關(guān)于大空間建筑的通風(fēng)與防排煙設(shè)計的分析

馬斌

摘要：本文作者分析了大空間公共建筑煙氣的流動特性，指出了目前大空間公共建筑在防排煙方面存在的問題，據(jù)此提出了設(shè)置吹吸式空氣幕墻、軟性活動式擋煙垂壁、帶有伸縮管道的排煙口等大空間建筑有效防排煙設(shè)計對策。

關(guān)鍵詞：大空間建筑；煙氣流動；防排煙；設(shè)計對策

1 大空間公共建筑火災(zāi)條件下煙氣流動特性

對普通建筑火災(zāi)來說，一般認為：由于物質(zhì)燃燒產(chǎn)生大量的熱和煙，建筑內(nèi)空氣因受熱而具有較高的溫度，根據(jù)V1/T1=V2/T2可知，V2=V1#T2/T1，因T2>T1，所以T2/T1>1，所以V2>V1，即空氣體積急驟膨脹。同時，若該建筑為密閉型建筑，即在總體積不變時，根據(jù)P1/T1=P2/T2，P2=P1#T2/T1，同理P2>P1，即空氣受熱后，在總體積不變時，壓力增高，空氣體積不斷膨脹，壓力逐步增大，產(chǎn)生煙氣量也越來越多，且煙氣的比重一般比空氣小，因此，煙氣在浮力的作用下，向普通建筑頂部迅速升騰。當(dāng)煙氣到達頂部后即轉(zhuǎn)向四周呈水平方向擴散，隨著火災(zāi)的增大，上部煙氣越積越多，形成煙氣層，并自上而下逐漸加厚下沉。這樣，普通建筑的內(nèi)部空間就會被劃分為兩部分：上部煙氣層，下部空氣層。煙氣層越低，對人員生命的侵害就越大.煙氣層越高，人員就越安全。建筑內(nèi)之所以設(shè)置機械防排煙設(shè)施，其目的就在于把上部煙氣排走，使煙氣層上升，下部空氣層加大，以利于人員逃生，防止煙氣對人員生命的侵害。

但對于大空間建筑，其煙氣運動就不同于普通建筑，有其自身的運動規(guī)律和特性。煙氣在大空間上升過程中，隨著高度的增加，煙氣通過上部墻壁開口、縫隙、建筑導(dǎo)熱構(gòu)件等散熱很大，煙氣溫度逐步降低，其上浮力越來越小。實驗證明，相當(dāng)多的煙氣在上升到22m后，再上升的速度已相當(dāng)緩慢，常常無法到達大空間建筑頂部而懸浮在大空間中部偏高處形成煙氣層。特別是火災(zāi)初期生成的煙氣在距大空間頂部很高處便開始下降，聚集成煙氣層向下擴展、沉降。

其次，我們通過對煙氣層的受力分析，不難看出，大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時，懸浮的煙氣層將受到兩個力的作用；一是本身重力，二是上浮力。二力平衡的支撐面則是/中性面0，即室內(nèi)壓力等于室外壓力的一個理論分界面。中性面對人的危害作用很大。中性面的主要特征是：在中性面的范圍內(nèi)，既不進風(fēng)，又不排氣。人處在中性面范圍內(nèi)將很難生存。中性面越低，對人的危害越大。一般情況下，中性面以下空間，空氣從外部通過門窗、縫隙等向內(nèi)部滲入；中性面以上空間，空氣則由內(nèi)部向外部逸出。而處在中性面范圍內(nèi)的空氣卻幾乎是不流動的。大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時，煙氣量越大，其本身重力越大，中性面越低；反之，煙氣排出量越大，煙氣重力越小，中性面越高。大空間建筑底部開口越多（大），進入的空氣量越多，燃燒越猛，煙氣溫度越高，上浮力越大，中性面越高；反之，下部開口越少（?。M入的空氣量越少，物質(zhì)燃燒越不完全，產(chǎn)生的溫度越低，煙氣的上浮力越小，中性面越低。

再次，外部風(fēng)力對大空間建筑內(nèi)部的煙氣中性面也有較大的影響。上部迎風(fēng)面若開口，大量空氣被壓入，煙氣層下降，中性面下降。因此，上部迎風(fēng)面開口，不僅不利于排煙，反而促使煙氣向下運動，中性面降低，對人員的危害也就越大。

2 大空間公共建筑防排煙系統(tǒng)存在的主要問題

2.1 大空間公共建筑缺少必要的防火防煙分隔

5高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范6（簡稱5高規(guī)6）規(guī)定：每個防煙分區(qū)的面積不宜超過500m2，且防煙分區(qū)不應(yīng)跨越防火分區(qū)?，F(xiàn)已建成的大空間建筑在防火分區(qū)、防煙分區(qū)方面已大大超過規(guī)范的規(guī)定，使規(guī)范對大空間建筑防煙分區(qū)的要求已失去強制約束作用。

