某大型物流仓库的自然通风排烟设计.doc

某大型物流仓库的自然排烟设计王彬深圳奥意建筑工程设计有限公司摘 要： 本文以某大型物流仓库工程为设计实例，对大型仓库采用自然排烟的设计进行了详细的分析和论证，结果显示大型仓库中合理设计自然排烟口的位置和大小能够很好的满足规范规定的排烟要求，为以后仓库的自然排烟设计提供了依据。关键词： 大型仓库 自然排烟 防排烟Numerical simulation on pressurization air suuply ofanti-smoking staircase WANG Bing ShenZhen A+E Design Co.,LtdAbstract： In this paper，the anti-smoking staircase of a building and its former smoke room as a calculation example， pressurization air suuply of anti-smoking staircase was simulated，the results show that staircase pressurization air supply of uniformity is not so important，the air flow of “Code for fire protection design of tall buildings” to meet the anti-smoking staircase of a building and its former smoke room of the positive pressure requirements， as well as the selection pressure to provide the basis for fans.Keywords：the anti-smoking staircase，pressurization air suuply，numerical simulation1 工程概况某大型物流仓库工程位于深圳市，分三期建设，一期为已建成的为A仓（图1中左上侧），二期则是本次设计的B仓（图1中左下侧）。B仓由相邻的B1和B2栋建筑组成，总建筑面积为147716.71m2，地上共3层，总高22.70m，属于丙类仓库。图1 某物流仓库效果图2 防排烟设计要求2.1规范要求 本建筑属于仓库（厂房）建筑，防排烟设计需按照建筑设计防火规范1（GB50016-2006）（以下简称建规）进行。其中9.1.3条第2点规定：占地面积大于1000 m2的丙类仓库应设置排烟设施。根据此要求，本次设计的B仓需进行排烟。2.2 业主要求 该工程的一期A仓是在06年新版建规颁布前设计施工的，之前的建规对丙类仓库的防排烟没有具体要求，所以A仓在设计施工时并没有设置防排烟设施。这是导致业主要求B仓在设计施工时不采用常规的机械排烟方式的主要原因，另外还有一个也很重要原因是：如果B仓采用机械排烟方式，将无形中增加建筑层高，而机械排烟系统本身的造价较高，综上等等，采用自然排烟是不二之选。3 设计方案 根据规范规定的防排烟设计要求，综合考虑业主的设计施工要求，最终确定对本仓库采用自然排烟的方式。自然排烟的设置需满足建规中9.2.2条第4点：“其他场所，自然排烟口的净面积宜取该场所建筑面积的2%5%”和9.2.4：“作为自然排烟的窗口宜设置在房间的外墙上方或屋顶上，并应有方便开启的装置。自然排烟口距该防烟分区最远点的水平距离不应超过30m。” 针对以上自然排烟的设计要求，我们对B仓的建筑布置进行了仔细分析。对于自然排烟口距防烟分区最远点的水平距离不应超过30m的要求，将仓库内的每个防火分区分为两个区域：（1） 离外墙水平距离不超30m的区域，如图2、图3中的A区域。（2） 离外墙水平距离超过30m的区域，如图2、图3中的B区域。