建筑中空間凈高大于6 m場(chǎng)所排煙方式的對(duì)比分析
——基于建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

劉 堯,吳小冬,李欣林

(成都市建筑設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610015)

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活水平的提高，城市建筑逐年增加，使得火災(zāi)隱患及事故逐漸增。大堂、中庭、餐廳、展廳等內(nèi)部空間高大、火災(zāi)荷載大、人員密度大的建筑內(nèi)場(chǎng)所大量出現(xiàn)，極大增加了火災(zāi)救援及人員安全疏散的難度。在火災(zāi)事故中，對(duì)人員造成危害最大的往往是煙氣，建筑火災(zāi)排煙方式分為自然排煙和機(jī)械排煙兩種，國(guó)內(nèi)外已多位研究人員、工程師基于不同類型的建筑對(duì)這兩種方式的排煙效果做出討論[3-4][7]。然而，由于規(guī)范的更新，新規(guī)范針對(duì)高于6 m的空間給出了單獨(dú)的定義，該類場(chǎng)所的排煙量計(jì)算不再像GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018版)》排煙量?jī)H按最大防煙分區(qū)的面積來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)乘法，而是與火災(zāi)熱釋放速率、煙羽流的類型等參數(shù)相關(guān)[1-2][5]。因此，合理設(shè)計(jì)建筑中該類高大空間的排煙方式，有效控制煙氣擴(kuò)散和蔓延，具有重要的工程意義。

1 排煙量計(jì)算

根據(jù)新規(guī)范，公共建筑、工業(yè)建筑中空間凈高大于6 m的場(chǎng)所，其每個(gè)防煙分區(qū)排煙量應(yīng)根據(jù)場(chǎng)所內(nèi)的熱釋放速率以及式(1)～式(6)計(jì)算，且不應(yīng)小于表1中的數(shù)值。

(1)

(2)

(3)

式中：Qc為熱釋放速率的對(duì)流部分，一般取值為Qc=0.7Q(kW)；Z為燃?xì)饷娴綗煂拥讓拥母叨?m)(取值應(yīng)大于或等于最小清晰高度與燃料面高度之差)；Z1為火焰極限高度(m)；Mρ為煙羽流質(zhì)量流量(kg/s)。

煙層平均溫度與環(huán)境溫度與環(huán)境溫度的差應(yīng)按下式計(jì)算：

ΔT=KQc/MρCp

(4)

式中：ΔT為煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差(K)；Cp為空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01[kJ/kg·K]；K為煙氣中對(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。

每個(gè)防煙分區(qū)排煙量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

V=MρT/ρ0T0

(5)

T=T0+ΔT

(6)

式中：V為排煙量(m3/s)；ρ0為環(huán)境溫度下的氣體密度(kg/m3)，通常T0=293.15K，ρ0=1.2(kg/m3)；T0為環(huán)境的絕對(duì)溫度(K)；T為煙層的平均絕對(duì)溫度(K)。

表1 公共建筑、工業(yè)建筑中空間凈高大于6m場(chǎng)所的計(jì)算排煙量及自然排煙側(cè)窗(口)部風(fēng)速

2.當(dāng)采用自然排煙主式時(shí)，儲(chǔ)煙倉(cāng)厚度應(yīng)大于房間凈高的20 %；自然排煙窗(口)面積=計(jì)算排煙量/自然排煙窗(口)處風(fēng)速；當(dāng)采用頂開(kāi)窗排煙時(shí)，其自然排煙(口)的風(fēng)速可按側(cè)窗口部風(fēng)速的1.4倍計(jì)。

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可以得出，不同凈高下的最小排煙量為不同火災(zāi)功率儲(chǔ)煙倉(cāng)高度為10 %凈高時(shí)的計(jì)算值。本文主要對(duì)廠房、其他公共建筑(有噴淋)進(jìn)行舉例分析，表2為廠房、其他公共建筑有噴淋時(shí)不同凈高下Mρ、ΔT、Av·min的取值，方便下文選用。

2 排煙影響因素

根據(jù)新規(guī)范條文解釋，火災(zāi)中所涉及的煙羽流分為軸對(duì)稱型、窗口型及陽(yáng)臺(tái)溢出型三種，見(jiàn)圖1。一般情況下房間的煙羽流可以按照軸對(duì)稱型煙羽流考慮，因此本文僅研究探討了軸對(duì)稱型煙羽流。

