模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置

摘要

一种模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，它包括高位盐水箱、高位清水箱、储水箱和高层建筑模型，高位清水箱底部连接清水排水管，高位盐水箱底部连接盐水排水管，储水箱由内水箱、外水箱构成，高层建筑模型位于内水箱内；所述高层建筑模型设有左右分布的楼层区和竖井区，楼层区各层与清水排水管连通，楼层区的各层与竖井区由模拟电梯门缝隙相通，高层建筑模型顶部经盐水缓冲器与盐水排水管连通，竖井区顶部设有顶部开口、底部设有底部开口，底部开口与外水箱连通。本发明能够通过建筑模型试验预测原型建筑中的温度场，直观演示烟气的发生、发展过程，为实现“中和面”提高至建筑总高度以上的方案提供重要的实验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置，特别是用于模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置。

背景技术

高层建筑防排烟系统是建筑防火设计中一项非常重要的内容。高层建筑与普通多层建筑相比，具有楼层高、疏散距离远等特点，高层建筑防排烟系统设计更加复杂。据统计，高层建筑火灾中伤亡人数70%以上是由于受到火灾烟气窒息而死的，因此高层建筑火灾状况下的烟气控制至关重要。研究建筑火灾中烟气的流动规律主要有三种手段，即全尺度火灾实验、小尺度模型实验与计算机数值模拟。全尺度火灾实验是最理想、最可靠的研究，但是需要耗费大量的财力，且实验的随机性与可重复性差；计算机数值模拟是目前研究烟气流动规律比较热门的方法，以数学物理模型为基础，能够模拟的工况多，火灾的随机性与可重复性较好，是未来研究火灾的主要手段；盐水实验属于小尺度模型试验，它采用一定浓度的盐水在清水中的流动来模拟火灾烟气的流动规律，过程直观、可重复性好，且实验费用低，逐渐受到人们的重视。

由于技术经济条件的不同，不同国家高层建筑防排烟系统设计也不尽相同。但是对高层建筑防烟楼梯间进行机械加压送风防烟系统，各国基本达成了共识。我国现行《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）规定针对不具备自然排烟条件的防烟楼梯间加压送风，加压送风机设置在屋顶机房，每隔2～3层设置一个加压送风口。高层建筑竖井（楼梯间、电梯井、中庭）内烟气的流动称之为“烟囱效应”，在某一高度上存在一个“中和面”。“中和面”以下，冷空气进入竖井与高温烟气混合，“中和面”以上，烟气通过竖井的缝隙进入楼层，这也是烟气在建筑高度上蔓延的主要通道，即会造成火灾的扩大。建筑火灾发生后，防烟楼梯间机械加压送风系统启动，烟气无法进入楼梯间，因而电梯竖井成为烟气竖向运动的主要通道。在“中和面”以上，烟气通过竖井的缝隙进入楼层区域，会对人员造成生命威胁。一种提高火灾时高层建筑区域内人员的安全性的方案为：将“中和面”提高至建筑总高度以上，这样“中和面”以下即所有楼层的烟气或空气进入电梯竖井，再通过电梯竖井顶部的开口排至大气，从而提高高层区域内的人员安全性。鉴于此，设计一种实验装置，用以模拟高层建筑不同的电梯井顶部开口面积及不同的送风量对烟气流动的影响，为上述“中和面”提高至建筑总高度以上的方案进行直观演示并提供重要的实验数据，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种能够直观显示电梯竖井内烟气流动的模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，特别之处是：它包括高位盐水箱、高位清水箱、储水箱和高层建筑模型，高位清水箱底部连接清水排水管，高位盐水箱底部连接盐水排水管，所述储水箱位于高位盐水箱、高位清水箱下部，储水箱由内水箱、外水箱构成，高层建筑模型位于内水箱内；所述高层建筑模型设有左右分布的楼层区和竖井区，楼层区由高至低设置多层，各层经清水缓冲器、清水进口调节球阀与清水排水管连通，楼层区的各层与竖井区由模拟电梯门缝隙相通，高层建筑模型顶部经盐水缓冲器与盐水排水管连通，所述竖井区顶部设有顶部开口、底部设有底部开口，底部开口与外水箱连通。

