李娜，路文淵

（太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

火災時燃燒產(chǎn)生高溫煙氣在浮力作用下上升到建筑物頂部，逐漸形成加厚的高溫煙氣層。自然排煙是利用高溫煙氣產(chǎn)生的浮力，通過冷空氣和熱煙氣之間的對流運動將煙氣通過設置在建筑物上部的屋面和外墻上的排煙口排至室外。與機械排煙相比，自然排煙系統(tǒng)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、投資少和日常維護管理簡便等優(yōu)點；但是自然排煙過程緩慢，排煙效果受火源荷載強度、空間凈高、進排風口位置形式、建筑地理位置和室內(nèi)外環(huán)境溫度等因素影響[1]；特別是大空間、高層建筑和密閉性大的地下建筑，在應用自然排煙設計時，自然排煙口和進風口的面積大小、位置和開啟方式、角度對自然排煙的效果影響很大。自然排煙窗面積的計算規(guī)范推薦公式需采用試算法[1]，計算復雜、工作量大、不利于設計人員使用，本文對自然排煙計算公式進行理論分析，結(jié)合火災數(shù)值模擬軟件仿真分析，給出簡化的自然排煙計算公式。

1 計算前提條件

自然排煙系統(tǒng)是利用火災產(chǎn)生熱煙氣的浮力作為排煙的動力，自然排煙口的排煙速率很大程度上取決于煙氣層的厚度和溫度[2]。現(xiàn)有自然排煙計算公式是根據(jù)熱壓自然通風原理，采用比較成熟的計算公式簡化后推演而得。這些公式有如下前提假定條件[3]：

1）自然排煙和進風處于穩(wěn)態(tài)條件下，計算涉及參數(shù)在整個排煙過程是穩(wěn)定不變的；

2）上部煙層的厚度隨時間而變化，但在任何時刻煙層絕對溫度T（煙層平均溫度）和密度ρ，在整個空間水平和垂直方向是均勻相等的；

3）在接近穩(wěn)態(tài)條件下，當進入外部通風口的質(zhì)量流率近似等于從頂板通風口流出的質(zhì)量流率[4]；

4）煙層以下空間全部與室外連通，進風口的面積足夠大，進風口的壓降遠小于屋頂排煙口的壓降；

5）排煙口兩側(cè)區(qū)域在穩(wěn)態(tài)條件下，每個空間的壓力可以描述為靜水壓力，通過排氣口的質(zhì)量流量由伯努利方程推導而來，其中浮力壓力與排氣口的動壓力有關(guān)；

6）不考慮室外風壓作用，不考慮由縫隙滲入和滲出的空氣和煙氣。

2 自然排煙計算公式

2.1 理想建筑屋頂排煙口的質(zhì)量流量

某建筑物屋頂排煙口見圖1。

圖1 某建筑熱輻射

根據(jù)流體動力學伯努利方程，由室內(nèi)外壓差引起排煙口的質(zhì)量流量可表示為

式中：Mρ為屋頂排煙口的質(zhì)量流量；為屋頂自然排煙口等效面積；CV為自然排煙口流量系數(shù)，常取0.5～0.7；ρ為煙層密度；ΔP為排煙口內(nèi)外壓力差；ρ0為室外空氣密度；h為清晰高度。

根據(jù)理想氣體定律，可得氣體溫度和密度之間的關(guān)系為

式中：T0為室外空氣溫度；T為煙層平均溫度。

將式（2）代入式（1）可得

2.2 現(xiàn)實建筑屋頂排煙口實際排氣面積

式（3）是假定補風口無限大，進風口的壓降遠小于屋頂排煙口的壓降；而實際建筑因客觀條件、使用要求和工程造價等問題，進風口不可能遠大于排煙口。進風口面積受限時的通風系統(tǒng)可簡化為由N個具有不同區(qū)域通風口連接的空間系統(tǒng)，見圖2。

圖2 由N個通風口連接的空間系統(tǒng)