圖1 三種煙羽流

表2 廠房、其他公共建筑有噴淋時(shí)最小自然排煙側(cè)窗的有效面積

2.1 機(jī)械排煙

針對(duì)空間凈高大于6 m的場(chǎng)所，表1中已經(jīng)明確了各個(gè)凈高下排煙量的最小值，該排煙量是各火災(zāi)功率下儲(chǔ)煙倉(cāng)高度為10 %凈高時(shí)的計(jì)算值。而新規(guī)范要求設(shè)置機(jī)械排煙時(shí)儲(chǔ)煙倉(cāng)厚度不能小于10 %空間凈高，由式(1)～式(6)中Z值與Mp的關(guān)系可知，Z值越大Mp越大，排煙量V越大。也就是說(shuō)表1中所給出的最小排煙量實(shí)際上是各種類型的場(chǎng)所中采用機(jī)械排煙時(shí)的最大排煙量。因此，當(dāng)采用機(jī)械排煙方式時(shí)，無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)最小清晰高度、儲(chǔ)煙倉(cāng)高度等設(shè)計(jì)因素來(lái)減小排煙量，只要風(fēng)機(jī)選型正確，影響排煙量的僅為安裝質(zhì)量、風(fēng)管漏風(fēng)量、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥可靠性等非設(shè)計(jì)因素[6]。

2.2 自然排煙

與機(jī)械排煙不同，在排煙量與自然排煙窗(口)的面積之間的關(guān)系，可按式(7)計(jì)算。式中可以看出，當(dāng)排煙量Mρ確定時(shí)，自然排煙窗(口)的面積主要受db、AvCv/A0C0的影響。表1僅給出最小開(kāi)窗(口)面積，在不同的db、AvCv/A0C0組合下并不一定滿足公式的平衡關(guān)系，也就是說(shuō)自然排煙窗(口)在不同的條件下所排出的煙氣量是不一定的。因此需要進(jìn)一步討論開(kāi)窗面積隨db、AvCv/A0C0的變化情況。

(7)

式中：Av為自然排煙窗(口)截面積(m2)；A0為所有進(jìn)氣口總面積(m2)；Cv自然排煙窗(口)流量系數(shù)(通常選定在0.5～0.7之間)；C0為進(jìn)氣口流量系數(shù)(通常約為0.6)；g為重力加速度(m/s2)。

以9 m凈高有噴淋的其他公共場(chǎng)所為例進(jìn)行計(jì)算，將式(7)中的db、AvCv/A0C0定義為兩個(gè)變量，其余參數(shù)取值見(jiàn)表2。根據(jù)上述條件，在AvCv/A0C0分別為1.5、2…3.5五種情況下，db由0.4、0.7…3.1變化，自然排煙窗(口)面積與db、AvCv/A0C0的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 自然排煙窗(口)面積與db、AvCv/A0C0的關(guān)系

可以看出，對(duì)于空間凈高大于6 m的場(chǎng)所，自然排煙設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單的通過(guò)表1計(jì)算排煙窗面積。實(shí)際所需的自然排煙窗面積隨AvCv/A0C0的增大而增大，隨db值的增大而減小。需要注意的是當(dāng)AvCv/A0C0為3和3.5時(shí)，db即使為3.1 m也難以滿足自然排煙要求。因此在自然排煙設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足上部排煙窗面積要求的同時(shí)，加大下部進(jìn)風(fēng)面積和降低清晰高度保證足夠的db都會(huì)對(duì)自然排煙效果產(chǎn)生重要影響。

3 排煙設(shè)計(jì)

圖3為機(jī)械排煙系統(tǒng)平面布置、機(jī)房布置示意圖。與以前不同的是，新規(guī)范要求不管的室內(nèi)還是室外的排煙風(fēng)機(jī)均需設(shè)置在專用機(jī)房?jī)?nèi)，而且風(fēng)機(jī)距墻和其他風(fēng)機(jī)的距離不得小于600 mm以便于檢修維護(hù)。這就使得新規(guī)范中機(jī)械排煙系統(tǒng)與土建專業(yè)的主要矛盾在于排煙風(fēng)機(jī)不管設(shè)置在何處都需要占用一定的建筑面積來(lái)布置排煙機(jī)房?？臻g凈高大于6 m的場(chǎng)所排煙量較大，風(fēng)機(jī)尺寸較大，甚至需要多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的機(jī)械排煙系統(tǒng)就會(huì)給建筑面積本來(lái)就很緊張的項(xiàng)目增加一定的麻煩。但是根據(jù)一些工程實(shí)例，通過(guò)合理優(yōu)化使得排煙系統(tǒng)和其他通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)共用風(fēng)機(jī)房是可以有效減小其對(duì)建筑面積的影響。

