加壓送風(fēng)系統(tǒng)旁通泄壓的設(shè)置方法探討

鐘學(xué)陽(yáng)

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司 成都 610011）

0 引言

加壓送風(fēng)系統(tǒng)是在火災(zāi)時(shí)確保疏散路線暢通不可或缺的重要措施。通過(guò)向防煙樓梯間、合用前室等區(qū)域送入空氣，使這些區(qū)域內(nèi)部的壓力大于非防煙區(qū)域，從而防止煙氣侵入，保障人員在火災(zāi)時(shí)能安全疏散。加壓送風(fēng)系統(tǒng)是否安全可靠，不僅有風(fēng)量要求，還需要有合理的壓力控制措施，以免壓力過(guò)大導(dǎo)致疏散門(mén)開(kāi)啟困難或者無(wú)法開(kāi)啟，影響人員疏散。

工程中常用的加壓送風(fēng)防止超壓的措施有兩種：一種是在防煙區(qū)域和非防煙區(qū)域隔墻上設(shè)置帶防火功能的余壓閥，當(dāng)防煙區(qū)域室內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定值，余壓閥自動(dòng)開(kāi)啟泄壓。另一種是在加壓送風(fēng)管上設(shè)置帶電動(dòng)風(fēng)閥的旁通管，并將電動(dòng)風(fēng)閥與防煙區(qū)域設(shè)置壓力（差）傳感器信號(hào)聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)防煙區(qū)域壓力超過(guò)設(shè)定值，開(kāi)啟電動(dòng)風(fēng)閥泄壓。民用建筑中，由于建筑裝修效果有一定要求，采用余壓閥的情況較少，多數(shù)加壓送風(fēng)系統(tǒng)采用旁通泄壓的方式。

在設(shè)計(jì)加壓送風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，旁通泄壓管的尺寸按多大設(shè)計(jì)才能確保系統(tǒng)有效達(dá)到防超壓的目的？相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)中均只提到了旁通泄壓的設(shè)置方式和控制原理，但對(duì)泄壓管尺寸如何選取卻沒(méi)有指導(dǎo)性原則。為此，筆者將加壓送風(fēng)旁通泄壓設(shè)置方法進(jìn)行了分析與總結(jié)。

1 加壓送風(fēng)系統(tǒng)旁通泄壓控制邏輯

工程中常用的加壓送風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯如圖1所示。

圖1 加壓送風(fēng)系統(tǒng)控制原理圖Fig.1 Control principle diagram of positive pressure air supply system

當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)信號(hào)，加壓送風(fēng)機(jī)、加壓風(fēng)口開(kāi)啟，維持設(shè)計(jì)工況下防煙區(qū)域的正壓，當(dāng)內(nèi)室壓力探頭檢測(cè)到壓力超過(guò)設(shè)定值，聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟旁通管上的泄壓閥，減少送入風(fēng)量，當(dāng)室內(nèi)壓力低于設(shè)定下限后關(guān)閉泄壓旁通閥，提升室內(nèi)壓力。在此控制邏輯下，為保證防煙區(qū)域的壓力不超過(guò)最大允許壓力，泄壓閥全開(kāi)時(shí)，應(yīng)能在任何工況下均能排出足夠多的風(fēng)量，使送入風(fēng)量不超過(guò)需求量。這就要求旁通管尺寸設(shè)置合理。

2 旁通泄壓設(shè)計(jì)

以實(shí)際工程為例，分析旁通泄壓的設(shè)計(jì)流程。某高層建筑，建筑高度53.55m，地上17 層，地下室1 層，防煙樓梯間及合用前室分別設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)，加壓送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置情況如圖2所示。

圖2 加壓送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置示意Fig.2 Setting of positive pressure air supply system

2.1 加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of air volume of pressurized air supply system

