并聯(lián)氣與串聯(lián)氣流流動規(guī)律的探討

并聯(lián)氣與串聯(lián)氣流流動規(guī)律的探討

1總結(jié)1.1不考慮漏風附加率b的計算式采用當前標準的計算模型可分為兩類：三個。第一類是受“n”制約的,有兩種,第一種是《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2005年版)(GB50045—95)(以下簡稱《高規(guī)》)推出的計算式第二種是《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016—2006)推出的計算式,在不考慮漏風附加率b時,為第二類模型可削弱“n”的制約作用,也符合并聯(lián)通路的定義,其計算式為式(1)~(3)中Lv為加壓送風量,m3/s;n為同時開啟門層數(shù);F為每樘開啟門的斷面積,m2;v為門洞處風速,m/s;a為背壓系數(shù),根據(jù)加壓間的密封程度取值,范圍為0.6~1.0;∑Ad為所有門洞的面積之和,m2。1.1.1防煙方案的基本模型1)兩個計算模型都是從宏觀角度采用撒網(wǎng)式的萬能通用式,既沒有區(qū)分考慮各種防煙方案和條件、加壓部位、加壓送風口開啟方式等對氣流通路所產(chǎn)生的影響,也未考慮氣流是如何流動的,關(guān)鍵氣流通路是否通暢,能否保證前室與內(nèi)走道之間的防火門M1開啟時的氣流速度v,總風量用于抵御煙氣入侵的有效利用率等。2)同時開啟門數(shù)量“n”,成為四種加壓送風防煙方案的關(guān)鍵性參數(shù)?！陡咭?guī)》表8.3.2-3是向消防電梯獨用前室的加壓送風,而消防電梯及其前室并非疏散通道,是消防隊員運送消防器材和傷病員用的專用通道,一般是在著火層與地面層之間運行和停靠。沒有疏散人員去推消防電梯前室的防火門,且只有一道防火門,也就不存在M1,M2同時開啟的層數(shù)“n”。3)模型中nFv可以理解為“n”條面積為F,流速為v的氣流通路。實際上四個防煙方案中,不存在這種并聯(lián)氣流。首先是“n”路氣流,流通面積都是F的并聯(lián)氣流且流速是v,只能是防火門面積為F直接通向室外的氣流,但前室或合用前室的兩個防火門M1與M2不可能直接對外。其次是“n”,它是指M1與M2同時開啟的層數(shù),以《高規(guī)》表8.3.2-1防煙方案為例,氣流通過這兩個門,就說明這氣流是通過面積為F的兩個門,是串聯(lián)通路,其當量流通面積不應是F,而是,而且通路只計算到了內(nèi)走道,并未到達室外(氣流未達匯合點就不構(gòu)成并聯(lián)氣流)。4)不計漏風附加率,在其他條件相同時,第一類模型中的兩種計算模型的風量Lv值,后者約為前者的1.67倍。從空氣流動理論分析,向任何有限空間加壓送風,不論被加壓空間的出口是門洞還是縫隙,其面積是有限的,只要風量大于0,出口流速v就會大于0,門洞或縫隙兩側(cè)自然就存在壓差即所謂的背壓。因此向有限空間加壓送風的背壓是客觀存在的,這是人們接受式(2)的主要原因之一。但是,背壓系數(shù)的本質(zhì)是什么?影響因素有哪些?取值范圍0.6~1.0是怎樣算得的?如何去控制它?拿不出有力的科學依據(jù)來,是難以讓人信服的。第一類模型的第一種模型的“n”已是個動態(tài)的難以確定的制約可靠性的包袱,第二種模型又在“n”之后出現(xiàn)個尚不為人認知的a,使問題更為復雜。1.1.2從內(nèi)走道的匯合點來計算計算中以下幾點值得商榷。1)送入正壓間的加壓空氣并非只能向走廊方向排泄,而是能向兩個方向流動的。仍以《高規(guī)》表8.3.2-1只向防煙樓梯間加壓為例,一個是向防煙樓梯間的疏散外門方向流動,通過并聯(lián)的Mw底,Mw頂直接流到室外;另一個是向內(nèi)走道方向流動,通過房間門(或縫)及與之串聯(lián)的窗縫流到室外。從該模型的范例圖形和計算過程可以看出,此種方法從未提及過Mw底,Mw頂這兩個外門。根據(jù)《高規(guī)》第6.1.1條、第6.2.2.3條、第6.2.3條、第6.2.6條及第6.2.7條規(guī)定:防煙樓梯間在底層和頂層有直通室外的疏散外門,但計算中都未體現(xiàn),沒有執(zhí)行規(guī)范的規(guī)定。