《Fire》：Influence of Fire Source Elevation on Positive Pressure Ventilation Effectiveness in Multi-Story Building Stairwells
Iulian-Cristian Ene,
Vlad Iordache,
Dan-Adrian Ionescu,
Florin Bode,
Ilinca N?stase and
Ion Anghel
编辑推荐：
本研究针对既有B+GF+9类中高层住宅建筑，探讨了在楼梯间顶部安装机械风机进行正压通风(PPV)的主动消防策略。通过实验校准的FDS数值模拟，系统分析了火源位于地面层、第五层和第九层时，PPV相比自然通风在控制烟雾传播、维持楼梯间可居留条件方面的有效性。结果表明，PPV能将可用安全疏散时间(ASET)延长75%至110%以上，有效维持楼梯间温度低于60°C、CO浓度低于0.12%的安全阈值，为改造缺乏现代消防设施的既有建筑提供了经实证验证的可行方案。
随着城市人口的膨胀和高层建筑的普及，火灾安全，特别是确保疏散通道在火灾中保持安全，已成为现代城市面临的严峻挑战。想象一下，一栋建于上世纪、没有现代烟雾控制系统的高层住宅楼突发火灾，浓烟和高温气体在“烟囱效应”的驱动下，会像乘坐高速电梯一样迅速灌满整条楼梯间——这本应是逃生的生命线，却可能在几分钟内变为致命的陷阱。在罗马尼亚首都，超过75%的住宅楼建于现行消防规范实施之前，其中约40%是5到11层的中高层建筑。这些建筑往往因法规历史遗留问题，无需满足严格的消防审批要求，其楼梯间缺乏有效的防烟分隔，使得火灾中烟雾弥漫、温度骤升，极大缩短了人员可安全逃生的“黄金时间”。面对这一普遍而紧迫的现实，一个关键问题摆在研究者面前：对于这些既有的、结构改造受限的中高层建筑，是否存在一种成本可控、易于实施的技术方案，能够有效抵御烟雾入侵，将危险的楼梯间转变为可靠的临时避难区域？
为了回答这个问题，由Iulian-Cristian Ene, Vlad Iordache, Dan-Adrian Ionescu, Florin Bode, Ilinca N?stase 和 Ion Anghel组成的研究团队在《Fire》期刊上发表了一项研究。他们聚焦于一种名为“正压通风(Positive Pressure Ventilation, PPV)”的主动消防策略，但采用了一种非标准的配置：将机械送风机安装在楼梯间的顶部（传统上这里是排烟口的位置），从上向下送风形成气压迫。研究的核心是探讨一个常被忽视的关键变量——火源所在楼层的高度，如何影响这种PPV系统的实际效能。他们想知道，当火灾发生在一楼、中间楼层或顶楼时，这套“自上而下”的加压系统是否都能有效工作？其保护效果又有何差异？
研究人员综合运用了实验与数值模拟两种手段。首先，他们在一个全尺寸房间内进行了实体火灾实验，使用九个木垛作为燃料，通过称重法校准得到了热释放速率(Heat Release Rate, HRR)曲线，为后续模拟提供了真实可靠的输入数据。接着，他们利用经过验证的火灾动力学模拟器(Fire Dynamics Simulator, FDS)软件，构建了一栋典型的“地下室+地面层+9层”(B+GF+9)住宅楼的精细模型。研究共设计了6个模拟情景，分为两大组：第一组是纯自然通风情景(S1)，第二组是在楼梯间顶部安装了机械风机（风量2 m3/s）的PPV情景(S2)。在每组中，又分别将火源（燃烧器）设置在地面层(F0)、第五层(F5)和第九层(F9)，系统监测楼梯间内关键位置的温度和CO浓度变化。
主要研究结果如下：
3.1. 地面层火源
- •
温度：在自然通风(S1)下，楼梯间迅速沦为高温“烟囱”，温度超过180°C，平均达133°C，仅85秒就超过了60°C的可居留阈值。而PPV(S2)形成了有效的气压屏障，将最高温度控制在92°C，平均温度维持在53°C的安全范围内，将安全时间延长至149秒，延长了75%。
- •
一氧化碳(CO)：S1情景下，火源附近CO浓度快速超过0.12%的安全限值，并向上扩散。S2情景则成功将CO限制在火源房间内，楼梯间各监测点浓度在360秒内均未超过安全限值。
3.2. 第五层火源
- •
温度：S1情景下，楼梯间在95秒内温度飙升至285°C，平均171°C，完全丧失逃生条件。S2情景通过加压将平均温度控制在49°C，并将安全时间延长至206秒，效能提升超过110%。
- •
CO：S1中CO在火源层严重超标并向上传播，S2则成功将楼梯间内各点的CO浓度始终维持在0.12%以下。
3.3. 第九层（顶层）火源
- •
温度：这是对PPV系统最有利的情形。S1中高温烟气在顶层蓄积并下渗，温度达189°C。而S2系统由于风机就在火源附近，形成了极强的隔离效果，成功将高温烟气限制在顶层局部区域，楼梯间下部温度维持在安全的21°C左右，整个模拟期间未超温。
- •
CO：S1中顶层CO浓度迅速升至0.29%。S2则有效抑制了CO向楼梯间的扩散，其浓度始终低于0.12%的安全线。
研究结论与意义
本研究系统地证实，在缺乏现代防烟分隔的既有中高层建筑中，传统的自然通风方式完全无法保证楼梯间的安全，会使其在火灾发生后极短时间内（85-95秒）达到致死性的高温和有毒气体浓度。而采用在楼梯间顶部安装单台风机的正压通风(PPV)策略，能够创造出一个稳定的气压屏障，有效对抗浮力驱动的烟气流。无论火源位于建筑的底部、中部还是顶部，PPV系统均能显著提升楼梯间的可居留性，将温度维持在60°C以下，CO浓度控制在0.12%以下。研究特别揭示，PPV系统的保护效能与火源高度正相关，当火源越靠近顶部的风机时，系统的保护效果越出色。对于最不利的地面层火源，PPV也能将可用安全疏散时间(ASET)延长约75%；对于中间层火源，延长幅度超过110%；而对于顶层火源，系统几乎能实现完全隔离。
这项研究的意义在于，它为解决大量既有中高层住宅的历史消防短板提供了一个经过数值模拟验证、成本相对较低且易于工程实施的改造方案。它表明，无需进行复杂的结构分隔改造，仅通过优化机械通风策略，就有可能将脆弱的楼梯间转化为火灾中的“安全岛”，为人员疏散和消防救援赢得宝贵时间。该研究不仅填补了关于火源高度如何影响非标准PPV配置性能的知识空白，也为性能化消防设计及相关规范的修订提供了重要的数据支持和理论依据。当然，研究也指出了未来的改进方向，如需进一步考虑外部风场、建筑缝隙泄漏变异性和人员疏散时门开启动态等更复杂因素的影响，以使该策略更加稳健可靠。
