（安全技术及工程专业论文）高层建筑加压送风系统的有效性研究.pdf

中田科学技术大学硕卜学位论文 商层建筑加j * 送风系统的有效性研究 a b s t r a c t w h e nah i g h r i s e b u i l d i n gi so nf i r e ，t h es t a i rs h a f tw i l lb e c o m et h em a i n v e r t i c a l e v a c u a t i n gr o u t e w a yt h i sa r t i c l ea n a l y s e sv a r i o u sw a y so fs m o k ec o n t r o l ， a n dp o i n t so u tt h a tt h ep r e s s u r i z a t i o na i rs u p p l ys y s t e mo fah i g h r i s eb u i l d i n gp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o u r s eo fs m o k ec o n t r o l ，t h e np r e s e n t sd i f f e r e n tw a y so fa i r s u p p l ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ow h e t h e rt h ed e s i g no ft h es t a i rp r e s s u r i z a t i o ns y s t e m i s a p p r o p r i a t ew i l l i n f l u e n c et h es e c u r i t yo ft h eo c c u p a n t s p r o p e r t i e sa n dl i v e s d i r e c t l y t h i sa r t i c l ea n a l y s e ss o m ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c es m o k es p r e a da n df l o w , a s “s t a c ke f f e c t ”，b u o y a n c ya n de x p a n s i o n ，w i n da n dh v a cs y s t e m se t cas e r i e so f e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb yas c a l i n gs h a f tm o d e l ，i n c l u d i n gg a sv e l o c i t y m e a s u r e m e n ti nt h eo p e n si nt h es i d ew a l la n dt h ea n t e c h a m b e ro ft h es c a l i n gs h a r ， t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nd i f f e r e n tl e v e l s ，a n ds p e c i e sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t a sw e l l m e a n w h i l en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n d u c t e db yf i r ed y n a m i c ss o f t w a r e f d s ，i nw h i c ht h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es c a l i n gs h a f ta n dg a sv e l o c i t y d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n to p e n si nt h es i d ew a l l c h a r a c t e r i s t i c so fs m o k ei nt h e s c a l i n gs h a f tw e r eo b t a i n e dt h r o u g ha n a l y z i n gi n d e t a i li nr e a l f i r es c e n a r i oo f h i g h r i s eb u i l d i n g s ，t h ei n f l u e n c eo f t h es c a l i n gs h a f to nf i r ew a su n n e g l e c t a b l e ，s o t h a tt h ed e s i g no f p r e s s u r i z