钟文杰

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 引言

火灾是高层建筑中最大的安全隐患[1]，当发生火灾时，防烟楼梯间是内部人员的主要疏散通道[2]。为满足安全疏散需要，多在防烟楼梯间采用机械加压送风方式来维持正压，以此来阻止烟气进入[3]。

对于需要设置机械加压送风系统的楼梯间地上与地下部分，应分别独立设置[4－5]。当受到条件限制，且地下部分为汽车库或设备用房时，地上、地下可共用一套机械加压送风系统[6]，但前提是需要采取有效措施分别满足地上、地下部分的送风量要求[7]。

对于地上、地下两部分楼梯间的送风量分配问题，若设计不合理，将会导致实际送风量与设计值有所出入，正压值不能全部达到设计要求，影响防烟效果[8]。因此，本文使用CFD软件对不同送风口尺寸和立管风速对送风量和送风风速进行模拟计算，分析其变化规律，以对系统进行合理设计。另针对送风机的两种布置方式，分别对其进行模拟并分析各自送风量分配特点，以期对实际设计提供参考。

2 建筑概况及计算

2.1 建筑模型

第一栋建筑，地上七层，高度25.2 m；地下一层为汽车库，加压送风系统总负担高度为28.8 m。第二栋高层建筑地上23层，高度99.8 m；地下两层，分别为车库和设备用房，埋深9.9 m，地上、地下可以合用一套机械加压送风系统，系统总负担高度为109.7 m。

2.2 送风量计算

选取式(1)、式(2)为送风量基本计算公式。门开启时，达到规定风速值(维持加压部位所需正压值)所需的送风量L1，使用门洞风速法计算:

式中:Ak为1层内开启门的截面面积(m2)。第一栋建筑防烟楼梯间疏散门门洞尺寸为2.1×1.6 m，第二栋建筑地上部分防烟楼梯间门洞截面尺寸为2.4×1.5 m，地下部分为2.3 m×1.5 m。v为门洞断面风速，第一栋建筑取1 m/s，第二栋建筑取0.7 m/s。N1为设计疏散门开启的楼层数量，对于地上楼梯间:地上部分高度为99.8 m>24 m[9]，设计3层内的疏散门开启，取N1＝3；地上楼梯间为24 m以下时，设计2层内的疏散门开启，取N1＝2；对于地下楼梯间，设计1层内的疏散门开启，取N1＝1。

门开启时，规定风速值下的其他门漏风总量L2使用压差法[10－11]计算:

式中:A为每个疏散门的有效漏风面积，疏散门门缝宽度取0.003 m。ΔP为计算漏风量的平均压力差(Pa)，开启门洞处风速为0.7 m/s时，取ΔP＝6.0 Pa；开启门洞处风速为1.0 m/s时，取ΔP＝12.0 Pa。n为修正指数(一般取2)。1.25为不严密处附加系数。N2为漏风疏散门数量，取N2＝加压楼梯间的总门数－N1(设计疏散门开启的楼层数)。

门开启时，达到规定风速值所需的送风量和其他门漏风总量计算得出之后，楼梯间总的机械加压送风量Lj由两项相加可得:

2.3 送风口截面尺寸计算

楼梯间的地上部分每3层设置1个送风口[12]，每个送风口的设计送风量平均分配；地下部分设置1个送风口。结合式(4)计算送风口截面面积。

式中:Q为设计送风量，m3/h；Ad为送风口的截面面积，m2；vd为设计风速，取7 m/s，计算结果见表1。

表1 风口参数设计

3 CFD模拟

分别模拟两栋不同高度的建筑，防烟楼梯间正压送风口布置均为:地上每3层设置1个出风口，地下部分设1个，位于地下1层。自上而下依次对出风口进行编号，见图1。

图1 两栋建筑楼梯间送风立管模型

风管进风口设置为速度入口(velocity-inlet)，出风口设置为压力出口边界条件(pressure-outlet)；选择非结构化网格，网格质量(偏斜率)为0.9；选择标准为k－ε湍流模型。

4 结果分析

4.1 模拟结果与实测结果对比

由图2可知，CFD计算结果与现场实测数据基本吻合。在无阀调节条件下，靠近送风机的楼层，其前室压力满足规范要求。

图2 实测数据与模型计算结果对比曲线

4.2 送风量随立管流速变化情况

在总送风量维持恒定的情况下，研究各个出风口的出风量随立管入口流速的变化情况。各个楼层出风口截面保持表1中的尺寸不变，调节风速和与其相对应的立管截面面积，在不同的入口流速下进行模拟。

