某地下商场机械排烟量优化模拟研究

张　熙

（中国人民武装警察部队学院研究生三队，河北　廊坊）

摘要：地下商场可燃物种类繁多且易于燃烧，起火后会产生大量高温有害烟气。一旦其内部机械排烟系统故障，无法启动，生成的烟气将无法及时排出，严重影响人员安全与火场救援。本文利用FDS火灾模拟软件研究了某地下商场机械排烟量对其内部排烟效果的影响，最终对该地下商场机械排烟量设置进行优化，为地下商场排烟系统设计提供一定的指导。

关键词：消防；地下商场；机械排烟；排烟量

1　引言

随着城市化水平的不断提高，城市空间拥挤、交通阻塞、环境恶化、资源匮乏等问题也愈演愈烈。为了缓解城市土地紧缺问题，疏散地面群众、改善交通状况，许多城市均在繁华地段，建造地下大型商场。然而，在解决商业发展与用地矛盾的同时，给消防安全带来了众多挑战。由于地下商场特殊的建筑结构，导致其相对于地上建筑有较大的火灾危险性，主要表现在可燃物多，起火点隐蔽，火势蔓延快，烟雾浓，能见度低，人员疏散困难。因此，火灾发生后，采用机械排烟系统改善火场环境是十分必要的。

本文选定某地下商场防火分区为研究对象，通过FDS火灾模拟软件建立模型，分析研究了某地下商场机械排烟量对其内部排烟效果的影响，为地下商场排烟系统设计提供一定的技术指导。

2　地下商场烟气危险性

尽管地下商场有效解决了社会发展和用地矛盾的问题，但是与此同时也给消防安全带来了严重的挑战。

2004年12月6日，沈阳一地下商场中服务人员在工作中使用蜡烛不慎，致使点燃的蜡烛引燃布帘发生火灾。火灾导致人员伤亡，并造成巨大的经济损失。

2006年1月21日，包头市地下商场发生火灾，原因为电路绝缘损坏，经过长期通电后发生短路引燃顶棚可燃物。最终，火灾过火面积达到1000m2，200多家店铺烧毁，经济损失高达80多万元。

由上述火灾案例可知，由于地下商场自身特殊的建筑构造，导致其相对地上建筑具有独特的烟气危险性，主要表现在以下几方面。

（1）烟雾浓，难以排出。地下商场结构相对封闭，与外界连通的门窗洞口较少，扩散渠道有限。烟气产生后，无法及时有效的排出至室外，从而导致大量烟气聚集在地下有限的空间内。

（2）烟气温度高，易加剧燃烧。火灾中烟气温度取决于可燃物燃烧释放出的热量。地下商场内可燃物种类多、数量大、火灾荷载高。因此，一旦其内部的可燃物被引燃，会释放出大量热量，导致生成的烟气温度较高，易加剧燃烧。

（3）起火点隐蔽，阴燃面积大。地下商场内货架数量多，可燃物大多位于货架上，且容易被生成的烟雾笼罩，因此起火点难以被消防人员发现，为灭火救援带来一定的困难。

（4）生成大量有害产物，易造成人员伤亡。地下商场中可燃物种类多，储存有大量棉、毛、塑料类物质。这些可燃物被引燃后，若不能充分燃烧，会生成大量不完全燃烧产物和有害物质，从而造成人员伤亡。

3　某地下商场防火分区模型建立及火灾场景设置

3.1　某地下商场防火分区概况及排烟系统介绍

根据在某地下商场调研得到的设计资料及图纸，选取该地下商场火灾危险性较大的售卖衣服，鞋袜的防火分区为研究对象。该防火分区长32.4m，宽42.4m，高6m，总面积为1230.96m2。共设有机械排烟口7个，排烟口尺寸为1m×1m，补风口2个，补风口尺寸为1m×1m。4个直通室外的防烟楼梯间，防烟楼梯间疏散门的尺寸为1.6m×2m。

该地下商场防火分区内设有机械排烟系统，空调送风兼补风系统，补风量不小于排烟量的50%。排烟量按照消防性能化设计，为规范要求排烟量的1.5倍，均为55500m3/h。排烟风机采用离心风机或排烟轴流风机，能够保证在280℃下连续工作30min。机械排烟中，当任一排烟口或排烟阀开启时，排烟风机能自行启动，同时联动相应的送风机开始动作，开始排烟。排烟温度到达280℃时，排烟防火阀熔断，联动排烟机停止工作，同时补风停止。

