高層建筑加壓防煙設(shè)計(jì)主要問題研究

●徐文毅

(武警學(xué)院 消防工程系,河北 廊坊 065000)

我國高層建筑發(fā)展較晚,對(duì)高層建筑防排煙方面的科學(xué)研究起步亦較晚。近年來高層建筑發(fā)展很快,建筑火災(zāi)中防排煙問題的重要性大家雖有共識(shí),但我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行管理手段均較缺乏,不能滿足實(shí)際高層建筑工程設(shè)計(jì)的需要。雖然在《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱《高規(guī)》)中有原則規(guī)定,在一些設(shè)計(jì)資料中也有所介紹,但對(duì)設(shè)計(jì)者來說,根據(jù)高層建筑不同平面布置、工程規(guī)模、使用功能等要求,設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足這些要求的加壓防煙系統(tǒng)仍感困難。另外《高規(guī)》只著重對(duì)與火災(zāi)有關(guān)的內(nèi)容作了規(guī)定,不可能包羅萬象,因?yàn)楦鱾€(gè)專業(yè)或?qū)W科,均有其自身獨(dú)立的內(nèi)容,有些專業(yè)文件也不可能都包羅在《高規(guī)》條文之中,如果忽視這些內(nèi)容,仍然會(huì)影響加壓防煙的效果,降低防煙系統(tǒng)的可靠性,甚至使防煙系統(tǒng)失去防煙功能。本文對(duì)加壓防煙設(shè)計(jì)中出現(xiàn)頻率較高的幾個(gè)主要問題進(jìn)行分析,并提出一些看法和措施,以供參考。

1 加壓防煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓頭問題

在加壓防煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員往往只注意送風(fēng)量的確定,而不注重系統(tǒng)阻力計(jì)算。他們大多憑借自己的主觀直覺,估算壓頭是否符合實(shí)際情況;而風(fēng)機(jī)風(fēng)量通常也是按《高規(guī)》表 8.3.2.1～4中的現(xiàn)成數(shù)據(jù)選用的。但風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與壓頭是相關(guān)參數(shù),一個(gè)風(fēng)量參數(shù)是不能決定風(fēng)機(jī)型號(hào)的。據(jù)加壓防煙設(shè)計(jì)工程統(tǒng)計(jì)：對(duì) 20～32層的前室(包括合用前室)加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)選擇的風(fēng)機(jī)壓頭最小有 273Pa,最大有1 324Pa,而且防煙樓梯間與前室加壓風(fēng)機(jī)的壓頭多數(shù)會(huì)取同一數(shù)值。風(fēng)機(jī)壓頭計(jì)算公式：

式中,P——風(fēng)機(jī)全壓,Pa;

Pm——最不利環(huán)管道壓頭損失,Pa;

k——整個(gè)管網(wǎng)局部壓力損失與沿程壓力損失的比值;

ΔP——余壓,Pa;防煙樓梯間取 40～50Pa,前室、合用前室、消防電梯間前室、封閉避難層(間)取 25～30Pa。

實(shí)際上,如果前室和防煙樓梯間都是常開自垂式百葉風(fēng)口,風(fēng)機(jī)壓頭可能相差不大;但如果前室采用的是常閉型風(fēng)口,火災(zāi)時(shí)只開啟著火層和與其相鄰的上、下層風(fēng)口,防煙樓梯間采用的是常開型自垂式百葉風(fēng)口時(shí),由于防煙樓梯間豎向風(fēng)道各風(fēng)口有泄流量,豎向風(fēng)道斷面是不變的,其最不利環(huán)路的阻力會(huì)比前室加壓防煙系統(tǒng)的要小得多。

如果選擇的風(fēng)機(jī)壓頭與系統(tǒng)實(shí)際阻力不匹配,風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生飄移,當(dāng)所選擇的風(fēng)機(jī)壓頭比系統(tǒng)實(shí)際阻力小時(shí),風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就達(dá)不到設(shè)計(jì)風(fēng)量的要求。如果選擇的風(fēng)機(jī)壓頭比系統(tǒng)實(shí)際阻力大時(shí),實(shí)際風(fēng)機(jī)的風(fēng)量將比設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量大。風(fēng)機(jī)風(fēng)量過大會(huì)造成電機(jī)超載甚至燒毀電機(jī),風(fēng)量過大還會(huì)使前室超壓。因而會(huì)大大降低防煙系統(tǒng)的可靠性,這不能不引起我們的注意。

2 建筑風(fēng)道內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度問題

既然加壓防煙系統(tǒng)的阻力計(jì)算常被忽視,與之密切相關(guān)的豎向風(fēng)道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度的問題更不必說,因此,設(shè)計(jì)人員很少對(duì)施工單位提出粗糙度的工藝要求。風(fēng)道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度的大小,直接影響風(fēng)道的單位長度摩擦阻力,關(guān)系到風(fēng)機(jī)壓頭的選擇。一般常用風(fēng)道(管)內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度 K值見表1。