根據(jù)質(zhì)量定律，通過各通風口之間氣體的質(zhì)量關(guān)系可表達為

根據(jù)流體動力學伯努利方程，通過任一通風口之間的壓差關(guān)系可表示為

通過各通風口之間的壓差關(guān)系可表達為

式中：m為通風口處的質(zhì)量流量；ΔP為通風口的內(nèi)外壓差；A為通風口面積。

將式（4）～（6）與圖1相結(jié)合，當實際進風口面積Ao不能遠大于排煙口面積Av時，進風口處的壓降不能忽略，則Av與理想狀態(tài)下排煙口等效面積A*v的關(guān)系可表示為

整理式（7），可得排煙口修正系數(shù)

3 數(shù)值模擬及應用

以GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》條文說明4.6.11工程為例，某3層商業(yè)建筑長30 m、寬20 m、高15 m，層高均為3 m，火源熱釋放速率4 MW，燃料面距地高度1 m。

3.1 數(shù)值模擬

3.1.1 自然排煙公式應用

和進風口的實際面積見表1。

表1 實際排煙口和進風口面積

3.1.2 數(shù)值模擬

采用FDS火災煙氣模擬軟件建立模型，高大空間長寬高為長30 m×20 m×15 m，采用均勻網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m。以表1中排煙口和進風口面積為基礎(chǔ)建立4個模型，進風口均位于清晰高度內(nèi)，底邊與地面平齊，4個模型設置相同尺寸進風口；其中模型4的儲煙倉以下均為進風口，與室外空氣完全連通，接近圖1。采用火災煙氣模擬軟件Pyrosim，室內(nèi)設置煙氣濃度切片，排煙口和進風口處設置速度探測裝置。見圖3和圖4。

圖3 室內(nèi)煙氣濃度

圖4 排煙口和進風口速度

k為0.5時，火源正上方的煙氣濃度最大，頂棚除火源以外區(qū)域的煙氣濃度相對低；進排煙口比逐漸增大時，進風口面積增大，室內(nèi)煙氣濃度降低，因排煙口面積減小，頂棚處煙氣濃度升高；k為28時，儲煙倉以下均為補風口，雖排煙口面積最小，但因儲煙倉以下完全與室外連通，進風口無壓力損失，利于排煙，頂棚處煙氣濃度最低。

排煙口和進風口面積越小，排煙速度和進風速度越大；而在k=28時，因儲煙倉以下完全與室外連通，進風口無壓力損失，利于排煙，排煙口面積減小時，排煙速度并沒有增加。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，當k＞5時，排煙口基本接近理想狀態(tài)下排煙口等效面積。

3.2 工程應用

3.2.1 自然排煙公式簡化計算

將式（8）代入GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》4.6.15條給出的自然排煙窗口面積計算公式，可得式（9）

GB 51251—2017中4.6.15條給出的自然排煙窗口面積計算公式兩側(cè)均有未知數(shù)Av，需要設計人員在使用時進行試算，計算難度高、工作量大。采用式（9）計算，先根據(jù)Mρ、T、T0求出；再根據(jù)建筑平面布局和立面要求，估算出k，求出M；最后根據(jù)式（9）求出排煙Av和補風口的實際面積A0。

3.2.2 溫差的計算

GB 51251—2017條文說明4.6.8規(guī)定，儲煙倉的煙層平均溫度與周圍環(huán)境空氣溫差不應＜15℃；由條文說明4.6.12給出ΔT的公式可以發(fā)現(xiàn)，清晰高度越高，熱釋放速率Qc越小，溫差ΔT易＜15℃。

室內(nèi)凈高18 m，儲煙倉厚度為空間凈高的20%，清晰高度14.4 m，儲煙倉高度3.6 m。采取有效噴淋滅火措施時，建筑內(nèi)根據(jù)房間功能不同熱釋放速率取值為1.5、2.5、3.0、4.0 MW；代入GB 51251—2017的4.6.12條公式中，ΔT值分別為8.2、11.39、12.79、15.34℃；當房間內(nèi)無噴淋滅火措施時，熱釋放速率取值為6.0 MW，ΔT值為16.78℃。高大空間內(nèi)設置有效噴淋滅火措施時，熱釋放速率值偏小，可適當加大擋煙垂壁的深度，保證ΔT＞15℃。

