防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵參量的設(shè)置問題研究

李思成

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前，我國(guó)高層建筑、綜合體建筑等大型建筑的數(shù)量越來(lái)越多。這些建筑火災(zāi)荷載大、人員集聚多、疏散距離長(zhǎng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)造成較為嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。例如，2009年2月9日，央視附屬文化中心大樓工地發(fā)生火災(zāi)，造成1名消防隊(duì)員犧牲，過火面積8 490 m2。2010年11月15日，上海市靜安區(qū)教師公寓發(fā)生火災(zāi)，該建筑共28層，火災(zāi)豎向蔓延迅速，高壓水槍及云梯車均不能達(dá)到建筑上部，最終造成58人死亡，70余人受傷。調(diào)查表明，火災(zāi)煙氣造成的人員傷亡比例占到80%以上[3]。因此，設(shè)計(jì)良好的防排煙系統(tǒng)，對(duì)于有效減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，有著重要意義。

建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通電梯不能用作人員疏散，防煙樓梯間、疏散走廊作為人員安全疏散的必要通道，一旦被火災(zāi)煙氣侵入，會(huì)嚴(yán)重影響建筑內(nèi)人員的生命安全[4]。為了保證火災(zāi)時(shí)人員安全疏散和消防員快速救援，許多大型建筑中都設(shè)置了防排煙設(shè)施，一般對(duì)防煙樓梯間進(jìn)行防煙，對(duì)疏散走廊或比較大的房間進(jìn)行排煙。防煙方式一般為機(jī)械加壓送風(fēng)，通過向防煙部位送入新鮮空氣使其維持一定的正壓，防止煙氣侵入。排煙方式一般為機(jī)械排煙，通過風(fēng)機(jī)和管道，把火災(zāi)煙氣從排煙部位排出室外。

防排煙系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)，是防排煙設(shè)施發(fā)揮重要作用的前提。目前，防排煙設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是相關(guān)的規(guī)范。專門的《防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(送審稿)[5]將要頒布。然而，在這些設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，對(duì)一些重要的設(shè)計(jì)參量，并沒有做詳細(xì)的規(guī)定。本文從前室加壓送風(fēng)口的位置設(shè)定、送風(fēng)豎井粗糙度、送風(fēng)豎井尺寸和排煙口設(shè)置高度等幾個(gè)方面，詳細(xì)介紹武警學(xué)院“火災(zāi)煙氣控制研究中心”對(duì)這幾個(gè)問題的研究成果，為有效減少火災(zāi)損失提供參考。

1 防排煙設(shè)計(jì)中存在的問題

1.1 前室送風(fēng)口布置問題

前室防煙是在火災(zāi)時(shí)對(duì)前室加壓送風(fēng)，如前室門開啟，會(huì)在前室門門洞處形成足夠大的氣流以阻止煙氣進(jìn)入?；馂?zāi)煙氣蔓延一般從著火房間進(jìn)入走廊，在前室門的頂部從走廊流進(jìn)前室，如圖1所示。從圖可知，即使前室門整體防煙速度足夠大，如果門頂部氣流速度不足，仍然無(wú)法阻擋煙氣進(jìn)入前室。同理，當(dāng)門洞頂部的防煙氣流足夠大時(shí)，即使整體門洞風(fēng)速有所降低，依然能對(duì)前室進(jìn)行有效防煙。

圖1 防煙方向與煙氣蔓延

本課題組在實(shí)際工程測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，前室門門洞風(fēng)速分布與前室送風(fēng)口的設(shè)置位置有關(guān)[6]。因此研究前室合理的送風(fēng)口位置，使得前室門處形成有效的防煙氣流是十分必要的。而關(guān)于建筑前室(合用前室)內(nèi)送風(fēng)位置的設(shè)置，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[7](GB 50016—2014)并未給出明確的規(guī)定，只是對(duì)加壓送風(fēng)量、余壓值、送風(fēng)口風(fēng)速等做了相關(guān)規(guī)定，各類文獻(xiàn)期刊中也很少提及此類問題。這就造成了設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)章可循，實(shí)際工程中送風(fēng)豎井可能處于前室中央，也可能處于角落等位置，送風(fēng)口安裝高度不一致，風(fēng)口與前室門的相對(duì)位置不一的現(xiàn)象。圖2所示為某高層建筑防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。從圖中可以看出，同一座建筑中兩個(gè)前室大小和形狀相似，但是其送風(fēng)口的設(shè)置位置卻截然不同，左側(cè)前室送風(fēng)口靠近門洞，且在垂直門洞墻面布置，而右側(cè)前室送風(fēng)口卻處于正對(duì)門洞墻面，而此建筑所選用送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、風(fēng)量以及送風(fēng)口大小等均保持一致，如此火災(zāi)情況下兩前室所能達(dá)到的防煙效果是否一致值得討論。

