階梯長度對階梯式剖面中庭火災煙氣的影響研究

毛開宗 戰乃巖 苗 盼 蔡宗佑

（吉林建筑大學應急科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

公共建筑中的中庭一般都是寬闊高大的空間，一方面可以作為人群的集散地，另一方面可以營造景觀，聚集人流，增加建筑的吸引力，是建筑設計中常用的空間結構。但是其本身與其他空間的相通性，使得中庭容易成為煙氣的集散地，影響建筑的消防安全。

近十年，國內外學者對中庭火災的煙氣運動和煙氣控制進行了大量研究。Doheim等[1]對比了三種不同底面形狀的中庭煙氣參數的差異。Król等[2]進一步分析了矩形中庭自然排煙的影響因素及各因素間的相互作用。楊暉等[3]研究了不同補風形式對中庭煙氣發展的影響，得出側送風要好于下送風。張耀偉等[4]研究指出，補風口位置稍高于火源時有利于煙氣的排出。黃斌等[5]通過全尺寸實驗驗證了高大中庭內自然排煙的有效性。對于瘦高類中庭，吳立志等[6]通過研究煙氣羽流的運動特點，指出排煙口的分設排列更有利于排煙。王莉等[7]研究了軸對稱型煙羽流和陽臺溢出型煙羽流在中庭內的變化規律。范傳剛等[8]開展了一系列的全尺寸實驗，研究了不同排煙方式對中庭煙氣蔓延和溫度分布的影響。

以往的中庭煙氣研究大都以等截面的矩形剖面中庭為對象。當前，橫截面逐漸增加的階梯式剖面中庭也常見于公共建筑中，這種中庭可以提高底部空間的利用率，增強采光的同時改善采光均勻性。但是從煙氣發展的角度來看，橫截面的變化直接影響煙氣的徑向擴散，進而影響煙氣的分布和中庭排煙效果。針對這類階梯式剖面中庭，本文通過Pyrosim火災模擬軟件建立不同階梯長度下的一系列火災模型，通過碳黑質量分數和溫度分布分析煙氣的運動特征，用質量流量和熱量流量對比中庭的排煙排熱效果。

1 模型建立和工況設置

1.1 設定火災模型

火災仿真模型如圖1所示，階梯式剖面中庭建筑尺寸為50m×10m×20m，層高4m，共計五層。中庭設置在建筑左側，階梯長度d=0m時，中庭是10m×10m×20m的等截面體，階梯長度d>0m 時，中庭橫截面向上呈階梯狀增加。中庭側墻的頂部設置2個2m×2m的排風口，底部設置1個1m×2m的進風口。初始環境默認溫度為20℃，模型的網格尺寸選為0.25m，左側的網格邊界是開放的，以滿足排煙送風的需求，模擬時長600s。

圖1 仿真模型結構示意圖

1.2 工況設置

為了研究階梯長度對中庭煙氣運動的影響，根據階梯長度d的大小，在小于樓層高度兩倍的范圍內，即在8m內以步進為1m設定9種火災場景，d=0m時是矩形剖面中庭。同時分別在縱向高度2m、6m、10m、14m和18m處設置熱電偶，探測溫度的變化。

2 階梯長度對中庭煙氣的影響

2.1 階梯長度對煙氣運動的影響

通常情況下，火源產生的煙氣在沒有阻擋時，煙羽流以軸對稱型上升至中庭頂部，在天花板下形成頂棚射流，撞擊到側墻的煙氣會沿著墻壁向下蔓延，階梯長度增加后，同一時刻下的煙氣層高度略有上升，但是中庭煙氣的體積明顯增大，因而煙氣的總生成量是逐漸增加的。而且煙氣層穩定后的高度基本一致。

不同階梯長度下煙氣運動的差異見圖2，從圖2（a）、（b）可以看出，矩形剖面中庭內的煙氣會侵入相鄰的各個樓層。階梯式剖面中庭的階梯長度較短時，仍有大量煙氣侵入樓層。從圖2（c）可以看出，階梯長度增加至一定程度，侵入樓層的煙氣減少，煙氣向上蔓延，同時卷吸空氣，生成大量煙氣，形成龐大的煙羽流。這是因為隨著橫截面的增大，煙氣在階梯處翻滾的空間增大，卷吸的空氣增多，煙氣生成量增大。

圖2 不同階梯長度下煙氣運動的差異

需要注意的是，煙氣在蔓延后，動量不斷損失，速率不斷下降。隨著階梯長度的增加，煙氣的動量損失會逐漸增多，煙氣速率下降得更快，這會減弱煙氣卷吸空氣的能力，一定程度上減小煙氣生成量。如圖2（d）所示，煙氣翻滾后與頂部的熱煙氣層之間存在較大的無煙區或少煙區，說明煙氣無法卷吸這些空氣。

2.2 階梯長度對煙氣溫度的影響

圖3為矩形剖面中庭的煙氣溫度隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，測點1的溫度48s開始上升，測點5的溫度92s開始上升，而且其溫度遠高于測點5，說明煙氣滯留在測點1所在的中庭底部。這主要是由于進風口加速了煙氣向樓層的蔓延，樓板對煙羽流有阻隔作用。一方面，樓板一定程度上阻擋了煙氣的上升，使得頂部的煙氣溫升減??；另一方面，樓板的阻隔將煙氣滯留在樓板下方，使得底部的煙氣溫升增大。

圖3 d=0m下中庭頂部和底部的煙氣溫度

階梯長度2m時，階梯式剖面中庭頂部和底部的煙氣溫度如圖4所示。從圖4可以看出，煙氣先到達中庭頂部，頂部的溫度高于底部的溫度。這是因為在熱壓作用下，熱煙氣上升，因而測點高度越高，測量所得的溫度越高。說明d=2m時，樓板對煙羽流的阻隔減弱了很多，大部分煙氣都能向上蔓延至中庭頂部，在天花板下形成熱煙氣層。