图3、图4分别为两栋建筑的立管入口风速在9～18 m/s变化时，各个楼层出风口风量和平均流速的变化情况。送风机设置在上部时，对第一栋建筑，随着立管流速增加，距离送风入口最近的出风口1的风量持续减小，位于中间的出风口2风量基本维持稳定，而距离最远的出风口3的风量则随着立管流速的增加而增大。由于出风口截面面积保持不变，风口的平均出口风速与出风量完全成正比。对于第二栋建筑，出风口数量多，风管长度大，变化没有第一栋建筑明显，但距离顶部送风入口最近出风口的风量随立管流速的增加而减小，位于中间部位的风口(出风口5、6)出风量稍有波动但总体变化不大，底部的出风口(出风口7、8和9)随立管流速增加，风量随之增大，其中最底部出风口9最为明显。

图3 第一栋高层建筑送风机在上部时出风口风量及平均风速

图4 第二栋高层建筑送风机在上部时出风口风量及平均风速

图5、图6分别为两栋建筑正压送风系统风机置于系统底部时的模拟结果。可见，各层出风口的风量分布与上送风的情况相似。

图5 第一栋高层建筑送风机在下部时出风口风量及平均风速

图6 第二栋高层建筑送风机在下部时出风口风量及平均风速

送风机设置在上部或下部，系统风量分布基本一致:距离送风入口越近，送风量和送风速度相对越小，且出口风量与立管入口风速成反比；距离最远的出风口风量和出口风速最大，出口风量与立管入口风速成正比。另外，单纯靠改变立管的入口风速难以使地下部分满足风量要求，且易造成地上部分出风口风量分配不均。

4.3 送风量随送风口尺寸变化情况

为达到设计要求，除控制立管入口风速外，还需对出风口尺寸进行调整。

以第一栋建筑为例，取竖向风道入口风速15 m/s，调整出风口尺寸，直至地上与地下楼梯间总风量满足设计要求，且地上部分各出风口风量尽量均匀，模拟结果如表2所示。

表2 中高层建筑出风口尺寸调整

送风口3距离立管入口最远，送风量最大，远超设计风量，所以需要减小面积，控制送风量。对于地上的两个风口，出风口1距离立管入口最近，出风量最小，所以需要增大风口面积来增加风量；风口2虽在调整前出风量与设计风量最为接近，但由于总风量保持不变，三个楼层的送风口之间相互影响，随着送风口3面积的减小和送风口1面积的增大，若其尺寸仍维持850×850不变，出风量将会大幅增加，所以出风口2的尺寸应适当减小。

经对出风口尺寸进行调整，地上、地下及各层送风量基本满足设计要求。结果显示，不管上送风或下送风，为满足设计风量，楼层送风口的面积始终沿立管内空气流动方向呈递减趋势。此外，调节楼层送风口的截面面积可使各楼层送风量满足设计要求，但风口面积的减小可能导致送风口风速超过规范推荐的7 m/s。

第二栋建筑，取竖向风道最大风速17 m/s。表3、表4计算结果与第一栋相似。但不同的是，第二栋建筑层数多，竖向风道长，送风口数量多，地上不同楼层送风口静压或送风量的不平衡率减小，风口尺寸调整后，各送风口风速基本在7 m/s左右。而且将送风机放置在系统上部时更有利于减少地上楼层送风量的不平衡率。

表3 高层建筑送风机位于上部时出风口尺寸调整

表4 高层建筑送风机位于下部时出风口尺寸调整

5 结论

本文以地上、地下防烟楼梯间合用一套机械加压送风系统的高层建筑为研究对象，使用CFD软件对其机械加压送风量进行模拟，得到以下结论:

(1)按传统设计方法，会导致各楼层送风口风量、送风风速与设计设定值偏差明显，致使个别楼梯空间超压时，另外楼梯空间静压不能满足规范要求，且竖向立管长度越短，其断面风速越大，这一现象越为明显。

(2)为使地上、地下楼梯间的风量都能达到设计值且出风量尽量均匀，在设计出风口尺寸时，地上部分的出风口截面积应沿空气流动方向呈递减变化，地下部分的送风口视送风机位置而定:送风机在上部时，地下风口的截面积应适当缩小，送风机在下部时，风口面积要适当加大，尺寸可根据具体情况模拟计算确定。

(3)送风机设置在顶部相较于设置在底部，其地上、地下风量偏差有所减小，地上部分的出风口风量分配更加均匀。所以在条件允许的情况下，应优先考虑将送风机置于系统顶部。

(4)从数值模拟结果看，采用等截面竖向风道与变送风口面积的方法，可避免传统设计方法带来的送风量或静压偏离规范要求的问题。但这容易造成个别风口风速超7 m/s情况，建议适当放宽对每个楼层正压送风口送风速度的限定。