一种大空间建筑烟气控制系统的性能评估方法

摘要

本发明公开了一种大空间建筑烟气控制系统的性能评估方法，涉及火灾安全与消防工程领域，含步骤如下：（1）安装烟气控制系统；（2）确定热烟试验初步方案；（3）针对试验方案开展数值模拟，并根据数值模拟数据判断初步方案是否合理，不合理则重新调整试验方案直至合理；（4）现场搭建试验平台并开展热烟实验；（5）获取试验数据并根据试验数据判断烟气控制系统的性能。本发明主要用于大空间建筑烟气控制系统的设计和工作性能评估测试，还可用于评判大空间建筑的消防系统联动控制的逻辑合理性，评判火灾自动报警系统、应急照明系统、疏散指示系统的工作效果和有效性，评判疏散通道的防烟性能和人员疏散的安全性。

说明书

 

技术领域

    本发明涉及火灾安全与消防工程领域，尤其涉及一种大空间建筑烟气控制系统的性能评估方法。

背景技术

  随着我国经济建设的发展，城市中大空间建筑不断出现，如大型会展中心、航站楼和交通枢纽等等。这些建筑的共同特点是结构复杂，内部空间大，人流量大，一旦发生火灾，可能会造成非常严重的后果。建筑火灾中，烟气是对人员危害最大的因素。据统计，火灾中75%-85%的人员死亡是由烟气造成的。因此，火灾发生时，应尽快地将烟气排出，阻止火灾和烟气蔓延，这就需要大空间建筑的烟气控制系统能够有效地对烟气进行控制，以帮助人员安全逃生。

如何评判大空间建筑防排烟系统的设计和工作性能是否满足消防安全目标，是消防领域的一个重要问题。目前我国主要采用的方法是与规范进行对比，但处方式规范只可视为系统设计的最低要求标准。根据一些火灾事后调查，经常发现符合消防安全设备设置规范，通过相关机关的消防安检，但却无法确保消防安全的事故。随着各种超出规范的复杂大空间建筑的出现，这种“处方式”方法的不足越来越明显，因此越来越多的复杂建筑防排烟系统需要进行性能化评估。而当前我国在很多性能化消防评估中只使用CFD数值模拟来考察防排烟系统的性能，由于数值模拟计算只是对假定的火灾场景进行模拟，且缺乏实验验证的数值计算本身存在一定的误差，一些情况甚至会得出截然相反的结果。因此国外开始采用另外一种评判防排烟系统有效性的方法，就是对其进行现场烟气测试，这种方法在我国用的还比较少，也无统一的标准予以规范。以上各种评判方法均存在不足之处，有必要建立一套完善的大空间建筑烟气控制系统性能设计评估方法。

发明内容   

    本发明要解决的技术问题是提供一种大空间建筑烟气控制系统的性能评估方法，该方法可用于大空间建筑的烟气控制系统的设计、模拟评估和现场检测，验证烟气控制系统评估模型的准确性，检测大空间建筑的火灾自动报警、疏散照明指示等系统的工作性能、联动状况和设计合理性，为大空间建筑烟气控制系统设计、调试和性能评判提供科学的依据，解决现有各种大空间建筑烟气控制系统性能评判方法存在的不足之处。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为，一种大空间建筑烟气控制系统的性能评估方法，包括以下步骤：

 (1）安装烟气控制系统；

（2）确定热烟试验初步方案；

（3）针对试验方案开展数值模拟，并根据数值模拟数据判断初步方案是否合理，不合理则重新调整试验方案直至合理；

（4）现场搭建试验平台并开展热烟实验；

（5）获取试验数据并根据试验数据判断烟气控制系统的性能；

（6）对比试验数据和数值模拟数据，评判数值模拟结果的准确性，并利用获取的试验数据修正数值模拟所需要的数值模型。

优选步骤：步骤（1）还包括烟控方式的选择，根据大空间建筑的空间高度、开敞条件，选择自然烟气控制模式或者机械烟气控制模式。

优选步骤：采用机械烟气控制模式之时，根据建筑设计参数计算排烟量、补风量、正压送风量，布置排烟口、补风口和正压送风口的位置，设计排烟、补风和正压送风风管的走向和尺寸；根据排烟量、补风量和送风量，确定相应的排烟风机、补风机和送风机选型。

