高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題探討

敖偉華

（長(zhǎng)嶺煉化岳陽工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 岳陽 414000）

根據(jù)防火規(guī)范中的相關(guān)條文可知，經(jīng)常有人停留，或者可燃物較多的丙類生產(chǎn)場(chǎng)所或建筑面積大于300 m2的丙類廠房的地上房間需要設(shè)置排煙設(shè)施。對(duì)于面積超過5 000 m2的丁類生產(chǎn)車間，也需要設(shè)置排煙設(shè)施。排煙系統(tǒng)的核心作用是將火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙氣，有效排除，或?qū)煔饪刂圃谙鄳?yīng)的范圍之內(nèi)，避免煙氣出現(xiàn)大面積擴(kuò)散，保證廠房?jī)?nèi)部人員順利疏散。為保證高大廠房排煙系統(tǒng)能更為穩(wěn)定地運(yùn)行，本文重點(diǎn)研究高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 加強(qiáng)高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

高大廠房排煙系統(tǒng)主要是針對(duì)火災(zāi)初期人員疏散而設(shè)計(jì)的，能夠減小火災(zāi)對(duì)人員的傷害。通常高大廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，進(jìn)深很大，與室外連接相通的門、窗比較少，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，特別是在火災(zāi)發(fā)生初期的引燃環(huán)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，排煙難度比較大，因此，做好高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要。通過做好高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，特別是人員分布比較密集的高大廠房，設(shè)置科學(xué)合理的排煙系統(tǒng)，不僅能夠保障作業(yè)人員的人身安全，而且有效提升火災(zāi)的救援速度。對(duì)于高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來講，要結(jié)合廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)既有的排煙設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而保證高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案得以更好地實(shí)施[1]。

2 高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與內(nèi)容見表1。

表1 高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

3 高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題研究

3.1 高大單層廠房，是采用自然排煙還是機(jī)械排煙

室內(nèi)凈高較高的單層廠房，采用自然排煙還是機(jī)械排煙，一直是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題?！督ㄖ罒熍艧熛到y(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）中建議廠房排煙設(shè)計(jì)優(yōu)先采用自然排煙方式，對(duì)于廠房空間較高時(shí)，自然排煙效果是否良好，沒有直接給出結(jié)論。

參考《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[GB 50045—95（2005版）] 8.2.2.5條內(nèi)容“凈空高度小于12 m的中庭可開啟的天窗或高側(cè)窗的面積不應(yīng)小于該中庭地面積的5%?！币馕吨覂?nèi)凈高超過12 m的中庭需要采用機(jī)械排煙才能達(dá)到比較好的排煙效果。這是因?yàn)闊煔馍仙小皩踊爆F(xiàn)象，所謂“層化”現(xiàn)象，主要指熱煙氣上升流動(dòng)中過冷，煙氣密度不斷增大，當(dāng)煙氣流到達(dá)與其密度相等的空氣高度時(shí)，很容易折轉(zhuǎn)成水平方向擴(kuò)散，不再上升。上升到一定高度的煙氣隨著溫度的降低又會(huì)下降，使得煙氣無法從高窗排出室外。這為分析單層高大廠房排煙效果分析提供了方法，即計(jì)算煙層與環(huán)境空氣密度的相對(duì)大小，而密度的大小又與溫度相關(guān)，所以，重點(diǎn)在于計(jì)算煙氣層的平均溫度與環(huán)境溫度的差值。

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）第4.1.3條的條文說明，當(dāng)煙層平均溫度與周圍空氣溫度差值小于15 ℃時(shí)，煙層在建筑空間上部可能出現(xiàn)“層化”現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙方式并合理設(shè)置排煙口的高度；當(dāng)煙氣不會(huì)出現(xiàn)“層化”現(xiàn)象時(shí)，就可采用自然排煙。以此作為判定依據(jù)，決定廠房是采用自然排煙或是機(jī)械排煙方式。

那么對(duì)于凈高較高的單層廠房，高度出現(xiàn)煙氣層化現(xiàn)象的高度可根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）進(jìn)行計(jì)算。一般廠房?jī)?nèi)煙煙羽流為軸對(duì)稱型。其計(jì)算步驟：首先，確定火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)廠房的熱釋放速率Q、燃料面到煙層底部的高度Z；其次，計(jì)算煙羽流質(zhì)量流量Mρ；最后，根據(jù)Mρ和Q計(jì)算出煙層溫度與環(huán)境溫度的差值。主要公式如下：

