大空間公共建筑防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐棟超

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷加快，大空間公共建筑越來(lái)越多，一旦這類人員密集型建筑發(fā)生火災(zāi)，給人員提供安全的疏散環(huán)境非常重要。當(dāng)建筑物著火時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)迅速升高，空氣因熱脹冷縮原理急劇膨脹，由于煙氣密度比空氣小，煙氣會(huì)在浮力作用下迅速上升，并在到達(dá)建筑頂部后水平擴(kuò)散，逐漸積聚在建筑物頂部，形成煙氣層。為了防止煙氣不斷擴(kuò)散，給人員逃生和消防救援創(chuàng)造有利條件，因此建筑內(nèi)必須要設(shè)置防排煙系統(tǒng)。通過(guò)管道、設(shè)備等設(shè)施把火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的大量濃煙較快排出，防止出現(xiàn)更大的安全隱患，降低施救難度。

1 防煙分區(qū)劃分

首先需要合理設(shè)置防煙分區(qū)，防止煙氣擴(kuò)散，從而達(dá)到降低因火災(zāi)煙氣造成的災(zāi)害影響?！稛熞?guī)（GB 51251—2017）》對(duì)劃分標(biāo)準(zhǔn)和原則已做了相關(guān)要求，室內(nèi)凈高越大，防煙分區(qū)的允許面積越大。如果單個(gè)分區(qū)面積太大，煙氣會(huì)因擴(kuò)散過(guò)程中的溫度下降而發(fā)生沉降，這對(duì)于排煙是非常不利的；而如果面積太小，勢(shì)必會(huì)降低這個(gè)區(qū)域的儲(chǔ)煙能力導(dǎo)致煙氣擴(kuò)散速度加快，從而降低整個(gè)分區(qū)的阻隔效果。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中我們除了綜合考慮機(jī)房面積、風(fēng)井大小、管線安裝時(shí)的吊頂空間之外，還需考慮多分區(qū)控制的風(fēng)量匹配性和合理性等因素。

比如，某地下商場(chǎng)，層高約4.5m，簡(jiǎn)易平面如圖1 所示，圖1對(duì)面積相同的防火分區(qū)進(jìn)行了不同方式的劃分。

圖1 防火分區(qū)

表1 列出了不同劃分情況下的計(jì)算值，比較防火分區(qū)A 和B，不難發(fā)現(xiàn)雖然系統(tǒng)排煙量相同，但是防火分區(qū)A 的劃分更合適，可以減少工程量且消防控制系統(tǒng)也更加簡(jiǎn)單；比較防火分區(qū)C、和D，因劃分方式不同系統(tǒng)排煙量相差一倍，顯然防火分區(qū)D的劃分更合理，排煙量增大，設(shè)備容量、機(jī)房面積、風(fēng)管尺寸等都需加大，不僅增加造價(jià)，還會(huì)影響室內(nèi)吊頂高度，一般地下空間建筑層高都比較緊張，對(duì)于上部管線安裝空間的要求更加嚴(yán)格。另外需要注意，同一系統(tǒng)的各個(gè)分區(qū)的面積取值應(yīng)盡量相近，如果相差太大，火災(zāi)時(shí)排煙口和排煙風(fēng)管的實(shí)際風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量不吻合，情況嚴(yán)重的話會(huì)出現(xiàn)煙氣層吸穿現(xiàn)象，從而導(dǎo)致實(shí)際排煙量的降低。

表1 防煙分區(qū)劃分情況

擋煙垂壁的設(shè)置既要滿足最小清晰高度，以保證火災(zāi)時(shí)人員能夠快速安全撤離，又要考慮煙氣層厚度。清晰高度并不是越高越好，清晰高度越高，煙氣行程就越長(zhǎng)，吸入冷空氣越多，煙量越大而煙氣溫度越低，對(duì)于排出煙氣是非常不利的。

對(duì)于建筑室內(nèi)凈高大于9m 的場(chǎng)所，一般認(rèn)為在這個(gè)高度煙氣的擴(kuò)散不足以產(chǎn)生增大火災(zāi)力度的影響，也不會(huì)因?yàn)闊煔獾姆e聚對(duì)人員產(chǎn)生影響，因此可考慮不設(shè)擋煙垂壁，這就相當(dāng)于我們要把大空間假想成若干個(gè)虛擬的防煙分區(qū)。這種情況從消防控制角度來(lái)說(shuō)，各個(gè)分區(qū)之間沒(méi)有分隔，是一個(gè)整體的大空間，火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙氣很可能會(huì)飄到相鄰分區(qū)，這會(huì)導(dǎo)致FAS 系統(tǒng)出現(xiàn)誤判的可能性，無(wú)法準(zhǔn)確開(kāi)啟著火區(qū)域?qū)?yīng)的排煙閥或排煙口。因此，在條件允許的情況下還是建議設(shè)置物理?yè)鯚煷贡?，使得系統(tǒng)更加可靠。