 上述模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，所述实验装置还设有清水箱和盐水箱，清水箱经清水泵和清水供水管连通高位清水箱，高位清水箱设有连通清水箱的清水溢流管；盐水箱经盐水泵和盐水供水管连通高位盐水箱，高位盐水箱设有连通盐水箱的盐水溢流管。

上述模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，所述清水排水管上依次设有清水转子流量计进口球阀、清水转子流量计、清水转子流量计出口球阀；所述盐水排水管上依次设有盐水转子流量计进口球阀、盐水转子流量计、盐水转子流量计出口球阀。

上述模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，所述清水供水管上设有高位清水箱进口球阀，清水供水管与清水排水管之间由清水旁通管和高位清水箱旁通球阀连通；所述盐水供水管上设有高位盐水箱进口球阀，盐水供水管与盐水排水管之间由盐水旁通管和高位盐水箱旁通球阀连通。

所述模拟高层建筑暖通设备防烟系统的实验装置，所述竖井区旁侧设有高度标尺。

本发明本针对利用高层建筑暖通设备送风防烟系统，提高火灾时高层建筑区域内人员的安全性问题，提供了一种实验装置。该实验装置依据相似理论，用有湍浮力的盐水在清水中扩散来比拟湍浮烟气在冷空气中的运动,在已知模型建筑与原型建筑相应变量的比例的条件下，能够通过模型建筑试验预测原型建筑中的温度场，不同的暖通空调设备送风量下建筑竖井中烟气的流动规律，直观演示烟气的发生、发展过程，为实现“中和面”提高至建筑总高度以上的方案提供重要的实验数据。本发明实验过程直观、可重复性好，且实验费用低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明示意图；

图2是图1中A处局部放大视图；

图3是盐水缓冲器示意图。

图1中各标号清单为：1.盐水箱，2.盐水溢流管，3.高位盐水箱，4.高位盐水箱进口球阀，5.高位盐水箱旁通球阀，6.盐水旁通管，7.盐水排水管，8.盐水转子流量计进口球阀，9.盐水转子流量计，10.盐水转子流量计出口球阀，11.盐水泵，12.储水箱，12-1.内水箱，12-2.外水箱，13.高层建筑模型，14.盐水缓冲器，15.楼层区，16. 竖井区，16-1.顶部开口，16-2.底部开口，17.高度标尺，18.模拟电梯门缝隙，19.清水缓冲器，20.清水进口调节球阀，21.清水箱，22.清水溢流管，23.高位清水箱，24.高位清水箱进口球阀，25.高位清水箱旁通球阀，26. 清水旁通管，27.清水排水管，28.清水转子流量计进口球阀，29.清水转子流量计，30.清水转子流量计出口球阀，31.清水泵，32.清水供水管，33.盐水供水管。

具体实施方式

本发明所设计的实验装置，是在小尺度模型实验中利用盐水在重力驱动下的向下运动模拟烟气由浮力驱动的向上运动，用盐水和清水产生的密度差模拟高层建筑火灾中烟气与空气的温度差。清水比拟外界空气，盐水比拟建筑火灾产生的烟气。染色的盐水通过盐水管道系统进入高层建筑模型顶部，模拟建筑火灾发生的高温烟气，清水通过清水管道系统进入高层建筑模型的楼层区域，模拟建筑暖通空调设备送风的作用。该实验装置能够直观显示染色盐水在送入楼层区域清水的作用下发展过程及相互作用，将盐水实验观测到的现象倒置过来，即为建筑火灾烟气的流动规律。

参看图1，本发明包括盐水箱1、高位盐水箱3、清水箱21、高位清水箱23、储水箱12和高层建筑模型13。清水箱21经清水泵31和清水供水管32将清水泵入高位清水箱23，高位清水箱通过清水溢流管22将清水返回清水箱，以保证高位清水箱的水位稳定，使作用压力保持不变，高位清水箱23底部设有清水排水管27，清水排水管27连通高层建筑模型13。盐水箱1经盐水泵11和盐水供水管33将盐水泵入高位盐水箱3，高位盐水箱通过盐水溢流管2将盐水返回盐水箱1，以保证高位盐水箱的水位稳定，使作用压力保持不变，高位盐水箱底部连接盐水排水管7，盐水排水管7连通高层建筑模型13。

