大空間建筑內火災的分區控制研究

孫 燕，黃 弘，李發強，于德勇，郝承明

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.清華大學 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)數控刀具有限公司，四川 成都 610207)

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大空間建筑內火災的分區控制研究

孫 燕1，黃 弘2，李發強3，于德勇1，郝承明1

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.清華大學 工程物理系，北京 100084；3.森泰英格(成都)數控刀具有限公司，四川 成都 610207)

為了研究大空間建筑內火災的分區控制，將空間劃分為不同危險程度的區域，提出了用人均換氣率L-PFR(P)因子作為劃分區域的指標并經過計算確定了具體的指標值。通過與傳統的火災危險性評價指標的比較,證明了用L-PFR(P)作為劃分不同危險程度區域指標的合理性。然后對比分析了不同排煙策略下大空間建筑內的煙氣情況和人員疏散情況，得到了既能保證排煙效率又能盡量減少由于機械排煙投入造成能源消耗的排煙策略，實現了大空間建筑內火災的分區控制。

大空間建筑；火災；分區控制；人均換氣率；評價指標

大空間建筑內發生火災時，離火源距離不同的區域煙氣層的溫度、高度及有毒氣體的濃度均不相同，且隨著火災的發展會不斷變化；發生火災后不同區域內人員的數量會隨疏散過程而變化。因此，火災對室內人員的危害程度隨區域不同而不同，同一區域又隨時間不同而不同。大空間建筑內火災的分區控制就是在不同危險程度的區域內用不同的煙氣控制策略，在保證煙氣對人員產生危害盡可能小的同時節約部分由于運行不必要排煙設備造成的能源消耗。

筆者將火災發生時的大空間建筑劃分為不同危險程度的區域，確定了劃分區域的指標值，利用火災區域模擬程序和人員疏散程序計算分析不同排煙策略下大空間建筑內的煙氣和人員疏散情況，得到了既能保證排煙效率又能盡量少地投入機械排煙的排煙策略，實現了火災的分區控制。

1 計算方法及火災場景設計

1.1 計算方法介紹

對火災的模擬采用火災區域模擬程序CFAST(consolidated model of fire and smoke transport)，將整個建筑空間劃分為若干個子區域，再在每一個子區域內采用雙層區域模擬的方法來預測上部煙氣層和下部冷空氣層的溫度、煙氣層界面高度及氣體的濃度隨時間的變化。

對人員疏散過程的模擬采用基于元胞自動機模型的、專門用于研究建筑物在一般情況及如火災等緊急情況下行人疏散問題的STEPS(simulation of transient evacuation and pedestrian movements)程序。在模擬過程中，每個人員都具有根據自身和周圍環境的判斷分析而采取相應措施的能力[1]。

1.2 火災場景設計

某大空間建筑長54.6 m，寬29.4 m，高2.667 m，內設13個獨立的房間，其余為走廊。房間的頂棚、墻壁和地板材料均為石膏板?，F場共有310人?，F場示意圖如圖1所示。

將走廊劃分為16個子區域，每個房間為獨立的子區域，共29個子區域?；鹪次挥诘?9區，主要成分為纖維素(C6H10O5)，總質量為4 500 kg?；鹪丛鲩L按近似t2發展。采用中速火[2]，具體參數如表1所示。

整個建筑共設有6個門，每個小房間頂部設有一個豎直開口的窗戶，火災模擬過程中，所有的門和窗戶均處于完全開啟狀態。設有5個豎直開口的機械排煙口為O1～O5，分別位于第29區、第20區、第21區、第19區、第22區，其中O1～O2的排煙面積為1.0 m2，氣流量為3 m3/s，O3～O5的排煙面積為0.5 m2，氣流量為2 m3/s。初始時所有的機械排煙口均處于關閉狀態。

圖1 火災模擬現場示意圖

燃燒熱/kJ/kg汽化熱/kJ/kg汽化溫度/℃火焰輻射系數火焰高/m最大釋熱率/kW上升時間/s穩定燃燒時間/s燃燒產物質量比CO/CO2C/CO21500016301200.31105401583000.100.01

假設火災0 s時刻發生，探測到火災需60 s，報警需6 s，人員反應需30 s，第97 s人員才開始從各小房間往各出口疏散。

1.3 傳統火災危險性評價指標

火災對室內人員產生嚴重危害的條件有3個[3]：①當煙氣層界面高于人眼特征高度時，上部煙氣層溫度超過180℃；②當煙氣層界面低于人眼特征高度時，煙氣層溫度超過110℃；③當煙氣層界面低于人眼特征高度時，CO濃度達到2.5%。采用3個條件中最先達到的條件為判斷依據。人眼特征高度通常為1.2～1.8 m，筆者取1.6 m。

