并聯(lián)氣與串聯(lián)氣流流動(dòng)規(guī)律的探討

并聯(lián)氣與串聯(lián)氣流流動(dòng)規(guī)律的探討

1總結(jié)1.1不考慮漏風(fēng)附加率b的計(jì)算式采用當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型可分為兩類：三個(gè)。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(jì)防火規(guī)范》(2005年版)(GB50045—95)(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)推出的計(jì)算式第二種是《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2006)推出的計(jì)算式,在不考慮漏風(fēng)附加率b時(shí),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(jì)算式為式(1)~(3)中Lv為加壓送風(fēng)量,m3/s;n為同時(shí)開啟門層數(shù);F為每樘開啟門的斷面積,m2;v為門洞處風(fēng)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(gè)計(jì)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(fēng)口開啟方式等對(duì)氣流通路所產(chǎn)生的影響,也未考慮氣流是如何流動(dòng)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(shí)的氣流速度v,總風(fēng)量用于抵御煙氣入侵的有效利用率等。2)同時(shí)開啟門數(shù)量“n”,成為四種加壓送風(fēng)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(dú)用前室的加壓送風(fēng),而消防電梯及其前室并非疏散通道,是消防隊(duì)員運(yùn)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(yùn)行和?？俊]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(shí)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(shí)際上四個(gè)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(gè)防火門M1與M2不可能直接對(duì)外。其次是“n”,它是指M1與M2同時(shí)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(gè)門,就說明這氣流是通過面積為F的兩個(gè)門,是串聯(lián)通路,其當(dāng)量流通面積不應(yīng)是F,而是,而且通路只計(jì)算到了內(nèi)走道,并未到達(dá)室外(氣流未達(dá)匯合點(diǎn)就不構(gòu)成并聯(lián)氣流)。4)不計(jì)漏風(fēng)附加率,在其他條件相同時(shí),第一類模型中的兩種計(jì)算模型的風(fēng)量Lv值,后者約為前者的1.67倍。從空氣流動(dòng)理論分析,向任何有限空間加壓送風(fēng),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(fēng)量大于0,出口流速v就會(huì)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(fēng)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(xué)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(gè)動(dòng)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(gè)尚不為人認(rèn)知的a,使問題更為復(fù)雜。1.1.2從內(nèi)走道的匯合點(diǎn)來計(jì)算計(jì)算中以下幾點(diǎn)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(gè)方向流動(dòng)的。仍以《高規(guī)》表8.3.2-1只向防煙樓梯間加壓為例,一個(gè)是向防煙樓梯間的疏散外門方向流動(dòng),通過并聯(lián)的Mw底,Mw頂直接流到室外;另一個(gè)是向內(nèi)走道方向流動(dòng),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(jì)算過程可以看出,此種方法從未提及過Mw底,Mw頂這兩個(gè)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(jì)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(jì)算在總加壓送風(fēng)量之內(nèi),降低了防煙系統(tǒng)的可靠性。氣流未到達(dá)實(shí)際的匯合點(diǎn),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(rèn)為“內(nèi)走道無背壓,流入內(nèi)走道相當(dāng)于流到室外”,顯然是與實(shí)際不符的?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ134—2001,J116—2001)第4.0.7條中都明確規(guī)定:外窗應(yīng)不低于《建筑外窗氣密性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》(GB/T7107)規(guī)定的第4級(jí)。使外窗氣密性標(biāo)準(zhǔn)大大提高,成為目前氣流產(chǎn)生“瓶頸效應(yīng)”的關(guān)鍵部位。