基于煙氣沉降的公共建筑排煙量計算方法探究

高若馨，李思成

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

近年來我國城鎮化速度越來越快，涌現出大量的公共建筑來滿足人們居住、娛樂的需求。與此同時，這些公共建筑也帶來了一定的消防安全問題。據統計，在我國因火災傷亡的人員中有90%以上是因煙氣致死[1]。因此，做好防排煙系統的設計是保證火災中人員順利向安全區域疏散的重要因素之一。

我國最新實施的《建筑防煙排煙系統技術標準》[2](GB 51251—2017，以下簡稱《防排煙標準》)按照空間凈高的不同，對公共建筑中非中庭部位的排煙量有兩種不同計算方法：面積法和羽流法。在凈空高度小于或等于6 m時使用面積法，在凈空高度大于6 m時使用羽流法。兩種不同方法計算得出的排煙量必然會出現不同程度的差異，而出現差異后哪種方法能夠更加有效地排出火場中的煙氣也值得探討。排煙量并不是越大越好，當達到一定數值后，繼續增大排煙量對其排煙效果影響不大[3]。本文通過理論分析不同凈空高度、不同防煙分區面積、不同火災熱釋放速率在兩種計算方法得出的排煙量條件下的煙氣模型，得到不同凈空高度、不同防煙分區面積、不同火災熱釋放速率條件下公共建筑煙氣層沉降規律，分析兩種排煙量計算方法的適用性。

1 煙氣層沉降理論分析

1.1 煙氣層高度

對于建筑內部空間，煙氣層的高度取決于煙氣生成量和排煙量。在排煙過程中，如果機械排煙的速率大于煙氣生成速率，則煙氣層不會沉降，當機械排煙速率等于煙氣生成速率，則煙氣層維持在某一高度，而當煙氣生成速率大于機械排煙速率時，則煙氣會沉降。在機械排煙過程中，可用質量守恒方程來表示煙氣高度的變化[4]，見式(1)。

(1)

式中，Mρ為煙氣生成速率，kg·s-1；Me為機械排煙速率，kg·s-1；A為空間的平面面積，m2；ρs為熱煙氣密度，kg·m-3；H為建筑高度，m；Z為煙氣層界面距地面的高度，m。

1.2 煙氣生成速率

本文中煙氣生成速率采用《防排煙標準》中的軸對稱型煙羽流計算方法，見式(2)～式(4)。

當Z>Z1時，

(2)

當Z≤Z1時，

(4)

式中，Qc為熱釋放速率中的對流部分，一般取值為Qc=0.7Q，kW；Z1為火焰極限高度，m。

1.3 機械排煙量

1.3.1 面積法

《防排煙標準》中第4.6.3條第一款規定，建筑空間凈高小于或等于6 m的場所，其排煙量應按不小于60 m3·m-2·h-1計算，且取值不小于15 000 m3·h-1。

1.3.2 羽流法

《防排煙標準》中第4.6.3條第二款規定，建筑空間凈高大于6 m的場所，其排煙量應按式(5)計算。為使得煙氣控制在擋煙垂壁以內，式(5)中計算Mρ時，Z應取地面到擋煙垂壁下沿的高度。

V=MρT/ρ0T0

(5)

式中，V為排煙量，m3·s-1；ρ0為環境溫度下的氣體密度，kg·m-3；T0為環境的絕對溫度，K；T為煙氣層的平均絕對溫度，K。

一般取T0=293.15 K，ρ0=1.2 kg·m-3。

1.4 煙氣溫度

本文中煙氣溫度采用《防排煙標準》中第4.6.12條的計算方法，見式(6)、式(7)。

T=T0+△T

(6)

△T=KQc/MρCρ

(7)

式中，△T是煙氣層平均溫度與環境溫度的差，K；Cρ為空氣的定壓比熱，一般取Cρ=1.01 kJ·kg-1·K-1；K為煙氣中對流放熱因子，當采用機械排煙時取K=1.0。

1.5 煙氣密度

火災中煙氣密度可以通過式(8)來計算。

ρs=352/T

(8)