a t i o na i rs u p p l ys y s t e mm u s tc o n s i d e rt h ei t e m b a s i co nt h ea n a l y s i so f t h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sf a c t o r so nt h ep r e s s u r i z a t i o na i r s u p p l ys y s t e m ，t h ev a l i d i t y o ft h ep r e s s u r i z a t i o na i r s u p p l ys y s t e mo fh e f e i p o s t & t e l e c o me d i f i c ew a st e s t e df i r s t l y t h r o u g ht h et e s to fv e l o c i t yo ne a c h a i r s u p p l yv e n ta n dt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，a r e l a t i o nb e t w e e nt h e v e l o c i t y o fp r e s s u r i z a t i o na i r i ne a c ha i r s u p p l yv e n ta n dt h ed i s t a n c ef r o m p r e s s u r i z a t i o nf a nt ot h ev e n ti sc a l c u l a t e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y a sar e s u l t ，ac r i t i c a l d r e s s u r i z a t i o nd i s t a n c ei si n t r o d u c e dw h i c hh a sar e f e r e n c e dm e a n i n g t oo p t i m i z et h e p r e s s u r i z a t i o ns y s t e mi nh i g h r i s eb u i l d i n g s s o m ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt o 中国科学技术大学硕士学位论文葡层建筑加丹i 送风系统的有救抖研究 e s t i m a t et h er e c i p r o c i t yb e t w e e nt h e mi nq u a l i t yt h r o u g ht h ed i f f e r e n to p e r a t i o n m a n n e ri n c l u d i n g o p e n i n g ”a n d “c i o s i n g ”i tp r o v i d e da v a i l a b l ed a t af o rt h e p r e s s u r i z a t i o n a i r s u p p l ys y s t e md e s i g n ，o n t h eo t h e rh a n d ，i tv a l i d a t e dt h e n e c e s s a r i t yo fe x h a u s ts y s t e mi nh i g h r i s eb u i l d i n g s s oi tp r o v i d e dag e n e r a ln e w r e s e a r c ht o o la n dd e s i g na p p r o a c hf o rp r e s s u r i z a t i o na i rs u p p l ys y s t e mo fl o b b y a p p r o a c hs t a i ra n da n t e c h a m b e r a tp r e s e n t ，f e wp e o p l et a k ef o c u so nt h ep r e s s u r i z a t i o na i rs u p p l ys y s t e ma n di t s i n f l u e n c et ot h em e c h a n i c a ls m o k ee x h a u s ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do n s o m es c a l i n ge x p e r i m e n t sa n ds o m ef i e l dt e s t s ，t h e nc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d s w e r ec a r r i e do u ta n