吝慶磊1，徐彪1，隋學敏1，魏琦君2，張海成2
1 長安大學 建工學院；2 中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司

       【摘    要】針對陜西省某封閉式儲煤棚建筑，采用FDS軟件對其火災動態過程模擬仿真，分析了著火點位置、排煙窗開啟狀況、棚外風速、擋煙垂壁設置等影響因素對火災特性的影響。以建筑內部最小清晰高度處煙層/空氣層溫度、一氧化碳濃度、能見度為人員逃生的安全評價指標，評估了不應影響因素工況下人員逃生的安全性。探討了自然排煙的可行性，給出了自然排煙及防煙分區劃分的合理建議。主要結論如下：1）對于不同著火點位置，單一排煙窗自然排煙存在不足，建議將建筑普通窗打開以提高自然排煙效率；2）僅打開著火分區排煙窗，建筑內可見度迅速降低，人員逃生風險性提高，需要將全部排煙窗打開；3）棚外風速可以提高自然排煙效率，人員逃生安全性提高，可以考慮減少排煙窗開啟數量。4）設置擋煙垂壁可以明顯提高人員逃生安全性，但建筑面積過大，設置擋煙垂壁經濟成本較高，并且不設置擋煙垂壁時，可用安全疏散時間較長，人員較易逃出，因此擋煙垂壁可不進行設置，將建筑整體作為一個防煙分區。本文研究結果可為封閉式儲煤棚建筑的防火及防排煙設計提供指導。

       【關鍵詞】封閉式儲煤棚；FDS；煙氣蔓延；溫度分布；能見度；一氧化碳濃度

1 引言

       煤炭是我國的主體能源，近十年來，煤炭在我國能源生產結構中的占比一直高達65%以上 ^[1]，大量的煤炭開采出來需要先進行儲存再通過火車運輸到全國各地。煤炭儲存一般有兩種方式: 露天儲煤場和封閉式儲煤場。早期煤炭儲存以露天儲煤場為主，但隨著國家對大氣環境污染治理標準的不斷提高，《中華人民共和國大氣污染防治法》（2018修訂版）第七十二條明確規定儲存煤炭應當密閉，從根本上解決污染問題。在這樣的背景下，大型封閉式儲煤技術和設施不斷發展。目前封閉式儲煤設施可分為筒倉、地上儲煤棚及半地下式儲煤倉3種形式。地上儲煤棚由于其造價相對較低應用最為廣泛，其特點是縱深狹長，煤炭儲存量大^[2]。

       煤炭作為一種可燃物，通過長期的堆積，會慢慢的產生氧化反應而發熱，存在自燃現象，引起火災事故。對于封閉式儲煤棚這類近年來新規建的建筑，我國現行防火規范及防排煙規范中對于封閉式儲煤場的設計并沒有針對性的規定，比如煤堆之間的防火間距、防火分區的設計、防排煙設計措施等。目前也缺乏相關該類建筑消防方面的設計指導，設計人員對該類建筑的消防設計存在模糊性。因此，有必要對封閉式儲煤棚火災特性進行研究，以供工程中防火及防排煙設計提供參考。

       伴隨著封閉式儲煤棚的規?；瘧?，其相關火災特性方面的數值模擬研究也已初步展開。例如，朱國慶等學者^[3]通過對儲煤場煤堆火災危險性進行分析，并結合大渦場模擬軟件FDS對不同防火間距的儲煤場煤堆火災數值模擬。研究發現，煤堆防火間距分別為6、8、10米時，煤堆安全高度依次為15.7、19.5、19.7米，當防火間距達到8米時，再增加間距對安全高度影響不大。ZHANG Lei等學者^[4]以使用空氣支撐膜結構的儲存棚為例，利用模擬軟件FDS模擬在最不利的火災場景中一氧化碳、溫度和煙氣能見度在清晰高度處的危險到來時間，即可用的安全疏散時間，并通過Pathfinder軟件計算了所需的安全疏散時間，最后通過膜材料的燃燒特性實驗和數值模擬，得到了空氣支撐膜式儲煤棚的結構失穩時間。結果表明，可用安全疏散時間和結構失穩時間均長于所需安全疏散時間?？偨Y目前文獻調研結果發現，目前關于儲煤棚火災特性及消防性能化研究還處于起步階段，還需要大量研究為工程實踐提供理論指導。