圖2 某高層建筑防排煙標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

霍昭磐[8]利用FDS數(shù)值模擬，研究了送風(fēng)口位置對(duì)前室門洞風(fēng)速分布的影響。圖3為送風(fēng)口處于正對(duì)前室門、送風(fēng)量為10 000 m3·h-1時(shí)，不同送風(fēng)口設(shè)置高度情況下門洞風(fēng)速分布云圖。從圖中可以直觀的看出，不同送風(fēng)口設(shè)置高度下，門洞風(fēng)速分布呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。當(dāng)送風(fēng)口設(shè)置高度低于門洞時(shí)，送風(fēng)口在對(duì)面墻壁的投影正好處于門洞內(nèi)，此時(shí)門洞風(fēng)速分布較為集中，呈現(xiàn)出中心速度大，逐漸向四周減小的規(guī)律；當(dāng)送風(fēng)口投影處于門洞正上方，即送風(fēng)口的下沿超過2 m時(shí)，整個(gè)門洞均有風(fēng)速分布，但不存在風(fēng)速值過大的區(qū)域且呈現(xiàn)出中下部區(qū)域風(fēng)速較大，頂部區(qū)域風(fēng)速相對(duì)較小的規(guī)律。

(a)0～0.9 m

(b)1～1.9 m

(c)2～2.9 m

通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，霍昭磐對(duì)不同情況下前室送風(fēng)口的設(shè)置給出了詳細(xì)的結(jié)論。(1)送風(fēng)口正對(duì)于前室門時(shí)，應(yīng)將送風(fēng)口設(shè)置于前室上部區(qū)域；在送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量一定的情況下，適當(dāng)?shù)販p小送風(fēng)口面積，可以提高門洞頂部區(qū)域風(fēng)速大小，更有利于防煙；在送風(fēng)口面積一定的情況下，適當(dāng)?shù)亟档透邔挶龋顾惋L(fēng)口呈扁平形狀，可以達(dá)到更佳的送風(fēng)效果。(2)送風(fēng)口側(cè)對(duì)于前室門時(shí)，隨著距門洞水平距離的增大，送風(fēng)效果逐漸變差，此相對(duì)位置下送風(fēng)口同樣應(yīng)設(shè)置在前室上部區(qū)域。(3)送風(fēng)口垂直于前室門時(shí)，為達(dá)到較好的送風(fēng)效果，應(yīng)將送風(fēng)口設(shè)置于靠近地面處；此相對(duì)位置下不宜選用豎直安裝的長(zhǎng)條型送風(fēng)口；送風(fēng)口與門洞的垂直距離對(duì)門洞風(fēng)速分布影響較大，建議將送風(fēng)口設(shè)置于墻面中央位置。(4)送風(fēng)口處于前室門同側(cè)時(shí)，送風(fēng)口設(shè)置于門洞兩側(cè)，送風(fēng)口設(shè)置高度越低，距門洞越近送風(fēng)效果越佳，但總體而言此時(shí)送風(fēng)效果整體較差；送風(fēng)口位于門洞正上方時(shí)送風(fēng)效果相對(duì)較好，此時(shí)送風(fēng)口下沿距門洞上沿距離不應(yīng)超過20 cm且應(yīng)同時(shí)避免過于貼近門洞，送風(fēng)口高寬比對(duì)送風(fēng)效果影響較弱。(5)建筑送風(fēng)系統(tǒng)布置時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮布置在正對(duì)于前室門墻面且風(fēng)口高于門洞，其次是垂直于門洞墻面的下部，最后是側(cè)對(duì)于門洞的上部區(qū)域。

這些研究成果，考慮了送風(fēng)口與前室門不同的相對(duì)位置下，送風(fēng)口的布置問題。設(shè)計(jì)人員可以在工程設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮，以供在實(shí)際工程中全尺寸檢驗(yàn)這些成果，經(jīng)過修正和完善，最后使前室送風(fēng)口位置的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。