参看图1、图2，所述储水箱12位于高位盐水箱3、高位清水箱1的下部，储水箱由内水箱12-1、外水箱12-2构成，高层建筑模型13位于内水箱内。内水箱12-1内充满清水，高层建筑模型13周围均为清水。内水箱12-1与外水箱12-2间为清水与盐水混合的混水区，外水箱12-2上部设有溢水管，混水区内的水通过溢流管排走。所述高层建筑模型13设有左右分布的楼层区15和竖井区16，楼层区模拟高层建筑由高至低设置多层，各层经清水缓冲器19、清水进口调节球阀20与清水排水管27连通，清水进口调节球阀20可以根据实验工况的要求调节流量，并可实现对指定楼层输送清水。楼层区15的各层与竖井区16由模拟电梯门缝隙18相通。高层建筑模型13的顶部经盐水缓冲器14与盐水排水管7连通，所述竖井区顶部设有顶部开口16-1，可通过此口测量竖井不同高度处盐水的电导率（折算出盐水的浓度与密度），同时也可以模拟盐水对周围清水的抽吸作用（模拟烟气对外界空气的抽吸作用）。竖井区底部设有底部开口16-2，底部开口与外水箱12-2连通，底部开口处设有多个排水孔，可根据实验工况要求确定开启或关闭排水孔。在竖井区16旁侧设有高度标尺17，通过高度标尺测量电梯竖井内盐水厚度的变化。

参看图3，盐水缓冲器14的进口截面突然扩大，在出口处设置多个孔眼，相当于均流孔板，可以降低水的动压，提高水的静压，从而提高流动的湍流度，使模型实验与原型流动更为相似。清水缓冲器19的结构与盐水缓冲器14的结构及作用相同。

仍参看图1，清水排水管27上依次设有清水转子流量计进口球阀28、清水转子流量计29、清水转子流量计出口球阀30。清水供水管32上设有高位清水箱进口球阀24，清水供水管32与清水排水管27之间由清水旁通管26和高位清水箱旁通球阀25连通，清水旁通管26和高位清水箱旁通球阀25可以调节清水流量。所述盐水排水管7上依次设有盐水转子流量计进口球阀8、盐水转子流量计9、盐水转子流量计出口球阀10。盐水供水管33上设有高位盐水箱进口球阀4，盐水供水管33与盐水排水管7之间由盐水旁通管6和高位盐水箱旁通球阀5连通，盐水旁通管6和高位清水箱旁通球阀5可以调节盐水流量。

以下为采用所述实验装置进行盐水实验的理论基础。盐水模型试验的基本理论可以用热量和质量传递的比拟来概括，即建筑火灾中烟气的浮力运动用清水中的密度差来模拟。盐水密度大于清水密度，烟气温度高于环境空气温度，只要两者的控制方程一致，两种运动就可能实现相似。建筑火灾过程中，空间高度为H，火源散热量为Q，浮力通量为B，其特征量定义如下：特征长度为高度空间H与h，特征速度为U=(B/H)^1/3和V=(b/h)^1/3，特征时间为τ=H/U和τ=h/V，经过无因次化处理，烟气流动的控制方程为：