dc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s o m ef a c t o ro f p r e s s u r i z a t i o ns y s t e mi nh i g h - r i s eb u i l d i n g sw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e d ，t h e ni tg i v e s s o m eg e n e r a lr u l e s ，a n di tw a sp r o v i d e dw i t hs o m ep r a c t i c a l i t yi nt h ed e s i g no f p r e s s u r i z a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：h i 酿一r i s eb u i l d i n g ，s h a h ，s m o k em o v e m e n t ，p r e s s u r i z a t i o ns y s t e m ， c o m p u t e rs i m u l a t i o n 第审绪论 第一章绪论 现代社会由于工业迅速发展，城市人口日趋密集，为节约占地面积和提高 使用效率，以商业、办公及住宅为代表的高层建筑正“把城市逐渐移向空中”。 二十世纪六七十年代后，各国高层建筑更如雨后春笋般拔地而起。高层建筑的 出现给人们的居住生活带来了很大的空间，但同时也出现了一系列的问题。高 层建筑发生火灾时将造成重大损失。火灾时，烟气是危害人员生命安全最主要 因素，本文从高层建筑的竖井结构出发，研究竖井内烟气运动规律，指出加压 送风系统在高层建筑防排烟中的重要作用及影响系统正常工作的各种因素，并 提出一些优化参考意见。本章首先介绍高层建筑发展状况及火灾危险性，接着 分析说明加压送风系统的优点及其应用并指出其不足，最后给出本文的研究目 的及意义。 1 1 高层建筑的发展状况 各国对于高层建筑的其实高度规定不尽相同，主要与本国的经济条件和消 防登高设备状况有关。例如美国定为7 层以上( 2 2 m 2 5 m ) ，英国定为2 4 3 m ， 日本定为3 l m 以上。在我国，将1 0 层以上居住建筑或高度超过2 4 m 的公共建 筑称为高层建筑，l o o m 以上的建筑称为超高层建筑( 1 l 。 1 1 1 国外情况 十九世纪后期，高层建筑首先在美国出现。美国的商业中心芝加哥，在1 8 8 5 年首先建造了l o 层的人寿保险公司大楼，这也是当时世界上第一幢摩天楼。 二十世纪初期，美国的高层建筑己达到五、六十层，高度在2 4 0 米左右川。 1 9 3 1 年在纽约建造了1 0 2 层高达3 8 1 米的帝国大厦，它保持世界最高建筑的记 录达4 0 年之久，直到1 9 7 3 年纽约建成世界贸易中心大厦后，这个记录才被打 破。该建筑为两座并立的1 1 0 层摩天大楼，高度为4 1 1 米。在1 9 7 4 年，芝加哥 又建成1 1 0 层、4 4 3 米高的希尔顿大楼，成为当时世界最高楼。 日本国内根据1 9 7 0 年的统计，高于7 0 米的建筑已有2 7 座。近年来发展更 为迅速，仅在高层旅馆方面就修建了4 0 层的新大谷旅馆一一新馆、4 7 层的京 中国科学技术九学碗一l 学位论文 高层建筑加压送风系统的有效牲研究 王广场旅馆、5 2 层的东京住友大厦及5 5 层的三井大厦等。另外，东京池袋区 副中心办公楼( 又称阳光大厦) 有6 0 层高2 4 0 米，是当时亚洲最高的建筑之一。 英国近年来的高层建筑占城市建筑的4 0 以上，较高的有6 0 多层。法国 的高层建筑占城市建筑的2 0 ，如巴黎1 9 7 3 年建造的曼+ 蒙巴拉斯办公楼，地 上为5 8 层地下6 层，高2 2 9 米。 其它各国，如加拿大，澳大利亚等也相继建造了很多高层建筑。 1 1 2 国内情况 解放前，在上海、广州、天津等城市，由国外设计建造了少量高层建筑。 新中国成立后，五十年代我国开始白行设计建造高层建筑，如北京的民族饭店 ( 1 4 层) 、民航大楼( 1 6 层) 等。1 9 7 5 年广州白云宾馆( 剪力墙结构3 3 层、 1 1 2 米) 的建成，标志着我国自行设计建造的高层建筑高度开始突破1 0 0 米a 八十年代我国高层建筑发展进入兴盛时期，十年内全国( 不包括香港、澳i 7 、 台湾) 建成1 0 层以上的高层建筑面积约4 0 0 0 万平方米，高度1 0 0 米以上的共 有1 2 幢。1 9 8 5 年建成的深圳国际贸易中心( 简中筒结构、5 0 层、1 6 0 米) 是 八十年代最高的建筑。九十年代我国高层建筑进入飞跃发展的阶段。截至1 9 9 8 年朱，全国( 不包括香港、澳门、台湾) 建成的1 0 层以上高层建筑面积约2 亿 5 千万平方米，高度1 0 0 米以上的高层建筑达2 0 0 幢，其中1 5 0 米以上的i 0 0 幢，2 0 0 米以上的2 0 幢，3 0 0 米以上的3 幢，最高的上海金茂大厦8 8 层、3 6 5 米、塔尖高度4 2 0 米。