消防排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可行性分析

馬晨鈺 楊 毅 曹志剛

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

在建筑設備系統(tǒng)中,環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的應用較為廣泛。多熱源環(huán)網(wǎng)供熱技術在區(qū)域供熱領域應用時間長,可以有效改善供熱系統(tǒng)水力失衡的問題[1],提高熱網(wǎng)結構可靠性[2]。在城市供熱領域,這種多熱源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)因其突出優(yōu)勢,已成為主流的供熱系統(tǒng)[3]?？紤]互用互通、提高安全性,環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在對空調水系統(tǒng)備用性要求較高的數(shù)據(jù)中心應用也較多[4-5]。另外,環(huán)網(wǎng)也廣泛應用于城鎮(zhèn)燃氣供應、建筑供配電、消火栓給水系統(tǒng)等領域。

排煙系統(tǒng)作為建筑消防系統(tǒng)的重要組成部分,對減少火災危害、保護人身和財產安全起到至關重要的作用。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》[6](以下簡稱《煙規(guī)》)總結了火災事故教訓和建筑排煙系統(tǒng)工程應用情況,對排煙系統(tǒng)的設計提出了嚴格要求,包括排煙管風速、消防排煙量、排煙口風速等。

《煙規(guī)》中一般空間場所的排煙量計算原則為同一防火分區(qū)中任意2個相鄰防煙分區(qū)排煙量之和的最大值。其中,對于建筑空間凈高大于6 m的場所,按排煙量最大的一個防煙分區(qū)的排煙量計算。排煙量應同時滿足《煙規(guī)》中表4.6.3的數(shù)值要求與標準規(guī)定的計算值。因此大型的高大空間場所通常存在排煙量計算值大、消防風管尺寸巨大的問題,消防排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的應用價值。

目前,環(huán)網(wǎng)應用于排煙系統(tǒng)的案例較少,系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性。本文對消防排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)進行介紹分析,并對其進行可行性分析,進一步探索應用的可能性。

1 排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的消防排煙系統(tǒng)通常為承擔多個防煙分區(qū)排煙的枝狀系統(tǒng)。干管設計管徑根據(jù)任意2個相鄰防煙分區(qū)排煙量之和的最大值(建筑空間凈高為6 m及以下的場所)或最大防煙分區(qū)排煙量(建筑空間凈高大于6 m的場所)及排煙管道風速要求進行選型;末端設計支管根據(jù)末端防煙分區(qū)及風速要求進行設計。根據(jù)《煙規(guī)》,各防煙分區(qū)的消防排煙口常開,對應的排煙閥平時常閉,火災時由消防控制中心遠距離控制開啟裝置或現(xiàn)場手動開啟裝置打開著火區(qū)域的排煙口,其他區(qū)域排煙口保持關閉。

相對于枝狀系統(tǒng),如圖1a所示,排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)分為單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)與多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的排煙風機可以為1臺或多臺,風機設備僅作用于環(huán)網(wǎng)中的一點,如圖1b所示。多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的排煙系統(tǒng)有多臺,作用于環(huán)網(wǎng)中的多點,如圖1c所示。

以某大型體育建筑比賽場館為例,對排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)進行計算分析。

比賽場館為一整個防火分區(qū),空間占地總面積為12 360 m2,場館中心凈高40 m。按照防煙分區(qū)長邊最大允許長度與最大允許面積劃分為8個防煙分區(qū)(見圖2中A～H防煙分區(qū))。場館的最小儲煙倉高度為5.6 m,按觀眾坐席高度,場館的最小清晰高度為29.7 m,設計取儲煙倉高度為8.5 m,設計清晰高度為31.5 m。根據(jù)《煙規(guī)》相關條文,計算所得系統(tǒng)計算排煙量為791 414 m3/h。設計取每個防煙分區(qū)的計算排煙量為80萬m3/h,排煙系統(tǒng)設置2個排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng),如圖2a所示。其中,單個排煙系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)承擔40萬m3/h的排煙量,如圖2b所示。由于系統(tǒng)具有對稱性,以下說明及分析均針對40萬m3/h排煙量的單個排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。

圖2 某場館排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)案例

單個排煙系統(tǒng)在每個防煙分區(qū)含5個排煙口,單個排煙口排煙量為8萬m3/h,如圖2所示。根據(jù)排煙系統(tǒng)計算參數(shù)及設計風量的1.2倍余量,選用8臺6萬m3/h風量的軸流排煙風機,依據(jù)規(guī)范要求風機入口設置280 ℃排煙防火閥、止回閥。根據(jù)風管排煙風速限值,初步取排煙干管為3.2 m×2.0 m的矩形風管,風口為2.6 m×1.2 m的常開消防排煙口,各風口前均配置電動排煙閥及280 ℃排煙防火閥。環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可以簡化為圖1c,其中管段1～8的長度均為30 m。

