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摘要
本文在上海中心大厦高中庭60m进行了热烟试验，研究了不同火灾释放率和不同通风条件下的火灾烟气运动规律和防排烟效果。本文还通过数值模拟研究了不同送风量对上海中心大厦中庭机械排烟的影响。结果表明:在高大中庭中，由于“烟囱效应”，烟气以2-3 m/s的速度快速上升；由于“热障效应”，当火力小的时候，烟气趋于平息，无法有效排出；当送风量为排烟量的50%时，有利于排烟。
关键词：超高层建筑，高大中庭，烟囱效应，火灾烟气，烟气层高度
第一章 引言
由于建筑中庭的特殊性，中庭的防火和防排烟研究比较困难。在中庭防排烟研究中，国内外许多研究机构进行了大量的理论、实验和数值模拟。
美国、英国、新西兰等发达国家对建筑中庭防火防排烟进行了广泛的研究，并发布了建筑中庭防火设计的相关指南[1-3]。最广泛认可和使用的是NFPA 92B。Zukoski、Heskestad和McCaffrey通过实验手段系统地研究了烟气运动规律，分别形成了三种烟柱模型，为进一步研究建筑中庭火灾烟气运动奠定了基础[4-6]。Lougheed、Hostika和Enrique Sanmiguel Roja[7-9]分别在12米、19米和20米的高大中庭进行了实验，研究了大中庭的烟气流动规律和防烟技术。
在前人研究的基础上，国内几家研究机构对中庭火灾和防排烟进行了研究，
并取得了可观的研究成果。
火灾科学国家重点实验室于1997年建立了高27米的大空间火灾试验大厅，对该建筑的中庭烟气填充规律、烟气流动特性和烟气控制技术进行了研究[10-12]。重庆大学通过理论分析、模型实验和CFD模拟方法，对中庭建筑防排烟技术进行了研究，促进了中庭防排烟技术的发展，为修订和制定相关法规提供了依据[13-14]。Chow系统地研究了中庭的分类、烟气运动和中庭烟气填充特性[15-16]。国内其他研究所，如天津市消防科学研究院、四川省消防科学研究院等，也对烟气进行了大量的研究中庭控制技术。
在我国，中庭排烟量的设计方法主要是标准设计和性能设计。对于正常中庭，当中庭容积小于等于17000m3时，烟量按其容积的6倍每小时计算，当中庭容积大于17000m3时，烟量按其容积的4倍每小时计算，但最小烟量不应小于102000 m3/h；对于超高、超大、形状复杂的中庭，将采用性能化设计方法来保证中庭的消防安全。
为了进一步研究超高层建筑中庭防排烟技术，本文在上海中心大厦60m高的中庭进行了热烟试验，研究了不同火灾释放率和不同通风条件下的火灾烟气运动规律，并测量了不同时刻的烟气层。本文还通过数值模拟研究了不同送风方式对中庭机械排烟的影响。
第二章 试验设计
上海大厦是中国最高的建筑，有121层，632米。上海大厦有23个中庭。热烟气实验在上海中心大厦最大的中庭进行。中庭面积约400m2，高度约60m。中庭四周是玻璃幕墙，6米高，中部和顶部有火警。该中庭设计机械排烟量为220000m3/ h，设计机械补充量为110000 m3/h，排烟口设在中庭顶部，尺寸为4m* 2m。中庭地面有条形送风风口，约0.5 m *44m。
根据AS 4391《澳大利亚标准烟气管理系统——热烟气试验》和GA/T 999《烟气控制系统性能验证方法——热烟气试验》的热烟气试验方法，结合试验条件和实验条件，确定了热烟气实验方案。测试的总体布局如图1所示。火源位于中庭中心，冷光尺安装在火源中心线与中庭玻璃幕墙的交接处，测量烟气层高度。烟雾发生器如图2所示。测试条件表如表1所示。考虑了两种放热率(1.0MW和2.0MW)。在这个实验中，燃料是乙醇。
图1 测试的总体布局
图2 发烟器
表1实验条件
第三章 测试过程及结果分析
3.1测试过程
烟道的模拟如图3所示。排烟层高度的测量过程如图4所示。
图3 烟道模拟
图4 烟层高度的测量过程
3.2不同试验条件下排烟层高度的分析