1.2 送風(fēng)豎井粗糙度問題

目前，高層建筑的加壓送風(fēng)系統(tǒng)在施工過程中，送風(fēng)豎井多采用混凝土內(nèi)壁，很少使用金屬材料制作管壁，且送風(fēng)豎井施工質(zhì)量較差，多數(shù)豎井內(nèi)壁達(dá)不到光滑井道的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)送風(fēng)豎井內(nèi)壁材料及施工標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)明確要求。劉海嘯[9]以前室送風(fēng)系統(tǒng)為例，研究了送風(fēng)豎井壁面粗糙度對(duì)加壓送風(fēng)效果的影響。

送風(fēng)豎井管壁粗糙度增大，會(huì)增加送風(fēng)豎井的沿程阻力損失，從而導(dǎo)致送風(fēng)口分配到的有效送風(fēng)量減小，送風(fēng)效率降低。本課題組利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬軟件，研究了送風(fēng)豎井粗糙度的改變對(duì)送風(fēng)效果的影響。模擬采用前室單獨(dú)送風(fēng)，樓梯間自然通風(fēng)的方式，送風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)置在建筑頂部。分別假定2層、9層、16層、23層和30層為著火層，模擬時(shí)著火層前室、樓梯間門均為開啟狀態(tài)，送風(fēng)管道材料分別選用混凝土、礦渣石膏板、鋼板和碳鋼板，管壁粗糙度分別選取3,1,0.15,0.03 mm。圖4為不同管壁粗糙度情況下前室的開門風(fēng)速。由圖可以看出，送風(fēng)豎井管壁粗糙度對(duì)前室門洞風(fēng)速值有較大的影響。前室門洞風(fēng)速整體呈現(xiàn)隨著樓層數(shù)的增大門洞風(fēng)速增大的現(xiàn)象。當(dāng)著火層位于建筑2層，管壁粗糙度為3 mm時(shí)，前室門洞風(fēng)速值為0.58 m·s-1，當(dāng)粗糙度減小到0.03 mm時(shí)，前室門洞風(fēng)速值為0.86 m·s-1，增大了48%。從圖中還能看出，當(dāng)管壁粗糙度小于0.15 mm時(shí)，該建筑各樓層的前室門洞風(fēng)速均能達(dá)到防煙要求。粗糙度為0.15 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的管道材料是鋼板。實(shí)際工程中，使用鋼板作為送風(fēng)豎井材料的建筑較少，大多建筑選用石膏板或混凝土，這樣會(huì)導(dǎo)致部分較低樓層的加壓送風(fēng)系統(tǒng)達(dá)不到防煙效果。因而消防執(zhí)法人員在對(duì)建筑進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)也應(yīng)關(guān)注施工質(zhì)量的問題，如送風(fēng)豎井的材料選用問題，防止因材料選用不當(dāng)導(dǎo)致建筑投入使用后防煙效果不佳的問題出現(xiàn)。

圖4 管壁粗糙度與前室門洞風(fēng)速之間的關(guān)系

1.3 送風(fēng)豎井尺寸問題

對(duì)于送風(fēng)豎井的尺寸，規(guī)范主要通過限制送風(fēng)管道的設(shè)計(jì)流速來(lái)實(shí)現(xiàn)?！督ㄖ罒熍艧熛到y(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(送審稿)第3.3.7條規(guī)定：送風(fēng)管道應(yīng)采用光滑的不燃燒材料制作，且不應(yīng)采用土建井道。當(dāng)采用金屬管道時(shí)，管道設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于20 m·s-1；當(dāng)采用非金屬材料管道時(shí)，管道設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于15 m·s-1。這條規(guī)定，主要是防止在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，送風(fēng)豎井過小，阻力過大，造成風(fēng)量過低。然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一般都選用規(guī)范規(guī)定的最大值，這樣可以節(jié)省建筑空間。送風(fēng)豎井的尺寸大小對(duì)防煙效果到底有多大影響呢？本課題組的劉海嘯[9]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型CONTAM研究了這個(gè)問題。