排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)能夠減小管網(wǎng)干管尺寸,提高系統(tǒng)可靠性。本文以常用的枝狀系統(tǒng)(見圖1a)為參照,分別分析單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)與多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)(見圖1b、1c)的可行性與可靠性,旨在為排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的設計提供一定參考。

2 可行性分析

2.1 水力分析方法

排煙系統(tǒng)風管分析主要采用水力分析方法。目前風管的水力計算方法有壓損平均法、假定流速法、靜壓復得法和T計算法等?！秾嵱霉峥照{設計手冊》指出,對于低速機械送排風系統(tǒng)和空調風系統(tǒng)的水力計算,大多采用假定流速法和壓損平均法,對于高速送風系統(tǒng)和變風量空調系統(tǒng)的水力計算,宜采用靜壓復得法[7]。另外,ASHRAE手冊[8]還提出了一種風管優(yōu)化計算法——T計算法。由于排煙系統(tǒng)的運行特點,火災時僅打開著火區(qū)域所在防煙分區(qū)的所有排煙口,其他排煙口均保持關閉。由于《煙規(guī)》中對排煙風速有“不應大于20 m/s”的條款要求,因此在設計過程中通常采用假定風速法進行水力計算。

通過對排煙風管進行水力分析,計算出系統(tǒng)的最不利環(huán)路阻力,作為排煙風機風壓的選型依據(jù)。文獻[9]提出了一種排煙系統(tǒng)風管阻力的簡化方法。阻力計算包括了沿程阻力與局部阻力,計算公式見式(1)～(3)。

沿程阻力可用下式計算:

ΔpL=∑RiLi

(1)

式中 ΔpL為系統(tǒng)沿程阻力,Pa;Ri為第i段風管比摩阻,Pa/m;Li為第i段風管長度,m。

鍍鋅鋼板矩形風管的比摩阻[10]可以采用下式計算:

(2)

式中R為風管比摩阻,Pa/m;v為風管空氣流速,m/s;a、b分別為矩形風管的長與寬,m。

文獻[9]指出,當風速小于20 m/s時,采用式(2)計算得到的比摩阻相對誤差小于3%。式(2)計算的條件為空氣溫度20 ℃,應用于排煙系統(tǒng)時由于空氣溫度與計算條件不同,應對比摩阻進行溫度修正。由于排煙溫度為變量,無法預先確定,但修正系數(shù)小于1且接近于1,因此設計的比摩阻將溫度修正作為安全余量考慮在內,不單獨計算溫度修正。

局部阻力可用下式計算:

(3)

式中 ΔpJ為系統(tǒng)沿程阻力,Pa;ξi為第i管件的局部阻力系數(shù);ρ為流體密度,kg/m3;vi為第i段風管內空氣流速,m/s。

防煙分區(qū)的末端排煙口的水力分析見圖3,根據(jù)管段風量的不同將末端管路分為管段1～5。

圖3 末端排煙口水力分析

根據(jù)文獻[9]選取局部阻力系數(shù),其局部阻力的計算值如表1所示。經計算,各項局部阻力之和為755.5 Pa。

表1 局部阻力計算

以枝狀系統(tǒng)的最不利環(huán)路為例,即防煙分區(qū)D排煙口工作時,根據(jù)式(1)、(2)計算排煙系統(tǒng)的沿程阻力,如圖4a所示。沿程風管長度為120 m(管段1～4),計算得到風管的沿程阻力為104.2 Pa,系統(tǒng)總阻力為859.7 Pa,風管最大風速為17.36 m/s。

注:v為風管風速;G為風管風量。圖4 防煙分區(qū)D排煙口工作時水力計算簡圖

如圖4b所示,單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的排煙分別以G1、G2的風量往排煙風機匯聚,2段管路并聯(lián)。由式(1)可知,2段管路的比摩阻之比即為管路長度之比的倒數(shù)。由式(2)計算2段并聯(lián)管路的比摩阻后,即可以求得管路風量G1、G2,計算結果見表2。如圖4c所示,首先判斷多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在防煙分區(qū)D著火時G3的流向,再根據(jù)式(1)、(2)列壓力平衡等式,計算結果見表2。

