：①火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火門防火卷簾保持平時(shí)的開(kāi)啟狀態(tài)，即4、5防煙前室的兩道防火門和7防火卷簾均處于開(kāi)啟狀態(tài)；②火災(zāi)發(fā)生后，防火門、防火卷簾均關(guān)閉，有防排煙系統(tǒng)作用；③火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火門、防火卷簾均關(guān)閉，無(wú)防排煙系統(tǒng)作用。
2 基于FLUENT的不同通風(fēng)方式對(duì)起火分區(qū)溫度及煙氣的數(shù)值模擬
2.1 相關(guān)參數(shù)選擇及簡(jiǎn)化
由于火災(zāi)起因及發(fā)展過(guò)程的復(fù)雜性，為利于模擬分析，對(duì)火災(zāi)模型相關(guān)參數(shù)的選擇及簡(jiǎn)化如下。
2.1.1 火源選擇及簡(jiǎn)化
本文選擇走廊中部配電室（強(qiáng)電）作為起火點(diǎn)，是因?yàn)樵撆潆娛姨幱谧呃戎胁浚瑢?duì)整個(gè)區(qū)域有影響，且配電室火災(zāi)呈爆炸型，危害較大。將配電室火源簡(jiǎn)化為高溫?zé)煔猓鏌煔饬鲃?dòng)中的能量交換。
2.1.2 煙氣濃度求解的簡(jiǎn)化
火災(zāi)過(guò)程中，煙氣對(duì)人體的危害不容忽視，但煙氣成分復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)火災(zāi)過(guò)程只發(fā)生完全燃燒，燃燒產(chǎn)物C02。
2.1.3模擬時(shí)間選擇
本文監(jiān)測(cè)走廊內(nèi)溫度及煙氣的時(shí)間點(diǎn)設(shè)定為教研樓8層人員疏散所需時(shí)間246s。
2.2模型選擇
本文選擇教研樓8層為研究對(duì)象，屬3D空間；求解與時(shí)間有關(guān)，非穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)間點(diǎn)為246 s；問(wèn)題對(duì)求解精度要求不高，選擇一階隱式求解；湍流模型取應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)控制方程；輻射模型取適用于大空間氣體輻射的Rosseland輻射模型；選取輸運(yùn)方程，且組分僅有空氣和CO2，不考慮流動(dòng)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。
2.3邊界條件設(shè)置
1)速度入口
速度入口有兩類，分別是高溫空氣和冷空氣入口，前者為配電室爆炸型火災(zāi)導(dǎo)致高溫空氣沖向走廊，設(shè)置800 K，3m／s；后者為自然通風(fēng)作用，設(shè)置300 K，0.2m/s。
2)壁面邊界
由于教研樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則有關(guān)壁面參數(shù)設(shè)置如表1。
3)壓力出口
出口邊界設(shè)置為壓力出口，適用于有回流現(xiàn)象的情況，參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。
4)防排煙系統(tǒng)
由該教研樓暖通相關(guān)施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)知，主要的送排風(fēng)設(shè)備數(shù)據(jù)如表2。排煙口面積630 m×800 mm，求得排風(fēng)速度4.2 m/s。送風(fēng)口面積500 m×850 mm，求得送風(fēng)速度1.3 m/s。
2.4 危險(xiǎn)的判定依據(jù)
為有利于分析，如圖2將走廊劃分A~E共5個(gè)區(qū)域。其中C、D的分界點(diǎn)為805、807兩房門中點(diǎn)(x=26.8 m)。依據(jù)如下溫度、CO2濃度準(zhǔn)則，判定各區(qū)域安全情況。
2.4.1 溫度準(zhǔn)則
人體對(duì)高溫?zé)煔獾娜淌軙r(shí)間取決于煙氣溫度，溫度越高，人體的可承受時(shí)間越短。取人眼特征高度1.5 m，當(dāng)此高度橫截面上的煙氣溫度達(dá)180 cC(453 K)時(shí)，即對(duì)人體構(gòu)成威脅。
2.4.2 CO2濃度準(zhǔn)則
火災(zāi)煙氣中，CO2濃度約為CO和SO：的10倍，當(dāng)CO2的濃度占到4.5%時(shí)即達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，相應(yīng)的煙氣為5.5%。
3模擬結(jié)果及分析
3.1 防火分隔設(shè)施未關(guān)閉
在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火門、防火卷簾未關(guān)閉，且保持平時(shí)的開(kāi)啟狀態(tài)。本文取該地區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向中的北風(fēng)作為模擬風(fēng)向，模擬結(jié)果分析如下。
走廊溫度分布如圖3，最高575 K，最低298 K。A、E兩區(qū)溫度幾乎不受影響，維持在298 K左右；B區(qū)由于自然通風(fēng)作用，溫度在320一500 K；C區(qū)靠近火源，平均溫度高于其他區(qū)域，在380—560 K；D區(qū)溫度分布較均勻，在340—400 K。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)锽、C兩區(qū)域，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊溫度分布比例如圖5，其中，危險(xiǎn)區(qū)域(T>453 K)占4%。
走廊CO2濃度分布如圖4所示，最高0.08，最低1. 91e。A、E區(qū)CO2濃度幾乎不受影響，維持在0. 000 4以下。B區(qū)由于自然通風(fēng)作用，CO2濃度在0. 012~0.056；C區(qū)靠近火源，CO2平均濃度高于其他區(qū)域，為0. 012~0.08；D區(qū)CO2濃度分布較均勻，在0.012左右。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)锽、C兩區(qū)域，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊CO2濃度分布比例如圖6，其中，危險(xiǎn)區(qū)域（CO2濃度>0.045）占2.4%。