而且使這部分直通室外的(無效)氣流沒計算在總加壓送風量之內(nèi),降低了防煙系統(tǒng)的可靠性。氣流未到達實際的匯合點,也沒構(gòu)成真正的并聯(lián)氣流通路。2)將走道比擬為室外,認為“內(nèi)走道無背壓,流入內(nèi)走道相當于流到室外”,顯然是與實際不符的?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計標準》(GB50189—2005)第4.2.10條及《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134—2001,J116—2001)第4.0.7條中都明確規(guī)定:外窗應不低于《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》(GB/T7107)規(guī)定的第4級。使外窗氣密性標準大大提高,成為目前氣流產(chǎn)生“瓶頸效應”的關(guān)鍵部位。忽略了它,可能會帶來極大的安全隱患。加上計算模型中,假定建筑物發(fā)生火災時的房間門和外窗都是開啟的,完全從最有利條件考慮,顯然是不可靠的。北方冬季供暖房間和南方空調(diào)房間,為了節(jié)能,運行時門、窗都是關(guān)閉的,特別是北方供暖地區(qū)的許多房間外窗都是雙層窗,更難以開啟,火災的發(fā)生從時空上都是隨機的。怎樣開啟、誰去開啟?都是無法落實的。3)認為“高層建筑都有自然排煙和機械排煙,排煙設(shè)施啟動,內(nèi)走道就是室外?！睙o限空間和有限空間是兩個概念,即便設(shè)有自然排煙和機械排煙設(shè)施,內(nèi)走道并不等于室外。因為沒有創(chuàng)造一個與室外無限空間相同的條件,內(nèi)走道的壓力不等于0,其次因為流經(jīng)內(nèi)走道的空氣要經(jīng)過其門、窗縫隙才能排出,自然排煙外窗的排煙面積按2%的內(nèi)走道面積計算,30m長,僅1.0m2左右,房間外窗縫隙每個僅0.00045m2,并聯(lián)10個房間外窗縫隙也只有0.0045m2,當著火層防火門開啟門洞面積Am1k=3.2m2時,為抵御煙氣入侵,必須通過的最小風量為2.24m3/s,從內(nèi)走道的出口排到室外,其背壓為,說明內(nèi)走道并非室外。即使設(shè)有機械排煙,要使內(nèi)走道內(nèi)壓力pZ=0,排煙量應包括有效加壓送風量(2.24m3/s)和著火房間竄出的煙氣量。沒有相應的措施是保證不了的。此外,當內(nèi)走道長度≤20m時,規(guī)范允許不設(shè)排煙設(shè)施,這時內(nèi)走道的背壓會使防煙系統(tǒng)失效。如果加壓氣流向兩個方向流動,都沒有到達匯合點——無限空間,就不符合并聯(lián)氣流的定義,自然也就不能套用并聯(lián)氣流的原則,此外,(∑Ad)v模型中的∑Ad表示總面積,包括哪些內(nèi)容?v表示平均流速?這二者之間有矛盾。根據(jù)以上問題,現(xiàn)行流速法計算模型還有許多不完善之處,因而本文提出“當量流通面積”流量分配法,以求拋磚引玉,供同仁探討。1.2不確定流網(wǎng)特性本法只適用于串聯(lián)及并聯(lián)(包括串了又并,并了又串的)氣流流路。由于防煙樓梯間必須按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定設(shè)置直接通向室外的疏散外門、防煙樓梯間與合用前室必須采用分別加壓,導致氣流支路中流向的不確定,屬流體網(wǎng)絡范疇,因此《高規(guī)》表8.3.2-2防煙方案不適用于本法?！陡咭?guī)》表8.3.2-1與表8.3.2-4兩種防煙方案因改變工況條件后,計算數(shù)學模型及數(shù)值計算結(jié)果的變化具有較好的代表性而入選。2)本文的目的與任務本文的目的是為現(xiàn)行防煙方案的優(yōu)化提供一種手段,可以利用本法建立典型范例和典型工況的各項計算數(shù)學模型,按典型工況邊界條件計算出相應的數(shù)值結(jié)果。來回答該范例該工況下本文1.1.1節(jié)第1)款中所提出的問題。2采用流量分配法計算當前流通范圍的流量分布模型選擇《高規(guī)》表8.3.2-1和表8.3.2-4防煙方案作為范例進行推導。