2 確定分區指標值

2.1 確定分區

根據火災對人員的危害程度，將火災發生時大空間建筑內的區域劃分為危險區、過渡區和安全區3個區。危險區靠近火源，煙氣溫度、濃度都很高且人員數量較多，產生的危害很大，需要在火災發生后立即進行機械排煙；過渡區的煙氣溫度、濃度都不是很高，人員數量較少，但后續煙氣會蔓延到該區，或即將有大量人員疏散到該區，需要在火災發生后根據煙氣情況、人員疏散情況適時進行機械排煙；安全區煙氣溫度、濃度都較低，疏散過程中人員也較少，對人員產生的危害較小，因此整個過程都不需要排煙。

2.2 確定分區指標

評價火災產生的危害離不開對室內人員的考慮。文獻[4]～文獻[8]提出了多種通風換氣因子來衡量通風設備的效率，只有EF因子考慮了室內人員隨時間變化的影響，但EF因子沒有單位，沒有明確的物理意義，只有在某個基準下才有意義?；诖?，文獻[9]提出了評價排煙效率的新因子：人均換氣率L-PFR(P)(m3/(s·人))，通過計算分析表明了利用該因子評價排煙效率的合理可行性。因此筆者用L-PFR(P)因子作為火災分區控制中劃分區域的指標，即L-PFR(P)小的區域屬于危險區，L-PFR(P)大的區域屬于安全區，L-PFR(P)介于這兩者之間的區域屬于過渡區。根據文獻[9]得到：

(1)

式中：L-PFR(P)i(t)表示第i區t時刻的人均換氣率；L-PFRi(t)表示第i區t時刻的通風效率；ni(t)表示第i區t時刻的人數；Qp,i(t)表示第i區t時刻有毒氣體產生率；Cdomain,i(t)表示第i區t時刻有毒氣體的平均濃度。

由式(1)可知，L-PFR(P)i(t)(i=1,2,…,29)與有毒氣體濃度Cdomain,i(t)成反比，因此與第i區的體積大小成正比。將L-PFRi(t)與第i區的體積Vi求商，得到換氣回數AEREP(air exchange rate of each person)這個因子。對于體積不同的各個區域，AEREP的指標值一致。

2.3 確定分區指標值

《室內空氣質量國家標準》規定，一般民用住宅新風量標準為30 m3/(h·人)[10]，即所需的換氣速率為0.008 333 3 m3/(s·人)。此值是人正常呼吸產生CO2的速率為4.166 67×10-6m3/(s·人)時的值。在筆者模擬的火災中，根據火源參數計算得到CO2的最大產生速率為0.484 5 m3/s，而火源發生區第29區正常情況下有15人，相當于CO2產生率為0.032 298 323 m3/(s·人)，為人正常呼出CO2速率的7 751.6倍，即64.596 m3/(s·人)，由于人的正常呼吸所需要的新風量遠遠小于該值，因此可以忽略。因此在29區內過渡區到安全區的L-PFR(P)值為64.596 m3/(s·人)，AEREP值為0.739次/(s·人)。

以AEREP值0.739次/(s·人)為標準，得到距離火源比較近的幾個子區域從過渡區到安全區的L-PFR(P)標準值,如表2所示。

表2 過渡區到安全區的L-PFR(P)標準值

一般在工程上，危險區與安全區的指標差一個數量級，據此初步得到各個子區域從危險區到過渡區的L-PFR(P)標準值如表3所示。

表3 危險區到過渡區的L-PFR(P)標準值

由于計算中采用了火源的CO2最大產生率且整個空間內CO2的產生率均采用第29區的值，因此各區的L-PFR(P)指標值偏安全。表2和表3是以CO2為污染物時得到的指標值。經計算，以CO為污染物得到的L-PFR(P)值隨時間的變化與以CO2為污染物得到的結果幾乎完全一致，因此后續可以直接用表2和表3中的數據作為劃分區域的L-PFR(P)指標值。

3 計算及結果分析

經計算，人員在160 s時全部疏散完畢，因此筆者設定模擬的時間為160 s。筆者重點研究了距離火源比較近的8個區的情況，共分析了5種不同的排煙策略V1～V5，不同排煙策略下啟用機械排煙口的時刻如表4所示。根據傳統的火災危險性評價指標得到不同排煙策略下各區進入危險狀態的時刻如表5所示，各區內人員所受的嚴重危害時長及危險程度劃分如表6所示。

