火災時地下窗井自然排煙模擬與分析

□□ 李 娜,孫 鵬 (太原理工大學建筑設計研究院有限公司,山西 太原 030024)

引言

建筑防火的基本目標是采取必要的技術方法、建筑火災預防措施、減少建筑火災危害、保護人員生命和財產安全。建筑物內可燃物數量多且種類雜,火災時會產生大量的有毒氣體和高溫煙氣;煙氣中的CO、CO2和HCl等有害成分對人體危害大,煙氣的遮光性會降低室內能見度,不利于人員疏散和滅火救援。建筑防排煙系統采用自然或機械的方式阻止或排出室內煙氣,保證建筑內部人員能及時疏散到安全區域;地下建筑多利用高溫煙氣產生的浮力,通過外墻上的高窗和窗井等自然排煙設施排至室外。

1 標準相關要求

根據GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[1]中3.1.3和4.1.1條規定可知,無論是多層建筑還是高層建筑,均提倡優先采用自然防排煙設施,在自然防排煙設施不能使用或不能達到設計要求時,才考慮設置機械防排煙設施。該標準的3.2和4.3節中,對自然通風設施和自然排煙設施的面積和位置做了明確規定,而對于地下建筑采用自然防排煙方式時,可開啟外窗如何與室外有效連通,保證良好的通風條件尤為重要。地下建筑外墻上設置外窗時,常規做法有高窗、窗井或下沉式廣場。

在地下建筑外墻上設置高窗時室內外高差應>0.9 m,減去防水臺和梁高,高窗的高度僅為0.2 m;若保證有效面積為2 m2,長度則需10 m,這在工程中實現有一定的難度,且大部分建筑的室內外高差僅為0.3～0.5 m,不能設置高窗。GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)[2]中6.4.12條規定,作為防火分隔的下沉式廣場開口最近邊緣之間的水平距離應≮13 m,其足夠寬度的室外空間可以有效防止煙氣聚集和蔓延。因高窗對室內外高差有要求,下沉式廣場對邊凈距要求較大,工程中難以滿足,因而在建筑設計中常用的做法是設置窗井。2021年9月1日實施的上海市DG/J08-88—2021《建筑防煙排煙系統設計標準》[3]中3.2.6條規定:“除本標準另有規定外,采用自然通風防煙方式的地下室疏散樓梯間或前室應貼鄰下沉式廣場或對邊凈距≥6 m×6 m的無蓋采光井設置”。

窗井是地下室外墻的側窗以擋土墻圍砌成的井形采光口,與室外連通起通風作用。山西省DBJT04-35—2012《12系列建筑標準設計圖集 12J2地下工程防水》[4]中C13的窗井做法剖面圖,明確窗井凈寬度應>1 m。工程中設計人員僅注重外窗面積滿足規范要求,而對窗井凈寬因無標準依據,未給予足夠重視,特別是地下多層建筑利用同一個窗井自然通風或自然排煙時,每層之間是否會相互干擾、窗井截面積是否需要疊加及窗井的凈寬等問題即是下文研究的重點。

2 火災數值模擬

窗井作為地下室自然防排煙設施的配套措施,標準中并沒有具體規定其做法和其他限定條件;常用窗井的凈寬要求>1 m,工程中因地形條件和平面布局等原因部分窗井的凈寬僅為0.6 m?，F將通過數值模擬計算,分析煙氣在窗井內蔓延擴散的過程,找到窗井凈寬對煙氣擴散影響的規律,為設計人員提供參考。Pyrosim是基于場模擬的火災煙氣流動模擬分析專用軟件,其數值模擬結果可由圖形軟件Smoke view展示三維動畫、二維云圖和矢量圖。

以采用自然通風的地下樓梯間為例,樓梯間層高為3 m,每層設置一個窗戶,可開啟外窗面積為2 m2,窗寬為2 m,窗高為1 m,窗臺距地1 m,外側窗井長度為3 m;連通走道處火源的熱釋放速率為1.5 MW,計算區域網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m,在窗井中心縱向設置溫度和速度二維矢量切片。數值模擬中假設自然排煙和進風處于穩態條件下,模擬計算涉及參數在整個排煙過程是穩定不變的;不考慮室外風壓作用、縫隙滲入和滲出的空氣和煙氣。

2.1 樓梯間在地下一層時模擬分析

當樓梯間在地下一層時,火災產生的高溫煙氣通過樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,煙氣通過樓梯間的外窗經窗井排至室外。窗井凈寬尺寸設置為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m,火災煙氣蔓延速度分布如圖1所示(w為窗井凈寬)。由圖1可以發現,窗井凈寬為1.0 m和1.5 m時,窗井內滿布煙氣,煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,無室外新鮮空氣進入窗井,達不到自然通風效果;窗井凈寬為2.0 m時,靠樓梯間外墻側煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側煙氣向上蔓延速度僅為0.5 m·s-1,窗井底部有少量低溫煙氣,底部形成渦流,因無室外新鮮空氣補充,通風效果不好;窗井凈寬為2.5 m時,靠樓梯間外墻側2 m之內煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側0.5 m之內有少量室外新鮮空氣進入窗井,具備通風條件;窗井凈寬為3.0 m時,靠樓梯間外墻側2 m之內煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側1.0 m之內室外新鮮空氣進入窗井,通風條件良好。

