CN112632448B - 耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，可紧密结合自然排烟设施的设计工况，将自然排烟设施的几何特性、室内火场烟气特性及室外环境风场特性三方面影响因素均充分纳入计算体系中，从而有效改善了现有计算方法未能充分考虑自然排烟设施于设计工况下的排烟环境、计算准确性低的缺陷，实现了自然排烟设施有效排烟面积的系统化、精细化、科学化计算，极大提升了计算方法的合理性和准确性。

Description

耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法

技术领域

本发明涉及消防工程技术领域，具体涉及耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法。

背景技术

因高温烟气灼烧或中毒致死的情形占据了火灾各项亡人死因的首位，火场烟气的高效排出是降低火灾亡人率的重要保障。自然排烟由于其高效经济的特点，被视为一种行之有效的排烟方式被广泛应用于大量建筑工程中，其中自然排烟窗等自然排烟设施作为自然排烟设施的核心组件，是助力火灾烟气排至室外的重要桥梁和媒介，其有效排烟面积的大小往往决定了自然排烟效能的优劣。

在进行自然排烟设施设计时，对每个自然排烟设施有效排烟面积的确定均应以等效体现排烟能力为原则力求准确，否则所计算的系统总有效排烟面积可能并未真正达到设计要求，从而使自然排烟设施在火灾发生时无法具备应有的排烟能力，加剧人员伤亡和财产损失。而自然排烟设施的排烟能力不仅取决于其几何特性，同时也与室内火场烟气特性和室外环境风场特性密切相关，只有将此三类因素对自然排烟设施排烟能力的影响均充分纳入计算方法中，才能获得更加准确的有效排烟面积值。

目前，我国和日本主要通过计算设施开启扇叶在水平或垂直方向上的投影面积或烟气流经设施孔洞时有效可流通通路的截面积来确定自然排烟设施的有效排烟面积。此种计算方法虽操作简单，但是很难等效体现设施孔洞长宽比及扇叶开启方向等几何特性的差异在有效排烟面积大小上的反映，即采用此方法计算出的有效排烟面积值完全相同的两个自然排烟设施，其局部阻力特性和排烟能力实际可能差异很大。故此种计算方法仅部分体现了自然排烟设施几何特性对有效排烟面积值的影响，而对室内火场烟气特性和室外环境风场特性产生的影响则完全没有体现。

美国对自然排烟设施有效排烟面积的计算主要以空气动力学有效面积为指标，即基于空气动力学原理，以自然排烟设施的流量系数与设施孔洞面积的乘积作为有效排烟面积。此种计算方法在同一基准下将各类自然排烟设施几何差异对有效排烟面积的影响均等效反映于流量系数这一指标，较好体现了自然排烟设施几何特性对有效排烟面积值的影响，但对室内火场烟气特性和室外环境风场特性产生的影响仍完全没有体现。此外，对于流量系数的确定，其相关标准规范中除规定可参照制造商或标准中提供的推荐值以外，并未提供具体的确定方法。

澳大利亚对自然排烟设施有效排烟面积的确定与美国相同，也以空气动力学有效面积为指标，但其制定了用于专门确定流量系数的测试标准AS2428.5-2004(R2016)，采用测试计算的方式计算有效排烟面积。标准中规定对流量系数的测试需至少进行6次后取平均值，且每次流经自然排烟设施的气体流量需增大20％。该规定虽看似体现了不同烟气流量对有效排烟面积的影响，但测试方法中流经自然排烟设施的气体是由风机机械动力所驱动的常温空气，这与实际火场中高温烟气在浮力驱动下自然上升并流经自然排烟窗的流场特性并不相同。因而，该计算方法虽较好体现了自然排烟设施几何特性对有效排烟面积值的影响，但仅部分体现了室内火场烟气特性产生的影响，而对室外环境风场特性产生的影响仍完全没有体现。