忽略了它,可能會(huì)帶來極大的安全隱患。加上計(jì)算模型中,假定建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)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(yùn)行時(shí)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(zāi)的發(fā)生從時(shí)空上都是隨機(jī)的。怎樣開啟、誰去開啟?都是無法落實(shí)的。3)認(rèn)為“高層建筑都有自然排煙和機(jī)械排煙,排煙設(shè)施啟動(dòng),內(nèi)走道就是室外?！睙o限空間和有限空間是兩個(gè)概念,即便設(shè)有自然排煙和機(jī)械排煙設(shè)施,內(nèi)走道并不等于室外。因?yàn)闆]有創(chuàng)造一個(gè)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?yàn)榱鹘?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(jì)算,30m長(zhǎng),僅1.0m2左右,房間外窗縫隙每個(gè)僅0.00045m2,并聯(lián)10個(gè)房間外窗縫隙也只有0.0045m2,當(dāng)著火層防火門開啟門洞面積Am1k=3.2m2時(shí),為抵御煙氣入侵,必須通過的最小風(fēng)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(jī)械排煙,要使內(nèi)走道內(nèi)壓力pZ=0,排煙量應(yīng)包括有效加壓送風(fēng)量(2.24m3/s)和著火房間竄出的煙氣量。沒有相應(yīng)的措施是保證不了的。此外,當(dāng)內(nèi)走道長(zhǎng)度≤20m時(shí),規(guī)范允許不設(shè)排煙設(shè)施,這時(shí)內(nèi)走道的背壓會(huì)使防煙系統(tǒng)失效。如果加壓氣流向兩個(gè)方向流動(dòng),都沒有到達(dá)匯合點(diǎn)——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(jì)算模型還有許多不完善之處,因而本文提出“當(dāng)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(dǎo)致氣流支路中流向的不確定,屬流體網(wǎng)絡(luò)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(jì)算數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)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(wù)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(xiàng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型,按典型工況邊界條件計(jì)算出相應(yīng)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(jì)算當(dāng)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(jìn)行推導(dǎo)。2.1內(nèi)走道空氣流動(dòng)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(fēng)。建筑物:防煙系統(tǒng)負(fù)擔(dān)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(zhǎng)46.8m,東西兩端對(duì)稱,按《高規(guī)》要求防火分區(qū)內(nèi)應(yīng)有兩個(gè)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(zhǎng)23.4m,寬2.1m計(jì),內(nèi)走道有一個(gè)2.0m×1.0m的自然排煙鋁合金推拉外窗,火災(zāi)時(shí)按可開啟自然排煙外窗面積AZCK=1.0m2計(jì)。加壓送風(fēng)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(duì)前室加壓送風(fēng)。建筑物:防煙系統(tǒng)負(fù)擔(dān)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(jiǎn)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(dòng)模型及網(wǎng)絡(luò)圖分別見圖4~6。加壓送風(fēng)口為常閉型。3)兩范例中已知數(shù)據(jù)及符號(hào)。(1)內(nèi)走道自然排煙外窗面積,開啟時(shí):Azck=1.0m2,關(guān)閉時(shí):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(shí):Azfk=2.0m2,關(guān)閉時(shí):Azfg=0.018m2。房間外窗關(guān)閉時(shí):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(shí):Am1k=3.2m2,關(guān)閉時(shí):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(shí),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(shí)際問題比較復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化作如下假設(shè):1)防煙樓梯間上、下壓力相等。