       基于以上研究背景，本研究針對某典型封閉式儲煤棚建筑，采用FDS軟件對其火災動態過程模擬仿真，分析著火點位置、排煙窗開啟狀況、棚外風速、擋煙垂壁設置等影響因素對火災特性的影響，評估不同影響因素工況人員逃生的安全性。在此基礎上上，探討自然排煙的可行性，對自然排煙措施及防煙分區劃分提出建議，以期為封閉式儲煤棚類建筑的防火及防排煙設計提供指導。

2 研究方法

       采用Pyrosim三維建模軟件建立儲煤棚仿真模擬物理模型，采用火災動力學模擬軟件FDS對其火災動態過程模擬，研究不同影響因素工況下煙氣蔓延特性，得到最小清晰高度處煙層/空氣層的溫度、可見度、一氧化碳濃度等安全評價指標，評估不同火災場景是否滿足人員安全逃生基本需求。

       2.1 研究對象

       本文研究對象為一由火車軌道穿過的典型封閉式儲煤棚，其結構如圖1所示。該儲煤棚位于陜西省山區地帶；建筑外部夏季風速2.3m/s，最高溫度可達41℃，冬季風速2.9m/s，最低溫度-13℃；長357m，寬42m，占地面積14994m2，凈高14.8-16.9m，建筑圍護結構主體為鋼結構，建筑東部設一混凝土隔斷墻，頂棚為混凝土屋頂或鋼結構屋頂；建筑南北兩側均在12.8m高度處設置電動排煙窗，發生火災時，電動排煙窗開啟70℃迅速排煙，下部為正常采光用窗戶。每個防煙分區均勻布置12個風帽用作日常排風、換氣，總共設置150個風帽；火車軌道由西向東設置在建筑北側，因此不設人員或汽車出入口，只在建筑南側設置5個人員疏散出口，3個汽車運輸出入口。

（a）儲煤棚縱剖面圖

（b）儲煤棚橫剖面圖
圖1 建筑示意圖

       2.2 pyrosim建模

       本研究通過pyrosim軟件基于建筑圖紙確定模型主要構造，建立儲煤棚仿真模型，如圖2所示。 

  
圖2 儲煤棚物理模型

       為分析儲煤棚內部煙氣蔓延變化特性及清晰高度處煙層/空氣層溫度、可見度、一氧化碳濃度在火災動態過程中的變化情況，如圖3（a）、（b）所示，在火源處、人員過道處設置溫度切面，在最小清晰高度處設置可見度、一氧化碳濃度監測切面及相應探測器，進而判斷發生火災后，人員逃生是否處于安全標準內。

（a）探測器布置    （b）切片布置
圖3 探測器及切面布置示意圖

       2.3 火源模型設置

       《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251-2017)規定了建筑場所火災熱釋放速率的確定方法和常用數據：儲煤棚屬于丙類倉庫建筑類別，且由于室內凈高大于8m，設置噴淋時，按照無噴淋場所對待；無噴淋時，火災達到穩態時的熱釋放速率最低限值為20MW^[5]。
 火災的熱釋放速率和火災增長時間存在一定數量關系，可表示為^[5]：

        

       式中：Q------熱釋放速率（kW）；

                  t-------火災增長時間（s）；

                  ----火災增長系數（kW/s²），煤炭的火災增長系數^[4]為0.0049 kW/s²;

       計算得出，火災達到穩態時的熱釋放速率為20MW時，火災自由發展時間為2020秒，而后認為消防人員到達現場對火災進行撲救，火災熱釋放速率不會繼續上升，而是在穩態熱釋放速率值周圍波動。