1 9 9 5 年发布的世界最高的1 0 0 栎建筑中上海金茂大厦、 深圳地王大厦( 8 1 层、3 2 5 米) 和广州中天广场( 8 0 层、3 2 2 米) 分别列为第 4 、1 3 和1 4 名。另外有4 6 0 米高的上海环球金融中心正在建造中”1 。2 0 0 3 年， 中国台湾建成1 0 1 金融大厦， 1 0 1 层，高5 0 8 米，目前世界最高。 1 2 高层建筑的火灾特点 高层建筑楼层高，功能复杂，设备繁多，一旦发生火灾，不能像一般建筑 那样从外部进行灭火，给扑救工作和人员疏散带来了很大的困难，容易造成重 大的经济损失和人员伤亡事故。国内外一些高层建筑火灾案例表明r 高层建筑 火灾的主要特点是蔓延迅速，烟囱效应强，极易向上迅速蔓延，几层同时燃烧， 第一帝绪论 形成立体火灾，而且热烟毒气危害严重，直接威胁着人们的生命安全 ”。高层 建筑火灾一旦失控，后果不堪设想。 1 火灾蔓延速度快 随着建筑物高度的增加，火灾蔓延速度大大加快，出现“烟囱效应”，主要 是高层建筑内存在各种狭长垂直通道，如电缆井、电梯井、水暖管道井、楼梯 间等口1 。如果防火分隔或防火处理不当，当发生火灾时，这些竖井就好像一座 座烟囱，成为火势蔓延的途径。据测定，火灾初期，由于空气对流造成的烟气 水平扩散速度为o 3 m s ，在燃烧猛烈阶段，水平扩散速度为o 5 3 m s ，而烟气 沿竖井的扩散速度为3 4 m s 。也就是说l o o m 高的建筑在无阻挡的情况下，3 0 秒钟左右烟气就能顺竖井扩散到顶层。随着高度的增加，其上空的风速也相应 增加，实测表明，当建筑物i o m 高处的风速为5 m s 时。在9 0 m 处的风速为l5 m s ， 高空风速大大加快【4 】。同时由于高层建筑物内人1 ：3 高度集中，电气设备越来越 多，用电量惊人，所以用电设备和电气线路引起的电气火灾在高层建筑中占有 更大的比例。一旦电线着火，火势顺着电线飞快散布，使得火灾很快蔓延开来。 所以高层建筑内一旦发生火灾，火灾蔓延速度大大快于低层建筑物的火灾 蔓延速度，降低高层建筑火势蔓延速度对于降低火灾损失、控制燃烧面积具有 十分重要的意义。 2 扑救工作困难 高层建筑高达几十米，甚至二、三百米，消防队员在高层建筑中进行扑救时， 其扑救面仅限于高层建筑起火层和上下层之问。由于层面相对较狭小，消防队 员的人数大大受限制，影响后援工作。为有效灭火，消防队员必须进入火场， 目前进入现场的方式有四种。 ( 1 ) 疏散楼梯：一般高层建筑都具有消防楼梯。北京消防总队曾对消防队员攀 登楼梯进入火灾现场进行灭火能力的测试，并规定当测试心率超过1 8 0 次m i n ， 呼吸次数超过4 0 次r a i n ，便认为该队员不具备战斗力。当其中一项测试数据超 过上述数据认为该队员是0 5 的战斗力。测试的消防队员体质中等，共1 5 人， 分三级，身着战斗服，脚穿战斗靴，手提两卷水带和水枪，从首层起跑，分别 登上8 、9 、l l 层。测试了队员的心率和呼吸数，根据这两个数据确定队员是否 有灭火战斗力，结果如表1 1 所示。而且火灾现场环境条件恶劣，地理状态复 中田科学技术大学颂一卜学位论文离层建筑3r u e , 送风系统的有效忡研究 杂，结果会很差，因此消防队员依靠楼梯登高灭火是不现实的。 ( 2 ) 消防电梯：普通电梯在发生火灾时，暂停使用，消防队员可利用消防电梯 进入火灾现场。但不少高层建筑物没有设消防电梯或消防电梯设计不规范。 表1 - l 消防队员体质测试实验结果 层次高度( m )5 人中具有战斗力的比例 82 0 3 97 0 92 3 2 05 0 1 12 9o ( 3 ) 云梯：在较大城市消防队往往配备云梯，但目前云梯高度只能达到2 4 m 高处，世界上最先进云梯车也只是登高5 0 m 。因此现代高层建筑仅依靠外部设 施控制和扑救火灾是相当困难的。 ( 4 ) 直升飞机：建筑物高度超过1 0 0 m ，且标准层面积超过1 0 0 0 m 2 的公共建筑， 宜设置屋顶直升飞机停机坪或供直升飞机救助设施。但目前国内很少有这种设 施和条件。 3 人员疏散困难 高层建筑内往往是成千上万人在工作和生活，人员常处于无组织状态，人 们的智力、体力和心理承受能力差异很大，而高层建筑疏散到地面的垂直距离 长。某些建有高层建筑的城市尚无登高消防车，或者高度不够，不能满足高层 建筑安全疏散和扑救的需要。电梯在火灾时由于切断电源等原因停止使用，因 此，多数高层建筑疏散通道往往靠楼梯，经楼梯进行疏散，真好比“自古华山一 条道”。一旦火灾发生，常常出现一片混乱，而这时如果烟气串入楼梯间，就会 严重影响疏散工作的进行，以致人为造成的人员伤亡比火灾造成的伤亡还大【5 j 。 火灾安全疏散模拟研究结果表明，一座1 1 层的建筑物的疏散时问需6 分半钟， 1 8 层为7 分半钟，5 0 层为2 小时2 1 分。而一般火灾从起火到蔓延的时间间隔 仅为7 分钟，在6 分钟时，火场的温度已达到3 0 0 4 0 0 。c ，因此实际火灾中， 火灾发展速度通常比人员疏散速度快。也就是说，当火灾发生时，健壮人员首 先要考虑的是及时报告和灭火，而不是疏散，只有魔高一尺，道高一丈，才能 将火灾扑灭在初期，才能阻止火灾蔓延。事实上，几十层的高楼在中间某层发 生火灾，要将人员全部疏散掉是相当困难的，应先将老幼病残向上下两个方向 4 一 第一章绪论 疏散、撤离或迁移到建筑物的其它安全区域或避难层，以离开火源。