2 排煙量與補(bǔ)風(fēng)量計(jì)算

2.1 排煙量

對(duì)于凈高不超過(guò)6m 的場(chǎng)所，排煙量?jī)H跟面積有關(guān)；對(duì)于凈高大于6m 的場(chǎng)所，排煙量與很多因素有關(guān)，比如建筑凈高、火災(zāi)熱釋放速率、噴淋設(shè)置情況等，因此，排煙量應(yīng)根據(jù)公式計(jì)算確定，且不小于《煙規(guī)》中的規(guī)定值。當(dāng)建筑的凈高越大，垂直溫度梯度更加明顯，浮力越小，排煙就越困難，排煙效率跟高度成反比。

當(dāng)空間凈高（＞6m）一定時(shí)，我們以軸對(duì)稱型煙羽流為例：

由式（1）～式（3）可以看出，當(dāng) QC恒定時(shí)，質(zhì)量流量 Mρ只跟 Z值有關(guān)，類似于一個(gè)冪函數(shù)y=axb，Mρ隨Z 值成指數(shù)增長(zhǎng)或成線型增長(zhǎng)。

單個(gè)防煙分區(qū)排煙量V：

由式（4）～式（6）可以得出，當(dāng) QC和 K 恒定時(shí)，V 是關(guān)于 Mρ的一次函數(shù)，類似于 y=ax+b，a=0.833，b=0.002815QC。排煙量 V 和質(zhì)量流量Mρ兩者成正比關(guān)系。

最終得出結(jié)論，當(dāng)火災(zāi)熱釋放速率、空間凈高恒定時(shí)，Z 值越大，質(zhì)量流量Mρ越大，排煙量V 就越大。Z 值對(duì)排煙效果影響非常大，Z 值的選取既要保證清晰高度，又要考慮排煙量過(guò)大導(dǎo)致排煙風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)道等設(shè)施加大的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，排煙量可以盡量控制在《煙規(guī)》第4.6.3 條的規(guī)定值附近，既滿足了最小值的要求，也不會(huì)因排煙量太大而要增加排煙設(shè)施的容量。

對(duì)于系統(tǒng)排煙量的計(jì)算，《煙規(guī)》上分了兩種情況：①負(fù)擔(dān)相同凈高的場(chǎng)所；②負(fù)擔(dān)不同凈高的場(chǎng)所。第二種情況的系統(tǒng)排煙量是先分別計(jì)算出每個(gè)相同凈高的場(chǎng)所，再取其中的最大值。但是，有些建筑物頂部是斜的或者弧形的，凈高連續(xù)變化，不能完全分割成幾個(gè)相同凈高的場(chǎng)所，這時(shí)可以分三種情況考慮：①當(dāng)斜屋頂或弧形屋頂各處凈高均≤6m 時(shí)，排煙量只跟面積有關(guān)；②當(dāng)斜屋頂或弧形屋頂各處凈高均＞6m 時(shí)，排煙量隨著高度增加而增大，按最大凈高計(jì)算出的排煙量取值較合理；③當(dāng)斜屋頂或弧形屋頂局部?jī)舾撸?m 其余區(qū)域≤6m 時(shí)，排煙量該如何取值。以商店、展覽廳為例，屋頂最高點(diǎn)處凈高為6.5m，最低點(diǎn)處凈高為5.5m，排煙量如表2 中所列，經(jīng)過(guò)表2 中數(shù)據(jù)分析可以看出，這類場(chǎng)所由于不同的分區(qū)劃分，系統(tǒng)排煙量的取值方法會(huì)有所不同，所以實(shí)際工程中應(yīng)按兩種方法分別計(jì)算后取最大值。