2.2 建筑空間高大，機械排煙難以達到要求

實驗證明，排除空間較高建筑內(nèi)的煙氣比排除空間較低建筑內(nèi)的煙氣要困難得多。對大空間建筑頂部排煙而言，較低的大空間建筑可以直接在屋頂高天窗進行自然排煙，較高的大空間建筑往往不能進行自然排煙，其機械排煙效率也隨其高度的增加而降低。其主要原因是：上部空氣溫度比下部空氣溫度高。一般情況下，這個差值隨著大空間建筑高度的增加而增大，從而導(dǎo)致其內(nèi)部煙氣層溫度比貼近屋頂?shù)目諝鈱拥臏囟鹊停陔x屋頂一定距離處，煙氣層便失去了浮力作用，煙氣層將很難上升到屋頂，并且上升到一定高度轉(zhuǎn)而下沉。另外，目前一些大空間建筑設(shè)置的排煙機，從其實際動作看，排出的除煙氣外，還大量滲入空氣。且建筑高度越高，滲入的空氣量越大，煙氣將被大量空氣稀釋，大大減少了排煙機的排煙量，降低了排煙效率。

2.3 大空間建筑現(xiàn)有防煙分隔設(shè)施難以發(fā)揮擋煙作用，形同虛設(shè)

大空間煙氣的流動規(guī)律告訴我們：煙氣層很難達到大空間建筑頂部，而是懸浮在一定高度的空間中。規(guī)范規(guī)定，擋煙垂壁高度的下限值為50cm，同時若按擋煙垂壁至地面的高度為1. 8m設(shè)計。試想，若大空間建筑的高度為30m，則需擋煙垂壁的理論高度為：28. 2m?，F(xiàn)實建筑中很少有如此高的擋煙垂壁。據(jù)調(diào)查，大多數(shù)大空間建筑的擋煙垂壁無一超過50cm。我們知道，擋煙垂壁的高度取決于煙氣層的厚度、煙氣層與頂部的距離。由此可見，50cm高的擋煙垂壁是不能發(fā)揮其擋煙作用的。

2.4 排煙口設(shè)置不合理，煙氣難以有效通過排煙口排出

據(jù)調(diào)查，大空間建筑的排煙口都是按目前5高規(guī)6的要求，設(shè)置在頂棚基靠近頂棚的墻面上。若按這一規(guī)定設(shè)置排煙口，對大空間建筑來說，是難以達到排煙要求的。因為大空間建筑內(nèi)的煙氣層不可能到達其頂部，因而也就不可能接近排煙口，煙氣也就難以高效通過排煙口排出。

3 改進大空間高效排煙的設(shè)計對策

3.1 設(shè)置柔性隔斷，建立吹吸式空氣幕墻

早在20世紀80年代，日本林太郎先生就提出了“空氣幕墻”理論，并對理想模型進行了實驗。該理論在工業(yè)通風(fēng)和空調(diào)工程中已經(jīng)證明其隔斷性是非常有效的。實驗證明，空氣幕墻適合于火災(zāi)初期和中期煙氣的層流和紊流狀態(tài)?？諝饽粔Φ幕驹硎抢么滴鼩饬餍纬闪鲃拥目諝饽粔?，實施防煙分隔，形成防煙分區(qū)，同時排放高溫?zé)煔夂陀卸練怏w。特別是對大空間建筑，由于空氣幕墻為柔性隔斷物，利用它可將大空間劃分為多個防煙分區(qū)。同時，空氣幕墻系統(tǒng)吹風(fēng)口吹進的空氣完全被排出，使火災(zāi)處于缺氧狀態(tài)，特別是對高層建筑，可以避免煙囪效應(yīng)的不良影響。對大空間建筑來說，如果在空氣幕墻上方再設(shè)置水幕系統(tǒng)，則更有利于防火防煙分隔，更有利于人員安全疏散，更有利于有效控制煙氣的流動與火勢的蔓延擴大。

3.2 設(shè)置軟質(zhì)活動式擋煙垂壁與水幕聯(lián)合系統(tǒng)

設(shè)置軟質(zhì)活動式擋煙垂壁與水幕聯(lián)合系統(tǒng)，將煙氣團有效地控制在一定的空間內(nèi)，建立大空間中上部防煙分區(qū)，為實施有效機械排煙創(chuàng)造條件。軟質(zhì)活動式擋煙垂壁，平時卷縮在大空間建筑頂部；火災(zāi)時，通過自動、手動按鈕，使軟質(zhì)活動式擋煙垂壁下降至有效防排煙的高度。同時，水幕系統(tǒng)開啟，對其進行保護。

3.3 設(shè)置具有伸縮式排煙管道的活動排煙口，插入煙層內(nèi)機械排煙

平時，帶有/伸縮式排煙管道的排煙口0設(shè)置在大空間建筑頂部，火災(zāi)時，通過手動、自動按鈕，使位于大空間建筑頂部的排煙口下移，伸入到上部煙層內(nèi)進行排煙，把煙氣層底面高度控制在對人員沒有危害的高度。

大空間建筑必須采取特有的排煙方式，否則，將普通建筑的防排煙設(shè)施用于大空間建筑是難以達到排煙效果的。本文提出的“吹吸式空氣幕墻”、“軟性活動式擋煙垂壁”、“帶有伸縮管道的排煙口”等排煙設(shè)施具體如何設(shè)計制作，并有效地應(yīng)用于實踐中去，則需要進行一系列的科學(xué)試驗和深入研究。

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