如表1所示，按《建筑防煙排煙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中規(guī)定的查表法和公式法分別確定計(jì)算加壓送風(fēng)量，取大值，防煙樓梯間加壓送風(fēng)計(jì)算風(fēng)量為21084m3/h，合用前室加壓送風(fēng)計(jì)算風(fēng)量為26149m3/h。

2.2 防超壓計(jì)算

《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了加壓送風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算風(fēng)量的設(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)工況下防煙區(qū)域的疏散門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，開(kāi)啟個(gè)數(shù)根據(jù)建筑高度和區(qū)域確定。當(dāng)疏散門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)（以下稱為閉門(mén)工況），送入風(fēng)量無(wú)法從門(mén)洞泄出，防煙區(qū)域壓力升高，當(dāng)壓力超過(guò)疏散門(mén)兩側(cè)允許的最大壓差，風(fēng)壓在疏散門(mén)處形成的力矩將大于人的平均推力110N，此時(shí)疏散門(mén)難以打開(kāi)，影響人員的安全疏散。加壓送風(fēng)系統(tǒng)防超壓措施的控制目標(biāo)即是使室內(nèi)壓力不超過(guò)且不低于設(shè)計(jì)壓力的下限值。

式（1）、（2）中：F為門(mén)的總推力，人的平均推力取110N；Fdc為門(mén)把手處克服閉門(mén)器所需的力，N；mW為單扇門(mén)的寬度，m；dm為門(mén)的把手到門(mén)閂的距離，m；mA為門(mén)的面積，m2；M為閉門(mén)器的開(kāi)啟力矩，N·m。

防火門(mén)閉門(mén)器規(guī)格參考《標(biāo)準(zhǔn)》第3.4.9 條條文解釋表1 選取。該項(xiàng)目尺寸為1.03m×2.2m 的單扇門(mén)配備的閉門(mén)器的開(kāi)門(mén)力矩按45N·m，尺寸為1.2m×2.2m 的子母門(mén)配備的閉門(mén)器的開(kāi)門(mén)力矩按45N·m。

經(jīng)計(jì)算前室：Fdc=53.57N，Δpmax=51.25Pa

樓梯間：Fdc=46.4N，Δpmax=52.8Pa

該項(xiàng)目前室最大允許壓力為51.25Pa，樓梯間最大允許壓力為52.8Pa。

2.3 閉門(mén)工況最大允許送風(fēng)量計(jì)算

防煙區(qū)域的壓力受疏散門(mén)啟閉狀態(tài)影響，不同狀態(tài)的旁通泄壓風(fēng)量也不同。旁通管徑按最大旁通風(fēng)量選取，以保證任何工況下均不會(huì)出現(xiàn)超壓的情況。閉門(mén)工況下最大允許送入風(fēng)量計(jì)算如下。

（1）樓梯間、合用前室通過(guò)疏散門(mén)縫、電梯門(mén)縫泄出風(fēng)量Ly計(jì)算：

式中，A為門(mén)縫隙的計(jì)算漏風(fēng)總有效面積，m2，門(mén)縫寬度取0.004m；Δp為防煙區(qū)域與走道之間門(mén)兩側(cè)的壓差值，樓梯間取52.8Pa，合用前室取51.25Pa；b為指數(shù)，取2；0.827 為計(jì)算常數(shù)；1.25為不嚴(yán)密附加系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算， 樓梯間疏散門(mén)縫泄出風(fēng)量Ly1=11511m3/h。

合用前室疏散門(mén)及電梯門(mén)泄出風(fēng)量Ly2=8216m3/h。

（2）泄壓閥開(kāi)啟時(shí)，未開(kāi)啟的常閉送風(fēng)口的漏風(fēng)量計(jì)算

式中，0.083 為閥門(mén)單位面積的漏風(fēng)量；Af為單個(gè)送風(fēng)閥門(mén)的面積。

經(jīng)計(jì)算，L3=2052m3/h 。

（3）最大允許送入風(fēng)量：

樓梯間最大允許送入風(fēng)量為L(zhǎng)y1=11511m3/h，合用前室為L(zhǎng)y1+L3=10268m3/h 。

2.4 旁通泄壓管徑計(jì)算

以該項(xiàng)目合用前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)管道尺寸及管長(zhǎng)如圖3所示。

