建筑內(nèi)疏散走道機(jī)械排煙口合理設(shè)置的探討

黃小新 陳明豐

中國輕工業(yè)廣州工程有限公司

0 引言

建筑內(nèi)的疏散走道是發(fā)生火災(zāi)時，人員向前室和樓梯間疏散的必經(jīng)通道[1]。若火災(zāi)產(chǎn)生的大量煙氣擴(kuò)散到走道內(nèi)，煙氣的較高濃度可能影響人員的正常疏散，煙氣的較高溫度可能造成人員嚴(yán)重灼傷，煙氣中的有毒氣體可能導(dǎo)致人員中毒或窒息死亡[2]。因此，為了保證人員在走道中的安全疏散，疏散走道的排煙設(shè)計非常重要。我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）（2018 年版）第8.5.2 條和第8.5.3 條規(guī)定，高度大于32 m 的高層廠房或倉庫內(nèi)長度大于20 m 的疏散走道，其他廠房或倉庫內(nèi)長度大于40 m的疏散走道，以及民用建筑內(nèi)長度大于20 m 的疏散走道，均應(yīng)設(shè)置排煙設(shè)施。

機(jī)械排煙是一種采用排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行強制排煙的方式，目前被廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)疏散走道的排煙。機(jī)械排煙口作為機(jī)械排煙系統(tǒng)的重要組成部分，其布置對機(jī)械排煙效果有很大的影響。因此，針對機(jī)械排煙口設(shè)置的研究得到了越來越多的關(guān)注。近年來，許多學(xué)者針對機(jī)械排煙口設(shè)置對排煙效果的影響開展了大量研究，提出了許多設(shè)計優(yōu)化方法和原則。

本文首先對建筑內(nèi)疏散走道中的火災(zāi)煙氣流動特性進(jìn)行分析，隨后結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，分別對疏散走道內(nèi)機(jī)械排煙口的安裝高度，設(shè)置位置，數(shù)量和間距等參數(shù)對排煙效果影響的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，最后給出疏散走道內(nèi)比較合理的機(jī)械排煙口布置原則，為實際工程設(shè)計提供參考。

1 排煙口安裝高度

在沒有排煙設(shè)施的情況下，著火點產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟∩ψ饔孟?，不斷地往走道頂棚流動。煙氣抵達(dá)頂棚后，受到壁面阻擋，隨后向四周沿著壁面散開。煙氣在疏散走道中的流動可以分為如圖1 所示的五個階段[3]。階段I：煙氣積聚在頂棚附近。階段II：高溫?zé)煔饨佑|溫度較低的頂棚后被冷卻并下沉。階段III：擴(kuò)散到墻面的煙氣進(jìn)一步被墻面冷卻，隨后逐漸下沉。階段IV：被冷卻的煙氣沿著墻面下沉至地面。階段V：煙氣在走道地面形成一定厚度的煙氣層，此時走道斷面中部空間的空氣被煙氣包圍。最終，煙氣將基本充滿整個走道。

圖1 疏散走道內(nèi)煙氣的流動過程

梁強等人[4]實驗研究發(fā)現(xiàn)，在狹長走道內(nèi)，越貼近頂棚的煙氣溫度越高。馮文興等人[5]對狹長走道內(nèi)煙氣毒性成分的空間分布進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，煙氣中CO2和CO 的濃度隨著空間高度的降低呈現(xiàn)出下降的趨勢。由此可見，當(dāng)排煙口安裝在距離頂棚較近之處時，其可將溫度與濃度均較高的部分煙氣快速排走，從而有利于人員的安全疏散。

朱毅和李思成[6]的實驗結(jié)果表明，當(dāng)排煙口上沿距頂棚的距離從0 mm 增加至150 mm 時，煙氣蔓延速度從0.15 m/s 增加至0.4 m/s，煙氣控制效果逐漸變差。徐伯樂等人[7]的模擬結(jié)果顯示，排煙口高度較低時，容易吸入煙氣與空氣的混合氣體，排煙口高度較高時，則不易吸入煙氣層下部的空氣，因此排煙效率隨著排煙口安裝高度的升高而得到改善。許小磊等人[8]通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在走道內(nèi)的分布是從上至下逐漸減小，當(dāng)排煙口設(shè)置在頂棚時，排煙口能夠排出走道上部質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的煙氣，而當(dāng)排煙口設(shè)置在側(cè)壁時，排煙口的上邊緣吸入的煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但其下邊緣吸入的煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。因此，在相同排煙量的情況下，排煙口設(shè)置在頂棚的排煙效率高于設(shè)置在側(cè)壁的排煙效率。

我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）第4.4.12 條指出，排煙口宜設(shè)置在頂棚或靠近頂棚的墻面上。當(dāng)走道凈高不大于3 m 時，排煙口可設(shè)置在其凈高的1/2 以上。當(dāng)排煙口設(shè)置在側(cè)墻時，吊頂與其最近邊緣的距離不應(yīng)大于0.5 m。