盐水密度差造成的流动控制方程为：

其中k_i=(0,1,0)，，，各准则数分别为：

烟气流动：，，

盐水流动：，，

由此可见，烟气运动与盐水流动的控制方程形式相同，若两者的准则数Re、Fr、Pr、Sc分别相等，则二者相似。

两个现象完全相似的充要条件是：（1）几何相似；（2）进口流动状况相似；（3）各对应点的物理参数相似；（4）边界条件相似；（5）同名准则数相等。其中准则相等相对而言是最难以实现的。Re数是决定流场力学相似的主要参数，一般烟气羽流流动的Re数量级为10⁵，盐水运动的Re数量级为10⁴，二者不相等，但是二者均达到了湍流流动状态，此时可认为雷诺数对流动的影响不很重要了。Fr数表示流动惯性力与重力的比值，实际验算表明烟气与盐水流动时的Fr数为同一数量级。Pr数与Sc数表示流体物性准则数，前者决定烟气的流动长和速度场的相似程度，后者决定盐水浓度场与速度场的相似程度。目前所讨论的范围内，这两个无量纲数分别为湍流Pr_t数和湍流Sc_t数，二者均接近于1，可认为他们近似相等。综上所述，用盐水流动来模拟烟气流动是可行的。

下面就利用某高层建筑暖通设备送风防烟系统的计算进行说明。采用多区域网络模拟软件CONTAM，是美国国家标准技术研究院（NIST）下属的建筑火灾研究实验室开发的用于多区域空气流动和污染物传播。CONTAM软件可对建筑楼梯间加压送风、局部区域排烟或二者联合使用的建筑防排烟系统进行研究分析。

某高层建筑共39层，每层面积约2000m²，层高3.5m。假设为冬季，室外温度-15℃，压力101325Pa，忽略室外风速的影响，假设室内温度为22℃。各流通路径的面积如下：电梯门尺寸2.0m×2.0m，缝隙面积0.06m²，楼梯间门尺寸2.0m×1.6m，缝隙面积0.0184m²，窗户尺寸1.6m×1.2m，缝隙面积0.0361m²，电梯井顶部排烟口面积10m²。着火层在二层，假设着火房间温度为700℃，发生火灾时各门窗处于关闭状态，楼梯井、电梯井内温度假设为50℃。所模拟状态为稳态，即结果不随时间变化，以下为各工况计算分析；

（1）无加压送风

经计算，楼梯井计算通风量为9.8kg/s，电梯井计算通风量为74.2kg/s，楼梯井、电梯井“中和面”位置分别在建筑24层、35层。因此，楼梯井24层以上空气向外流动，24层以下空气进入，即着火层产生的烟气进入楼梯井，会导致建筑火灾的扩大；电梯井35层以下空气流入，35层以上空气向外流动，烟气会进入各楼层区域，导致建筑火灾扩大及降低楼层区域的安全性。

（2）仅楼梯间加压送风

仅对楼梯间加压送风，加压送风量为40000m³/h（《高规》规定36000~40000m³/h），每层约1000m³/h。经计算，电梯井内“中和面”位置在35层，与（1）工况中所计算位置基本保持不变；楼梯井内“中和面”在建筑底层以下，即楼梯井空气通过门窗等缝隙流出。楼梯间门两侧压差沿建筑高度由35Pa提高至150Pa，即上部楼层区域楼梯门两侧压差超过了《高规》规定50Pa的压差，此时楼梯门开启困难，不利于人员逃生。

（3）仅楼层区域加压送风

对着火层以上楼层区域利用暖通空调设备送风量，每层送风量为7000m³/h（为了满足人体热舒适的计算送风量，可根据换气次数估算）。经计算，电梯井“中和面”提升至建筑总高度以上，即整栋建筑物内空气或烟气流入电梯井，通过电梯井顶部排烟口排至大气，排烟量为84.8kg/s；楼梯井内“中和面”维持在24层，计算通风量为12.5kg/s。改变每层送风量为9000m³/h，计算结果表明“中和面”仍在建筑总高度以上，排烟量为92.5kg/s；改变电梯井顶部排烟口面积，提高到15m²，计算结果表明“中和面”仍在建筑总高度以上，排烟量为102.8kg/s。

综上所述，建筑发生火灾后通过电梯井顶部排烟口排烟，利用暖通空调设备进行送风加压，可以实现将电梯井“中和面”高度提高至建筑总高度以上，从而阻止烟气侵入楼层区域，避免火灾进一步扩大。暖通空调设备送风量采用人体热舒适计算送风量即可满足要求，而电梯井顶部排烟口面积对“中和面”与排烟量影响较大。

本发明试验装置能够直观显示上述暖通空调设备送风对电梯井内烟气流动的影响。