因为在火 灾发生时，全部燃烧的建筑物不到十分之一。 4 火灾隐患较多 一些高层综合性建筑物，功能复杂，可燃物多，火灾隐患亦多。如有的建 筑物设有百货营业厅，可燃物仓库或人员密集的食堂、餐厅等；有的办公建筑 出租给十几家或几十家单位使用，安全管理不一，潜在火险隐患多。一旦起火， 容易造成大面积火灾。火灾实例证明，这类建筑发生火灾，火势蔓延更快，扑 救、疏散更困难，容易造成财产损失大、人员伤亡大、政治影响大的严重后果。 1 3 火灾烟气性质及其控制 1 3 1 火灾烟气性质及危害 火灾中的死亡大多由于烟气窒息或中毒而造成的【6 】。因此，研究火灾烟气 的一些规律有着极其重要的意义下面就火灾烟气的一些性质及其危害作一些 简单介绍。 所有火灾都会产生大量的烟气。无论是两个不同火场，还是同一火场的不 同时刻，烟气的差别很大，成份也非常复杂。总体来说，火灾烟气是由以下三 类物质组成的具有较高温度的均匀混合物 7 ，即( 1 ) 气相燃烧产物：( 2 ) 未完 全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小颗粒；以及( 3 ) 未燃的可燃蒸汽和卷吸 混入的大量空气。火灾烟气中含有众多的有毒和有害成份、腐蚀性成份以及颗 粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，对生命财产以及生态环境都造成很大的危 女 co 火灾烟气主要有三种危害嘲，即( 1 ) 高温烟气携带并辐射大量的热量；( 2 ) 烟气中含氧量低，形成缺氧环境；( 3 ) 烟气中合有一定的有害物质、毒性物质 和腐蚀性物质，从而对生命和财产构成威胁和损害。每种危害的程度依赖于火 灾的物理特性，即释热速率、火源、供氧等，同时也与其它因素，诸如建筑结 构特点、距火源距离等有关。实际火灾中，火灾的物理特性及其它有关因素随 时随地变化。 一旦建筑内发生火灾，烟气从火区向四处蔓延，迅速充满楼梯井及电梯井， 中田科学技术大学 丽士学位论文 高层建筑加压送风系统的有效性研究 阻断和封闭疏散通道，危及生命财产安全。以上介绍了烟气的性质及其严重的 危害性，由此可见研究烟气的蔓延特性及其控制就显得尤为重要，对建筑中烟 气蔓延和规律的了解是灭火中对火势发展做出f 确判断、以及建筑设计中做好 烟气控制系统设计的前提。 1 3 2 高层建筑一般烟气控制方法 1 排烟 火灾中产生的烟气具有较高的温度，在浮力作用下，它将上升到建筑物的 上部，形成逐渐加厚的高温烟气层。一般认为，室内可大体分为上部烟气层和 下部烟气层两个基本点区域，排烟的目的就是有效地将上层烟气排出使之不会 下降到对人、物构成危害的高度。 排烟的方式主要有自然排烟和机械排烟两种基本方式。 ( 1 ) 自然排烟 自然排烟是利用烟气产生的浮力，利用热烟气和冷空气的对流运动将烟气 通过建筑物上部的排烟口将烟气排放出去；自然排烟是一个比较缓慢的过程， 当室内火源仍然存在的情况下，单纯靠自然排烟是无法达到彻底排除烟气和及 时排除烟气的。自然排烟方式的优点是：不需要电源，设备简单，节约投资， 可兼作平时排气用。其缺点是：排烟效果受室外气温、风向、风速的影响，特 别是排烟口设置在迎风面时，排烟效果很不理想1 9 j 。 ( 2 ) 机械排烟 机械排烟是利用具有一定抽力的风机进行强制排烟。机械排烟是控制烟气蔓 延的最有效的方法。一个优良的机械排烟系统在火灾时能排出大部分烟气及8 0 的热量，从而使室内的烟气浓度和温度大大降低，对人员安全疏散和扑救起着重 要的作用。但是机械排烟投资较大，维修管理麻烦，需要额外的电力设备维持其 正常使用。由于在火灾时很容易导致电力设施中断，所以机械排烟方式在某种程 度上说也不是很安全的。 为了减缓烟气在建筑物内的沉降，所选用的排烟措施必须保证有足够大的 排烟速率。在排烟过程中，烟气层的变化主要由烟气的生成速率的相对大小确 一6 第一章绪论 定。当排烟速率大于烟气的生成速率时，烟气层就不会沉降下来。大量试验表 明，着火房间中的火灾烟气温度都在几百度，热烟气容易浮到顶棚之下，形成 自上而下逐渐加厚的烟气层。如果房间上部安装功率足够大的排烟风机，就能 够将烟气层控制在对人员没有影响的高度。在进行排烟的同时还必须进行补风， 因为排烟过程是烟气与空气对流置换过程。补风口的面积必须足够大，且应分 布合理，否则还容易造成烟气与空气的掺混，达不到预定的排烟速率。另外， 如果补风口过于靠近火源，还可能造成燃烧强度的增大。 2 挡烟 一、固体壁面挡烟 在建筑物中，墙壁、隔板、楼板、门窗和挡烟垂壁都可起到阻挡烟气蔓延 的作用。这种方法是控制烟气蔓延的基本方法。使用固体壁面当烟主要是在建 筑物内形成一定大小的防烟分区，分区的格局设计得合理，可为其他挡烟措施 的应用提供便利条件。防烟分隔的壁面材料必须具有一定的耐火性能，以防止 烟气温度过高而遭破坏。然而，在许多建筑物中，为了适应工作或经营，需要 进行跨越防烟分区的活动，这时则必须设置活动的门或窗帘等。这些构件也必 须具有足够好的耐火性。 现在人们对门窗的防火性能已经比较重视，但对它们的防烟性能还注意不 够。不少门的边框缝隙较大，又没有防烟密封条，起不到挡烟的效果。在许多 防烟隔墙或隔板上，还留有大量穿管穿线用的洞口，它们也可能构成烟气跨越 区蔓延的重要途径，尤其是那些穿越楼板的竖直洞口，非常有利于烟气的蔓延。 