圖1 窗井內煙氣速度分布矢量云圖

2.2 樓梯間在地下二層時模擬分析

當火源位置位于地下二層時,火災產生的高溫煙氣通過樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用順樓梯梯段向上蔓延,一部分煙氣通過樓梯間地下一、二層的外窗經窗井排至室外。當樓梯間為地下一層時,窗井凈寬在2.0 m之內時井內充滿煙氣,因而當樓梯間在地下二層進行數值模擬時,窗井凈寬尺寸設置為3.0 m、4.0 m、5.0 m和6.0 m,火災煙氣溫度和蔓延速度分布如圖2所示。由圖2可以發現,窗井凈寬為3.0 m時,窗井內滿布煙氣,煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,無室外新鮮空氣進入窗井,達不到自然通風效果;窗井凈寬為4.0 m時,靠樓梯間外墻側3.5 m之內煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側0.5 m之內有少量室外新鮮空氣進入窗井,與地下二層底部煙氣混合成低溫煙氣易形成渦流,具備通風條件,但通風效果不好;窗井凈寬為5.0 m和6.0 m時,靠樓梯間外墻側3.5 m之內煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側1.5～2.0 m之內有大量室外新鮮空氣進入窗井,通風條件良好。

圖2 窗井內煙氣速度分布矢量云圖

2.3 樓梯間在地下三層時模擬分析

當火源位置位于地下三層時,火災產生的高溫煙氣通過樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用沿樓梯梯段向上蔓延,一部分煙氣通過樓梯間地下一、二和三層的外窗經窗井排至室外。當樓梯間在地下二層時,窗井凈寬在3.0 m之內時井內充滿煙氣,因而當樓梯間在地下三層進行數值模擬時,窗井凈寬尺寸設置為4.0 m、5.0 m和6.0 m,火災煙氣溫度和蔓延速度分布如圖3所示。由圖3可以發現,窗井凈寬為4.0 m和5.0 m時,窗井內滿布煙氣,無室外新鮮空氣進入窗井,靠樓梯間外墻側3.5 m之內向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側0.5～1.5 m之內低溫空氣回流,形成渦流,無自然通風條件;窗井凈寬為6.0 m時,靠樓梯間外墻側3.5 m之內煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側2.5 m之內一部分低溫煙氣與少量室外空氣混合向下回流,窗井底部煙氣濃度相對低,高溫煙氣在窗井內不能很好擴散,不利于自然通風。

圖3 窗井內煙氣速度分布矢量云圖

通過樓梯間的數值模擬分析綜合比較可知,樓梯間在地下一層時,窗井凈寬≥2.5 m時,自然通風效果良好;樓梯間在地下二層時,窗井凈寬≥5.0 m時,自然通風效果良好;樓梯間在地下三層時,窗井凈寬為6.0 m時,自然通風效果不能滿足要求,建議采用機械加壓送風系統。

3 模擬結果與分析

當地下建筑為多層時,火災煙氣在樓梯間的蔓延過程如圖4所示。當火源位置位于為地下建筑的底層時,火災產生的高溫煙氣通過樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用沿樓梯梯段呈螺旋方式上升,一部分煙氣通過樓梯間窗井排至室外,如圖4(a)所示。

圖4 樓梯間火災煙氣蔓延示意圖

火災排出的煙氣溫度很高且煙氣中含有大量未燃燼的可燃氣體,排至室外后會繼續燃燒;高溫煙氣周圍補充新鮮空氣的條件不同,靠近外墻面的火焰內側,空氣得不到有效補充,形成負壓區,高溫煙氣的卷吸作用撲向外墻壁面形成貼壁現象[5]。因窗井內無遮擋,高溫煙氣在窗井內的蔓延速度比樓梯間快,從地下三層上升至地下二層和地下一層時,因高溫煙氣的卷席和貼壁作用,會有少量煙氣會經地下二層和三層的外窗蔓延至樓梯間內,對人員安全疏散造成威脅,如圖4(b)和(c)所示。

火災時地下多層建筑的疏散樓梯間采用自然通風方式時,可開啟外窗均打開,樓梯間內豎向連通,若窗井進深尺寸不夠大時,窗井內的煙氣會有二次卷吸進入樓梯間的危險[6]。結合樓梯間的數值模擬分析和上海市DG/TJ08-88—2021《建筑防煙排煙系統設計標準》中3.2.6條規定,地下建筑采用自然防排煙系統時,若其為地下一層窗井,建議凈寬≥2.5 m;若其為地下二層窗井,建議凈寬≥5.0 m;若地下建筑大于兩層時,宜采用機械防排煙系統。

工程中窗井的大小應結合建筑功能布局、基底面積、地面綠化和地下防水等綜合考慮,若窗井進深≥2.5 m,不僅占地面積大、節能和排水設施會比較復雜,且因窗井深度影響水、暖和電等設備管線的平面布置位置和標高。

4 結論

結合地下建筑采用自然防排煙系統與窗井結合使用時的影響因素和相關標準要求,利用Pyrosim軟件將火災煙氣模擬與地下窗井自然排煙進行數值耦合分析,提出建議為:窗井在地下一層時凈寬應≥2.5 m;窗井在地下二層時凈寬應≥5.0 m;地下建筑大于兩層時應采用機械防排煙系統;但不同類型的地下建筑,火災煙氣蔓延與建筑類別、平面布局、火源位置、可開啟外窗位置及數量緊密相關,地下窗井的凈寬應在滿足標準要求的基礎上結合工程情況,綜合分析建筑的火災危險性,以合理設置窗井。