不計(jì)風(fēng)壓與熱壓(因?yàn)闃翘蓍g體積有限,加壓送風(fēng)量大,風(fēng)機(jī)一啟動(dòng),防煙樓梯間室內(nèi)、外溫度基本相同,熱壓可忽略。而室外風(fēng)壓無法與機(jī)械加壓送風(fēng)機(jī)抗衡而忽略)。2)氣流進(jìn)、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(jìn)、出口不論位置高低,忽略其勢(shì)能Z。5)加壓空氣在不同氣流通路中流動(dòng),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(diǎn)經(jīng)多道不同孔洞、縫隙串聯(lián)流至室外大氣時(shí),室外大氣為無限空間,可視為同一終點(diǎn)。每流經(jīng)一道串聯(lián)的孔洞或縫隙,都會(huì)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(diǎn)到同一終點(diǎn)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(fēng)量Ldi與該通路當(dāng)量流量面積Adi的大小成正比。8)適當(dāng)降低送風(fēng)豎井風(fēng)速,使前室或合用前室同時(shí)開啟“n”層風(fēng)口時(shí),降低兩層風(fēng)口之間的阻力差,因而能視為從同一起點(diǎn)送出,簡(jiǎn)化計(jì)算。9)前室或合用前室加壓送風(fēng)口開啟層數(shù),由于n的動(dòng)態(tài)特性,全開風(fēng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ134—2001,J116—2001)第4.0.7條規(guī)定:應(yīng)不低于《建筑外窗氣密性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》(GB/T7107)規(guī)定的4級(jí)。即:單位面積分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值q2應(yīng)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(shí)的數(shù)據(jù),為便于計(jì)算,筆者將上述標(biāo)準(zhǔn)q2p折算成了房間外窗單位面積的漏風(fēng)面積率(計(jì)算可得=0.0002m2/m2)。內(nèi)走道外窗漏風(fēng)面積率為0.0003m2/m2。據(jù)此,對(duì)本文中內(nèi)走道和房間中的每個(gè)外窗關(guān)閉時(shí)的漏風(fēng)面積的計(jì)算結(jié)果為:每個(gè)內(nèi)走道外窗關(guān)閉時(shí)的漏風(fēng)面積Azcg=2.0m2×0.0003m2/m2=0.0006m2;每個(gè)房間外窗關(guān)閉時(shí)的漏風(fēng)面積Afcg=1.5m×1.5m×0.0002m2/m2=0.00045m2。11)不計(jì)建筑構(gòu)件墻壁、井道壁及地板等的漏風(fēng)。12)加壓送風(fēng)壓力小,按不可壓縮氣體計(jì)。2.3內(nèi)壓系統(tǒng)的計(jì)算方法模型內(nèi)容包括各并聯(lián)氣流通路數(shù)的確定、當(dāng)量流通面積的計(jì)算、各并聯(lián)通路的流量計(jì)算、加壓送風(fēng)量有效利用率的計(jì)算和正壓間背壓值的計(jì)算等。圖1~6中同時(shí)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(dá)前室,再經(jīng)Am1k到著火層內(nèi)走道Z火,經(jīng)過9個(gè)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(jiǎn)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(jì)算如下2)第2條氣流通路Ad2(L~Am2k~Am1k~Z非~W),分段計(jì)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(jì)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_(dá)室外W5)并聯(lián)氣流總當(dāng)量流通面積Az2.3.2氣流通路vd加壓送風(fēng)量計(jì)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(shí)的最低風(fēng)速v,以抵御煙氣入侵。1)第1條氣流通路的送風(fēng)量Ld12)第i條氣流通路的送風(fēng)量Ldi根據(jù)并聯(lián)氣流通路的假設(shè)可推導(dǎo)出,各氣流通路通過的氣流量與有效當(dāng)量流通面積成正比。3)總風(fēng)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(duì)范例1條件分類號(hào)2和范例2條件分類號(hào)3,4根據(jù)圖1整理推導(dǎo)得出其模型,受篇幅所限從略。2.4計(jì)算值的值將第2.1節(jié)中已知數(shù)據(jù)代入各計(jì)算模型中,結(jié)果匯總于表1。3防煙方案的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)符合其定義,并聯(lián)氣流要有同一起點(diǎn)和同一匯合點(diǎn),起點(diǎn)就是正壓間,匯合點(diǎn)就是室外大氣。串聯(lián)氣流,從起點(diǎn)到終點(diǎn),不論串聯(lián)多少道門洞或縫隙,必須首尾相接,才能應(yīng)用相應(yīng)的氣流流動(dòng)規(guī)律。二是保證開門時(shí)門洞M1處的風(fēng)速。3.2本方法從宏觀上按氣流并聯(lián)的實(shí)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(duì)同類項(xiàng)加以合并,能反映任何防煙方案和不同條件下的