表2 系統(tǒng)排煙量計(jì)算

2.2 補(bǔ)風(fēng)量

根據(jù)風(fēng)量平衡的原則，必須要有進(jìn)風(fēng)才能實(shí)現(xiàn)有效排風(fēng)。為了形成理想的氣流組織，火災(zāi)時(shí)能迅速暢通地排除煙氣，排煙系統(tǒng)必須要設(shè)置補(bǔ)風(fēng)。補(bǔ)風(fēng)量取值最好控制在排煙量的50%～80%之間，主要是為了能形成足夠大的負(fù)壓，有效阻止煙氣向相鄰區(qū)域蔓延。《煙規(guī)》中，對(duì)于補(bǔ)風(fēng)量的取值并不是非常清晰，出現(xiàn)了兩種不同的理解：①按系統(tǒng)排煙量的50%；②按最大防煙分區(qū)排煙量的50%，兩種方法計(jì)算出的補(bǔ)風(fēng)量差別很大。假設(shè)某排煙系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算如表3 中所列，按第一種觀點(diǎn)，補(bǔ)風(fēng)量（20000m3/h）大于排煙量Q1（25000m3/h），這就不滿足排煙量大于補(bǔ)風(fēng)量的規(guī)定。只有當(dāng)兩個(gè)防煙分區(qū)同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)才成立，但這種情況又不符合“同一時(shí)間只有一處發(fā)生火災(zāi)”的基本原則。倘若該分區(qū)內(nèi)正好設(shè)有補(bǔ)風(fēng)口，則會(huì)造成該分區(qū)出現(xiàn)正壓，使煙氣向其他區(qū)域蔓延。按第二種觀點(diǎn)，分區(qū)1 著火時(shí)，補(bǔ)風(fēng)量QB為83%Q1，分區(qū)2 著火時(shí)，補(bǔ)風(fēng)量QB為50%Q2，第二種計(jì)算方法更加合理。

表3 補(bǔ)風(fēng)量計(jì)算

3 排煙口和補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置

布置排煙口時(shí)，首先要考慮煙流方向以及與安全出口的距離，避免逃生人員視線受影響；同時(shí)，要考慮煙氣的水平行程，行程越大，因溫度下降而越不容易被排除。若排煙口位置設(shè)置不合理的話，會(huì)造成煙氣組織混亂，影響排煙效果。有些省份（浙江、江蘇、陜西等）還對(duì)一個(gè)防煙分區(qū)內(nèi)多個(gè)機(jī)械排煙口之間的間距做了規(guī)定，排煙口邊緣最小凈距（Ve為單個(gè)排煙口的計(jì)算排煙量，m3/s），目的也是使排煙更加均勻。

單個(gè)排煙口的最大允許排煙量Vmax：

由式（7）可以看出，當(dāng)排煙位置系數(shù)γ 一定時(shí)，排煙口與儲(chǔ)煙倉(cāng)底部的距離越大，排煙口的允許排煙量越大。因此，排煙口的設(shè)置與煙氣層的高度、風(fēng)口風(fēng)速、尺寸均有關(guān)。當(dāng)排煙口風(fēng)速太大或者單個(gè)排煙口風(fēng)量太大時(shí)，排煙口下的煙氣層會(huì)發(fā)生嚴(yán)重吸穿，新鮮冷空氣被吸入，從而減少了實(shí)際排煙量，導(dǎo)致煙氣層快速下降，影響人員安全疏散。

《煙規(guī)》中，當(dāng)室內(nèi)凈高≤3m 時(shí)，排煙口有個(gè)特殊規(guī)定，可不設(shè)在儲(chǔ)煙倉(cāng)內(nèi)，只要保證在1/2 凈高以上即可。如果采用的是自然排煙，那么排煙口在1/2 凈高以上就可以滿足規(guī)范要求。但是，如果采用的是機(jī)械排煙，排煙口若不在儲(chǔ)煙倉(cāng)內(nèi)，那就無(wú)法滿足單個(gè)排煙口允許風(fēng)量的要求。部分省份（浙江、江蘇、陜西等）已經(jīng)出了消防實(shí)施細(xì)則，對(duì)于凈高≤3m 的場(chǎng)所，排煙口只需滿足風(fēng)速要求即可。其他沒(méi)有規(guī)定的省份，建議設(shè)置活動(dòng)式擋煙垂壁，既不影響室內(nèi)凈高，又可滿足消防排煙要求。

補(bǔ)風(fēng)口的設(shè)置位置也需要注意，高度上應(yīng)在儲(chǔ)煙倉(cāng)以下，水平方向應(yīng)滿足與排煙口的最小水平距離（5m），設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能增大補(bǔ)風(fēng)口與排煙口的間距，這樣煙氣不會(huì)被擾動(dòng)，有利于煙氣排除。

4 結(jié)語(yǔ)

本文是對(duì)大空間公共建筑防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)總結(jié)，主要介紹了防煙分區(qū)的設(shè)置，擋煙垂壁高度的控制，排煙量、補(bǔ)風(fēng)量的計(jì)算，排煙口、補(bǔ)風(fēng)口的設(shè)置原則。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于各種形式多樣的大空間公共建筑，要依據(jù)工程的不同實(shí)際情況靈活設(shè)計(jì)。