目前代表国际领先水平且相对完善的是欧洲标准EN 12101-2:2017中所规定的自然排烟设施有效排烟面积计算方法，其同样以空气动力学有效面积为指标，并考虑了室外环境风场特性对有效排烟面积产生的影响。但该测试计算方法所规定的有环境风工况的环境指标虽考虑了不同的风向角，却在风速指标上仅粗略规定风速值不小于10m/s，并未精细化地体现自然排烟设施安装处距室外地坪的高度以及安装处近地层风速廓线的轮廓特性对直接作用于自然排烟设施处的环境风速值的影响。而在室内火场烟气特性所产生影响的体现上，该测试计算方法与前述澳标相同，均采用风机驱动的常温空气作为流经自然排烟设施的气体介质，较难真实反映实际火场的烟气特性。此外，其规定有环境风工况特定送风角度下自然排烟设施的流量系数按设施两侧压差值为0.082倍环境风动压时所对应的流量系数确定。而实际火场中，在特定的室内建筑几何结构下，室内外的压差大小主要取决于室内火场与室外风场的博弈结果，而并非各类室内火灾荷载特性对应于各种室外风速和风向时，自然排烟设施两侧的压差值均始终维持于0.082倍的环境风动压值。因而，此计算方法虽较好体现了自然排烟设施几何特性对有效排烟面积值的影响，但仅部分体现了室内火场烟气特性及室外环境风场特性产生的影响。

综上，目前国内外成熟技术中，尚未有一种自然排烟设施有效排烟面积计算方法将自然排烟设施的几何特性、室内火场烟气特性及室外环境风场特性三方面因素对自然排烟设施排烟能力的影响均充分纳入计算体系中。

发明内容

针对现有有效排烟面积计算方法未能充分考虑自然排烟设施于设计工况下的排烟环境，计算准确性低的缺陷，本发明公开了耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，可紧密结合自然排烟设施的设计工况，将自然排烟设施的几何特性、室内火场烟气特性及室外环境风场特性三方面影响因素均充分纳入计算体系中，从而可以更加系统化、精细化、科学化地计算自然排烟设施的有效排烟面积，极大提升了计算方法的合理性和准确性。

耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，包括以下步骤：

S1、根据目标防烟分区自然排烟设施的设计排烟量M[kg/s]、储烟仓烟气密度ρ[kg/m³]以及总有效排烟面积A_e,total[m²]计算设计火灾场景及设计清晰高度下储烟仓所蓄烟气在无风环境下与外界大气之间的压差值Δp₀[Pa]；

S2、通过具备环境风及火场烟气模拟能力的测试平台，获得不同火源功率Q[kW]下几何开口面积为A_v[m²]的自然排烟设施的内外侧压差Δp[Pa]及所流经烟气的质量流量m[kg/s]和温度T[K]，并根据上述参数计算自然排烟设施在无风环境下相应工况的流量系数值C_v[-]；

S3、对步骤S2得到的各压差值及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随其内外侧压差变化的函数关系C_v＝f(Δp)；对步骤S2中获得的各压差值及其对应的火源功率值进行拟合，得到火源功率随自然排烟设施内外侧压差变化的函数关系Q＝f(Δp)；

S4、将步骤S1中计算得到的压差值Δp₀[Pa]带入步骤S3所述的两函数关系中，并求得自然排烟设施在无风环境下的流量系数值C_v0[-]及为实现上述压差值测试平台所需采用的火源功率值Q₀[kW]；

S5、通过查询自然排烟设施实际安装地的气象资料获取当地12个月中各月累年月平均风速的最大值u₁₀[m/s]，同时结合自然排烟设施的实际安装标高z计算其在有风环境下可能面临的环境风最大平均风速u_z[m/s]；

S6、以步骤S4中计算得到的火源功率值Q₀作为有风环境测试时测试平台的火源功率设置值，同时以步骤S5计算得到的风速u_z作有风环境测试的环境风速上限，根据步骤S2的测试数据种类及流量系数计算方法，通过测试平台获得相应数据并计算在不同环境风速及风向角影响下自然排烟设施的流量系数值；

S7、对步骤S6得到的各环境风速u[m/s]、风向角θ及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随环境风速及风向角变化的函数关系C_v＝f(u,θ)；