优选步骤：采用自然防烟排烟模式之时，根据建筑设计参数计算自然排烟面积，布置自然排烟窗的位置，确定采用自动开启模式还是手动开启模式。

优选步骤：步骤（3）具体方法为：针对热烟试验初步方案的现场安全数值模拟：在开展热烟试验之前，根据大空间建筑的空间设计参数、烟气控制系统设计安装情况和热烟试验初步方案，运用专业流体力学软件进行数值模拟，按照热烟试验初步方案设定火源热释放功率，初步掌握现场烟流特性和烟气控制系统性能，并判断试验现场的人员和财产是否安全，是否需要采取必要的现场保护措施，是否需要对热烟试验方案进行必要的调整。

优选步骤：步骤（4）现场搭建热烟试验平台的具体方法为：利用浓度为95%的工业乙醇作为火源，发烟装置产生的烟气作为示踪烟气，在典型位置设置照相、录像、温度和风速数据采集系统。

优选步骤：步骤（4）开展热烟试验的具体方法为：点燃火源的同时启动发烟装置向火源注入烟气，并记录试验开始时间，记录自动报警系统启动时间、烟气控制系统等消防系统的联动时间，记录大空间内和壁面温度、烟流流速、烟气高度沉降情况，照相记录大空间内典型的烟流特性及烟气控制状况，摄像动态记录大空间内烟流蔓延及烟气控制状况。

优选步骤：步骤（4）后还包括(a)结束大空间建筑热烟试验现场测试：熄灭火源，停止发烟装置继续向火源注入烟气，大空间建筑的烟气控制系统继续工作，直到将空间内的烟气排尽；(b)重复试验：设计不同的火源规模和位置、烟气控制方案，在大空间的环境参数恢复到正常状态之时，重复以上步骤（2）至（4）。    

优选步骤：步骤（6）的具体方法为：运用热烟试验采集的温度、CO、CO₂等烟流特性参数，与数值模拟结果进行对比分析，验证专业流体力学软件建立的针对大空间建筑的数值模型的模拟精度和准确性，并修正初始边界条件。

优选步骤：步骤（6）后还可以运用验证后的数值模型开展全尺寸火灾规模的数值模拟：在确认大空间建筑的数值模型准确可信之后，按照大空间建筑的实际火灾规模，模拟研究大空间建筑的烟流特性和烟气控制系统的排烟性能。

    本发明的有益效果为：可用于大空间建筑的烟气控制系统的设计和工作性能评估测试，还可用于评判大空间建筑的消防系统联动控制的逻辑合理性，评判火灾自动报警系统、应急照明系统、疏散指示系统的工作效果和有效性，评判疏散通道的防烟性能和人员疏散的安全性。为大空间建筑烟气控制系统的设计、安装、调试和评估提供科学合理的依据，为相关防排烟设计规范提供修订依据。

附图说明

    图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

  结合以上大空间建筑烟气控制设计和评估技术方法的优缺点和适用性，本项发明建立了一种大空间建筑烟气控制性能综合设计评估方法，包含以下具体内容和步骤如下：

（1）大空间建筑烟气控制设计过程中，依照相关规范设计并安装烟气控制系统；亦可根据大空间建筑的实际情况，采用性能化的方法设计烟气控制系统。

（2）根据现场状况，以保证试验现场人员生命和财产安全为前提，完成热烟试验初步方案设计。

（3）依照设计参数和热烟试验初步方案，在开展现场热烟之前进行数值模拟，初步掌握现场烟流特性和烟气控制系统性能，并判断试验现场的人员和财产是否安全，是否需要采取必要的现场保护措施，是否需要对热烟试验方案进行必要的调整。

（4）现场搭建热烟试验平台，利用浓度为95%的工业乙醇作为火源，发烟装置产生烟气作为示踪烟气，在典型位置设置照相、录像、温度、风速等数据采集系统，并采取必要的安全防护措施，开展热烟试验，采集相关数据。