图2 B1栋一层平面示意图图2 B2栋一层平面示意图对于A区域，可以在外墙开的高侧窗实现满足自然排烟要求；对于B区域，离可开启外窗的距离大于30m，采用外窗自然排烟肯定是不可行的，通过比较分析，笔者认为在该区域设立自然排烟井直通屋顶排出是可行的，相对于设在外墙上的外窗自然排烟口，自然排烟井上开设的排烟口具有优势，因为对于同样的开口面积，自然排烟井存在烟囱效应，其排烟口的内外压差比外窗排烟时窗内外的压差大，这就会使采用自然排烟井的排烟效果好于外墙排烟窗(下面的理论计算也证明了这一点)。为顺利实现自然排烟并且满足规范设计要求，首先，必须确保自然排烟井上的开口面积满足不低于所负担排烟区域面积2%的要求，另外所开设排烟口到B区域最远距离不超过30m。具体布置位置见图2中所示。B栋仓库是多层仓库，每层独立的仓库都存在离外墙水平距离超过30m的B区域，对于1、2、3层的自然排烟井和排烟口设置有以下两种方式：（1）1、2、3层的自然排烟口共接一个排烟井到屋顶，为保证各层的防火分区相对防火独立，自然排烟口必须设置排烟阀，必须配置消防联动。（2）1、2、3层的自然排烟口分别通过相互独立的排烟井到屋顶，每层的自然排烟各自独立，互不影响，也不需设置排烟阀，自然排烟口采用普通百叶即可。通过比较分析，由于自然排烟口的面积必须不低于其负担排烟区域面积的2%，从而使自然排烟口的面积较大，每个防火分区的自然排烟口面积都达到了8到16个平方，在如此大的风口上设置排烟阀有一定难度，且设置消防联动也存在一定的安全隐患，并且增加了建设成本。最终决定采用第二种方式，设置简单，各防火分区排烟独立，互不影响，没有消防联动，安全可靠。4 计算论证为了证明以上的自然排烟方式可以取得令人信服的排烟效果，笔者对此进行了理论计算。具体计算论证过程如下：4.1计算模型以一层的某个排烟井作为计算模型，简化如图4所示。图4 排烟竖井示意图4.2计算条件排烟井截面尺寸：长宽（ab）2.2m1.9m，当量直径，排烟井出口高度H2=27m，出风百叶面积S2=6.4m2；排烟井进口高度H1=4m，进风百叶面积S1=15.6m2。此自然排烟口负担的排烟区域面积为S=550m2。烟气密度是绝对温度的函数：=353/T假设排烟时烟气温度280度，室内原始空气温度为20度。 空气密度：，烟气密度，进口与出口高度差4.3计算目标根据已知排烟井深度，高度，排烟进出口的面积以及空气和烟气的温度，密度等参数，推算出排烟井在室内有烟气产生时可达到的排烟量,从而判断排烟井能否达到预想的排烟效果。计算过程：根据流体的伯努利方程对排烟井的进出口流态可以列出以下计算式： （1） （2）排烟井顶部开口处压差 （3）排烟井底部进口处压差 （4）将式（1）（2）（4）代入（3）得 （5）进风口风量 （6） 出风口风量 （7） （8）进风口阻力损失 （9）出风口阻力损失 （10）查设计手册2有以下数据：普通单层百叶有效面积比 防雨百叶有效面积比普通单层百叶局部阻力系数防雨百叶局部阻力系数 由（6）（10）代入数据得到： （11）分析式（6）（10）要计算得到排烟井里的排烟量，只需计算出或，分析式（11）和（5），和都是未知的，对于此，笔者采用试算法，先假设烟气在排烟井中的风速，根据假设的风速算出，代入式（5）中得出，再根据反算出烟气在排烟井中的风速，将此与先前假设的烟气风速比较，如果比假设风速低，则调低假设风速重新试算，如果比假设风速高，则调高假设风速重新试算，直到两者基本相等。第一次试算先假设烟井里烟气速度达到6m/s， 根据设计手册查的：， 其中局部阻力系数 将（11）代入（5）并代入数据得： 静压 Pa 静压差 Pa 烟气在烟井流动产生的阻力 Pa 流量 m3/h F 风口净面积 m2 局部阻力系数 当量绝对粗糙度 mm 比摩阻 Pa/m 流速 m/s 风口有效面积比根据上述数据反算回排烟井风速，根据先前设定的试算原则，调低假设烟气风速，按上述的计算过程进行重新试算，经过几轮试算，最终得出排烟风速为4.4m/s，此时的排烟井风量为66211m3/h，其排烟负担区域每平米的自然排烟量可达到120m3/h，建筑设计防火规范-GB50016-20061中9.4.5条中规定机械排烟系统的最小排烟量为每平米60 m3/h，由此可以判断采用本设计方案的自然排烟井可以取得与机械排烟相提并论的排烟效果。自然排烟井的排烟效果完全取决于排烟井的烟囱效应，排烟井高度越高，烟囱效应就会越强，排烟效果自然就会越好，所以对于分布于1、2、3层的排烟井来说，1、2、3层的自然排烟效果依次降低。