Z值及防煙分區(qū)對高大空間排煙系統(tǒng)的影響分析

張 兵 胡 勇

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

0 引言

GB 51251—2017建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準(以下簡稱標準)已于2018年8月1日實施。《標準》與原《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱建規(guī))中排煙系統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別比較大。如排煙量的計算和防煙分區(qū)的劃分。新的《標準》排煙量計算不再像原《建規(guī)》排煙量僅按最大防煙分區(qū)的面積來進行簡單的數(shù)學(xué)乘法，而是與火災(zāi)熱釋放速率、煙羽流的類型有關(guān)；防煙分區(qū)最大允許面積根據(jù)凈高分類由原來的2類改為4類。因此按新規(guī)設(shè)計的排煙系統(tǒng)與原《建規(guī)》差異非常大。本文以最近設(shè)計的奧體中心游泳館和體育館為例來闡述新規(guī)在上述兩方面帶來的差異，并對《標準》第4.2.4條注2提出建議。

1 Z值對排煙量的影響

筆者最近設(shè)計的奧體中心內(nèi)有一個1 500座的游泳館及一個4 500座的體育館，均為多層建筑。游泳館及體育館內(nèi)的比賽大廳空間防火分區(qū)面積均控制在5 000 m2內(nèi)。游泳館橢圓型屋頂最高點凈高30 m，最高處座椅高度為6.6 m。體育館橢圓型屋頂最高點凈高30 m，最高處座椅高度為14 m。簡易剖面圖如圖1,圖2所示。

游泳館和體育館煙羽流類型均為軸對稱型。根據(jù)《標準》第4.6.11.1條軸對稱型煙羽流質(zhì)量流量的計算式可以看出煙羽流質(zhì)量流量Mρ值與Qc和Z值等因素有關(guān)，特別是Z值(燃料面到煙層底部的高度)對煙羽流質(zhì)量流量的影響非常大。

(1)

(2)

從式(1)可以看出，對于凈高、火災(zāi)時的熱釋放速率一定，Mρ與Z成拋物線(類似于y=axb+c，b=5/3，c=0.001 8Qc)的關(guān)系，詳見圖3。從圖中可以看出Z值與Mρ呈指數(shù)增長,Z值越大，Mρ越大。即煙羽流質(zhì)量流量越大，排煙量越大，儲煙倉厚度越小。

從式(2)可以看出，對于凈高、火災(zāi)時的熱釋放速率一定，Mρ與Z成正比關(guān)系線(類似于y=axb+c，b=1，c=0)的關(guān)系，詳見圖3。從圖中可以看出Z值與Mρ呈線型增長,Z值越大，Mρ也越大，但增長速度明顯沒有式(1)增長的快。

假設(shè)游泳館和體育館均在0.000發(fā)生火災(zāi)，有噴淋，軸對稱型煙羽流，火災(zāi)熱釋放速率Q=2.5 MW。根據(jù)《標準》第4.6.11條～4.6.13條及圖1和圖2分別計算出游泳館和體育館一個防煙分區(qū)的各項值，列入表1。

從上述計算及表1中可以看出：對于面積、凈高均相等的游泳館和體育館，由于Z值的不同，Mρ值相差1倍有余。而按原《建規(guī)》游泳館和體育館的排煙量均為300 000 m3/h。人數(shù)少的游泳館排煙量減少了，人數(shù)多的體育館基本持平。人員多的體育館，因其Z值更大，導(dǎo)致所需的排煙量也更大。

表1 游泳館和體育館一個防煙分區(qū)內(nèi)的各項排煙數(shù)值

名稱QcZ1ZHqMρΔTVT游泳館1 7503.2910.53.946.2237.4943.44(156 384)330.64體育館1 7503.2917.23.2101.1517.1389.22(321 192)310.28注:Qc為熱釋放速率的對流部分,kW;Z1為火焰極限高度,m;Z為燃料面到煙層底部的高度,m;Hq為最小清晰高度,m;Mρ為煙雨流質(zhì)量流量,kg/s;ΔT為煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差,K;V為排煙量,m3/s(括號內(nèi)為m3/h);T為煙層的平均絕對溫度,K

2 防煙分區(qū)的劃分對排煙系統(tǒng)的影響

如前所述，按原《建規(guī)》游泳館和體育館空間凈高大于6 m，可不劃分防煙分區(qū)。每個館的排煙量均為30萬m3/h。每個館可對稱設(shè)置4個風機房，每個風機房內(nèi)設(shè)置1臺75 000 m3/h排煙風機。失火時4臺排煙風機同時啟動排煙。