2.1內(nèi)走道空氣流動模型1)范例1,見《高規(guī)》表8.3.2-1,即防煙樓梯間及其前室只向防煙樓梯間加壓,前室不送風。建筑物:防煙系統(tǒng)負擔層數(shù)N=19,平均層高為3.3m,總高度為62.7m的一類公共建筑,防煙樓梯間內(nèi)有底層和頂層直通室外的疏散防火門Mw底和Mw頂,均為1.6m×2.0m的雙扇門,前室有通向防煙樓梯間的防火門M2和通向內(nèi)走道的防火門M1(內(nèi)走道總長46.8m,東西兩端對稱,按《高規(guī)》要求防火分區(qū)內(nèi)應有兩個垂直疏散通道,另一端為防煙樓梯間及其合用前室,見圖1~3)。此端按內(nèi)走道長23.4m,寬2.1m計,內(nèi)走道有一個2.0m×1.0m的自然排煙鋁合金推拉外窗,火災時按可開啟自然排煙外窗面積AZCK=1.0m2計。加壓送風口為常開型。2)范例2,見《高規(guī)》表8.3.2-4,即防煙樓梯間采用自然排煙,對前室加壓送風。建筑物:防煙系統(tǒng)負擔層數(shù)N=15,平均層高3.3m,總高度為49.5m的公共建筑,符合《高規(guī)》第8.2.1條防煙樓梯采用自然排煙的規(guī)定。按第8.2.2條要求,每5層內(nèi)可開啟外窗面積不小于2.0m2(為簡化,折算成0.4m2/層)。自然排煙外窗總面積Fcz=0.4m2/層×15層=6.0m2,其他條件與范例1相同。平面布置圖、空氣流動模型及網(wǎng)絡圖分別見圖4~6。加壓送風口為常閉型。3)兩范例中已知數(shù)據(jù)及符號。(1)內(nèi)走道自然排煙外窗面積,開啟時:Azck=1.0m2,關(guān)閉時:Azcg=0.0006m2(詳見第2.2節(jié)假設(shè)10))。(2)內(nèi)走道各房間門面積,開啟時:Azfk=2.0m2,關(guān)閉時:Azfg=0.018m2。房間外窗關(guān)閉時:Afcg=0.00045m2(詳見第2.2節(jié)假設(shè)10))。(3)前室與內(nèi)走道防火門M1,開啟時:Am1k=3.2m2,關(guān)閉時:Am1g=0.0276m2。前室與防煙樓梯間之間防火門M2與M1相同(均為雙扇)。(4)防煙樓梯間疏散外門面積Mw底=Mw頂=3.2m2,自然排煙外窗開啟時,FCE=6.0m2。(5)房間門縫與窗縫串聯(lián)氣流通路面積。(6)串、并聯(lián)氣流通路:AZ火~W=Azck+9×AMf~Cf;AZ非~W=Azck+10AMf~Cf;AZ′非~W=Azcg+10AMf~Cf;內(nèi)走道無外窗AZ非~W′=0+10AMf~Cf。2.2壓降pi實際問題比較復雜,為了簡化作如下假設(shè):1)防煙樓梯間上、下壓力相等。不計風壓與熱壓(因為樓梯間體積有限,加壓送風量大,風機一啟動,防煙樓梯間室內(nèi)、外溫度基本相同,熱壓可忽略。而室外風壓無法與機械加壓送風機抗衡而忽略)。2)氣流進、出口通向無限空間——室外的大氣壓力pw=0。3)所有門、洞及門、窗縫隙的流量系數(shù)μ相等。4)空氣進、出口不論位置高低,忽略其勢能Z。5)加壓空氣在不同氣流通路中流動,忽略其沿程阻力(流速小),只考慮流經(jīng)門、洞及門、窗縫隙的局部阻力(ζ=1/μ2)。6)各氣流通路從同一起點經(jīng)多道不同孔洞、縫隙串聯(lián)流至室外大氣時,室外大氣為無限空間,可視為同一終點。每流經(jīng)一道串聯(lián)的孔洞或縫隙,都會增加壓降Δpi,壓降Δpi=1.420v2(前面已述及),該氣流通路的壓降Δpdi=Δp1+Δp2+…。各并聯(lián)氣流通路從同一起點到同一終點的壓力降Δpdi相等,總壓降ΔpZ等于各并聯(lián)氣流通路的壓降,即ΔpZ=Δpdi。7)并聯(lián)的各串聯(lián)氣流通路通過的風量Ldi與該通路當量流量面積Adi的大小成正比。8)適當降低送風豎井風速,使前室或合用前室同時開啟“n”層風口時,降低兩層風口之間的阻力差,因而能視為從同一起點送出,簡化計算。9)前室或合用前室加壓送風口開啟層數(shù),由于n的動態(tài)特性,全開風口的可靠性低,不能滿足兩條防煙技術(shù)原則要求,不考慮。