在试验条件1(放热率为1MW，自动联动排风扇和送风风扇，门关闭)下，为了试验安全，在10m高度和30m高度关闭探测器。在测试过程中，在59秒时，探测器在10米高处收集烟雾，在2分35秒时，顶部的探测器发出警报，在2分45秒时，排气扇启动，在10分钟时灭火，在20分钟时烟雾被排出。烟层随时间的高度如图5所示。图5表明，烟层的变化可分为上升、下沉、火灾时排烟和火灾后排烟四个阶段。上升阶段烟气于23s到达中庭顶部，上升速率为2.32 m/s，沉降阶段烟气沉降速率为0.25m/s；火灾排烟阶段，烟层上升速度为0.10米/秒，中庭上部被覆盖约需70秒。在整个阶段，烟层的最低高度为13.5米。
图5 试验条件1下随时间变化的烟层高度
根据试验条件1的分析，烟雾是由探测器收集的，高度约为10m。因此，手动启动排气扇的时间可以在其他测试条件下设置为1分钟。
在试验条件2下(放热率为1MW，手动打开排气扇，门打开，送风风扇不启动)，烟层高度随时间变化如图6所示。图6表明，烟层的变化可分为上升、下沉、火灾时排烟和火灾后排烟四个阶段。上升阶段烟气在21s到达中庭顶部，上升速率为2.54 m/s，由于排烟风机在60s启动，下沉阶段较短。在火灾时的排烟阶段，由于缺乏空气供应，烟气不能迅速排出。烟层紊乱，烟层高差约20m。在这个阶段，烟层下降到10m的高度。火扑灭后，打开通风系统排烟。中庭的上部被覆盖了大约75秒。
图6 试验条件下随时间变化的烟层高度2
在试验条件3下(放热率为1MW，排风扇和送风风扇不启动)，烟层随时间的高度如图7所示。图7表明，烟层的变化可分为上升、火灾时下沉和火灾后排烟三个阶段。上升阶段，烟气在25s时到达中庭顶部，上升速率为2.14 m/s，沉降阶段，烟气层以0.30 m/s的速度在前期快速下降，然后以0.12 m/s的速度缓慢下降，此时烟气层的最低高度为6m。火扑灭后，打开通风系统排烟。中庭的上半部分被覆盖了大约需要88秒。
图7 试验条件下烟层随时间的高度3
在试验条件4(放热率为2MW，手动打开排气扇和送风风扇，门关闭)下，烟层高度随时间变化如图8所示。图8表明，烟层的变化可分为上升、下沉、火灾时排烟和火灾后排烟四个阶段。上升阶段烟气以18s到达中庭顶部，上升速率为2.97 m/s，由于排烟风机在60s启动，下沉阶段较短。火灾时排烟阶段，烟层先降后升。在这个阶段，烟雾层下降到15.5米的高度。中庭的上部被覆盖需要大约95秒。
图8 试验条件下烟层随时间的高度4
在试验条件5(放热率为2MW，手动打开排气扇，门打开，送风风扇不启动)下，烟层高度随时间变化如图9所示。图9表明，烟层的变化可分为上升、下沉、火灾时排烟和火灾后排烟四个阶段。上升阶段烟气在22s到达中庭顶部，上升速率为2.43 m/s，由于排烟风机在60s启动，下沉阶段较短。在火灾时的排烟阶段，由于缺乏通风，烟气不能快速排出。烟层紊乱，烟层高差约20m。在这个阶段，烟层下降到13.5米的高度。中庭的上部被覆盖大约需要77秒。
图9 试验条件下随时间变化的烟层高度5
当放热率为1.0 MW时，在不同通风条件下，烟层高度随时间的变化如图10所示。图10显示烟雾到达中庭顶部的时间更加一致，大约23秒。当排气扇和送风风扇启动时，烟层保持在较高的位置，可以有效排出。当排气扇开启，送风风扇未启动时，烟层紊乱，烟气无法有效排出。排烟风机和送风风机不启动时，烟气快速充满中庭，烟层高度可降至6m。
图10 条件1，条件2，条件3条件下烟层随时间的高度
不同通风条件下相同放热率(2 MW)下烟气层随时间的对比如图11所示。相同通风条件下不同放热率条件下烟气层随时间的变化比较如图12所示。相同通风条件下，2MW的烟层比1MW的烟层高。造成这种现象的原因是热释放速率越大，烟气的热浮力越大。
图11 条件1，条件4条件下烟层随时间的高度
图12 条件2，条件5条件下烟层随时间的高度
不同条件下烟气运动特性的比较见表2。表2显示，烟雾到达中庭顶部的时间更加一致；当排气扇和送风风扇启动时，烟气可以有效排出；当排气扇开启，送风风扇未启动时，烟层紊乱，烟气无法有效排出；当排气扇和送风风扇不启动时，烟气迅速充满中庭。