       2.4 工況設置

       影響儲煤棚火災動態發展過程的因素有很多：室外風速、溫度、煤塵濃度、通風條件、著火點位置、消防用水準備是否充足、煙感探測設備是否可以正?？刂婆艧煷伴_啟等。結合儲煤棚地理位置及本項目研究目的，本研究以1-1作為基礎工況，重點模擬著火點位置、棚外風速、排煙窗開啟狀況、是否設擋煙垂壁四個方面對火災動態發展過程的影響，圖4展示了部分工況的仿真模型。模擬工況如表2所示。

表2模擬工況


圖4 部分工況仿真模型

       2.5 分析方法

       在火災動態發展過程中，關于人員逃生的安全要求如下：（1）最小清晰高度以下的煙層/空氣層溫度不超過60℃^[6]；（2）最小清晰高度以下的煙層/空氣層能見度不小于10m^[7]；（3）最小清晰高度以下的煙層/空氣層一氧化碳濃度不超過500 ppm^[8]。
對于高大空間建筑，最小清晰高度參照《建筑防排煙系統技術標準》（GB51251-2017）^[5]滿足以下公式：

       

       式中：H_q為最小清晰高度(m)；H_b為排煙空間的建筑凈高度(m)。對于本項目，最小清晰高度為2.98m。

3 結果與討論

       3.1 著火點位置對火災動態過程的影響

       對于本研究來講，著火點火源熱釋放速率最高為20MW，當著火點位置不同時，煙氣蔓延特性會發生較大變化，使儲煤棚內部不同區域處煙層/空氣層溫度、可見度、一氧化碳濃度有較大不同。

圖5 不同著火點位置條件下人員過道區域溫度縱切面

       圖5給出了不同著火點位置條件下人員過道區域溫度縱切面。由圖5（a）（b）（c）可知，清晰高度上方區域煙層/空氣層溫度由高至低依次是著火點位置3、著火點位置1、著火點位置2，分別為77.5℃、73.5℃、63.5℃。清晰高度處煙層/空氣層溫度在不同著火點位置條件下均低于60℃，滿足人員安全逃生標準。

       建筑內部區域煙層/空氣層溫度主要和火源位置及煙氣聚集程度相關。著火點位置2居于建筑中部，煙氣蔓延速度快，煙氣聚集程度低，所以建筑上部煙層溫度最低；著火點位置1靠近大氣環境，煙氣左側擴散會受到混凝土墻抑制作用但可以直接排至大氣環境，自然排煙效率較高；著火點位置3靠近混凝土隔斷通道，煙氣向右側蔓延時會在混凝土隔斷通道中大量積聚，導致建筑上部煙層溫度最高。

圖6 不同著火點位置條件下清晰高度處可見度

       如圖6給出了不同著火點工況下，棚內清晰高度處可見度變化情況及每一防煙分區可見度達到臨界值的時間。由圖（a）著火點位置1時，儲煤棚內部有八個防煙分區區域可見度低于人員逃生最低可見度，其中防煙分區3區域最先達到人員安全逃生最低可見度，最短時間為2230秒。由圖（b）（c）可知，著火點位置2、3，儲煤棚內部在混凝土隔斷通道左側的13個防煙分區區域可見度均有低于人員安全逃生最低可見度的風險。相較于著火點位置1，著火點位置位于2、3時，建筑內部危險區域面積較大，各防煙分區可見度最先達到臨界值的時間分別縮短130秒、290秒。

       可見度的變化與煙氣等顆粒在垂直方向上的遷移效率有關。著火點位置2發生火災時，煙氣擴散不受阻擋，垂直遷移效率高，可見度更易降低。著火點位置1、3煙氣只能單向進行擴散，煙氣在儲煙倉的積聚效應較著火點位置2高，熱壓高，煙氣更易排出，自然排煙效率較著火點位置2高。

    
圖7 不同著火點位置條件下最小清晰高度處一氧化碳濃度

       圖7 給出了不同著火點條件下最小清晰高度處一氧化碳濃度分布情況。如圖（a）（b）（c）所示，在不同著火點位置1、2、3條件下一氧化碳濃度較高區域分別為35ppm、65ppm、65ppm，均低于人員安全逃生標準所規定的的500ppm限值。