采用上面的计算方法，笔者对排烟效果相对最差的三楼自然排烟井也做了计算，计算情况如下：排烟井截面尺寸：axb=2.9x1.4m，当量直径排烟井出口高度H1=27m，出风百叶面积S1=3.84m2；排烟井进口高度H2=19.7m，进风百叶面积S2=10.24m2。此自然排烟口负担的排烟区域面积为S=490m2。计算得出自然排烟井排烟风速为2.6m/s，排烟风量为38001m3/h，其排烟负担区域每平米的排烟量为77.6 m3/h。6 结论 通过以上的计算论证，对于大型仓库的防排烟设计，采用合理的自然排烟方式，不仅可以降低建设成本，减少消防联动隐患，最重要的是可以获得令人满意的排烟效果。参考文献1、 中华人民共和国公安部：建筑设计防火规范GB50016-2006， 2006年12月.2、 陆耀庆等：实用供热空调设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2007年.防烟楼梯间加压送风的数值模拟收稿日期：作者简介：荣庆兴(1977)，男，工学硕士，注册设备工程师，深圳市华发北路30号深圳奥意建筑工程设计有限公司（518031），Email: 荣庆兴 王彬 代焱 程志远 (深圳奥意建筑工程设计有限公司)摘 要：本文以某大楼防烟楼梯间及其前室作为计算实例，对防烟楼梯间的加压送风进行了数值模拟，结果显示楼梯间加压送风的均匀性不那么重要，高层民用建筑设计防火规范的送风量能够满足楼梯间和前室的正压要求，同时为加压送风机的选型提供依据。关键词：防烟楼梯间 加压送风 数值模拟Numerical simulation on pressurization air suuply ofanti-smoking staircaseRong Qingxing , Wang Bing,Dai Yan ,Cheng Zhiyuan(ShenZhen A+E Design Co.,Ltd)Abstract： In this paper，the anti-smoking staircase of a building and its former smoke room as a calculation example， pressurization air suuply of anti-smoking staircase was simulated，the results show that staircase pressurization air supply of uniformity is not so important，the air flow of “Code for fire protection design of tall buildings” to meet the anti-smoking staircase of a building and its former smoke room of the positive pressure requirements， as well as the selection pressure to provide the basis for fans.Keywords：the anti-smoking staircase，pressurization air suuply，numerical simulation0 引言科学合理的建筑设计不仅要体现先进科技和时代特色，还应注重以人为本，并以较低的成本创造出健康、节能、环保、安全的居住环境来满足人们的身心需求。在建筑设计阶段，采用传统设计方法已经无法达到这种多方面的需求，随着计算机模拟技术的日益发展，在方案设计阶段，我们可以通过CFD模拟技术，来预测建筑物建成后的各种物理环境状态，为评价各种设计方案提供必要的量化支持，以便在规划方案阶段不断进行调整和修正，从而达到理想的效果。CFD可对建筑内外空间的风环境进行模拟，可以在建筑整体的规划阶段，指导设计人员得出有利于组织自然通风的建筑布局方式；并为建筑内部的门洞、外窗等给出有利于利用自然通风降低空调能耗的布置方案；另外通过建筑室内空调系统的CFD模拟，可以对室内空调气流组织的布局进行优化，有利于在耗能相同甚至更低的情况下，在满足设计要求的同时，获得更好的室内环境品质13。