3.2 防火分隔設(shè)施關(guān)閉
在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火門、防火卷簾均關(guān)閉。分情況分析走廊溫度及CO2濃度分布：①無(wú)排煙，即走廊處于封閉狀態(tài)，不開(kāi)啟任何防排煙系統(tǒng)。②開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)，即為達(dá)到排煙通風(fēng)的目的，開(kāi)啟10送風(fēng)口和8、9排煙口，模擬結(jié)果分析如下。
3.2.1 無(wú)排煙
走廊溫度如圖7，最高633 K，最低298 K。除E區(qū)溫度幾乎不受影響外，其他區(qū)域均受配電室火災(zāi)影響，C區(qū)平均溫度最高，在420~ 633 K；A區(qū)溫度在320—460K；D區(qū)溫度在320~ 400 K。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)锳、C兩區(qū)域，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊溫度分布比例如圖9，其中，危險(xiǎn)區(qū)域( T>453 K)占26. 1%。
走廊CO2濃度分布如圖8，最高0.08，最低1.99e -10。D、E兩區(qū)CO2濃度在0.012以下，A區(qū)CO2濃度為0. 012~0.052；C區(qū)CO2濃度為0.012~0.08。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)锳、C兩區(qū)域，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊CO2濃度分布比例如圖10，其中，安全區(qū)域(CO2濃度>0. 045)占10%。
3.2.2 開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)
走廊溫度如圖11，最高645 K，最低298 K。除E區(qū)溫度不受影響外，其他區(qū)域均受配電室火災(zāi)影響，C區(qū)平均溫度最高，為420~ 645 K；A區(qū)溫度在320—500 K；D區(qū)溫度在320—420 K。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)锳、C兩區(qū)域，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊溫度分布比例如圖13，其中，危險(xiǎn)區(qū)域（T>453 K）占24.4 %。
走廊CO2濃度分布如圖12所示，最高0.08，最低5. Se -7。A區(qū)CO2濃度0.004—0.044；C區(qū)CO2濃度為0. 004~0.08；D區(qū)CO2濃度為0.004~0.012；E區(qū)CO2濃度在0.004以下。危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)镃區(qū)，人員疏散最好選1、3樓梯間。走廊CO2濃度分布比例如圖14，其中，危險(xiǎn)區(qū)域（CO2濃度>0.045）占9.3%。
4 通風(fēng)情況對(duì)起火分區(qū)的影響
本文通過(guò)FLUENT數(shù)值模擬，依據(jù)溫度、CO2濃度準(zhǔn)則，判定A~C五個(gè)區(qū)域是否危險(xiǎn)，得出火災(zāi)發(fā)生246s后，不同通風(fēng)情況下危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ缺?，并通過(guò)分析危險(xiǎn)區(qū)域比例，對(duì)比不同通風(fēng)情況的優(yōu)劣。
由表可知，防火分隔設(shè)施未關(guān)閉的起火分區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域比例小于防火分隔設(shè)施關(guān)閉。且在防火分隔設(shè)施關(guān)閉情況下，開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)的起火分區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域比例小于未開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)。即有，從溫度分布的危險(xiǎn)區(qū)域比例考慮，不同通風(fēng)對(duì)起火分區(qū)的影響排序：防火分隔設(shè)施未關(guān)閉優(yōu)于關(guān)閉；防火分隔設(shè)施關(guān)閉情況下，開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)優(yōu)于未開(kāi)啟。同理，從CO2濃度分布的安全區(qū)域比例考慮，不同通風(fēng)對(duì)起火分區(qū)的影響排序：防火分隔設(shè)施未關(guān)閉優(yōu)于關(guān)閉；防火分隔設(shè)施關(guān)閉情況下，開(kāi)啟防排煙系統(tǒng)優(yōu)于未開(kāi)啟。
5結(jié)論
1)火災(zāi)初期，開(kāi)啟防火分隔設(shè)施，有利于人員疏散；關(guān)閉防火分隔設(shè)施，可控制火災(zāi)蔓延，但不利于人員疏散。后者情況下，防排煙系統(tǒng)開(kāi)啟優(yōu)于關(guān)閉。
2)該教研樓若8樓配電室（強(qiáng)電）起火，最優(yōu)方案為開(kāi)啟防火卷簾及防火門，待該區(qū)域人員全部疏散后，才可關(guān)閉。其中，人員疏散應(yīng)選l、3樓梯間。
3)從不同防火分隔條件分析人手，通過(guò)分析通風(fēng)方式導(dǎo)致的分區(qū)危險(xiǎn)程度，優(yōu)選逃生疏散方案，該途徑可行。
4)本文選取高校教研樓為研究對(duì)象，對(duì)相似功能和條件的場(chǎng)所具有一定的普適性。