一般说，在施工结束后应当将这类洞口封堵起来。问题是经常出现封堵不好的 情况，使这些洞口成为防烟分隔的薄弱环节。不少火灾事故的扩大恰恰是忽略 这方面的问题而造成的。 二、空气流挡烟 当门被打开或者在没有门的通道中，空气和烟气就会发生逆向流动。若空 气流速较低，烟气便可经过通道的上部逆着空气流进入避难区或疏散通道；但 如果空气流速足够大，烟气逆流便可全部被阻止住。阻止烟气逆流所需要的空 气流率主要由火灾的热释放速率决定。在长走廊大火灾烟气控制中，比较适宜 中圈科学挫术人学硕卜学位论文 一茼层建筑加骶送风系统的有效性略f 究 采用空气流挡烟，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 空气流挡烟示意图 三、正压送风挡烟 加压送风技术是一种行之有效的挡烟方式，加压送风防烟方式是向防烟楼 梯及其前室、消防电梯前室或合用前室加压送风以造成一定的压力差，从而防 止烟气侵入这些疏散通道【1 0 】。如图1 - 2 ：若某隔墙上的门是关闭的，门的高压 侧可以是人员的疏散通道或避难区，低压侧存在热烟气，于是穿过门缝的空气 流能够阻止烟气渗透到高压侧来。在高层建筑中，楼梯和电梯前室是重要的安 全区，是楼内人员疏散的必经之地，对前室加压，应当造成楼梯间内的压力大 于前室压力、前室的压力大于楼层走廊内压力的情况。 h 5 一 矿懿蠢 图1 - 2 加压送风及机械排烟示意图 一般采取以下几种送风方式【1 1 1 ： ( i ) 仅对楼梯间加压 用风机将空气送入楼梯井，空气通过楼梯间与前室之间的门进入前室，进 而在前室与走廊的门处将烟气挡住。这种设计将整个楼梯井当作送风竖井，修 建最容易，但所需的送风量较大。另外，由于空气必须先通过楼梯间的门才能 进入前室，因此该门的通畅程度及前室的大小都对前室的压力有重要影响。 ( 2 ) 仅对前室加压 第一章绪论 利用专用的竖井将空气送入各层的楼梯间的前室，而设在各前室内的进风 口的开启与关闭均通过某种信号控制。这样人们能够仅对着火层及其相关层的 前室送风，从而大大提高风机工作效率。由于前室的空气沿向楼梯间和楼层走 廊两个方向流动，故送风压力应当较高，而前室内的压力变化较大。 ( 3 ) 楼梯间前室分别加压 采取两套独立的送风系统。这种设计能够较好地控制压力的波动，当某个 门打开时，楼梯问和前室的压力不会突然降低，而且可把开门对增压的不利影 响主要限制在着火层。虽然这种形式复杂，造价也要高一些，但防烟效果较好。 可以通过合理的设备选型和风量分配来降低造价。为了保证加压引起的膨胀不 成为新的问题，加压系统中应当设计一种可将烟气排到外界的通道。这种通道 可以是顶部通风的电梯竖井，也可由排气风机完成。 1 4 加压送风系统的研究背景及意义 i 1 4 1 加压送风防烟方式的优点 国内外对加压送风防烟进行过系列的研究，作者通过调研大量的文献，总 结出加压送风的主要优点如下 1 2 , 1 3 , 1 4 , i5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 ： 正压送风防烟方式的主要优点，是防烟楼梯间、前室和合用前室保持一 定正压，避免了烟气侵入这些区间，为火灾时的人员疏散和消防人员的扑灭提 供了安全地带；二是由于采用了这种防烟方式时，走道或房间均设有排烟设施。 这样就产生了一种有利的气流分布形式。气流由正压前室流向非正压间，一方 面减缓了火灾的蔓延扩大，另一方面，由于人流的疏散方向与烟气流动方向相 反，减少了烟气对人的危害，可降低对建筑物某些部位的耐火要求；三是便于 旧式建筑物的防排烟技术改造。 l 确保疏散通道的绝对安全 对作为重要通道的楼梯问等处采用正压送风防烟方式，同时对着火区域采 用自然排烟的组合防排烟方式能有效地保证疏散通道的安全。即使在某些情况 下，偶然有少量烟气侵入，但在很短时间内就能被稀释排除，并不因此而降低 疏散通道的安全性。这一优点己被大量的试验和火灾实践所证实。 中国科学技术大学硕一l 。j 学位论文高层建筑加压送风系统的有效性研究 2 降低对建筑物某些部位的耐火要求 如前所述，以往为确保疏散通道的绝对安全，要求对疏散通道内的所有维 护结构和进出口的门都要用耐火材料制作，这是完全必要的。但是采用正压送 风的防烟方式后，一方面能有效地防止烟气侵入到疏散通道中去，另一方面由 正压系统供入的新鲜空气对烟气起到冷却作用，降低了整个着火区的温度水平， 也相应降低了可能侵入疏散通道的烟气的温度。这样一来，原先对疏散通道的 耐火要求就可以适当降低，包括维护结构和进出口的门等：至于降低的幅度是 多少，尚有待进一步通过试验和实践后再予以认定。某些国家把楼梯间的门的 耐火极限定为9 0 分钟，在对楼梯间采用了正压送风防烟方式的情况下，完全不 必要有这么高的耐火要求，况且这些门在火灾的大部分时间内，由于疏散和扑 救的需要，常常处于开启状况，本身也不需要有那么高的耐火要求。采用正压 送风防烟方式可以在一定程度上降低疏散通道的造价，从而降低整个建筑物的 消防初投资。 3 便于旧式建筑物的防排烟技术改造 许多旧式建筑物，没有很好考虑和解决防排烟的问题，最多是采用外窗进 行自然排烟。