3.2　某地下商场防火分区物理模型的建立及测点设置

依据上述设计资料，本文模拟建立一个60m×60m×10m的计算区域。其中，建立的防火分区尺寸为32.5m× 38.5m× 6m，墙壁及天花板的厚度为0.5m。直通室外楼梯间的疏散门尺寸为2m×2m。模型左上方和右上方布置了衣服模型，模型下方布置了两排共14个放置鞋袜的货架模型。具体物理模型如图1所示。

为了比较不同工况下的烟气控制效果，需要监测建筑内温度、能见度，烟气层高度和CO浓度等参数。本模拟中，在防火分区内的疏散通道上沿着建筑X轴方向，每隔4m在距地面1.8m处设置测点监测温度、能见度和CO浓度的变化，同时，设置测量烟气层高度的测点；在距地面1.8m处设置温度，能见度和CO切片检测整个防火防区的温度，能见度和CO的变化趋势。测点位置具体如图2蓝色圆圈所示，从左至右依次为测点1～测点8。见图2。

3.3　火源热释放速率的选取及网格划分

为反映真实的火灾场景，需要设置合适的火灾规模。热释放速率依据上海市《民用建筑防排烟技术规程》，参考对设有喷淋的商场的相关要求，设定为5MW。

采用FDS软件对火灾场景模型进行建立时，确定网格尺寸是一项重要工作。网格尺寸一方面会影响模拟的准确性，另一方面会影响模拟时间。研究表明，特征火焰直径与模拟网格大小之比，即D*/δx宜取为4～16。

特征火焰直径D*采用下式计算：

式中 Q —火源的热释放速率，kW；

ρ∞ —空气密度，取1.2kg/m3；

cp —空气比热，取1kJ/kg·K；

T∞ —环境空气温度，取293K；

g —重力加速度，取9.81m/s2。

将5MW火源功率带入上述公式可知，D*=1.83m。为保证X=4～16时，δx的取值范围应为0.11～0.46。因此，这种情况下模拟区域的网格尺寸应设置为0.25m×0.25m×0.25m。网格划分为240×240×40。

3.4　模拟工况的设定

在模拟研究该地下商场防火分区机械排烟效果之前，利用风速仪对该防火分区的机械排烟量进行了实际测量实验。实验结果表明该防火分区的实际机械排烟量为22522m3/h。然而根据该防火分区的排烟设置要求，其排烟量应该为55500m3/h。因此，一旦该防火分区发生火灾，无法确定其机械排烟系统能否达到排烟效果。因此，具体工况设置如下。见表1。

4　模拟结果分析

4.1　标准火灾场景下的排烟效果分析

本小节选取工况B0与B1，即火灾自由蔓延工况与在其基础上增加机械排烟（为实际测得的机械排烟量）和补风系统的工况，研究机械排烟系统在地下商场中的排烟效果。

（1）温度变化比较分析。从图3、图4可以看出，在机械排烟系统的作用下，该防火分区的温度得到了一定程度上的改善。除了距离火源比较近的监测点外，其余各监测点的最高温度都有所下降。最终，温度达到稳定状态时，B0工况下各监测点温度稳定在150℃左右，B1工况下各监测点温度稳定在90℃到110℃之间。

（2）能见度变化比较分析。从图5～图8可以看出，B0工况和B1工况能见度的变化趋势相似，两者在250s之前能见度未见明显变化，250s到300s之间，由于火源引燃周围可燃物，产生大量烟气，能见度急剧下降，300s之后，基本稳定。然而，取B0工况和B1工况的后200s各测点能见度数据作图发现，B0工况的能见度在400s之后低于0.8m；B1工况的能见度在400s之后高于0.86m，且随着时间增长，能见度不断升高。因此，在机械排烟系统的作用下，该防火分区内的能见度得到了一定程度上的改善。

（3）烟气层高度变化比较分析。从图9、图10烟气层高度随时间的变化曲线可以看出，250s之前，B0工况和B1工况的烟气层高度随时间下降，但是在相同的时间点B1工况的烟气层高度均高于B0工况，这说明机械排烟系统对该防火分区内的烟气起了控制作用；由于可燃物被引燃，B0工况和B1工况的烟气层高度均在250s左右急剧下降，至最低点；B0工况的烟气层高度在250s之后维持在1m以下，且有持续下降的趋势；B1工况的烟气层高度在250s之后，由于机械排烟系统的作用，烟气层高度随时间不断升高，600s时各监测点的烟气层高度均保持在1m到2.5m之间。因此，基于以上三个阶段，在机械排烟系统的作用下，该防火分区内烟气层高度得到了一定程度上的改善。