S8、计算步骤S7所得函数关系的最小值，获得有风环境下自然排烟设施的最小流量系数值C_vw[-]和此时的最不利环境风速u_w[m/s]及最不利风向角θ_w。

S9、以步骤S4中获取的无风环境下的流量系数值C_v0与步骤S8中获取的有风环境下的最小流量系数值C_vw中的较小值作为最不利工况下的流量系数值，计算自然排烟设施的最小有效排烟面积A_e,min[m²]；其中A_e,min＝A_v·min(C_v0,C_vw)。

优选的，步骤S1中压差值的计算公式为

优选的，步骤S2和步骤S7中流量系数值的计算公式为

优选的，步骤S5中最大平均风速的计算公式为u_z＝u₁₀(z/10)ⁿ，其中n表示地面粗糙度系数，当为光滑地面、硬地面或海洋时取0.1；当为草地时取0.14；当为城市平地、有较高草地、树木极少时取0.16；当有高的农作物、篱笆，树木少时取0.2；当树木多、建筑物极少时取0.22～0.24；当为森林、村庄时取0.28～0.3；当为城市有高层建筑时取0.4。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述计算方法以自然排烟设施的室内外侧压差值作为反映设计工况下自然排烟设施真实排烟环境的关键纽带，从而以测试计算的方式通过计算自然排烟设施在受室内火场及环境风场影响时各工况室内外侧压差值所对应的设施流量系数值来确定有效排烟面积，计算方法合理巧妙，排烟环境复现性强，计算准确性高。

2、本发明所述计算方法中步骤S2和S6参与流量系数计算的相关烟气特性参数均为真实火源下的测试结果，改进了现有计算体系均以常温空气参数代替高温烟气参数、无法真实反映实际火场中高温烟气流场特性的不足。

3、本发明所述计算方法始终与自然排烟设施的设计参数紧密结合。在进行无风环境的计算时，以步骤S1中目标防烟分区在设计火灾场景及设计清晰高度下计算出的室内外侧压差作为自然排烟设施流量系数计算的压差工况点，改进了现有计算方法在进行无风环境计算时并无明确工况点、仅用各压差点流量系数平均值表征目标流量系数值的不足。在进行有风环境的计算时，以步骤S4算出的实现无风环境压差工况点所需的火源功率、环境风场特定风速及风向角共同影响下的自然排烟设施内外侧实际压差作为自然排烟设施流量系数计算的压差工况点，改进了现有计算方法在进行有风环境计算时仅以0.082倍环境风动压作为目标压差工况点、无法体现室内火场与室外风场综合影响作用的不足。

4、本发明所述计算方法在进行有风环境的计算时，基于自然排烟设施安装地的风场特性，以步骤S5计算出的其实际安装标高处的累年月平均风速的最大值作为环境风场的风速上限值，对多组风速值下的流量系数值进行测试计算，改进了现有计算体系仅用一种不小于10m/s的固定风速值进行测试计算、无法精细化地反映直接作用于自然排烟设施实际安装处环境风速值大小的不足。

5、本发明所述计算方法更加精准地将环境风场及火场烟气特性对自然排烟设施有效排烟面积的影响因素纳入了计算流程，改进了既有计算方法可能造成有效排烟面积计算值偏大或偏小，从而使所设计的自然排烟设施无法满足实际排烟需求或虽满足需求但安全冗余度过高造成成本浪费的弊端。

附图说明

图1为本发明计算方法流程图；

图2为本发明自然排烟设施流量系数随其内外侧压差变化的函数关系；

图3为本发明火源功率随自然排烟设施内外侧压差变化的函数关系；

图4为本发明自然排烟设施流量系数随环境风速及风向角变化的函数关系；

图5为本发明所述测试平台结构示意图；

图6为本发明所述测试平台沿A-A线剖视结构示意图；

附图标记：1、烟气发生装置，2、环境风模拟发生装置，3、控制器，11、旋转安装台，12、集烟罩，13、蓄烟静压室，14、第一测试装置，15、第二测试装置，16、第三测试装置，17、引流管，18、安装口，19、均流格栅，21、剪式升降台，22、变频风机，23、均风腔体，24、送风口，31、数据采集器，32、控制柜，33、PC终端，131、导流板，132、电动推杆，171、快拆堵头。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明做进一步说明：