模擬采用前室單獨(dú)送風(fēng)的防煙方式，建筑共18層。加壓送風(fēng)量取19 120 m3·h-1，分別選取4層、8層、15層、18層為假定著火層，設(shè)置著火層前室送風(fēng)口及樓梯間門和前室門為打開狀態(tài)，送風(fēng)豎井的橫截面積分別設(shè)置為0.4,0.6,0.8 m2，對(duì)應(yīng)的豎井內(nèi)風(fēng)速分別為13,9,7 m·s-1，模擬得到豎井截面積與樓梯間門洞風(fēng)速的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，前室單獨(dú)送風(fēng)時(shí)，改變送風(fēng)豎井的截面積對(duì)于提高防煙效果作用明顯，以4層為例，當(dāng)豎井橫截面積為0.4 m2時(shí)，其門洞風(fēng)速值為0.52 m·s-1；而豎井橫截面積為0.8 m2時(shí)，門洞風(fēng)速值為0.74 m·s-1；當(dāng)豎井橫截面積為0.8 m2時(shí)，無(wú)論起火位置位于建筑的哪一層，相應(yīng)的門洞風(fēng)速值均大于0.7 m·s-1，均可滿足阻擋煙氣蔓延的要求。可見，送風(fēng)豎井的尺寸對(duì)送風(fēng)效果影響較大。在設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)該僅僅滿足于規(guī)范規(guī)定的最大允許值，還應(yīng)該綜合考慮管道的粗糙度等問題，設(shè)計(jì)出更好的工程，滿足防煙效果。

圖5 前室單獨(dú)送風(fēng)時(shí)豎井截面積與門洞風(fēng)速的關(guān)系

1.4 排煙口高度問題

高層建筑走廊中，機(jī)械排煙口的安裝方式主要有頂棚安裝和側(cè)墻安裝兩種。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于煙氣在熱浮力的作用下向上流動(dòng)的特性，頂棚安裝的排煙口在一般情況下的排煙效果理論上要好于側(cè)墻安裝的排煙口。但是在實(shí)際建筑工程中，由于施工困難以及成本高等原因，很多高層建筑中的機(jī)械排煙口安裝在側(cè)墻，且安裝高度也不固定，導(dǎo)致在實(shí)際的工程中，排煙口的安裝高度各種各樣。目前，我國(guó)現(xiàn)行消防規(guī)范對(duì)機(jī)械排煙口的安裝高度問題作出了相關(guān)規(guī)定，如《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(送審稿)第4.3.12條規(guī)定：走廊內(nèi)排煙口應(yīng)設(shè)在其凈空高度的1/2以上，當(dāng)設(shè)置在側(cè)墻時(shí)，其最近的邊緣與吊頂?shù)木嚯x不應(yīng)大于0.5 m。但其對(duì)排煙口的設(shè)置高度只進(jìn)行了較為寬泛的范圍規(guī)定，沒有更加明確的規(guī)定。

本課題組李青[10]通過1/3小尺寸試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了不同排煙口的安裝高度對(duì)排煙效果的影響。圖6是不同排煙口安裝高度下的煙氣層高度片光源圖。根據(jù)比例尺寸的計(jì)算，最后研究結(jié)果為，當(dāng)排煙口上沿與頂棚的距離超過0.3 m時(shí)，走廊內(nèi)的平均溫度和火場(chǎng)能見度均超出人員所能承受的安全范圍，因此建議高層建筑環(huán)形走廊內(nèi)機(jī)械排煙口距頂棚的距離不應(yīng)超過0.3 m。

(a)排煙口靠近頂棚

(b)排煙口距頂棚5 cm

(c)排煙口距頂棚10 cm

(d)排煙口距頂棚15 cm

2 結(jié)論

從上述分析來(lái)看，雖然防排煙規(guī)范對(duì)一些具體參數(shù)都進(jìn)行了規(guī)定，但是在一些設(shè)置細(xì)節(jié)上還需要進(jìn)一步完善，如前室加壓送風(fēng)口的位置設(shè)定、送風(fēng)豎井粗糙度、送風(fēng)豎井尺寸和排煙口設(shè)置高度等。同時(shí)，一些設(shè)置參量應(yīng)綜合考量目前我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量(如漏風(fēng)量)、施工水平和相關(guān)設(shè)施的維護(hù)管理水平。只有從設(shè)計(jì)初始階段把許多參量設(shè)置清晰，才能從根本上保證防排煙設(shè)施在火災(zāi)時(shí)發(fā)揮良好的效果。

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