表4 排煙策略設置及啟用時刻表 s

表5 進入危險狀態的時刻 s

注：“—”表示模擬過程中未進入危險狀態

表6 人員受嚴重危害時長及危險程度劃分 s

注：“0”為安全區，其余部分為危險區

計算得到不同排煙策略下各區的最小L-PFR(P)值及根據L-PFR(P)指標得到的火災對人員產生的危險程度分區，如表7所示。

通過對比表6和表7得到，由傳統的火災危險性評價指標得到的分區只有危險區和安全區，而沒有過渡區；而由L-PFR(P)指標得到的分區有過渡區。原因是傳統的火災危險性評價指標是“非好即壞”的指標，達到危害指標就是危險區，否則就是安全區；而L-PFR(P)因子考慮了人員的因素，表征的是某個區內的人均換氣量，人均換氣量有一定范圍，在該范圍之內人員會受到一定危害，但不至于危及生命，在該范圍以下，危害程度相當嚴重，而在該范圍以上，幾乎沒有危害，該范圍就是過渡區的范圍。由此可知，用人均換氣率L-PFR(P)因子作為不同危險程度區域的劃分指標更為合理。

表7 各區在不同排煙策略下的最小L-PFR(P)值及據此得到的危險程度分區 m3/(s·人)

注： 分為危險區； 分為過渡區；分為安全區

在傳統的火災危險性評價指標沒達到時，如果室內人員較多，則人均換氣量較小，當該人均換氣量在過渡區的人均換氣量范圍以下時，人員就會因換氣量不足而受到嚴重危害，即屬于危險區；當該人均換氣量在過渡區的人均換氣量范圍之內時，就屬于過渡區，這就是表6中的部分安全區在表7中屬于危險區或者過渡區的原因。如果傳統的火災危險性評價指標已經達到，但此時室內人員較少，人均換氣量較大，當該值在過渡區的人均換氣量范圍以內時，就屬于過渡區，這就是表6中的部分危險區在表7中屬于過渡區的原因。

通過對比V1～V4排煙策略可知，開啟機械排煙能有效縮小危險區的范圍，除了離火源很近的區之外，其他的區均屬于過渡區或安全區；機械排煙的適當提早投入能有效降低人員在疏散過程中所受到的危害程度。

通過對比V4～V5排煙策略可知，在適當提早投入離火源較近區的機械排煙的條件下，撤出離火源較遠區的機械排煙也能得到滿意的排煙效果，盡管V5排煙策略下22區、4區和19區都由安全區進入了過渡區，但當這些區進入危險狀態時，區內人員已經疏散完畢，不會對人員造成嚴重危害。

綜合考慮， V5為更優的排煙策略，能夠在保證排煙效率使火災對人員產生的危害程度盡量低的同時，盡量少投入機械排煙口的數量和開啟時間，減少不必要的能源消耗。這就是火災的分區控制，按照各區的煙氣情況合理投入機械排煙。

4 結論

(1)大空間建筑內發生火災時，根據火災對人員的危害程度將空間劃分為危險區、過渡區和安全區，提出用人均換氣率L-PFR(P)因子作為這3個區的劃分指標，且通過計算確立了L-PFR(P)的分區指標值。

(2)分別用傳統的火災危險性評價指標和人均換氣率L-PFR(P)因子作為指標，計算得到火災不同危險程度區域的劃分情況，對比分析了兩者之間的差異及其產生的原因，得出用人均換氣率L-PFR(P)因子作為劃分指標更為合理的結論。

(3)研究了火災時不同排煙策略下大空間建筑內危險區、過渡區和安全區的劃分情況，得到了既能保證排煙效率使火災對人員產生的危害程度盡量低、又能盡量少地投入機械排煙數量和時間的排煙策略，實現了大空間建筑內火災的分區控制。

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SUN Yan:Engineer; Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China.

Research on Zoning Control of Fire in Large Space Building

SUNYan,HUANGHong,LIFaqiang,YUDeyong,HAOChengming

In order to study the zoning control of fire in large space building, different danger grade zones are divided and L-PFR(P)scale is proposed to act as the index to divide the zones. Compared with the traditional fire risk evaluation index, it is proved that L-PFR (P) is used as the regional rationale for different risk degree.Then, the paper analyzes the flue gas situation and personnel evacuation situation of the large space building under different smoke strategies, and obtains the smoke exhausting strategy which can guarantee the efficiency of the smoke exhaustion and minimize the energy consumption caused by the mechanical smoke extraction. It implements the partition control of the fire in the large space building.

large building; fire; zoning control; L-PFR(P); evaluation index

2095-3852(2017)02-0144-04

A

2016-10-27.

孫燕(1987-)，女，陜西榆林人，中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室工程師,主要研究方向為公共安全、核動裝置設計.

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.005