10)高層建筑內(nèi)走道和房間外窗氣密性,按《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189—2005)第4.2.10條及《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134—2001,J116—2001)第4.0.7條規(guī)定:應不低于《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》(GB/T7107)規(guī)定的4級。即:單位面積分級標準值q2應滿足4.5m3/(m2·h)≥q2≥1.5m3/(m2·h),本文房間外窗取平均值q2p=3.0m3/(m2·h),走道外窗取4.0m3/(m2·h)。以上為壓差10Pa時的數(shù)據(jù),為便于計算,筆者將上述標準q2p折算成了房間外窗單位面積的漏風面積率(計算可得=0.0002m2/m2)。內(nèi)走道外窗漏風面積率為0.0003m2/m2。據(jù)此,對本文中內(nèi)走道和房間中的每個外窗關(guān)閉時的漏風面積的計算結(jié)果為:每個內(nèi)走道外窗關(guān)閉時的漏風面積Azcg=2.0m2×0.0003m2/m2=0.0006m2;每個房間外窗關(guān)閉時的漏風面積Afcg=1.5m×1.5m×0.0002m2/m2=0.00045m2。11)不計建筑構(gòu)件墻壁、井道壁及地板等的漏風。12)加壓送風壓力小,按不可壓縮氣體計。2.3內(nèi)壓系統(tǒng)的計算方法模型內(nèi)容包括各并聯(lián)氣流通路數(shù)的確定、當量流通面積的計算、各并聯(lián)通路的流量計算、加壓送風量有效利用率的計算和正壓間背壓值的計算等。圖1~6中同時開啟的防火門層數(shù)n,從概率的角度可發(fā)生在任意層,為分析方便,在圖中示意在下部,但不影響分析。送入防煙樓梯間的加壓空氣分為多條氣流通路流到室外。2.3.1氣流通路ade1)第1條氣流通路Ad1:氣流通路為防煙樓梯間L流向著火層串聯(lián)經(jīng)Am2k到達前室,再經(jīng)Am1k到著火層內(nèi)走道Z火,經(jīng)過9個并聯(lián)的房間門縫Azfg串聯(lián)房間外窗縫Afcg后,再在內(nèi)走道與其自然排煙外窗Azck并聯(lián)流入室外W,簡稱(L~Am2k~Am1k~Z火~W)氣流通路。這是為抵御煙氣入侵的加壓空氣通路,分段計算如下2)第2條氣流通路Ad2(L~Am2k~Am1k~Z非~W),分段計算如下:3)第3條氣流通路Ad3:由防煙樓梯間經(jīng)(N-n)條并聯(lián)的(Am2g~Am1g~Z′非~W)串聯(lián)氣流通路。分段計算如下:4)第4條氣流通路Ad4:由防煙樓梯間經(jīng)并聯(lián)的Mw底及Mw頂?shù)竭_室外W5)并聯(lián)氣流總當量流通面積Az2.3.2氣流通路vd加壓送風量計算的基本原則:必須保證通過著火層前室與內(nèi)走道之間的防火門M1開啟時的最低風速v,以抵御煙氣入侵。1)第1條氣流通路的送風量Ld12)第i條氣流通路的送風量Ldi根據(jù)并聯(lián)氣流通路的假設(shè)可推導出,各氣流通路通過的氣流量與有效當量流通面積成正比。3)總風量Lz將式(12),(13)代入式(14)得2.3.3在例1中，壓力送送量的有效利用率e2.3.4背壓p同理可對范例1條件分類號2和范例2條件分類號3,4根據(jù)圖1整理推導得出其模型,受篇幅所限從略。2.4計算值的值將第2.1節(jié)中已知數(shù)據(jù)代入各計算模型中,結(jié)果匯總于表1。3防煙方案的評價標準3.1本方法基本原則有二,一是并聯(lián)氣流和串聯(lián)氣流都應符合其定義,并聯(lián)氣流要有同一起點和同一匯合點,起點就是正壓間,匯合點就是室外大氣。串聯(lián)氣流,從起點到終點,不論串聯(lián)多少道門洞或縫隙,必須首尾相接,才能應用相應的氣流流動規(guī)律。二是保證開門時門洞M1處的風速。3.2本方法從宏觀上按氣流并聯(lián)的實際通路數(shù),從微觀上跟蹤每條氣流通路所串聯(lián)的門洞或縫隙面積大小,只對同類項加以合并,能反映任何防煙方案和不同條件下的