表1 常用風(fēng)道(管)內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度

實(shí)際工程中的風(fēng)道,往往談不上光滑,因?yàn)橛行┯捎诓僮鞑槐?抹灰困難,甚至連磚縫都沒有鉤,表面高低不平,漏風(fēng)嚴(yán)重。設(shè)計(jì)中應(yīng)由暖通方對(duì)土建方提出這方面的工藝要求。

阻力計(jì)算中應(yīng)盡可能符合實(shí)際地估計(jì)風(fēng)道內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度K值的大小。K值不同,同一加壓防煙系統(tǒng)阻力也是不同的。對(duì)不同的K值,其單位長度摩擦阻力 Pm(Pa·m-1)可按下列公式計(jì)算：

式中,de為風(fēng)道當(dāng)量直徑,m,de=2ab/(a+b),a、b為矩形風(fēng)道長、短邊長度,m;U為風(fēng)道內(nèi)平均流速,m·s-1。

其中,(2)式的使用范圍為 de=0.2～2.0,U=5.0～20;(3)、(4)式的使用范圍為 de=0.5～2.0,U=3.0～12。

當(dāng)豎井 F=0.445m2,de=0.616,U=10時(shí),現(xiàn)將 3種 K值的Pm的計(jì)算結(jié)果列于表2以便于對(duì)比。在上述諸條件下,絕對(duì)粗糙度 K=3.0的單位摩擦阻力為K=0.15(鋼板風(fēng)管)的 1.87倍,這不能不引起重視。

表2 3種 K值的單位摩擦阻力

3 送風(fēng)豎向風(fēng)道斷面長、寬比問題

在加壓防煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員通常只按《高規(guī)》控制的斷面風(fēng)速,混凝土風(fēng)道不大于 15m·s-1來控制風(fēng)道的斷面面積,不重視斷面長短邊的比值,多數(shù)把土建風(fēng)道的設(shè)置權(quán)交給建筑專業(yè)。而建筑專業(yè)并不了解加壓送風(fēng)的工藝要求,一般只保證風(fēng)道面積的要求。在工程中,尺寸 a×b=4 500×250、a×b=3 000×200、a×b=2 000×150等都是常見的。

從流體力學(xué)理論可知,在其他條件相同時(shí),介質(zhì)在圓形風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)的阻力最小;正多邊形次之,這里指邊數(shù)大于 4的正多邊形,邊數(shù)越多阻力越小;正方形再次之。土建風(fēng)道一般做成矩形,如果按控制風(fēng)道斷面風(fēng)速算得的風(fēng)道斷面面積提供給建筑專業(yè),又不交代工藝要求,建筑專業(yè)為了便于布置,往往把風(fēng)道壓得很扁,這樣扁的加壓送風(fēng)道帶來了諸多弊端：一是邊長比值變小,會(huì)增大風(fēng)道的阻力;二是內(nèi)尺寸短邊太小給磚砌風(fēng)道內(nèi)壁抹灰?guī)砝щy,有的甚至不能進(jìn)行抹灰操作,使風(fēng)道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度增加,單位長度摩擦阻力增大,也增大了漏風(fēng)量;三是短邊尺寸太小,使人不可能進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)檢修,施工過程中掉入的垃圾堵塞風(fēng)道時(shí)無法清理;四是安裝的風(fēng)閥尾部有可能突出風(fēng)道內(nèi),增大風(fēng)道阻力。

現(xiàn)以風(fēng)道斷面面積 F=0.48m2,風(fēng)速 U=10.417的矩形風(fēng)道為例,當(dāng)風(fēng)道斷面面積和風(fēng)速不變時(shí),風(fēng)道邊長比的變化,對(duì)單位長度摩擦阻力的影響結(jié)果列于表 3以便對(duì)比。

表3 矩形不同邊長比 Pm值比較表

4 豎向風(fēng)道斷面風(fēng)速的選擇問題

《高規(guī)》第 8.1.5.2條規(guī)定,采用內(nèi)表面光滑的混凝土等非金屬材料風(fēng)道時(shí),流速不應(yīng)大于 15m·s-1。如果不分情況一律采用 15m·s-1的極限值是不合適的。目前建筑風(fēng)道四面全是混凝土材質(zhì)的不多,要認(rèn)定內(nèi)表面是光滑的,在土建施工中不提出要求是很難辦到的。風(fēng)道內(nèi)流速的選擇應(yīng)根據(jù)絕對(duì)粗糙度及材質(zhì)等諸多因素來確定。