圖4 d=2m下中庭頂部和底部的煙氣溫度

階梯長度分別為4m和8m時的中庭縱向上的煙氣溫度分布見圖5、圖6，兩種火災場景下均是較高處的測點溫度先上升，說明煙氣沒有滯留在中庭底部，可以向上蔓延到中庭頂部。隨著大量煙氣集中在中庭頂部，煙氣逐漸積累，煙氣層開始下降，上方的高溫煙氣和下方的冷空氣進行熱交換和熱對流，整體的溫度分布與高度呈正相關。這個長度范圍下，煙羽流發展的受限微乎其微，階梯長度對煙氣運動和煙氣溫度的影響更直接。對比圖5、圖6，d=8m時煙氣層抵達較高測點的時間也更短。這說明過長的階梯長度會導致火災前期煙氣的發展更快，不利于起火后高樓層人員的疏散。

圖5 d=4m下中庭不同高度的煙氣溫度

圖6 d=8m下中庭不同高度的煙氣溫度

圖7為階梯長度較短的三種火災場景下中庭煙氣的平均溫度分布。對比3種工況，可以發現中庭底部的煙氣溫度基本相同，都在41℃左右。而隨著階梯長度的增加，中庭頂部煙氣的溫度則逐漸升高，其他各個高度的煙氣溫度也有上升。這說明，d在0～2m內，階梯長度和中庭煙氣溫度呈正相關。

圖7 d=0m、1m、2m下的煙氣溫度分布

圖8為階梯長度較長的四種火災場景下中庭煙氣的平均溫度分布。隨著階梯長度的增加，中庭縱向各高度的煙氣溫度逐漸降低。這說明，d在3～8m內，階梯長度和中庭煙氣溫度呈負相關。而且根據計算，階梯長度為3m，4m，6m，8m下中庭頂部和底部煙氣的溫差分別為1.38℃，3.53℃，5.15℃，6.01℃，表明階梯長度越長，中庭內的煙氣溫差越大。這能更好地利用中庭的煙囪效應，增強排風口的排煙效率。但是超過4m后，階梯長度增加所導致的溫差有所減弱?？梢灶A見的是，階梯長度達到一定尺寸后，繼續增加尺寸對排煙效率的影響減弱。

圖8 d=3m、4m、6m、8m下的煙氣溫度分布

綜上所述，階梯長度從0增加至1m、2m、3m，中庭煙氣溫度會逐漸上升，此時繼續增加階梯長度，中庭煙氣溫度會逐漸下降，即階梯長度3m時中庭煙氣溫度最高。

通過對煙氣遷移過程的觀察，煙氣溫度的變化主要受卷吸空氣影響。由于送風口持續不斷的送風，煙氣蔓延過程中卷吸的空氣量越大，煙氣的發展越快，導致煙氣溫度的升高。階梯長度從0開始增加時，煙氣徑向蔓延的空間擴大，煙氣能卷入的空氣量變大，階梯長度達到一定尺寸后，繼續增加階梯長度，煙氣的速率由于下降過多，沒有足夠的動量卷吸空氣。因而存在一個臨界值，在3m左右，階梯長度位于臨界值時，煙氣蔓延過程中卷吸的空氣量達到最大值，此時中庭煙氣溫度也達到最高值。由圖7、圖8可以發現，隨著階梯長度逼近臨界值3m，不僅煙氣溫度會逼近最高值，煙氣的溫差也會越來越小，這一定程度上降低了排煙效率。

為了驗證該結果，圖9對比了各個階梯長度下中庭側墻排風口的排煙效果。從圖9（a）可以看出，質量流量隨著階梯長度的增加而減小，直到達到3m。然后隨著階梯長度的增加而增大，盡管階梯長度從5m增加至6m以及從7m增加至8m時，質量流量略有下降，但是數值仍然高于階梯長度為3m時的數值。也就是說，階梯長度設置為3m時，中庭排風口的質量流量最小，排煙效果最差。由于模型中建筑的層高為4m，此時階梯長度與樓層高度比值為0.75。

圖9 各階梯長度下排風口的排煙效果

圖9（b）的曲線則與圖3（a）的相反，對比兩圖可以發現質量流量增大的同時熱量流量反而減小，階梯長度達到3m時，排熱量最大，和煙氣溫度的變化一致。這說明在排熱的影響因素中，煙氣溫度的占比更大?；蛘哒f，階梯長度對煙氣溫度的影響較大，對排煙效果的影響較小。但就結果而言，階梯長度與樓層高度比值達到0.75時，中庭煙氣溫度最高，中庭排煙效果最差。因此從消防安全性能出發，在建筑設計初期就應該避免這個臨界值。

3 結束語

本文利用pyrosim軟件建立火災模型，模擬階梯式剖面中庭建筑中在不同階梯長度下中庭的煙氣蔓延，通過碳黑質量分數和煙氣的溫度分布分析煙氣的運動特征，用質量流量和熱量流量對比中庭的排煙排熱效果。模擬結果表明，階梯長度對煙氣運動路徑、煙氣溫度和中庭排煙量影響較大。階梯較短時，侵入樓層的煙氣較多；階梯較長時，煙氣在階梯處發生翻滾并卷吸大量空氣，中庭的煙氣增多；階梯長度過長時，煙氣翻滾時卷吸空氣的能力減弱，中庭的煙氣減少。階梯長度達到3m時，中庭的排煙量最小，中庭煙氣的溫度達到最高值，此時樓層高度4m，二者間的比值為0.75。