將上述式(1)～(8)聯立，可以得出不同面積、不同凈高、不同火災熱釋放速率條件下，公共建筑室內發生火災以后的煙氣沉降過程及排煙效果。

2 條件設定及結果分析

2.1 火災熱釋放速率確定

根據《防排煙標準》第4.6.7條規定，各場所火災熱釋放速率不應小于表1中數值。由于各場所中不設置自動噴水滅火系統(簡稱噴淋)的情況較少，本文只考慮設置噴淋的情況。根據表1所給的火災熱釋放速率，設定四個常見火災熱釋放速率分別代表四類場所：代表辦公室、教室、客房、走道的1.5 MW；代表廠房、其他公共場所的2.5 MW；代表商店、展覽廳的3 MW；代表倉庫的4 MW。汽車庫的防煙分區劃分及其排煙量執行現行國家規范《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》(GB 50067)規定，此處不作探討。

表1 火災達到穩態時的熱釋放速率

2.2 計算判據

從報警到消防員到達火場一般不超過15 min，計算取1 000 s。煙氣層的安全高度取擋煙垂壁下沿距離地面高度。

2.3 結果分析

根據《防排煙標準》最大允許防煙分區面積規定，計算選用防煙分區面積分別為500 m2、750 m2、1 000 m2，凈空高度為4 m、6 m、8 m。結果見圖1～圖9。

由圖1可知，當防煙分區面積為500 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在3.5 m。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，400 s后煙氣層高度穩定在3.04 m；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.2 m；火災熱釋放速率為3 MW，在945 s時煙氣層高度降為0 m；火災熱釋放速率為4 MW，在330 s時煙氣層高度降為0 m。

圖1 防煙分區面積500 m2、高度4 m時煙氣沉降

由圖2可知，當防煙分區面積為500 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在5.4 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，800 s后煙氣層高度穩定在3 m左右；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.25 m；火災熱釋放速率為3 MW，在970 s時煙氣層高度降為0 m；火災熱釋放速率為4 MW，在390 s時煙氣層高度降為0 m。

圖2 防煙分區面積500 m2、高度6 m時煙氣沉降

由圖3可知，當防煙分區面積為500 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在7.2 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，700 s后煙氣層高度穩定在3 m左右；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.28 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為0.13 m；火災熱釋放速率為4 MW，在430 s時煙氣層高度降為0 m。

由圖4可知，當防煙分區面積為750 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在3.5 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW時，排煙量大于產煙量，煙氣不沉降；火災熱釋放速率為2.5 MW，450 s后煙氣層高度穩定在3.22 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為2.54 m；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.06 m。

圖4 防煙分區面積750 m2、高度4 m時煙氣沉降

由圖5可知，當防煙分區面積為750 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在5.4 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為4.74 m；火災熱釋放速率為2.5 MW，在1 000 s時煙氣層高度為3.3 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為2.6 m；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.16 m。

圖5 防煙分區面積750 m2、高度6 m時煙氣沉降

由圖6可知，當防煙分區面積為750 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在7.2 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為4.78 m；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為3.3 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為2.6 m；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為1.22 m。

圖6 防煙分區面積750 m2、高度8 m時煙氣沉降

由圖7可知，當防煙分區面積為1 000 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在3.5 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW、2.5 MW、3 MW時，機械排煙量大于煙氣生成量，煙氣不沉降；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為2.85 m。

圖7 防煙分區面積1 000 m2、 高度4 m時煙氣沉降

由圖8可知，當防煙分區面積為1 000 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在5.4 m處。而當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，排煙量大于煙氣生成量，煙氣不沉降；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為4.67 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為4.06 m；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為2.94 m。

圖8 防煙分區面積1 000 m2、 高度6 m時煙氣沉降

由圖9可知，當防煙分區面積為1 000 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計算排煙量時，四種火災熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩定保持在7.2 m處。當使用面積法計算排煙量時，火災熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為6.13 m；火災熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時煙氣層高度為4.71 m；火災熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時煙氣層高度為4.12 m；火災熱釋放速率為4 MW，1 000 s時煙氣層高度為3 m。