表2不同条件下烟气运动特性的比较
第四章 上海大厦中庭不同通风条件下烟气运动的数值模拟
送风有利于排烟，但也会造成严重的燃烧，因此研究排风的通风条件具有重要意义。目前还没有统一的结论。在NFPA 92B中，空气供应量应为排烟量的85%至95%。朱明[17]建议空气供应量不应少于排烟量的70%。标准GB 50016 [18]要求送风量不小于排烟量的50%；通过数值模拟研究，得出最佳送风量为排烟量的30%的结论[19]。
本文对上海中心大厦最大中庭在不同通风条件下的火灾烟气运动进行了数值模拟。放热率为4MW。不同条件下不同时间2m高度的烟雾能见度如图13-16所示。结果如表3所示。结果表明，当风量为烟气量的50%时，烟气的控制效果最好。
表3不同供风量对室外室内排烟效果的影响
图13 在不同条件下(A)30%，340s；(B)40%，380s；(C)50%，500s；(B)60%，400s和(E)70%，450s下，烟雾下降到2m位置的时间
图14 危险区的时间出现在2m(A)30%，360s；(B)40%，400s；(C)50%，650s；(B)60%，510s和(E)70%，620s的高度
图15 2米高度平面的1/3面积的时间为危险(a)30%、380s、(b)40%、450s、(c)50%、1200s、(b)60%、560s和(e)70%、670s
图16 2m高度平面的所有区域的时间都很危险(a)30%、590s、(b)40%、670s、(c)50%、1200s、(b)60%、650s和(e)70%、1083s
第五章 结论
本文通过对高大中庭的实验和数值模拟研究，得出以下结论。
总结如下:
(1)高大的中庭有明显的“烟囱效应”，烟气可以垂直上升到中庭顶部。在上海中心大厦中庭，不同通风方式和不同释火速率下，烟气以2-3m/s的速度到达中庭顶部。
(2)排风系统启动时，送风系统不启动，烟层紊乱，烟层最小高度低，1.0MW为1.0MW13.5米，2.0兆瓦；当排风系统和送风系统不启动时，烟气迅速充满中庭，烟气层最低高度为6m。
(3)高大中庭有明显的“热障效应”。相同通风条件下，2MW的烟层比1MW的烟层高。这是因为当火力小，热浮力小的时候，烟只能上升到一定高度。
(4)数值模拟结果表明，风量为50%时，烟气控制效果最好烟雾量。
参考文献
[1] NFPA.NFPA 92B., 2000. Guide For Smoke Management System In Mails，Atria And Large Area, Standard of National Fire Protection Association.
[2] Buchanan A.H., Ed. 1994. Fire Engineering Design Guide. Centre for Advanced Engineering, University of Canterbury, New Zealand.
[3]Lougheed G.D., Hadjisphocleous G.V., et al., 1999. Large Scale Physical Model Studies for an trium Smoke Echaust System, Report From ASHRAE
Transactions 105, p.678-698.
[4]Cetegen B.M., E.E. Zukoski E.E. and Kubota T., 1982. Entrainment in fire plumes. Journal of Fire Safety 53, p.107-121.
[5]Heskestad G., 2002. Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering t
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