表2 排煙系統(tǒng)風量分配 萬m3/h

由表2可見,單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在防煙分區(qū)著火點距排煙源點越遠時(即著火點由A→D),環(huán)網(wǎng)的2條通路比摩阻趨于接近,2個通路的排煙流量相差越小,分配越均勻。而多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)由于其對稱性,防煙分區(qū)A著火時的流量分配與D一致,但在防煙分區(qū)著火點距排煙源點越遠時(即著火點由A→B),其排煙流量相差越小,分配越均勻,且由于雙源的共同作用,其變化幅度相比單源系統(tǒng)更大。

2.2 排煙規(guī)范滿足情況

《煙規(guī)》規(guī)定的系統(tǒng)排煙量、排煙管風速、排煙口最大排煙量、排煙口最大風速要求是評價以上幾種系統(tǒng)是否滿足設計標準要求的關鍵指標,也是指導排煙系統(tǒng)設計的重要指標,相應條文要求見表3。

其中排煙口最大排煙量、排煙口最大風速均與排煙口數(shù)量、排煙口末端尺寸有關,在該工程中均滿足。因此設計中需利用水力分析計算方法,對系統(tǒng)的排煙管風速進行充分校核。表4為幾種排煙系統(tǒng)在不同著火情況下風管的最大風速。

表4 排煙系統(tǒng)風管風速 m/s

因此,在原設計管網(wǎng)條件下,環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足規(guī)范要求。

2.3 系統(tǒng)風管優(yōu)化

通過對幾個系統(tǒng)的水力計算分析,系統(tǒng)的流量分配與管道風速均可求解。

由于環(huán)狀系統(tǒng)可以實現(xiàn)排煙量分流,風速相比設計要求的20 m/s低,如表4中單源環(huán)網(wǎng)、多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在不同防煙分區(qū)著火時,管道最大風速均為13～14 m/s。因此在設計中可以適當減小環(huán)狀管網(wǎng)的風管尺寸,由原來的3.2 m×2.0 m調整為2.5 m×2.0 m,調整風管尺寸后的風管最大風速見圖5,結果表明環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)能夠實現(xiàn)系統(tǒng)風管的適當優(yōu)化,優(yōu)化后風速仍然能夠滿足《煙規(guī)》要求的20 m/s限值。

圖5 環(huán)網(wǎng)、枝狀系統(tǒng)最大風管風速

由圖4及表4可知,A/E、D/H防煙分區(qū)著火點工況為環(huán)網(wǎng)的并聯(lián)管路流量分配最不均勻的工況,環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的最大風管風速也集中出現(xiàn)在這種情況。根據(jù)式(1)、(2),單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)最大風管風速vmax可推導出下式:

(4)

式中v0為枝狀系統(tǒng)最大風管風速,m/s;L1、L2分別為單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)流量分配最不均勻的防煙分區(qū)著火時,2段并聯(lián)排煙管路的長度,m,其中L1≤L2。

式(4)中的風速比例(L2/L1)1/1.895/[1+(L2/L1)1/1.895]始終小于1,且隨著L2/L1減小,即流量分配最不均勻的防煙分區(qū)的2段排煙環(huán)路的長度越相近,環(huán)網(wǎng)管路的最大風管風速越小,相應風管尺寸也可以減小更多。風管尺寸的優(yōu)化百分比與L2/L1的關系曲線見圖6。

圖6 枝狀系統(tǒng)和單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)最大風管風速及風管尺寸優(yōu)化比例

如本文工程案例的環(huán)網(wǎng)中,L2/L1=9,根據(jù)圖6可以快速查出風管風速比例為76.1%,因此可以滿足風管尺寸從原來的3.2 m×2.0 m調整為2.5 m×2.0 m(縮小了75%)。實際上,枝狀系統(tǒng)的設計風速仍有余量。圖6中的曲線可以應用于單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)快速計算工程中的風管優(yōu)化問題,其前提是環(huán)網(wǎng)的2段管路上風口布置均勻,與長度基本成正比,即風管局部阻力也可以簡化為L2/L1的情況。

3 可靠性分析

3.1 評價指標

消防環(huán)網(wǎng)的最重要優(yōu)勢體現(xiàn)在提高了系統(tǒng)的可靠性。但對于傳統(tǒng)的枝狀消防管網(wǎng),其機械排煙全過程的深入可靠性研究較少,更多研究關注部分排煙設施,如消防排煙風機[11]、排煙系統(tǒng)聯(lián)動控制方式[12]、煙氣隔斷設施[13]等。李湘念針對傳統(tǒng)枝狀排煙系統(tǒng),基于事故樹分析方法,對機械排煙系統(tǒng)事故分為擋煙垂壁故障、排煙風機故障、防火閥故障、排煙口故障等事件,從建筑機械排煙系統(tǒng)的組成構件與系統(tǒng)控制方面對系統(tǒng)可靠度進行了定量分析[14]。但這一評價指標較為單一,認為當任何一個環(huán)節(jié)出了問題時系統(tǒng)就不可靠了,無法同時考慮備用、多源的有效性問題。本文引用排煙系統(tǒng)各構件的事故故障率,同時考慮多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的備用性,提出可靠的評價指標。