對(duì)防煙樓梯間或選擇常開型送風(fēng)口的前室(包括合用前室),加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)起始風(fēng)速采用 15m·s-1是可行的,因?yàn)檫@種豎向風(fēng)道,各層都有途泄流量,風(fēng)道斷面不變,第一個(gè)風(fēng)口后的各段風(fēng)道內(nèi)的速度是遞減的,越往后風(fēng)速越小,因此系統(tǒng)的總阻力小。但對(duì)選用常閉型送風(fēng)口的前室加壓送風(fēng)系統(tǒng),如果火災(zāi)時(shí),只開啟著火層及其相鄰的上、下層風(fēng)口,當(dāng)不考慮關(guān)閉風(fēng)口的漏風(fēng)時(shí),從風(fēng)機(jī)出來以后的第一個(gè)風(fēng)口,到著火層的前一個(gè)風(fēng)口之間這段風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速是不變的。建筑層數(shù)較多,如果風(fēng)道內(nèi)的起始風(fēng)速也采用 15m·s-1就不合適。如果火災(zāi)發(fā)生在距離加壓風(fēng)機(jī)的最遠(yuǎn)一端,建筑物層數(shù)越多即風(fēng)道長度較長時(shí),系統(tǒng)總阻力可能較大,遠(yuǎn)端和近端阻力相差懸殊。按遠(yuǎn)端最大阻力選擇的風(fēng)機(jī),其風(fēng)量能滿足設(shè)計(jì)風(fēng)量的要求,近端火災(zāi)時(shí),由于阻力小很多,風(fēng)量會(huì)急劇增加,不僅會(huì)形成前室內(nèi)超壓,甚至使風(fēng)機(jī)的電機(jī)過載而燒毀。

5 風(fēng)機(jī)特性選擇問題

《高規(guī)》對(duì)加壓防煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的特性未作具體規(guī)定。由流體力學(xué)理論可知,高層建筑防煙系統(tǒng)的阻力 H(Pa),隨風(fēng)道的長度 L(m),風(fēng)道內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度 K,風(fēng)道內(nèi)的平均流速 U的增大而增大,隨風(fēng)道的當(dāng)量直徑de的減小而增大,即：

防煙系統(tǒng)用來選擇風(fēng)機(jī)壓頭的阻力,取決于防煙系統(tǒng)離風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)端火災(zāi)時(shí)的阻力 Hmax,但是按設(shè)計(jì)風(fēng)量L(m3·h-1)與Hmax選擇的風(fēng)機(jī),由于近端火災(zāi)時(shí)系統(tǒng)阻力 Hmin很小,△H=Hmax-Hmin差值很大,一般都很容易超出風(fēng)機(jī)的性能曲線LH范圍。因此不能只按加壓送風(fēng)量L和最不利環(huán)路的阻力Hmax來選擇風(fēng)機(jī),還應(yīng)校驗(yàn)風(fēng)機(jī)在風(fēng)量L變化不大的情況下,風(fēng)機(jī)近端火災(zāi)時(shí)系統(tǒng)的最小阻力Hmin所確定的工作點(diǎn)是否仍在該風(fēng)機(jī)的性能曲線L-H范圍之內(nèi),和風(fēng)機(jī)所需功率N(kW)是否超出電機(jī)的過載能力。這類風(fēng)機(jī)通常應(yīng)是風(fēng)量變化不大而壓頭變化較大,即L-H曲線陡峻的風(fēng)機(jī)。

當(dāng) △H=Hmax-Hmin過大,選不到合適的風(fēng)機(jī)時(shí),可采取以下措施解決：(1)降低風(fēng)道內(nèi)的平均流速 U;(2)減少風(fēng)道內(nèi)表面絕對(duì)粗糙度 K,如對(duì)風(fēng)道內(nèi)表面提出施工時(shí)抹光的要求,或改變風(fēng)道材質(zhì)等;(3)盡可能使風(fēng)道邊長比b∶a接近 1,或增大當(dāng)量直徑de;(4)改變加壓風(fēng)機(jī)的位置,將加壓風(fēng)機(jī)置于風(fēng)道長度的中間位置;(5)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)增設(shè)變頻調(diào)速器以壓力或風(fēng)速、流量傳感器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

從以上分析看出,有的問題《高規(guī)》并未明文規(guī)定,但若加壓防煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)忽視相關(guān)技術(shù)問題,結(jié)果就會(huì)降低加壓防煙系統(tǒng)的可靠性,甚至使加壓防煙系統(tǒng)失去防煙功能。這雖不構(gòu)成違規(guī),可一旦發(fā)生火災(zāi),同樣會(huì)對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失,這必須在工程設(shè)計(jì)中予以重視。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]GB 50045-95(2005年版),高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[3]劉朝賢.加壓送風(fēng)防煙有關(guān)問題的探討[J].四川制冷,1998,(4).

[4]葛建曉,石哲明.高層民用建筑加壓送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討[J].消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(6).