根據(jù)《標準》第4.2.4條規(guī)定，對于空間凈高大于6 m的空間，其最大允許的防煙分區(qū)面積為2 000 m2。《標準》特別注明當空間凈高大于9 m時，防煙分區(qū)之間可不設(shè)置擋煙設(shè)施。此注釋“可不設(shè)置擋煙設(shè)施”目前有兩種理解，前期宣貫的專家學(xué)者、審圖機構(gòu)及消防部門都沒有一個明確的意見，而兩種觀點排煙系統(tǒng)的做法及所產(chǎn)生的結(jié)果相差甚大。第一種觀點認為當空間凈高大于9 m時，不劃分防煙分區(qū)。類似于原《建規(guī)》中對于凈高大于6 m的空間不劃分防煙分區(qū)，按一個防煙分區(qū)考慮，計算一個防煙分區(qū)的排煙量；第二種觀點認為當空間凈高大于9 m時，按每個防煙分區(qū)面積不大于2 000 m2劃分防煙分區(qū)，但是不設(shè)置物理擋煙垂壁。以下以體育館為例來說明上述兩種觀點排煙系統(tǒng)的差別及其影響。

首選按第1種觀點，即將整個比賽大廳按一個防煙分區(qū)考慮，不劃分防煙分區(qū)，總設(shè)計計算排煙風量為321 192 m3/h。因此，在四個角共設(shè)4處風機房，每處風機房設(shè)1臺風機，每臺排煙風機的風量為80 298 m3/h。為便于比較，排煙風機風量暫均不考慮附加系數(shù)。按防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的排煙口之間的水平距離不大于30 m布置平面，詳見圖4。從圖中可以看出，排煙風管均勻分布于4處風機房附近。每處排煙干管的最小管徑為1 250 mm，2個支管最小管徑為φ900 mm。此做法對于建筑空間效果來說是可以接受的。排煙系統(tǒng)的控制也是可以實現(xiàn)的。為便于比較，此方案暫且稱為方案A。

如果按第2種觀點劃分為4個防煙分區(qū)，根據(jù)《標準》4.6.4.1條計算，排煙風機總設(shè)計計算排煙風量仍為321 192 m3/h。此種觀點有多種設(shè)計方案，筆者選擇其中2種邊界方案進行比較。方案B以減少風機數(shù)量，節(jié)約風機成本為出發(fā)點。為了使每個防煙分區(qū)內(nèi)失火時都能利用風機房的4臺排煙風機，需要設(shè)置環(huán)形風管。如果設(shè)置1根環(huán)形風管，最大直徑為1.8 m；如果設(shè)置2根環(huán)形風管，最大直徑為1.25 m；4根環(huán)形風管對應(yīng)的最大直徑0.9 m。失火時，4臺排煙風機開啟，同時聯(lián)動著火防煙分區(qū)的排煙口。平面布置示意圖如圖5所示。此方案雖然減少了風機數(shù)量，降低了風機及配電投資，但是網(wǎng)架內(nèi)排煙風管尺寸太大/管道太多，嚴重影響比賽大廳的空間觀感。方案C按排煙風管最小/最短為原則，每個防煙分區(qū)需要設(shè)置4臺風量80 298 m3/h的排煙風機，共計16臺，平面布置示意圖如圖6所示。失火時，開啟著火防煙分區(qū)的4臺排煙風機，同時聯(lián)動著火防煙分區(qū)的排煙口。此方案排煙風機臺數(shù)、風機房面積、消防供電負荷均為方案B的4倍。但無論是方案B還是方案C，都面臨一個無法避免的問題，即各防煙分區(qū)之間由于沒有物理擋煙垂壁，失火時煙氣會飄逸到相鄰防煙分區(qū)，聚集在穹頂下方。此時消防報警系統(tǒng)無法判別究竟該開啟哪個防煙分區(qū)的排煙風機或者排煙口。

因此按觀點二的理解將大空間劃分多個防煙分區(qū)還是有諸多要解決的問題。方案B和方案C，要么風管過大/過多而影響建筑空間的美感，要么增加風機及配電投資，機房面積過大。并且，對于這種高大空間，電氣專業(yè)設(shè)置的光束感煙火災(zāi)探測器及給排水專業(yè)的消防水炮均是按一個整體設(shè)置的。失火時，整個空間的消防設(shè)施同時動作，而不是僅僅動作某一個假想的防煙分區(qū)內(nèi)的消防設(shè)施。無論方案B和方案C以及是否有物理擋煙垂壁，消防控制系統(tǒng)均不能精準判斷哪個防煙分區(qū)失火，無法判斷開啟哪個防煙分區(qū)的排煙口或者排煙風機。因此，筆者以為對于這樣的高大空間不應(yīng)該劃分防煙分區(qū)，應(yīng)該按一個防煙分區(qū)來設(shè)置機械排煙系統(tǒng)。

3 結(jié)語

對于凈高超過9 m且Z>Z1的高大空間Z值對排煙量Mρ的影響非常大，呈指數(shù)增長。且如單個功能區(qū)域建筑面積超過2 000 m2，建議按一個防煙分區(qū)考慮排煙設(shè)施比較合理，可行且可靠。