且不说排烟的效果如何，更重要的是随着家具、室内装修的现代 化，这些旧式建筑物发生火灾的危险性和危害性大大增加，为了贯彻“以防为主， 防消结合”的方针，对这些旧式建筑物进行必要的防排烟技术改造势在必行。正 压送风防烟方式为这种改造提供了捷径，而且可以较小的投资收到较好的效果： 首先是建立正压送风系统比较简单，只要对楼梯间等作为疏散通道的部位 送入足够数量的新鲜空气，以维持一定的正压值就可以满足技术要求，不必对 建筑物本体进行较大的改造，工作量较小，改造工期较短。 其次是对疏散通道的耐火要求较低，这样原有的楼梯间等疏散通道的维护 结构和进出口的门基本上可以原封不动，既省工又省料。 1 4 2 加压送风防烟方式在国内外的应用 目前，正压送风防烟方式在国内外被认为是最安全可靠的一种防烟方式， 而且也较为简单，投资较省，操作方便，因此，近年来得到飞速发展，己被许 多国家采用，在美国、加拿大等欧美国家己成为最主要的防烟方式；在日本， 第一章特论 近年来这种方式也大有取代其它防烟方式的势头【2 “。由于各国的情况不同，所 积累的运行经验和实验数据也不同，所以在具体应用中也各有特色。 一、中国 近年兴建的一些大型高层建筑中己经采用了正压送风防烟方式，如广州中 国大酒店、山东齐鲁大厦、常州工贸大厦、岳阳国际大厦、南京金陵饭店、上 海花园饭店、大连国际饭店、深圳晶都大酒店、北京国际大厦等均采用了这种 防烟方式。在具体做法上有所不同，包括对楼梯间及其前室共同加压送风，对 楼梯间或前室单独加压送风，对消防电梯前室或合用前室加压送风等。总之， 在我国正压送风防烟方式正越来越成为建筑设计人员感兴趣和重视的方式。但 鉴于我们缺少实践运行经验，更没有试验研究的数据，目前只能借鉴外国的经 验，结合我国的国情，在摸索中发展。 二、美国 美国是较早采用正压送风防烟方式的国家之一，但在美国广泛采用的并不 是单纯的加压送风方式，而是既有加压送风又有排烟的防排烟结合的方式。为 实现防烟楼梯间不受烟气侵害，美国主要是通过对楼梯间、前室以及走廊等部 位维持不同的压差值来达到。如美国统一建筑规范规定楼梯间要加压到1 2 5p a ， 而楼梯间前室压力应比楼梯间最低压力低2 5p a 。 三、加拿大 加拿大也是较早采用正压送风防烟方式的国家之一。加拿大国家建筑规范 斟b c ) 规定，凡高度在6 0 英尺( 1 8 3 m ) 以上的建筑物，均应采用烟气控制法。 在所推荐的七种烟气控制方式中加压送风防烟方式就占了五种。加压方式分为 全部加压方式和部分加压方式两种。全部加压方式是利用空调换气设备向楼梯 间、电梯间进行送风，对整个建筑物全面加压，仅仅在着火层的对外开口处排 烟，部分加压方式又分为如下四种( 1 ) 对作为疏散通路的竖井，如楼梯间和电梯 间加压；( 2 ) 对作为疏散通路的主走道加压；( 3 ) 将建筑物垂直划分防烟分区，对 分区加压；( 4 ) 对包括楼梯间在内的较大范围的疏散分区加压。 四、法国 法国早在1 9 6 7 年就制定了对楼梯问加压使其保持正压的法规，目前法国的 正压送风防烟系统主要有两种方案，如图1 - 3 ( a ) 所示，除了楼梯间及其前室送 中国科学技术大学硕士学位论文 高层建筑加压送风系统的有效性研究 风外，对走道也给予送风，而排气除了在走道外，在前室也予以排气；方案( b ) 表示，只对楼梯问及其前室加压送风，而排气则仅在走道处。两种方案的共同 点是楼梯问和前室均保持j 下压，而走道维持负压，但前室正压值低于楼梯间正 压值。 ( a )( b ) 图1 - 3 法国正压送风防烟系统的两种方案 1 进风道2 排风道3 空气排出口 五、英国 英国早在1 9 6 4 年就开展对正压送风防烟方式的试验研究。长期以来，英国 主要倾向于对楼梯间及其前室加压送风，并维持楼梯间与前室的正压值相同， 或前室的正压力稍低一些，并且在楼梯间及其前室内一般不考虑排气，而是在 建筑物外围部分的房间或辅助房间内排气。 六、日本 日本过去一直倾向于采用自然排烟和机械排烟、自然进风两种排烟方式。 特别对自然排烟，同本法规作了详尽规定，并要求优先考虑采用。但是从七十 年代后期开始，越来越多地采用正压送风防烟方式，并大力推广。采用较多的 是对前室加压送风，并且在发生火灾时只使着火层的前室保持正压，近年来的 东京新宿中心大楼和野村大楼均采用前室正压送风防烟方式。 1 4 3 加压送风防烟方式存在的问题 虽然正压送风防烟方式的优点很突出，但这种防烟方式也存在一定的问题， 例如当正压送风楼梯间的正压值过高时，会使楼梯问通向前室或走廊的门打不 开。当送风竖井很高时，可能出现靠风机较近的区段风压较高，远离风机的区 第一辛绪论 段风压较低，空气量分配不均可能影响控制系统的f 常工作。加压送风系统对 机械排烟系统也会产生一定的影响，它们的不同丌启状况会促使火灾的发展等 等。这些都是值得注意和解决的问题。 图1 - 4 楼梯间门的受力情况 如图1 4 所示为门的受力情况，p 为楼梯间与前室或走廊的压力差，为 人的臂力，尬为自动关门器的回转力矩，对普通的门可以认为地= 0 。如门的 面积为b 。x h 。，则作用于门上的力矩平衡方程为： f ( 民一6 ) = m ，+ a p 县。x 巩阜 ( 1 4 1 ) f ：生+ 一a p b 2 h i n ( 1 4 - 2 ) 瓯一b2 ( 民一6 ) 式中b 。