綜上所述，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量將排煙口設(shè)置在頂棚，且排煙口的安裝高度越高，其排煙效果越好。在頂棚設(shè)置排煙口存在困難時，可以考慮將排煙口設(shè)置在走道側(cè)墻。值得指出的是，在實際工程中，由于走道不設(shè)置吊頂或吊頂均勻開孔且開孔率大于25%，通常把排煙口設(shè)置在排煙風(fēng)管的頂部或側(cè)面。為了確保走道內(nèi)平均溫度和火場能見度在人員的承受范圍之內(nèi)，文獻(xiàn)[6]建議排煙口距頂棚的距離不應(yīng)超過0.3 m。

2 排煙口設(shè)置位置

建筑內(nèi)常見的疏散走道形狀有直形，L 形，T 形和環(huán)形等。當(dāng)疏散走道的長度較長，為了有效延緩煙氣的擴(kuò)散，為逃生人員提供較多的疏散時間，通常將疏散走道劃分為若干防煙分區(qū)。在每個防煙分區(qū)中，設(shè)置的擋煙垂壁與走道側(cè)墻將走道頂部空間圍成儲煙倉，用于蓄積煙氣。每個儲煙倉內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的排煙口。根據(jù)《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）第4.2.4 條，走道劃分防煙分區(qū)的最大允許長度具體如表1 所示。

表1 走道防煙分區(qū)的最大允許長度

對于長直走道，其中設(shè)置有擋煙垂壁時，煙氣的流動如圖2 所示。煙氣上升至頂棚后，受頂棚的限制，進(jìn)而往水平方向擴(kuò)散。當(dāng)煙氣遇到擋煙垂壁后，擋煙垂壁阻止了煙氣的向前流動，此時上游仍有大量煙氣不斷地向前流動，積聚在該擋煙垂壁上游儲煙倉之內(nèi)，直至煙氣層厚度大于儲煙倉高度，隨后煙氣溢出該儲煙倉并流入下游毗鄰儲煙倉[9-10]。

圖2 擋煙垂壁作用下直走道中的煙氣流動

對于L 形和環(huán)形走道，其均具有轉(zhuǎn)角，煙氣在走道轉(zhuǎn)角區(qū)域的流動如圖3 所示。當(dāng)煙氣在L 形或環(huán)形走道的直形段內(nèi)流動時，其流動特性與在直形走道中的流動特性相同。當(dāng)煙氣流動至L 形或環(huán)形走道的轉(zhuǎn)角之處時，受到前方墻壁的阻擋，隨后有部分煙氣回流，進(jìn)一步地，上游煙氣與回流煙氣相互干擾，使大量煙氣積聚在走道轉(zhuǎn)角之處[11]。

圖3 走道轉(zhuǎn)角區(qū)域的煙氣流動

圖4 給出了T 形走道示意圖。當(dāng)煙氣從點A 流向點B 時，其流動特性類似于在直走道中的流動。當(dāng)煙氣從點C 流向點D 時，其流動特性類似于在L 形或環(huán)形走道中轉(zhuǎn)角處的流動。

圖4 T 形走道示意圖

由前文可知，在不同形狀的走道內(nèi)，煙氣的流動存在一定差異。因此，如何在不同形狀走道中合理設(shè)置排煙口的位置，是值得研究的問題。靖成銀等人[12]對直走道進(jìn)行了數(shù)值研究，認(rèn)為排煙口處于火源下風(fēng)向時，能夠有效延緩煙氣的擴(kuò)散，而排煙口處于火源上風(fēng)向時，可以快速排出高溫高濃度煙氣，故建議將排煙口設(shè)置在防煙分區(qū)的中間位置。紀(jì)杰等人[13]實驗發(fā)現(xiàn)，直走道僅一端開敞時，開啟補風(fēng)口相反側(cè)的排煙口則排煙效果較佳，而直走道兩端開敞時，同時開啟火源兩側(cè)的排煙口則排煙效果較好。湯靜等人[11]通過模擬發(fā)現(xiàn)，L 形和環(huán)形走道的轉(zhuǎn)角處煙氣溫度較高，建議做好該位置的排煙措施。黃東方等人[14]的模擬結(jié)果表明，相比于排煙口設(shè)置在環(huán)形走道其他位置，排煙口設(shè)置在環(huán)形走道轉(zhuǎn)角位置時，其排煙效果更好。

綜上所述，防煙分區(qū)為直形的走道，若僅一端有補風(fēng)口，排煙口應(yīng)設(shè)置在補風(fēng)口相反側(cè)位置，若兩端均有補風(fēng)口，則排煙口可設(shè)置在中間位置。防煙分區(qū)為L 形、環(huán)形或T 形走道，排煙口應(yīng)設(shè)置在轉(zhuǎn)角位置。