圖3 機(jī)械排煙示意

然而對(duì)于自然排煙，新規(guī)范同樣要求排煙口必須設(shè)置于儲(chǔ)煙倉(cāng)內(nèi)，見(jiàn)圖4(a)。不同形式的排煙窗有效開(kāi)窗面積需要按一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于建筑中最常采用的上懸窗，其有效開(kāi)窗面積的計(jì)算規(guī)則見(jiàn)圖4(b)。

圖3 機(jī)械排煙示意

根據(jù)上文的討論，受db、AvCv/A0C0值的影響，實(shí)際所需的自然排煙窗(口)會(huì)隨著db、AvCv/A0C0值的變化而變化但不能小于表2的中的值，因此并不是儲(chǔ)煙倉(cāng)內(nèi)的所有區(qū)域都可以用于開(kāi)設(shè)自然排煙窗(口)。外墻的寬度L對(duì)自然排煙方案的可行性至關(guān)重要。

α>70 °，L=Av/(0.9H-1.6-db)

(8)

(9)

式中：α為開(kāi)窗角度；H為空間凈高(m)。

對(duì)式(8)、式(9)進(jìn)行分析，當(dāng)凈高H確定后規(guī)范要求的最小Av值可按表2查出，而實(shí)際所需Av值是由db和AvCv/A0C0兩個(gè)變量決定的，得出db和AvCv/A0C0之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以方便設(shè)計(jì)時(shí)采用單一變量進(jìn)行分析。以9 m凈高空間(有噴淋)為例，當(dāng)Av取42時(shí)，對(duì)式(7)進(jìn)行變化，可以得出式(10)。

db=596.2/A02+0.4

(10)

3.1 實(shí)例一

假設(shè)某項(xiàng)目中凈高空間大于9 m的場(chǎng)所(有噴淋)，下部A0為14.4 m2(4個(gè)1.5 m×2.4 m的雙扇門(mén))，開(kāi)窗形式為上懸窗，α=45°(通常為30 °或45 °)。以規(guī)范中最小自然排煙窗面積進(jìn)行自然排煙設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算可得該空間db≥3.3m，L≥19m。

3.2 算例二

假設(shè)某項(xiàng)目中凈高空間大于9 m的場(chǎng)所(有噴淋)，開(kāi)窗形式為上懸窗，α=45°(通常為30 °或45 °)，L=14.6m。以規(guī)范中最小自然排煙窗面積進(jìn)行自然排煙設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算可得該空間db≥2.5m，A0≥16.8m2。

新舊規(guī)范中均有明確要求，建筑排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑的使用性質(zhì)、平面布局等因素，優(yōu)先采用自然排煙系統(tǒng)。但是有文獻(xiàn)指出[8-9]自然排煙的可靠性受氣候條件、熱壓、風(fēng)壓等外部條件影響較大。對(duì)空間凈高大于6 m的場(chǎng)所，由于新規(guī)范的排煙計(jì)算理論做出了較大的調(diào)整，經(jīng)過(guò)本文的討論，得出在新規(guī)范下自然排煙所比機(jī)械排煙對(duì)建筑設(shè)計(jì)造成的影響更大，需要通過(guò)前期與建筑專業(yè)配合留出自然排煙條件，幫助建筑專業(yè)了解其對(duì)立面的影響情況或準(zhǔn)確判斷已有建筑方案中該內(nèi)場(chǎng)所是否有自然排煙的可行性。下面給出了不同凈高下的L、db、A0等參數(shù)間的等式關(guān)系供設(shè)計(jì)時(shí)快速選用(表3)。

表3 不同凈高最小L、db計(jì)算

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析機(jī)械排煙和自然排煙的計(jì)算理論，得出自然排煙窗(口)隨影響因素db、AvCv/A0C0的變化關(guān)系。

根據(jù)新規(guī)范對(duì)排煙口的設(shè)置要求，得出凈高大于6 m的場(chǎng)所自然排煙的可行性與L、db、A0之間的關(guān)系，并給出計(jì)算表用于自然排煙可行性判斷。