（1） 軸對(duì)稱型煙羽流質(zhì)量流量Mρ計(jì)算：

式中：Qc——熱釋放速率的對(duì)流部分；

Z——燃料面到煙層底部的高度 （m） （取值應(yīng)大于等于最小清晰高度與燃料面高度之差） ；

Z1——火焰極限高度 （m） ；

Mρ——煙羽流質(zhì)量流量 （kg/s） 。

（2） 煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值計(jì)算公式如下：

式中：

ΔT——煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差 （K） ；

Cp——空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01 kJ/（kg·K）；

K——煙氣中對(duì)流放熱量因子。當(dāng)采用機(jī)械排煙時(shí)，取K=1.0，當(dāng)采用自然排煙時(shí)，取K=0.5。

例如：某室內(nèi)凈高分別為24 m和36 m丁類單層廠房，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同儲(chǔ)煙倉(cāng)底部高度 （即煙層底部高度），計(jì)算采用自然排煙和機(jī)械排煙方式時(shí)的Mρ和ΔT。

根據(jù)相關(guān)資料，無噴淋時(shí)廠房的熱釋放速率Q=8.0 MW，熱釋放速率的對(duì)流部分Qc=5 600 kW，根據(jù)式（1），計(jì)算出Z1=5.24 m，代入相關(guān)參數(shù)，并將部分結(jié)果列于表2和表3。

表2 凈高24 m的單層廠房排煙計(jì)算

表3 凈高36 m的單層廠房排煙計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果有以下結(jié)論：

（1） 采用自然排煙方式時(shí)，高度為24 m的廠房，儲(chǔ)煙倉(cāng)底部高度最高為19.2 m，此時(shí)煙層平均溫度與環(huán)境溫差只有15.12 ℃，煙層達(dá)到“層化”狀態(tài)，此時(shí)不宜采用自然排煙方式，應(yīng)采用機(jī)械排煙方式排煙。

（2） 采用機(jī)械排煙時(shí)，高度為36 m的廠房，儲(chǔ)煙倉(cāng)底部高度為29.7 m時(shí)，煙層平均溫度與環(huán)境溫差只有15.04 ℃，煙層達(dá)到“層化”狀態(tài)， 此時(shí)應(yīng)降低機(jī)械排煙口的設(shè)置高度，來達(dá)到比較好的排煙效果。

3.2 高大廠房室內(nèi)布置數(shù)層操作平臺(tái)，如何開展排煙設(shè)計(jì)

當(dāng)高大廠房室內(nèi)布置數(shù)層操作平臺(tái)與檢修平臺(tái)時(shí)，在排煙設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，計(jì)算清晰高度應(yīng)根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）第4.6.9條公式：

式中：Hq——最小清晰高度 （m）；H’——對(duì)于單層空間，取排煙空間的建筑高度 （m），對(duì)于多層空間，取最高疏散樓層的層高 （m）。

對(duì)空間凈高H’的取值，是按單層空間取地面至屋面之間凈高計(jì)算，還是按多層空間取最高層鋼平臺(tái)至屋面之間的凈高計(jì)算？若按照多層空間取最高層鋼平臺(tái)至屋面之間的凈高計(jì)算清晰高度，要求儲(chǔ)煙倉(cāng)必須設(shè)在最高層鋼平臺(tái)上部，導(dǎo)致廠房空間凈高增加，且增加自然排煙高側(cè)窗的布置難度。如按單層空間取地面至屋面之間凈高為H’值計(jì)算清晰高度，在設(shè)定儲(chǔ)煙倉(cāng)高度時(shí)有可能使頂層或靠近頂層的鋼平臺(tái)位于儲(chǔ)煙倉(cāng)之內(nèi)，影響人的疏散。

對(duì)于一些自動(dòng)化程度較高的廠房，因操作平臺(tái)和檢修平臺(tái)基本上沒有人員工作，設(shè)計(jì)人員可以不考慮人員疏散問題，操作平臺(tái)或檢修平臺(tái)的高度對(duì)最終的廠房清晰高度計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何影響，可采用地面至屋面間的凈高為H’值進(jìn)行計(jì)算。但對(duì)于人員較多的情況，則必須按多層空間取最高層鋼平臺(tái)至屋面之間的凈高為H’值進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)高大廠房排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行有效分析，對(duì)于單層高大廠房，或室內(nèi)布置數(shù)層操作平臺(tái)的高大廠房，進(jìn)行排煙設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合廠房?jī)?nèi)部操作平臺(tái)或檢修平臺(tái)的數(shù)量，以及平臺(tái)分布情況，合理計(jì)算廠房清晰高度，還要考慮煙層是否會(huì)出現(xiàn)“層化”現(xiàn)象。本文提出的解決思路和措施，對(duì)于此類廠房的設(shè)計(jì)具有參考意義。

若高大廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、規(guī)范，設(shè)計(jì)人員需要查閱更多資料，保證設(shè)計(jì)方案得到更好的實(shí)施。