（5）通过现场试验评估大空间建筑烟气控制系统的性能是否能够满足设计的要求。

（6）对比试验数据和数值模拟数据，评判数值模拟结果的准确性，并利用试验获取的数据修正数值模型。

（7）运用经过验证、已确认准确性的数值模型，按照实际的设计火灾规模，模拟分析大空间建筑的烟流特性和烟气控制系统的性能是否能够满足设计的要求。

所建立的大空间建筑烟气控制性能综合设计评估方法的设计和评估流程如图1所示，涵盖设计、数值模拟评估和现场热烟测试三个阶段的内容。

一种大空间建筑烟气控制设计方法，包括：

（1）根据大空间建筑的空间高度、开敞条件，选择自然烟气控制模式或者机械烟气控制模式。

（2）高层大空间建筑依照《高层民用建筑设计防火规范》（以下简称《高规》）的规定进行烟气控制系统设计，多层大空间建筑依照《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》）进行烟气控制系统设计。

（3）对于目前规范难以涵盖的大空间建筑，采用性能化的方法进行系统设计。

（4）采用机械烟气控制模式之时，根据建筑设计参数计算排烟量、补风量、正压送风量，布置排烟口、补风口和正压送风口的位置，设计排烟、补风和正压送风风管的走向和尺寸，根据排烟量、补风量和送风量，确定相应的排烟风机、补风机和送风机选型。

（5）采用自然防烟排烟模式之时，根据建筑设计参数计算自然排烟面积，布置自然排烟窗的位置，确定采用自动开启模式还是手动开启模式。

一种大空间建筑烟气控制数值模拟方法，包括：

（1）针对热烟试验初步方案的现场安全数值模拟。在开展热烟试验之前，根据大空间建筑的空间设计参数、烟气控制系统设计安装情况和热烟试验初步方案，运用专业流体力学软件进行数值模拟，按照热烟试验初步方案设定火源热释放功率，初步掌握现场烟流特性和烟气控制系统性能，并判断试验现场的人员和财产是否安全，是否需要采取必要的现场保护措施，是否需要对热烟试验方案进行必要的调整。

（2）数值模型的验证。运用热烟试验采集的温度、CO、CO₂等烟流特性参数，与数值模拟结果进行对比分析，验证专业流体力学软件建立的针对大空间建筑的数值模型的模拟精度和准确性，并修正初始边界条件。

（3）运用验证后的数值模型开展全尺寸火灾规模的数值模拟。在确认大空间建筑的数值模型准确可信之后，按照大空间建筑的实际火灾规模，模拟研究大空间建筑的烟流特性和烟气控制系统的排烟性能。

一种大空间建筑热烟试验方法，包括：

（1）确定热烟试验初步方案。根据大空间建筑的空间结构形式和规模，并通过现场勘察，初步确定试验的火源位置及规模、发烟装置位置及数量，热电偶温度、热成像、烟气浓度、烟流流场、烟层高度、照相、摄像等数据采集和处理系统的位置确定，以及现场保护方案。

（2）热烟试验方案的确认。针对热烟试验初步方案的现场安全数值模拟得到的结果，判断大空间建筑的热烟试验初步方案设计的可行性和安全性，并确定是否需要进行相应调整。

（3）现场搭建热烟试验平台。根据热烟试验方案在大空间建筑现场布置火源和发烟装置、数据采集和处理系统、现场保护装置。

（4）开展大空间建筑热烟试验现场测试。点燃火源的同时启动发烟装置向火源注入烟气，并记录试验开始时间，记录自动报警系统启动时间、烟气控制系统等消防系统的联动时间，记录大空间内和壁面温度、烟流流速、烟气高度沉降情况，照相记录大空间内典型的烟流特性及烟气控制状况，摄像动态记录大空间内烟流蔓延及烟气控制状况。

（5）结束大空间建筑热烟试验现场测试。熄灭火源，停止发烟装置继续向火源注入烟气，大空间建筑的烟气控制系统继续工作，直到将空间内的烟气排尽。

（6）重复试验。设计不同的火源规模和位置、烟气控制方案，在大空间的环境参数恢复到正常状态之时，重复以上步骤（1）~（5）。

    （7）试验数据处理。对热烟试验采集的数据进行分析，研究大空间建筑烟流特性及烟气控制系统的工作性能，判定大空间建筑的烟气控制系统设计和安装是否达到了设计要求。并将试验数据与模拟数据对比，修正烟流数值模拟的数值模型。