实施方式

本实施方式作为本发明的一较佳实施方式，其公开了耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，在本实施方式中将以位于辽宁省大连市的一栋多层厂房的自然排烟设施设计为例对本方法的实施步骤进行详细说明：

S1、通过查阅该建筑的设计资料，取得关于该厂房的以下设计数据：该厂房未设喷淋系统且目标防烟分区位于该多层厂房的顶层，该层层高为8m，待安装自然排烟设施几何开口面积A_v为1m²，拟设置于该层的顶部，顶部距室外地坪高度为47m。将该防烟分区设计清晰高度设为2.4m，系统总有效排烟面积与总有效补风面积的设计面积比设为2：1，设计火源功率值设为8MW；

结合上述数据，根据国内外既有防排烟系统设计计算方法，可求得目标防烟分区自然排烟设施的设计排烟量M为13.623kg/s、储烟仓烟气密度ρ为0.708kg/m³以及系统所需的总有效排烟面积A_e,total为4.04m²，将上述数据代入以下表达式可以求得储烟仓所蓄烟气与外界大气之间的压差值，即自然排烟设施室内外侧之间的压差值Δp₀为8.03Pa；

其详细计算公式为：

S2、S2、通过具备环境风及火场烟气模拟能力的测试平台，获得如0.1MW，0.2MW，0.3MW，0.4MW，0.5MW，0.6MW等不同火源功率Q[kW]下几何开口面积为A_v[m²]的自然排烟设施的内外侧压差Δp[Pa]、所流经烟气的质量流量m[kg/s]和温度T[K]，并根据上述参数计算自然排烟设施在无风环境下相应工况的流量系数值C_v[-]；

其计算公式为：

S3、对步骤S2得到的各压差值及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随其内外侧压差变化的函数关系C_v＝f(Δp)，其函数曲线如图2所示；对步骤S2中获得的各压差值及其对应的火源功率值进行拟合，得到火源功率随自然排烟设施内外侧压差变化的函数关系Q＝f(Δp)，其函数曲线如图3所示。

S4、将步骤S1中计算得到的Δp₀＝8.03Pa带入步骤S3中的两函数关系式，求得无风环境下自然排烟设施的流量系数值C_v0为0.823，为实现上述压差值测试平台所需采用的火源功率值Q₀为1.481MW；

S5、于中国地面累年值月值数据集中查得大连市12个月中各月距地10m高度处的的累年月平均风速值，并以其中的最大风速值4.8m/s作为10m高度处的最不利基准风速值u₁₀，将大连市的地面粗糙度系数n设为0.4，则可根据以下公式计算出实际安装标高z为47m时自然排烟设施于有环境风工况下可能面临的环境风最大平均风速u_z为8.9m/s；

其详细计算公式为：u_z＝u₁₀(z/10)ⁿ；

S6、以步骤S4中计算得到的火源功率值1.481MW作为有风环境测试时测试平台的火源功率设置值，同时以步骤S5计算得到的风速8.9m/s作有风环境测试的环境风速上限，根据步骤S2的测试数据种类及流量系数计算方法，通过测试平台分别获得风向角为15°、30°、45°、60°和90°时，在小于等于8.9m/s的各环境风速(环境风速可以选定为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、8.9m/s)下的相应测试数据，并据此分别计算自然排烟设施在特定风向角和特定环境风速下的各流量系数值，具体计算流程如下：

首先根据火源功率为1.481MW、风向角为15°时，于1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、8.9m/s各环境风速下所获得的相应测试数据，通过步骤S2中的流量系数计算公式分别计算各工况的流量系数值。

其次重复上述步骤，根据其他风向角条件时不同环境风速下所获得的相应测试数据，计算相应的流量系数值；

S7、对步骤S6得到的各环境风速u[m/s]、风向角θ及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随环境风速及风向角变化的函数关系C_v＝f(u,θ)，如图4所示；