本文将采用CFD对防烟楼梯间及其前室的加压送风情况进行模拟计算分析。1 计算模型本模拟采用RNG 45模型，以某大楼5469层的防烟楼梯间及其前室作为模拟计算对象，模型的外部尺寸为10.7m2.1m60m。建立模型如图1，十六层楼梯间共六个加压送风口，前室设加压送风口，对于楼梯间和前室的门，其门缝形状实为条缝型，如果按真实情形建模，则网格数量会较大，不利于有效计算，且不易收敛，为此门缝采用与其面积相等且长宽相差不大的矩形替代。2 计算条件模拟计算按高层民用建筑设计防火规范6(以下简称高规)分两种情况考虑，一种为疏散通道门关闭时，所保持的楼梯间及其前室的正压值，基本要求为：楼梯间50Pa，前室25Pa1，一种为疏散通道门开启时，保持门洞一定的风速，规范推荐0.71.2m/s。图1防烟楼梯间及其前室几何模型3 模拟结果3.1火灾时前室和楼梯间的疏散门关闭着火时前室考虑开启着火层及其上层和下层共三层的加压送风口，对以上模型进行数值模拟得出楼梯间的速度和压力分布如图2和图3，各出风口静压见表1，楼梯间及前室的加 压送风量如表2。 图2 进口全压100Pa时楼梯间及其前室速度和压力分布 图3 进口全压200Pa时楼梯间及其前室速度和压力分布表1 各出风口静压出风口静压 Pa123456最大差别率进口全压100Pa68.4167.9467.5067.1269.6169.843.9进口全压200Pa135.63136.95137.74139.59144.26145.857.0表2 楼梯间及前室加压送风量项目楼梯间加压送风量 m3/h前室加压送风量 m3/h进口全压100Pa9496.83056.4进口全压200Pa13464.01836.33.2火灾时前室和楼梯间的疏散门开启楼梯间加压送风机进口全压200Pa，前室加压送风口全压50Pa；模拟情形为着火层及其上下两层的加压送风口均打开，而疏散门只有着火层及其上层打开。模型局部如图4，模拟结果如图5和图6。图4 防烟楼梯间及其前室局部几何模型图5 疏散门中心断面流速分布 图6 防烟楼梯间及其前室速度和压力分布图表3 各加压送风口静压进口全压200Pa123456最大差别率加压风口静压（Pa）18.318.720.825.534.243.858.2加压风口风量（m3/h）2390.42455.22854.83632.44795.25954.459.9表4 楼梯间及前室加压送风量项目楼梯间加压送风量 m3/h前室加压送风量 m3/h进口全压为200Pa22082.414223.6表5 门洞风速项目楼梯间门上楼梯间门下前室门上前室门下门洞平均风速（m/s）1.0631.4261.0251.3533结果分析1、从图2和图3中可以看出，对于楼梯间加压进口全为100Pa的情况下，防烟楼梯间的压力为59Pa左右，而前室的压力则为23Pa左右，基本达到规范所需的压力要求，而在进口全压改为200Pa后，防烟楼梯间的压力明显升高，达到120Pa以上，超过100Pa，容易导致疏散时疏散门不易开。在表1 中，两种情况下，六个加压送风口的静压值差别很小，最大差别率分别为3.9和7.0，均低于10，从而保证了每个加压送风口风量的均匀性。2、在图5中可以看出：疏散通道门开启时，虽然楼梯间加压风口送风不均匀，但是能够保证每个前室微正压，且疏散门洞风速在11.5m/s之间，满足逃生要求。从图6及表 3可以看出，越是靠近下部的加压送风口的静压越大，风量与之成正比，各风口之间送风量的最大差别率达到了60左右，主要原因是风道内初始风速过高，且风道管井尺寸不变，从而导致越往下，风口静压值越大。仔细分析可以知道，对于一个加压楼梯间来说，送风的均匀性并不那么重要，因为着火逃生并不是一个享受舒适性的事情，只要能保证着火层及其上下层的逃生通道在着火后不受烟气侵扰即可，例如本模拟中，虽然加压口送风量不均匀，但门洞风速已满足要求，即可保证人员在逃生过程中不会受到烟气的干扰，而顺利逃生。3、从表2、表4、表5可以看出，采用表4的风量比较接近高规所推荐的风量，且门洞风速满足规范要求。一旦按此设计，必然会有一种问题：假如在疏散时，加压系统已开启，但是整个加压