以下以具体的大空间建筑实例对本发明的实施方式进行说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本方面的技术方案，而不能以此来限制本方面的保护范围。

实施例建筑概况。本发明实施例为一个裙房中庭大空间，由负一层（-5.5m）贯穿至裙房七层屋面（27.0m），空间尺寸为：25.5m×17.2m×32.5m。采用特级防火卷帘与周围区域分隔。

实施例烟气控制系统设计。本发明实施例的裙房中庭大空间属于高层民用建筑，依照《高规》规定，高于12m的中庭采用机械排烟方式，排烟量按照体积次数法计算，中庭体积为14254.5m³，小于17000m³，排烟量按其体积的6次/h换气计算，中庭的排烟量确定为85527m³/h，排烟风机选型考虑1.1倍的漏风系数，排烟风机的总排烟量不应小于94079.7m³/h，共设置4台排烟量为23520 m³/h的排烟风机，排烟风机设于裙房屋面，排烟口设于中庭顶部。

实施例热烟试验初步方案。为了验证中庭大空间的排烟系统的烟气控制性能，热烟试验初步方案考虑在中庭中部设置一组“火源+示踪烟气”组合，火源热释放功率为1.5MW。在中庭中部和边墙部位各设置一组热电偶树T1和T2，用于测量试验火源正上方和离火源较远的热烟层温度。每支热电偶树由9个K型热电偶组成，共18个热电偶温度测点。每支热电偶树上的热电偶自中庭顶部而下，分布呈现由密到疏的特点，靠中庭顶部密集分布，重点考察隧道顶部热层温度变化情况，紧贴中庭顶部表面的热电偶用于监测中庭顶部表面的温度，动态关注试验过程中是否会对中庭结构造成损坏。光学图像采集装置由光学图像和光学影像两个部分组成，利用光学相机记录热烟试验过程中的重要信息，例如试验装置、烟层形成过程、烟层形状等；利用光学摄像机记录从试验开始直至试验完全结束的烟气蔓延情况。烟气高度测量通过两种方法实现：第一种方法是根据高度方向竖直分布的热电偶所采集的温度数据变化对比进行判断，如测点温度显著升高，则认为该温度测点处于热烟层之内，烟层已低于该温度测点；反之，如测点温度没有发生明显变化，则认为该温度测点没有还没有处于热烟层之内，烟层处于该温度测点之上。第二种方法是在中庭内悬挂标尺，并设置明显的高度刻线进行目测，直接判断烟层高度。利用红外摄像仪动态监控中庭中上部壁面温度，关注热烟试验对中庭大空间现场的影响。

针对实施例热烟试验初步方案的现场安全数值模拟。采用火灾烟流专用模拟软件对热烟试验初步方案进行烟流数值模拟，分析试验初步方案是否会对中庭大空间试验现场的人员生命安全和财产保护造成威胁。根据设计图纸和现场勘察情况，在火灾烟流专用模拟软件中建立与中庭大空间的烟流计算数值模型，模型的物理空间轮廓、热物性边界条件、排烟口位置、排烟量、火灾场景特性参数与试验初步方案的试验工况一致，输出参数包含与热电偶树T1和T2位置相同的热电偶测点温度、过火源的竖向温度云图、烟层沉降高度变化和烟气灰密度分布等烟气特性参数。模拟结果表明：

（1）中庭内的热分层明显，温度较高的烟气均集中在中庭上部，介于30℃～35℃之间；下层温度没有发生变化，不会对人员安全和中庭本身造成危害。

（2）测点温度变化表明热烟试验时，除火源附近之外，其他区域的温度较低，热层高度位于人体特征高度之上，不会对人员安全和中庭本身造成危害。

热电偶树T2的10m以下的测点温度在模拟过程中变化较小，说明未处于温度较高的热烟层中；10m以上的测点温度相比初始环境温度上升明显，说明位于热烟层范围之内，热烟层的高度位于10m左右。