       在不同著火點位置條件下，一氧化碳自然排出的效率存在差異。著火點位置1左側靠近大氣環境，一氧化碳可通過建筑上部排煙窗及左側火車軌道口迅速排出，自然排出效率最高，所以一氧化碳集中區域濃度最低僅為35ppm。著火點位置2、3建筑內一氧化碳的排出主要依靠上部排煙窗，一氧化碳濃度會達到65ppm，且著火點位置2一氧化碳擴散不受建筑物阻擋，因此著火點位置2時一氧化碳集中區域面積明顯小于著火點位置3。

       基于以上對不同著火點位置條件下建筑內部清晰高度處煙層/空氣層溫度、可見度、一氧化碳濃度的分析可知：發生火災時，清晰高度處一氧化碳濃度及煙層/空氣層溫度在人員安全逃生標準要求范圍之內。清晰高度處可見度低于人員逃生所需最小可見度時間最低為1940秒，人員逃生時間較長，但不利于火災后期消防撲救，需要將建筑下部普通窗打開，提高自然排煙效率。

       3.2 排煙窗開啟狀況對火災動態過程的影響

       為實現對儲煤棚排煙窗開啟方案進行優化設計，本部分模擬僅打開著火分區排煙窗條件下，儲煤棚內部清晰高度處溫度、一氧化碳濃度、可見度的變化特性，與1-1排煙窗全部開啟工況的效果進行對比。

圖8 僅打開著火分區排煙窗

       圖8給出了僅打開著火分區排煙窗時儲煤棚建筑內部人員過道處溫度縱切面、一氧化碳濃度、可見度的變化特性。

       通過圖8（a）與圖5（a）可知，當僅打開著火分區排煙窗時，人員過道區域上方煙層溫度達到78.5℃，比1-1排煙窗全部開啟工況高5℃，清晰高度處煙層/空氣層溫度低于60℃。由圖8（b）與圖6（a）對比可知，一氧化碳濃度遠高于1-1工況清晰高度處一氧化碳濃度，但仍小于500ppm限值。由圖8（d）可知，僅打開著火分區排煙窗時棚內清晰高度處可見度迅速降低，棚內每一區域清晰高度處可見度達到臨界值的時間均小于1-1工況，建筑內部可見度低于10m區域較1-1工況多5個防煙分區。

       綜上分析可見，僅打開著火分區排煙窗會使自然排煙效率降低，煙氣在儲煤棚內部各區域大量積聚，人員逃生危險性明顯上升，因此在發生火災時不可僅打開著火分區的排煙窗。

       3.3 棚外風速對火災動態過程的影響

  
圖9 棚外風速2.3m/s工況

       圖9給出了在棚外風速為2.3m/s時，棚內人員過道區域溫度縱切面、清晰高度處一氧化碳濃度、可見度變化特性。由圖9（a）（b），人員過道區域清晰高度處煙層/空氣層溫度低于60℃、一氧化碳濃度為55ppm，均符合人員逃生安全標準。由圖9（c）（d）可知，在風速存在時，棚內清晰高度處可見度達到臨界值的時間進一步降低，最短時間由1-1棚外風速為0工況的2230秒降為1180秒，但棚內清晰高度處可見度達到臨界值的區域面積有所降低。

       風速的存在一方面提高了自然排煙的效率，另一方面對煤炭的燃燒有助燃的效果，加劇了火源位置附近煙氣、一氧化碳等有毒粒子在建筑內部擴散的混亂度。通過以上分析可知，在有風速存在時，靠近火源位置區域人員安全風險較高，而隨著遠離火源位置，人員安全風險逐漸降低。由此來看，棚外風速提高了人員逃生的安全性。

