基本信息
- 项目名称：
- 高层建筑火灾前室防烟缓冲区设置研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 目前传统烟控方式不能有效的隔烟，还会影响人员疏散的视野和逃生速度。于是，提出设置“防烟缓冲区”的设想，将传统的前室正压送风防烟方式改变为部分前室正压送风和疏散通道的防烟空气幕垂向送风，从而在前室和空气幕之间形成一个“无烟缓冲区”，通过全尺寸风洞实验与FDS模拟比较，得出“防烟缓冲区”不仅能够提高火灾烟控效果，改善人员疏散安全环境，而且排烟能力提升，新鲜空气量减少，降低次生灾害的发生。
- 详细介绍：
- 1. 研究背景 近年来随着我国经济建设的持续发展，高层建筑也不断增多，带来的火灾隐患也不断增加。因此做好高层建筑的防排烟工作对保证火灾时人员的安全疏散具有重要意义。目前国内外高层建筑火灾常用的防排烟方式为走廊排烟加前室内加压，此方法具有两个重大缺陷：其一是在人员疏散时，因需要在前室与走廊间形成正压，虽然门内外压差较小，但由于门面积较大，加上防火门闭门器的阻力使得打开前室门需要较大的推力，故影响弱势群体的快速疏散，在国内外高层建筑火灾实例中常发现年老体弱及儿童倒毙于前室门口，这有悖于人类保护弱者的传统道德。由于烟气蔓延在走廊里，大大降低了能见度，导致寻找前室门不易，且由于前室门处于常闭状态，不熟悉环境的人不易发现正确的疏散途径，易产生混乱导致疏散速度进一步减慢。其二是人员进入前室需打开前室门，使得前室内正压空气大量进入火场，混合高温烟气，降低排烟效率，同时引入的新鲜空气导致火势的进一步扩大，造成由于防排烟系统所带来的火灾次生灾害。 2.基本思路 针对上述问题基本思路如下： （1）本研究提出了设置“防烟缓冲区”的防排烟模式，即在不改变原有的送排风系统的前提下，将传统的前室正压送风防烟方式改变为部分前室内正压送风和前室门前防烟空气幕垂向送风，从而在前室门前和空气幕之间形成一个“无烟缓冲区”，以利于人员快速安全疏散。且总送风量小于传统前室正压防烟送风量，有效的减少了送入的新风量，降低了送风系统对火场的助燃作用。 （2）将排烟系统一分为二，设置排烟口（其主要功能为排烟）和排气口（其主要功能为排出防烟系统送入的新鲜空气）。在总的排风量不变的情况下，降低进入火场新鲜空气量，提高排烟效率。 （3）研究采用了计算机模拟与全尺寸火灾实验结合来分析“前室防烟缓冲区”的防排烟效果，计算机模拟采用FDS软件，全尺寸实验利用省城市与工业安全实验室的长廊型烟风洞实验装置进行，并比较计算机模拟结果与实验结果。研究结果表明，“防烟缓冲区”可有效的提高高层建筑火灾时对烟气的控制效果，保障人员的快速疏散，降低次生灾害的发生。 3.主要创新点： （1）首次提出在高层建筑火灾中设置“防烟缓冲区”以增强防烟能力，保证人员及时安全疏散。 （2）应用省城市与工业安全重点实验室长廊型风洞装置，通过改变实验的初始与边界条件，成功的模拟了高层建筑火灾烟气运动及“防烟缓冲区”烟气控制状态，并与理论模拟比对，认为实验可信，验证了“防烟缓冲区”的可行性与实用性。 4.技术优势与市场前景： （1）该研究的关键在于将前室正压的横向送风转变为横向送风与垂向送风相结合来防烟的模式，垂向送风防烟（即防烟空气幕）由省公安厅消防局推荐写入正在修改中的《建筑防火规范》，而缓冲区防烟主要是应用空气幕技术来实现的。该项技术一旦在《建筑防火规范》中正式发布，即可在高层建筑中全面应用，说明该成果具有较高的工程应用价值（附件3）。 （2）“基于防烟缓冲区的高层建筑火灾防排烟方法及系统”已申请国家发明专利，专利申请号2010010617954.9（附件4）。 5.以第1作者在消防科学领域的权威期刊《消防科学与技术》等国内外期刊及国际会议发表与高层建筑火灾“防烟缓冲区”研究相关的论文5篇，其中EI检索2篇，中文核心期刊3篇.(附件5~9）
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 论文提出将传统的前室正压送风防烟方式改变为部分前室内正压送风和前室门前防烟空气幕垂向送风，从而在前室门前和空气幕之间形成一个“无烟缓冲区”，以利于人员快速安全疏散。且总送风量小于传统前室正压防烟送风量，有效的减少了送入的新风量，降低了送风系统对火场的助燃作用。 研究采用计算机模拟与全尺寸火灾实验相结合的研究方式，模拟采用FDS软件，实验利用省城市与工业安全实验室长廊型烟风洞实验装置进行。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：通过对“防烟缓冲区”的实验与模拟研究，表明该方法可有效的提高高层建筑火灾时对烟气的有效控制，保障人员的快速疏散，降低次生灾害的发生，减少生命与财产的损失。 先进性：①省科技厅主持的科技鉴定，认为 “防烟缓冲区”研究达到国际领先水平。 ②委托教育部科技查新工作站对“前室防烟缓冲区”研究进行国内外查新，结果显示：目前国内外尚无缓冲区的相关报道。说明防烟缓冲区的理论具备首创性。
应用价值和现实意义
- 实际应用价值：垂向送风防烟（即防烟空气幕）由省公安厅消防局推荐写入正在修改中的《建筑防火规范》，而缓冲区防烟是应用空气幕技术来实现的，说明该成果具有较高的工程应用价值。 现实意义： “缓冲区防烟”研究结果显示可以较好的实现火灾烟气控制，改善人员疏散的安全环境，有效降低烟控方式引发的次生灾害。一旦在《建筑防火规范》中正式发布，即可在高层建筑中全面应用，为降低火灾中的人员与财产损失作出贡献。