（3）起火以后烟层高度不断下降，模拟至220s以后，烟层高度不再下降，维持在距离中庭地面之上9.0m左右的高度。烟层高度明显高于人体特征高度，试验场地内的人员不会受到烟气的侵扰，能够保证人员的生命安全。

（4）烟气的分层较为明显，分层高度位于10m左右，下层空气层的能见度状况较好，不会对中庭大空间内的试验现场人员的视线造成影响。

（5）热烟试验初步方案设定的火源功率和位置是安全可行的，中庭大空间的烟气控制系统能够有效将烟气排出，不会对现场的人员生命安全和结构造成威胁，具备可实施性。

实施例现场开展热烟试验。在中庭大空间现场按照前述热烟试验方案搭建试验平台和测试系统。同时点燃火源和发烟装置，开启测试系统记录试验过程和采集试验数据，试验结果表明：

（1）试验开始以后，示踪烟气随热羽流上升至中庭顶部，随即沿水平方向蔓延，在触及中庭四壁以后烟层向下沉降，烟气充满中庭上部。机械排烟系统能够有效地将中庭内的烟气排除，当烟气沉降到10m左右的高度时，烟层趋于稳定不再下降，产烟量和排烟量达到了动态平衡。烟气分层较为明显，且始终位于人体特征高度之上，试验现场的人员没有受到烟气的侵扰，试验现场的人员生命安全能够得到保证。

（2）整个试验过程中，火源上方离地面最近的T1-1热电偶温度最高，约为73℃。而靠近中庭顶部的热电偶温度较低，为40℃左右，不会对中庭顶部结构造成损伤。

（3）中庭内10m高度以下的热电偶T2-6~T2-8在实验过程中温度变化不明显，说明中庭10m以下空间未处于热烟层内；10m高度以上的热电偶T2-2~T2-5温度上升明显，最高温度为38℃，说明这些热电偶处于温度较高的热烟层内。由此可见，中庭内的温度分层明显，热层主要分布在10m高度之上，热层位于人体特征高度之上，中庭内的试验人员不会受到烟气的侵扰。这与目测的烟气沉降高度是一致的。

（4）热成像图中的温度分布反映的是中庭中上部壁面的温度，试验中各位置的壁面温度最高约为32.5℃，不会对中庭结构造成威胁。

（5）中庭大空间的烟气控制系统能够有效将烟气排出，试验过程中现场人员和物质财产未受到损坏，达到了设计目标。

实施例的试验数据和数值模拟数据对比分析。对比中庭大空间的试验数据和数值模拟结果可知，数值模拟的温度分布、烟气分层高度变化、沉降高度和流动规律与试验结果吻合的很好，说明数值模拟方法能够很好的模拟真实试验的热烟流动规律，现场热烟试验可作为数值模拟技术的验证和校对手段，提高数值模拟技术的模拟精度和可信度。

针对实施例的全尺寸火灾规模数值模拟。利用验证后的数值模型，按照自动灭火失效的不利工况，设定火灾规模为4.0MW，研究中庭大空间在实际火灾工况下的烟流特性和烟气控制系统的控烟性能。模拟结果表明：

（1）中庭内的热分层明显，温度较高的烟气均集中在中庭上部，介于31℃～45℃之间；下层温度没有发生变化，不会对人员安全疏散造成威胁。

（2）热电偶树T2的10m以下的测点温度在模拟过程中变化较小，10m及以上的测点温度相比初始环境温度上升明显。由此，可判断热烟层的高度介于10m和5m之间。

（3）起火以后烟层高度不断下降，模拟至250s以后，烟层高度不再下降，维持在距离中庭地面之上8.0m左右的高度。烟层高度明显高于人体特征高度，能够保证实际火灾工况下人员紧急疏散时的生命安全。

（4）烟气的分层较为明显，分层高度位于8.0m左右，下层空气层的能见度状况较好，不会影响中庭大空间内的人员疏散时的视线。

（5）在不利火灾工况下，中庭大空间的烟气控制系统能够有效将烟气排出，能够在较长时间内为中庭大空间内的人员疏散创造安全的环境，其消防安全性能够得到保证。