可靠性理論早在20世紀60年代已應用于集中供熱系統(tǒng),其對環(huán)網(wǎng)的可靠性評價指標具有一定的參考意義。蘇聯(lián)莫斯科工程學院提出了具有概率本質的可靠性評價指標與限額供熱系數(shù)[15]。趙原林結合2個指標的計算公式,分析了環(huán)狀管網(wǎng)的故障流參數(shù)、供暖期運行時間、故障元件數(shù)量和相對供熱不足量對概率性指標的影響[16]。其中概率性指標更適用于排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性分析。耿欣也采用概率論思想,討論了故障流參數(shù)的統(tǒng)計與計算方法,并總結出枝狀熱網(wǎng)可靠性指標計算步驟[17]。

相比于多熱源環(huán)網(wǎng)供熱技術、城鎮(zhèn)燃氣環(huán)網(wǎng)等供熱、供氣環(huán)網(wǎng)系統(tǒng),排煙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的顯著特點是其在火災時僅運行1個著火區(qū)域防煙分區(qū)的排煙口,而沿程排煙閥均關閉。類比于供熱系統(tǒng)的可靠性評價指標[15],排煙系統(tǒng)的可靠性評價指標R(t)可以表示為

(5)

式中t為排煙系統(tǒng)運行延續(xù)時間,h;n為導致排煙系統(tǒng)發(fā)生故障的元件數(shù)量;ΔGi為第i個元件故障造成的排煙不足量,m3/h;Go為排煙系統(tǒng)的設計排煙量,m3/h;λi為排煙系統(tǒng)第i個元件的故障率,h-1。

3.2 可靠性分析

《煙規(guī)》中第4.4.6條指出,排煙風機應滿足280 ℃時連續(xù)工作30 min的要求。本研究中的可靠性評價指標定義排煙系統(tǒng)運行延續(xù)時間為30 min。文獻[14]通過研究調研,歸納了排煙系統(tǒng)中間事件的失效發(fā)生概率,本文將這些中間事件再次進行歸納計算,將排煙系統(tǒng)的故障元件分為排煙風機及入口閥門故障、排煙口故障、排煙風管損壞3種,分別采用事故樹概率計算方法(見式(6))計算得到λi的取值,結果見表5。

表5 機械排煙系統(tǒng)失效事件概率統(tǒng)計[14]

(6)

式中m為導致事件故障的底部事件數(shù)量;Xi為第i個底部事件可靠度。

根據(jù)事件1～3,分別計算式(5)中的排煙不足量故障率指標,即λiΔGi/Go,為排煙不足量百分比與事故故障率的乘積,結果見圖7。

圖7 排煙不足量故障率指標

在λiΔGi/Go的計算基礎上,按式(5)計算幾個系統(tǒng)的可靠性。結果表明,枝狀系統(tǒng)、單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性分別為92.037%、97.760%、99.074%。由圖6及計算所得的可靠性指標可知,排煙環(huán)網(wǎng)能夠提高系統(tǒng)可靠性主要體現(xiàn)在提高了抵抗風管損壞風險的能力。另外,選擇多臺排煙風機,也可平攤系統(tǒng)出現(xiàn)故障的風險。單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)故障率是枝狀系統(tǒng)故障率的28.1%,以該項目為例的多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)故障率是枝狀系統(tǒng)故障率的11.6%。

4 結論

1) 經過合理設計,環(huán)狀系統(tǒng)能夠滿足《煙規(guī)》中對風管風速、排煙口風速、排煙口最大風量的要求。

2) 單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的管網(wǎng)排煙風速相對于枝狀系統(tǒng)下降,因此可以適當減小排煙環(huán)網(wǎng)尺寸,降低設備成本。環(huán)網(wǎng)尺寸的優(yōu)化取決于流量分配最不均勻的防煙分區(qū)著火時2段排煙管路的長度,優(yōu)化比例可以速查圖6中的風管優(yōu)化曲線。

3) 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)可靠性,主要體現(xiàn)在提高抵抗風管損壞風險的系統(tǒng)可靠性。該項目中,枝狀系統(tǒng)、單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性分別為92.037%、97.760%、99.074%。單源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)故障率是枝狀系統(tǒng)故障率的28.1%,以該項目為例的多源環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)故障率是枝狀系統(tǒng)故障率的11.6%。