此外，邱旭東等人[15]的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，排煙口處于安全出口附近時，由于濃煙積聚在排煙口下方，導(dǎo)致逃生人員難以識別安全出口位置，不利于人員安全疏散，因此建議排煙口設(shè)置在距離安全出口較遠(yuǎn)的位置。隨后，《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）第4.4.12 條提出，排煙口的設(shè)置宜使煙氣流動方向與人員疏散方向相反，且排煙口與安全出口最近邊緣的水平距離應(yīng)大于1.5 m。孫翀[16]模擬結(jié)果表明，相比于排煙口貼近側(cè)壁，排煙口遠(yuǎn)離側(cè)壁時，其排煙效果更好。

3 排煙口數(shù)量及間距

在一個防煙分區(qū)內(nèi)，當(dāng)單個排煙口的排煙量過大，或者多個排煙口之間的距離過小時，均可能發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象[17-18]。當(dāng)煙氣層被吸穿，排煙口排出的是煙氣與空氣的混合氣體，導(dǎo)致有效排煙量減少，從而排煙效率降低[19]。因此，《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51251-2017)第4.6.14 條給出了單個排煙口最大允許排煙量的計算式，即：

式中：Vmax為單個排煙口最大允許排煙量，m3/s；γ 為排煙口位置系數(shù)，當(dāng)排煙口中心點到墻體距離≥2 倍的排煙口當(dāng)量直徑時，γ 取值為1.0，否則，γ 取值為0.5；db為排煙口吸入口以下煙氣層厚度，m；T 為煙氣層的平均溫度，K；T0為環(huán)境溫度，K。

式（1）表明，單個排煙口最大允許排煙量不僅與煙氣層的平均溫度和厚度有關(guān)，還與排煙口距墻體的距離有關(guān)。由此可知，在防煙分區(qū)排煙量不變的情況下，相比于排煙口靠近走道側(cè)墻設(shè)置，排煙口距離走道側(cè)墻較遠(yuǎn)時所需的數(shù)量可能比較少。例如，一個凈高為3 m，寬為2.5 m 的疏散走道，火災(zāi)熱釋放速率為1500 kW，假設(shè)一個防煙分區(qū)的排煙量為15000 m3/h，煙氣層厚度為0.8 m，排煙口設(shè)置在頂棚上。當(dāng)排煙口位置系數(shù)取1.0 時，單個排煙口最大允許排煙量為7549 m3/h，故至少需要2 個排煙口。當(dāng)排煙口位置系數(shù)取0.5 時，單個排煙口最大允許排煙量為3750 m3/h，則至少需要4 個排煙口。

目前，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)均無關(guān)于排煙口間距設(shè)置的規(guī)定，而美國國家標(biāo)準(zhǔn)NFPA92-2018 給出了一個防煙分區(qū)內(nèi)設(shè)置多個排煙口時，排煙口邊緣之間的最小距離計算式，即

式中：Smin為排煙口邊緣之間的最小距離，m；Ve為一個排煙口的排煙量，m3/s。由此可見，隨著排煙口排煙量的增加，其對煙氣的控制范圍將擴(kuò)大，故排煙口之間所需保持的間距也將增加。

4 結(jié)論

本文分析了建筑內(nèi)疏散走道中火災(zāi)煙氣的流動特性，結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，分別對疏散走道內(nèi)機(jī)械排煙口的安裝高度，設(shè)置位置，數(shù)量和間距等參數(shù)對排煙效果影響的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，得出了疏散走道內(nèi)比較合理的排煙口布置原則：

1）疏散走道內(nèi)的排煙口應(yīng)盡量設(shè)置在頂棚，當(dāng)條件不允許時可考慮將排煙口設(shè)置在側(cè)墻，排煙口距頂棚的距離不應(yīng)超過0.3 m。

2）排煙口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離安全出口，其與安全出口最近邊緣的水平距離應(yīng)大于1.5 m，且應(yīng)使煙氣流動方向與人員疏散方向相反。

3）防煙分區(qū)為直形的走道，僅一端有補風(fēng)口時，宜將排煙口設(shè)置在補風(fēng)口的相反側(cè)，兩端有補風(fēng)口時，可將排煙口設(shè)置在中間位置。防煙分區(qū)為L 形，環(huán)形或T 形的走道，排煙口應(yīng)設(shè)置在走道的轉(zhuǎn)角處。

4）排煙口應(yīng)盡量設(shè)置在遠(yuǎn)離走道側(cè)壁的位置，當(dāng)條件不允許時可靠近走道側(cè)壁設(shè)置。

5）排煙口的數(shù)量應(yīng)根據(jù)防煙分區(qū)排煙量和單個排煙口最大允許排煙量等參數(shù)進(jìn)行確定，當(dāng)一個防煙分區(qū)內(nèi)需要設(shè)置多個排煙口時，排煙口的間距可參考NFPA92-2018 給出的排煙口邊緣最小距離計算式進(jìn)行確定。