S8、计算步骤S7所得函数关系的最小值，如图4所示，可获得有风环境下的最小流量系数值C_vw为0.381，此时对应的最不利环境风速u_w为6.7m/s，最不利风向角θ_w为45°；

S9、以步骤S4中获取的无风环境下的流量系数值C_v0与步骤S8中获取的有风环境下的最小流量系数值C_vw中的较小值0.381作为最不利工况下的流量系数值，并按照以下公式计算出自然排烟设施的最小有效排烟面积为0.381m²；

其详细计算公式为：A_e,min＝A_v·min(C_v0,C_vw)。

相应的,本发明还公开了一种可应用于本发明所述计算方法的自然排烟设施有效排烟面积测试平台，其具体结构如图5到图6所示，

包括控制器3、烟气发生装置1和环境风模拟发生装置2，其中烟气发生装置1包括蓄烟静压室13、引流管17、集烟罩12和旋转安装台11，所述蓄烟静压室13的顶部和任意一侧面设置有用于安装待测自然排烟设施的安装口18，蓄烟静压室13的底部通过引流管17与集烟罩12的顶部相连，从而将蓄烟静压室13与集烟罩12相互连通；所述集烟罩12呈圆锥、方锥或其他适合于集蓄烟气的形状，其四角通过连接柱与旋转安装台11固定相连；所述旋转安装台11上还放置有用于承载模拟火源的燃烧盘，燃烧盘正对集烟罩12的中心设置；同时旋转安装台11可以采用万向轮以人工驱动的方式旋转，也可以通过步进电机驱动旋转，从而间接调节环境风模拟发生装置2的送风作用于待测自然排烟设施的风向角。同时根据实际工况的需要，所述引流管17共设置有2-6根，以4根为最佳，所有引流管17以集烟罩12的中心为圆心，以圆形的安装轨迹对称布置于蓄烟静压室13和集烟罩12之间；引流管17中部固定设置有第一测试装置14，第一测试装置14采用质量流量计，从而实现对烟气质量流量参数的采集，其安装于引流管17横截面的中心位置；同时在第一测试装置14的下部还固定设置有均流格栅19；

根据测试需求，确定是否需要在部分引流管17的烟气进口端设置快拆堵头171，以通过封堵引部分流管17的方式调节蓄烟静压室13与集烟罩12之间所流通的烟气质量流量；安装有快拆堵头171的引流管17需以集烟罩12的中心为对称点对称布置；

所述蓄烟静压室13的顶部设置有多个第二测试装置15和多个第三测试装置16，其中第二测试时装置15为采集蓄烟静压室13内温度参数的温度传感器，根据需要，第二测试装置15共设置4个，其固定设置于蓄烟静压室13中上部的四角；第三测试装置16为测试蓄烟静压室13与外界大气压力差的压差传感器，第三测试装置16的数量与蓄烟静压室13侧壁的数量相同，其分布于蓄烟静压室13各个侧壁的中上部，并固定于侧壁上；从而确保采集数据的准确性和代表性；

同时在蓄烟静压室13室内的中下部还设置有导流板131，导流板131正对各个引流管17，其在引流管17轴向方向上的投影完全覆盖所有引流管17；所述导流板131四周不与蓄烟静压室13各个内壁接触，从而保证在导流板131边缘与蓄烟静压室13各个内壁之间留有相应的缝隙供烟气流动，蓄烟静压室13的底部还设置有电动推杆132，电动推杆132与导流板131相连，从而通过电动推杆132改变导流板131的位置；所述蓄烟静压室13内还设置有相应的距离传感器以检测导流板的高度；距离传感器与控制器3相连。

所述环境风模拟发生装置2包括剪式升降台21、变频风机22和均风腔体23，其中变频风机22和均风腔体23均固定于剪式升降台21上，变频风机22的出风口与均风腔体23底部的进风口连通，在均风腔体23的侧上部还设置有送风口24，同时在均风腔体23内部设置有均流格栅19；