学术论文摘要
- 通过对目前高层建筑火灾形势特点、传统防排烟方式的分析，发现前室正压防烟方式不能完全有效防烟，还会影响人员疏散的视野和逃生速度。提出了将传统的前室正压送风防烟方式改变为部分前室正压送风和疏散通道的防烟空气幕垂向送风，从而在前室和空气幕之间形成一个“无烟缓冲区”，以利于人员快速安全疏散。且总送风量小于传统前室正压防烟送风量，有效的减少了送入的新风量，降低了送风系统对火场的助燃作用。另将排烟系统一分为二，设置一个排烟口，其主要功能为排烟；设置一个排气口，其主要功能为排出防烟系统送入的新鲜空气，在总的排风量不变的情况下，进一步降低了进入火场新鲜空气量，并且提高了排烟效率。 通过全尺寸烟风洞实验与FDS模拟比较，结果发现“防烟缓冲区”能很好的适用于长廊型走道，改善传统防排烟模式，提高人员疏散的安全性。走廊内总送风量减少为原来的2/3，避免大量新鲜空气进入火场，降低次生灾害的发生，更有利于人员的疏散。
获奖情况
- 发表论文： （1）Influences of Smoke Exhaust Effect by Setting Atria Buffer Zone in Straight Corridor of Building[J]. Advance Materials Research(EI检索期刊)2011 （2）Effect Comparison of Smoke Control Mode in High-rise building aisle［C］．ACEE2011(Ei 检索).2011:5908~5912. （3）L型高层建筑火灾烟气控制模式的效果比较[J].消防科学与技术（中文核心期刊）,2010(12)：1065~1067 （4）长廊型建筑前室缓冲区对排烟效果的影响[J].中国安全生产科学技术（中文核心期刊）,2011(1)：38~42. （5）走廊-前室缓冲区在建筑火灾中的可行性分析[J].中国安全生产科学技术（中文核心期刊）,2011（09）
鉴定结果
- 2010年12月通过了省科技厅组织、教育厅主持的科技鉴定，认为“防烟缓冲区”研究达到国际领先水平。
参考文献
- 1.高层建筑火灾与应对措施[J].消防技术与产品信息,2007(4) 2.高层民用建筑防火设计规范(GB 50045-95-2001)[S] 3.高层建筑安全核区域防排烟技术探讨[J].中国安全生产科学技术. 2006(l) 4.高层建筑烟气扩散与控制计算机模拟进展[J].暖通空调, 2007(9) 5.Fire Dynamics Simulator (Version 4) User’s Guide[R]. U.S. Government Printing Office, 2006 6.International Standards Organization (ISO),ISO9705
同类课题研究水平概述
- 在众多的高层建筑烟气控制方法中，机械加压送风防烟方式在国内外被认为是最安全可靠的一种前室防烟方式，且这种方式较为简单，投资较省。然而内加压送风系统在实际运行中存在一些问题：风量过大容易引发次生灾害；风量过小则不能有效控制烟气进入疏散通道。国内外研究中，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，加拿大采用全部加压方式和部分加压方式两种，美国采用的是加压送风与机械排烟结合的防排烟方式，研究机构如法国建筑科学和技术中心、中国科技大学及哈尔滨工业大学课题组等对加压送风系统的研究，主要针对楼梯间与前室正压值、门洞风速、加压送风量等问题，但是实质上还是利用新鲜空气横向阻隔烟气蔓延，不能真正改善加压送风系统的弊端。本研究首次提出了将传统的前室正压送风防烟方式改变为部分前室正压送风和疏散通道的防烟空气幕垂向送风，从而在前室和空气幕之间形成一个无烟区域，即“防烟缓区”，以有效的阻隔烟气进入前室。这种方式比正压送风更能有效控制烟气，提供人员安全的疏散环境，减少次生灾害的发生。 目前建筑火灾的计算机模拟大体上分为场模型、区域模型、网络模型。其中场模型能给出烟气流动的精确值和建筑物某区域内火灾时各物理量的分布，本研究采用专业的火灾动力学场模拟软件FDS，其全面地考虑了火灾烟气运动的各个分过程，湍流部分采用大尺度涡流模拟法(LES)处理，辐射换热采用FVM去求解，不仅能够计算固体壁面间的辐射换热，同时还考虑了烟气层内多原子气体对辐射的吸收作用，在模型构建过程中尽可能减少假设，能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动场模拟世界领先水平。实验研究方面，美国的布鲁克弗研究所12层办公大厦、英国夫市26层楼保险公司等均被列入机械加压送风防烟方式的研究中心。国内中国科学技术大学于1992年建立的火灾科学国家重点实验室。1994年底公安部四川消防研究所建立中国第一个用于防排烟研究的高层火灾实验塔，该实验塔为10层，高24m。本课题的实验研究应用省重点实验室——城市与工业安全重点实验室建设的长廊型风洞实验装置，是按照ISO9705标准实验方法设计建造的全尺寸热释放速率实验台。能够提供不同条件的实验流场参数，对各种参数有较好的控制，其结果准确性高，可信度强。综上所述，本课题的烟气控制技术、模拟研究及实验手段三方面在国内外同类课题研究中均处于先进地位。