圖3 加壓送風(fēng)管道示意Fig.3 Air duct setting of positive pressure air supply system

2.4.1 管道阻力計(jì)算

設(shè)計(jì)工況加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管水力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)工況加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管水力計(jì)算Table 2 Hydraulic calculation of air duct in positive pressure air supply system under design condition

2.4.2 泄壓風(fēng)量的確定

從水力計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)風(fēng)量為26149m3/h，管道總阻力為615.4Pa。按《標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，考慮管道漏風(fēng)和風(fēng)機(jī)本身風(fēng)量偏差的因素，加壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不應(yīng)小于設(shè)計(jì)風(fēng)量的1.2 倍，即風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量不低于31376m3/h，選用1 臺(tái)SZF-F-8型軸流風(fēng)機(jī)作為前室的加壓送風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)額定參數(shù)以及扣除管道漏風(fēng)附加的參數(shù)如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the fan

根據(jù)扣除漏風(fēng)附加后實(shí)際送入管網(wǎng)的風(fēng)量及風(fēng)機(jī)全壓繪制出風(fēng)機(jī)特性曲線，計(jì)算出不同風(fēng)量下的管道阻力，繪制出設(shè)計(jì)工況和旁通閥開(kāi)啟時(shí)（以下稱泄壓工況）的管網(wǎng)特性曲線，可得到管網(wǎng)中風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，如圖4所示。由圖4 可知，當(dāng)泄壓閥開(kāi)啟后，管網(wǎng)阻抗降低，特性曲線變得更為平緩，風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量將會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)量，此時(shí)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量變?yōu)?1700m3/h，允許送入前室的最大風(fēng)量不變，為10268m3/h，故需泄出風(fēng)量為21432m3/h。

圖4 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)特性曲線Fig.4 Characteristic curve of fan and air duct network

2.4.3 管道阻力分析

旁通管和A 點(diǎn)至合用前室（以下簡(jiǎn)稱送入段）為并聯(lián)關(guān)系，因并聯(lián)管路的阻力相等，計(jì)算出送入段管道阻力，便可以確定旁通管在設(shè)計(jì)風(fēng)量下的尺寸。合用前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)多葉風(fēng)口為常閉狀態(tài)，風(fēng)口開(kāi)啟位置的不同導(dǎo)致管道阻力不同，頂層著火時(shí)管道阻力最小，底層著火時(shí)管道阻力最大。當(dāng)送入段風(fēng)管的阻力最小時(shí)，旁通管需要的管道尺寸最大。故按頂層著火的情況計(jì)算出管道阻力，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 泄壓工況加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管水力計(jì)算Table 4 Hydraulic calculation of air duct in positive pressure air supply system under pressure relief condition

2.4.4 泄壓旁通管徑計(jì)算

旁通管接管示意如圖5所示。

圖5 旁通管接管示意Fig.5 Schematic diagram of the bypass duct

采用試算的方式，計(jì)算管道阻力，并選取旁通尺寸，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 接管形式1 水力計(jì)算Table 5 Hydraulic calculation of form 1

本文所列舉的加壓送風(fēng)系統(tǒng)案例僅為特定工況、特定接管方式下的一種情況，雖不能涵蓋所有工況，但旁通管管徑的計(jì)算原則大同小異，通過(guò)前文的計(jì)算可知，旁通管尺寸受管道阻抗以及系統(tǒng)風(fēng)量影響，送入段阻抗越小，旁通管的尺寸將會(huì)越大，風(fēng)機(jī)選型放大系數(shù)越大，旁通管的尺寸越大。