所述控制器3包括数据采集器31、PC终端33和控制柜32，其中PC终端33分别通过RS485总线连接数据采集器31和控制柜32，所述控制柜32通过变频器与变频风机22相连，同时控制柜32上还设置有与电动推杆132配套的调节器；所述数据采集器31的信号输入端通过RS485分别与第一检测装置14、第二检测装置15和第三检测装置16相连，所述电动推杆132通过控制柜与PC终端33相连。

本发明公开了耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，可紧密结合自然排烟设施的设计工况，将自然排烟设施的几何特性、室内火场烟气特性及室外环境风场特性三方面影响因素均充分纳入计算体系中，从而有效改善了现有计算方法未能充分考虑自然排烟设施于设计工况下的排烟环境、计算准确性低的缺陷，实现了自然排烟设施有效排烟面积的系统化、精细化、科学化计算，极大提升了计算方法的合理性和准确性，从设计源头为火灾烟气防控能力的提升提供了重要技术支撑。

Claims (1)

1.耦合环境风场及火场烟气特性的有效排烟面积计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据目标防烟分区自然排烟设施的设计排烟量M[kg/s]、储烟仓烟气密度ρ[kg/m³]以及总有效排烟面积A_e,total[m²]计算设计火灾场景及设计清晰高度下储烟仓所蓄烟气在无风环境下与外界大气之间的压差值Δp₀[Pa]，其中压差值的计算公式为

S2、通过具备环境风及火场烟气模拟能力的测试平台，获得不同火源功率Q[kW]下几何开口面积为A_v[m²]的自然排烟设施的内外侧压差Δp[Pa]及所流经烟气的质量流量m[kg/s]和温度T[K]，并计算自然排烟设施在无风环境下相应工况的流量系数值C_v[-]，流量系数值的计算公式为

S3、对步骤S2得到的各压差值及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随其内外侧压差变化的函数关系C_v＝f(Δp)；对步骤S2中获得的各压差值及其对应的火源功率值进行拟合，得到火源功率随自然排烟设施内外侧压差变化的函数关系Q＝f(Δp)；

S4、将步骤S1中计算得到的压差值Δp₀[Pa]带入步骤S3所述的两函数关系中，并求得自然排烟设施在无风环境下的流量系数值C_v0[-]及为实现上述压差值测试平台所需采用的火源功率值Q₀[kW]；

S5、通过查询自然排烟设施实际安装地的气象资料获取当地12个月中各月累年月平均风速的最大值u₁₀[m/s]，同时结合自然排烟设施的实际安装标高z计算其在有风环境下可能面临的环境风最大平均风速u_z[m/s]，其中最大平均风速的计算公式为u_z＝u₁₀(z/10)ⁿ，其中n表示地面粗糙度系数，当为光滑地面、硬地面或海洋时取0.1；当为草地时取0.14；当为城市平地、有较高草地、树木极少时取0.16；当有高的农作物、篱笆，树木少时取0.2；当树木多、建筑物极少时取0.22～0.24；当为森林、村庄时取0.28～0.3；当为城市有高层建筑时取0.4；

S6、以步骤S4中计算得到的火源功率值Q₀作为有风环境测试时测试平台的火源功率设置值，同时以步骤S5计算得到的风速u_z作有风环境测试的环境风速上限，根据步骤S2的测试数据种类及流量系数计算方法，通过测试平台获得相应数据并计算在不同环境风速及风向角影响下自然排烟设施的流量系数值；

S7、对步骤S6得到的各环境风速u[m/s]、风向角θ及其对应的流量系数值进行拟合，得到自然排烟设施的流量系数随环境风速及风向角变化的函数关系C_v＝f(u,θ)，其中流量系数值的计算公式为

S8、计算步骤S7所得函数关系的最小值，获得有风环境下自然排烟设施的最小流量系数值C_vw[-]和此时的最不利环境风速u_w[m/s]及最不利风向角θ_w；

S9、以步骤S4中获取的无风环境下的流量系数值C_v0与步骤S8中获取的有风环境下的最小流量系数值C_vw中的较小值作为最不利工况下的流量系数值，计算自然排烟设施的最小有效排烟面积A_e,min[m²]；其中A_e,min＝A_v·min(C_v0,C_vw)。

Images