       3.4 擋煙垂壁設置對火災動態過程的影響

       封閉式儲煤棚屬于典型的高大空間建筑。關于高大空間建筑防煙分區的劃分，《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB51251-2017）4.2.4條規定：當空間凈高大于6m時，防煙分區的最大允許面積為2000m2，長邊最大允許長度為60m;具有自然對流條件時，防煙分區長邊最大允許長度不應大于75 m[5]。除上述規定外，該條款還注明：當空間凈高大于9m時，防煙分區之間可不設擋煙設施。關于此條注釋的依據及可行性，條文解釋未有任何相關說明。防煙分區之間不設擋煙設施，即相當于將這個建筑空間視為一個防煙分區考慮。這與上述2000m2的最大的防煙分區的規定存在矛盾，使得設計人員對于防煙分區的設計具有不確定性的選擇，難以有效指導工程設計。對于封閉式儲煤棚類建筑，將建筑整體為一個防煙分區和按照規范的最大允許面積的要求劃分防煙分區，兩種工況的差異如何？將該類建筑整體為一個防煙分區是可行，還需進行針對性的論證。

       擋煙垂壁設置的目的是將煙氣控制在著火區域所在的空間范圍內，并限制煙氣從儲煙倉內向其他區域蔓延。煙氣層高度需控制在儲煙倉下沿以上一定高度內，以保證人員安全疏散及消防援救。

圖10 設置擋煙垂壁

       圖10給出了設置擋煙垂壁將建筑內部劃分為14個防煙分區后人員過道處溫度縱切面及棚內清晰高度處一氧化碳濃度、可見度的變化情況。圖10（a）相較于圖5（a）1-1不設擋煙垂壁工況，頂棚上方煙氣層溫度有所升高，上升5℃，清晰高度處煙層/空氣層溫度低于60℃。通過圖10（b）與圖6（a）相比較，可知一氧化碳濃度集中區域明顯減少，濃度僅為20ppm，有所降低，進一步降低了人員安全風險。

       如圖10（c）所示，設置擋煙垂壁后，只有防煙分區一至三清晰高度處可見度發生了改變，且高于人員安全標準所規定的10m最低限值，相較于不設擋煙垂壁工況有了較大改善。

       因此設置擋煙垂壁可以極大程度上降低火災對人員安全的危險性，但對于本模擬所設定的20MW最大熱釋放速率條件下，若不設置擋煙垂壁，只有可見度高于人員安全標準，且人員疏散時間較長，危險性較低。因此，考慮經濟成本，可不設擋煙垂壁，將建筑整體作為一個防煙分區。

4 結論

       本研究針對典型封閉式儲煤棚，建立火災模擬仿真模型，以清晰高度處煙層/空氣層溫度、可見度、一氧化碳濃度作為評價指標，得出以下結論：

       （1）不同著火點位置工況下，清晰高度處煙層/空氣層溫度小于60℃、一氧化碳濃度小于500ppm，但能見度在一定時間后有低于人員逃生所需最小可見度的風險，因此火災發生后應將建筑外表面下部普通窗戶打開，提高自然排煙效率。

       （2）發生火災時，僅打開著火分區的排煙窗會極大降低排煙效率。雖然清晰高度處一氧化碳集中區域濃度小于500ppm、煙層/空氣層溫度小于60℃,但是棚內各區域清晰高度處可見度低于人員逃生所需最小可見度的時間大大縮短，人員逃生風險性提高，因此不可僅打開著火分區排煙窗進行自然排煙。

       （3）風速的存在一方面提高了自然排煙的效率，另一方面對煤炭的燃燒有助燃的效果，加劇了火源位置附近煙氣、一氧化碳等有毒粒子在建筑內部擴散的混亂度?？拷鹪次恢脜^域人員安全風險較高，而隨著遠離火源位置，人員安全風險逐漸降低。從儲煤棚建筑整體區域安全性來看，棚外風速提高了人員逃生安全性，或可考慮關閉部分排煙窗。

       （4）設置擋煙垂壁后，棚內清晰高度處煙層/空氣層溫度小于60℃、可見度大于10m、一氧化碳濃度小于500ppm，無安全風險。但本儲煤棚建筑占地面積較大，設置擋煙垂壁成本較高。即使不設擋煙垂壁時，只有人員可見度低于人員逃生安全標準，且逃生時間較長，人員較易逃出，因此可不設擋煙設施，將建筑整體作為一個防煙分區。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年10月刊 總第48期（第二十二屆全國通風技術學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。