ΔT＜15℃時煙氣基本失去向上的浮力，會滯留在空中或局部形成沉降，排煙口很難有效將煙氣排至室外。在多層連通內(nèi)部高大空間，保證最高樓層人員的清晰高度同時要仔細核算ΔT，保證火災時高溫煙氣能及時有效的排至室外。

3.2.3 風口風速的取值

根據(jù)GB 51251—2017的表4.6.3，民用建筑自然排煙窗處的風速采用側(cè)窗排煙時不應＞1.0 m/s，采用頂開窗排煙時風速不應＞1.5 m/s；NFPA 92—2015《煙氣控制系統(tǒng)標準》規(guī)定自然排煙時進風口處風速不應＞1.0 m/s。進風口面積越小，門洞處風速越大，不利于人員疏散且會干擾火源處火焰羽流，不利于形成穩(wěn)定的煙氣層。

除了依靠重力開啟自然排煙窗，單個自然排煙窗的面積不宜＞3 m2；單個自然排煙窗面積越大重量越大，打開時需要的力矩越大，不方便室內(nèi)人員手動開啟，使自然排煙可靠性降低[4]。

3.2.4 室外環(huán)境的影響

自然排煙是利用火災時熱壓形成的浮力把高溫煙氣排至室外，當排煙窗設置于外墻或屋頂時會受室外風速和風向的影響。自然排煙窗的開啟方向應與煙氣流動方向一致，采用外開式排煙窗可以減少煙氣排出時阻力，有利于煙氣排出；外墻上設置排煙窗時宜沿建筑兩側(cè)外墻的長邊對稱布置，形成對流條件，減小室外風壓和風速的影響[5]。

自然排煙口的效率會因外界環(huán)境溫度升高而降低，比較典型的是我國南方地區(qū)的夏季，室外溫度高，熱壓形成的浮力減小，影響排煙效果。若火源處的室內(nèi)溫度比室外環(huán)境溫度低，如夏天室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運行時，煙氣與室外空氣混合后形成的浮力不能使其到達頂棚最高處，煙氣層高度降低，影響排煙效果。

3.2.5 其他

民用建筑中的大型交通樞紐、體育館和展覽館等高大空間建筑頂部多為穹形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，連通無分割，適合儲煙?；馂臅r，可燃物上方的煙氣羽流向上到達頂棚，沿頂棚向四周擴散，形成穩(wěn)定的煙氣層填充滿整個穹頂區(qū)域。隨著煙層厚度的增加，位于儲煙倉內(nèi)排煙口處的內(nèi)外壓差逐漸增大，有利于自然排煙；但因為室內(nèi)外環(huán)境溫度和風壓影響，僅在建筑物頂部設置排煙窗不可靠且建筑的室內(nèi)溫度受室外太陽熱輻射、室內(nèi)燈光設備散熱和室內(nèi)熱空氣對流影響，上下溫度分布不均，溫差甚至＞10℃，會在頂棚下形成一定厚度的熱空氣層，煙氣不能上升至最高處，無法及時有效排煙，此時還應在側(cè)墻四周較高部位均勻設置排煙窗，增加自然排煙系統(tǒng)的可靠性。

自然排煙時補風系統(tǒng)可以采用自然或機械補風，同一空間宜采用同一種補風方式。采用機械補風時，進風口應遠離自然排煙窗，防止氣流短路且風速不宜＞5 m/s；采用自然補風時，應設置專門進風口，風口面積不宜小于自然排煙窗面積的1～2倍[4]。

4 結(jié)語

在實際工程設計中，自然排煙的計算采用本文推薦公式可以簡化計算過程、減小工作量。對特定高大空間采用自然排煙系統(tǒng)時，在滿足國家規(guī)范標準的基礎(chǔ)上，建議結(jié)合數(shù)值模擬軟件進行仿真計算，定量分析完善優(yōu)化設計方案，使自然排煙系統(tǒng)更合理、可靠、經(jīng)濟。