一门洞开口宽度( m ) ： 6 一门的把手与门外边的距离( m ) ： h 。一门洞开口高度( m ) ； 因为b 远小于b 。可予以忽略，则 f ：坐+ 垒! ：当丝 n i ( 1 4 3 ) b2 一般人的臂力：妇女和儿童约为1 0 0 n ，男人约为1 5 0 2 0 0 n ，通常的自动 关门器或弹簧的回转力矩为1 5 - 9 0 n m 。当门的宽度b 。= l m ，高= 2 m ，晒 = 5 0 n m ，a p = 5 0 p a 时，由式( 1 4 3 ) 计算得到f = 1 0 0 n 。所以，通常对自动关闭 的门内外压力差控制在3 0 5 0 p a 为宜，当a p 5 0 时就可能使妇女和儿童打不开 门。对普通的门，由于 开= 0 ，当门内外压力差a p = 1 0 0p a 时，= 1 0 0 n ，这 就是说，从打开门的角度来说，门内外的压力差可不受5 0p a 的限制，但从不 使送风机的压头和容量过大，亦即从不使设备的初投资过大的角度出发，则不 希望门内外的压力差高于5 0p a 。由上可见，门楣外的最大允许压力差为1 0 0p a 。 中国科学技术大学硕：卜学位论文高层建筑加压送风系统的有效性研究 在前室与楼层走廊门的两侧保持多大的压差是需要重视的问题。人们需要 克服一定的阻力。这种阻力除了风机造成的压差外，还包括关门器的作用力、 门轴摩擦力、门和门框的摩擦力等。门的装配质量低劣可能导致这种阻力很大。 若所需的开门力过大将导致人们开门困难，以致无法进入前室。 l ，4 4 研究目的及意义 近年来，火灾的直接损失和防治费用在我国和世界都呈上升的趋势。面对 着火灾的巨大挑战，为了减少火灾的发生，控制火灾的发展和蔓延，减少火灾 对人员的伤亡，迫切需要一些相应的研究工作。如何最大限度地减少火灾时烟 气的生成量；如何使火灾时产生的烟气迅速排除，从而有效地防止烟气从着火 区向非着火区域蔓延扩散，特别是防止烟气侵入作为疏散通道的走廊，楼梯问 及其前室，以确保有安全的疏散通道和安全疏散所需的时间。这些是防排烟设 计的主要目的和任务。有关加压送风的研究，国外在2 0 世纪后期进行过较多的 现场试验及模型试验，表1 2 给出了一些较为重要的试验项目研究 2 2 】。 表1 - 2 国外重要试验研究项目 项目名称研究内容意义 h e n r yg r a d y 旅馆 楼梯间和电梯加压验证加压可以创造无烟安全区 测试( 1 9 7 3 ) 教堂街办公大楼楼梯问加压建立了楼梯竖井空气流动的理论模 试验( 1 9 7 3 )型；发现楼梯间开门处存在静态漩涡 德国汉堡办公楼楼梯日j 加胜和日u 至第一次在新建建筑物内进行烟气控制 试验( 1 9 7 6 )加压 试验 竖井压力损失研 竖井空气泄漏特征 认识到楼梯竖井和电梯井空气泄漏直 究( 1 9 7 6 ) 和楼梯竖井的空气接影响加压送风效果；楼梯竖井存在 流动损失压力损失影响其压力分布 丽络模型有效性楼梯间加压空气流通过试验验证了计算机网络模型的假 研究( 1 9 8 6 )动分析设有效性问题 n i s t n r c c 电梯 电梯加压概念、活塞电梯烟气控制及利用电梯进行人员疏 项目研究( 1 9 8 6 )效应相关设计考虑散具有可行性 楼梯竖井的压力不同特征条件下加系统研究了楼梯踏步类型、楼梯间层 损失( 1 9 8 8 )压楼梯竖井的压力高、物理模型代替真人、人员密度等 损失对楼梯竖井压力损失的影响 楼梯问加压系统各种不同楼梯间泄 利用塔式火灾试验楼进行大规模试验 项目研究( 1 9 9 0 )压方式分析及着火 和数据测试 层机械通风影响 第一章绪论 我国的消防工程起步较晚，对防排烟工程的研究投入不够，已经建成的相 当一部分高层建筑没有防排烟设施，或者很简单，很不完善；而越来越多的高 层建筑还没有一个较成熟的防排烟实际方案；各方面的试验数据也比较欠缺。 实践表明t 火灾时死者大部分不在着火层，而在火灾层的上层，因此在防烟问 题上与其说考虑火灾层倒不如说对其上层的安全性更应予以充分考虑。那么远 离火灾层的楼层防姻，用机械加压送风方式是理所当然的，虽然机械加压送风 方式在欧美广泛应用，但由于建筑物的尺寸及其气密性、火灾发生地点及建筑 物内外温差和外部风力、环境条件等，对防排烟系统的功能都有很大影响，加 压送风系统本身也存在着一些问题，对这些问题的研究及其条件的限制都有待 进一步深化。因此，本文作者希望通过小尺寸实验和现场实验研究对高层建筑 加压送风系统的有效性及其影响因素做出定的分析，以期在实际工程中有一 定的指导意义。 1 5 本文的内容安排 本文共分为六章： 第一章绪论介绍本文研究背景及研究意义。 第二章主要介绍加压送风防烟的分类及送风方式，并对火灾烟气流动的研 究方法及本文的实验做简要介绍。 第三章通过小尺寸竖井实验台实验，研究火灾情况下竖井内部的烟气运动 蔓延状况及其流速、压力分布。 第四章通过现场测试和计算机模拟研究加压送风系统的送风口速度随送风 距离的变化，提出有效送风距离的概念，并对送风的有效性进行探讨。 第五章通过加压送风与机械排烟系统不同开启方式的现场实验和计算机模 拟，分析它们之间的相互作用，给出较为合理的防排烟设计方案。 第六章为全文的总结和创新点及下一步的工作展望。 中周科学披术大学坝卜学位论文 商层建筑加压送风系统的有效性研究 参考文献 1 】章孝思高层建筑防火北京