如表5所示，當(dāng)旁通管尺寸為800mm×800mm時(shí)，阻力為127.2Pa，與送入段的阻力120.9Pa 的不平衡率小于15%，阻力平衡，可視為泄出風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

防煙區(qū)域超壓?jiǎn)栴}在實(shí)際工程中并不凸顯，并不是因?yàn)榧訅核惋L(fēng)系統(tǒng)超壓現(xiàn)象只在特殊情況下才會(huì)發(fā)生，主要原因是防煙區(qū)域的密閉性在實(shí)際工程中通常無(wú)法保障。從理論計(jì)算可以看出，當(dāng)防煙區(qū)域密閉性可以保障時(shí)，加壓送風(fēng)系統(tǒng)超壓的情況并非特殊情況，而是必然存在的，加壓送風(fēng)系統(tǒng)的泄壓措施重要性不言而喻。

旁通管的尺寸受到防煙區(qū)域建筑布局、加壓送風(fēng)管道設(shè)置情況、風(fēng)機(jī)選型等因素的影響。當(dāng)條件設(shè)置不同時(shí)，所需要的旁通泄壓管的尺寸則會(huì)不同，在現(xiàn)有控制邏輯下，不通過(guò)計(jì)算而直接按主管尺寸的一定比例或者同主管尺寸來(lái)確定旁通管尺寸的方法是不合理的，無(wú)法確保旁通管能滿足泄壓要求。

確定旁通管尺寸的計(jì)算步驟總結(jié)如下：

（a）計(jì)算設(shè)計(jì)工況下的加壓送風(fēng)量；（b）確定設(shè)計(jì)工況下的風(fēng)管布置及尺寸；（c）計(jì)算設(shè)計(jì)工況下最不利環(huán)路的管道阻力；（d）確定風(fēng)機(jī)型號(hào)；（e）計(jì)算防煙區(qū)域最大允許壓力；（f）計(jì)算閉門(mén)工況最大允許送風(fēng)量；（g）計(jì)算閉門(mén)工況送入段管道阻力；（h）計(jì)算閉門(mén)工況下不同風(fēng)量下的阻力繪制管網(wǎng)特性曲線；（i）根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)繪制風(fēng)機(jī)特性曲線；（j）確定泄壓閥開(kāi)啟時(shí)的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)；（k）確定送入管網(wǎng)的實(shí)際風(fēng)量計(jì)算出泄壓風(fēng)量；（l）采用試算法計(jì)算出使旁通管與送入段阻力平衡的管道尺寸。

旁通管尺寸的計(jì)算步驟過(guò)于繁瑣，在工程設(shè)計(jì)中如每個(gè)系統(tǒng)都通過(guò)計(jì)算確定，將耗費(fèi)太多時(shí)間和精力。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集20K607（P28～30）《防排煙及暖通防火設(shè)計(jì)審查與安裝》中提出了旁通泄壓和余壓閥泄壓之外的另一種壓力控制措施，在取風(fēng)主管上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與壓力探頭聯(lián)動(dòng)，通過(guò)閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)送入風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)防煙區(qū)域壓力的控制。此種控制邏輯簡(jiǎn)單明了，從理論上來(lái)說(shuō)可以達(dá)到與旁通泄壓及余壓閥同樣的壓力控制效果，且不會(huì)有繁瑣的計(jì)算過(guò)程。但此種方式也有不足之處，因電動(dòng)風(fēng)閥的故障率相對(duì)較高，在主管設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低，當(dāng)電動(dòng)風(fēng)閥出現(xiàn)故障時(shí)，將不能保證設(shè)計(jì)工況下的加壓送風(fēng)量，有一定的安全隱患。筆者認(rèn)為，雖然此方式目前還未在工程設(shè)計(jì)中大量使用，實(shí)際效果還有待工程實(shí)例的檢驗(yàn)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)風(fēng)閥的可靠性進(jìn)一步提升，可以預(yù)想此種方案將成為一種較理想的壓力控制措施。