（4）CO浓度变化比较分析。从图11、图12可以看出，250s之前，B0工况和B1工况的CO浓度基本保持不变；250s到300s，由于可燃物被引燃且发生了不完全燃烧，CO浓度急剧上升，但是在这期间的相同时间点，B1工况的CO浓度均低于B0工况；300s之后，B0工况的CO浓度基本保持不变，维持在0.00055mol/mol。300s之后，B1工况的CO浓度随时间增长不断降低，最终维持在0.0004mol/mol。因此，在机械排烟系统的作用下，该防火分区内CO浓度得到了一定程度上的改善。

综上分析可知，B1工况下，机械排烟系统的启动会对火场烟气环境的改善起作用。然而，一方面，B1工况下该防火分区的机械排烟量为第二章实地测得的22522m3/h，这明显小于该工程设计资料中要求的55500m3/h；另一方面，通过上述分析，B1工况对火场烟气环境的改善并不理想。鉴于以上两个方面，需增大机械排烟量，分析其排烟效果。

4.2　不同机械排烟量对排烟效果的影响

如图13所示，工况B1、B2、B3、B4，B5和B6的机械排烟量分别为22522m3/h、30000m3/h、40000m3/h、55500m3/h、，70000m3/h和85000 m3/h，补风量为排烟量的50%。

观察工况B1下各测点的温度、能见度，烟气层高度和CO浓度随时间的变化曲线，可以发现火灾在450s到600s期间，各项参数达到稳定状态。为了更加科学合理地研究分析不同机械排烟量对火场烟气的控制作用，选取各参数在450s到600s的值，并对其求平均值，以平均值作为各测点监测的处于稳定状态下参数的测量值。

最终，对比分析六种不同工况下温度，能见度，烟气层高度和CO浓度的测量值。

（1）不同工况下各测点温度比较。从图13可以看出，工况B4，即机械排烟量为55500m3/h时，该防火分区内各测点的温度最低，平均在90℃到100℃之间。

（2）不同工况下各测点能见度比较。从图14可以看出，工况B4，即机械排烟量为55500m3/h时，该防火分区内各测点的能见度最高，平均在0.93m到0.99m之间。

（3）不同工况下各监测处烟气层高度比较。从图15可以看出，工况B3，即机械排烟量为40000m3/h时，该防火分区内各监测处的烟气层高度最好。工况B4，即机械排烟量为55500m3/h时，烟气层高度排在第二位。

（4）不同工况下各测点CO浓度比较。从图16可以看出，工况B4，即机械排烟量为55500m3/h时，该防火分区内各监测点的CO浓度最低，平均在0.00038mol/mol到0.00041mol/mol之间。

综上分析可知，工况B4，即机械排烟量为55500m3/h时，该防火分区的排烟效果最好。

5　结论

利用固定式机械排烟可以很好地解决地下商场发生火灾时的排烟问题。在运用该系统进行排烟时，机械排烟量对排烟效果有着直接的影响。本文利用FDS对地下商场火灾进行模拟，分析研究了机械排烟量对地下商场排烟效果的影响，得到了以下结论：

（1）通过查询资料，可知该防火分区的设计排烟量为55500m3/h，而实地测得的排烟量仅为22522m3/h。由此可知该防火分区的实际有效排烟量较低，为设计排烟量的40%。原因可能为排烟管道漏风或者风速在管道中出现损失；

（2）地下商场发生火灾时，利用固定式机械排烟，能够很好地排出火场烟气，改善火场环境，为人员疏散和消防救援提供一个较为有利的条件；

（3）无任何排烟系统作用下，该地下商场防火分区内火灾发展迅速，烟气蔓延极快且难以排出，严重威胁人员安全。当该防火分区的机械排烟量设定为实际测得的22522m3/h时，虽然可在一定程度上改善烟气环境，但作用并不明显。

（4）开始时，随着机械排烟量的增大，排烟效果越好，但是增大到一定程度时，继续增大排烟量，其排烟效果不增反降，这可能是由于烟气排出后，大量新鲜空气由缝隙和补风口补入，使火势加剧。该防火分区的机械排烟量宜设置为55500m3/h。

参考文献

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