圖9 防煙分區面積1 000 m2、 高度8 m時煙氣沉降

從以上分析可以看出，在使用面積法計算機械排煙量時，相同面積的防煙分區不同火災熱釋放速率條件下有不同的沉降規律，火災熱釋放速率越大煙氣沉降越明顯。火災熱釋放速率相同時，不同防煙分區面積條件下也有不同的沉降規律，防煙分區面積越大煙氣層穩定時的高度越高。

由圖1～圖9可以看出，當采用羽流法計算機械排煙量時，各個工況在發生火災后的1 000 s內，煙氣層距地面高度總能高于擋煙垂壁距離地面的高度，能夠有效地將煙氣控制在防煙分區內部。

當防煙分區面積為500 m2，使用面積法計算機械排煙量時，本文中所有工況在火災發生時無法將煙氣控制在儲煙倉以內，火場中煙氣向其他防煙分區擴散，無法滿足排煙需求。(1)火災熱釋放速率為1.5 MW，火災發生后煙氣層高度穩定在3 m左右，說明凈空高度在3.5 m以下，防煙分區面積不小于500 m2、火災熱釋放速率在1.5 MW以下時，使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。(2)其他三種火災熱釋放速率情況下煙氣沉降后穩定的高度均小于1.5 m，且小于最小清晰高度，不能滿足疏散需求。

當防煙分區面積為750 m2，使用面積法計算機械排煙量時：(1)火災熱釋放速率為1.5 MW的各個工況在發生火災后煙氣穩定在4.74 m，說明凈空高度在5.24 m以內，火災熱釋放速率在1.5 MW以下時，面積不小于750 m2的防煙分區使用面積法計算的機械排煙量能較好地控制煙氣。(2)火災熱釋放速率為2.5 MW時，煙氣層高度穩定在3.22 m，說明凈空高度在3.72 m以內，火災熱釋放速率在2.5 MW以下時，面積不小于750 m2的防煙分區使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。(3)火災熱釋放速率為3 MW時，煙氣層高度穩定在2.54 m，說明凈空高度在3.04 m以內，火災熱釋放速率在3 MW以下時，面積不小于750 m2的防煙分區使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。(4)當火災熱釋放速率為4 MW時，煙氣層高度穩定在1.06 m，低于最小清晰高度，不能滿足疏散要求。

當防煙分區面積為1 000 m2，使用面積法計算排煙量時：(1)火災熱釋放速率為1.5 MW的各個工況在發生火災后煙氣穩定在6.13 m，說明凈空高度在6.63 m以內，火災熱釋放速率在1.5 MW以下時，面積不小于1 000 m2的防煙分區使用面積法計算的機械排煙量能較好地控制煙氣。(2)火災熱釋放速率為2.5 MW時，煙氣層高度穩定在4.67 m，說明凈空高度在5.17 m以內，火災熱釋放速率在2.5 MW以下時，面積不小于1 000 m2的防煙分區使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。(3)火災熱釋放速率為3 MW時，煙氣層高度穩定在4.06 m，說明凈空高度在4.56 m以內，火災熱釋放速率在3 MW以下時，面積不小于1 000 m2的防煙分區使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。(4)火災熱釋放速率為4 MW時，煙氣層高度穩定在2.85 m，說明凈空高度在3.35 m以內，火災熱釋放速率在4 MW以下時，面積不小于1 000 m2的防煙分區使用面積法計算的排煙量能較好地控制煙氣。

由上述分析可總結出使用面積法時滿足安全需要的情況，見表2。從表2可以看出，在相同防煙分區面積下，火災熱釋放速率越大，最大凈空高度越小，說明火災熱釋放速率越大所需要的排煙量越大，且有研究表明，煙氣的生成量主要取決于羽流的質量流量[5]，應增加單位面積的機械排煙量[6]，從而使其適用范圍更廣。在相同火災熱釋放速率下,最大凈空高度越高，最小防煙分區面積越大，求出其中對應關系，可使其適用范圍增大。

表2 滿足安全需要的面積法計算排煙量的條件

本文通過計算多種情況下的機械排煙量，得出面積法計算中的單位面積機械排煙量與火災熱釋放速率的經驗公式：

Vs=24+24×HRR

(9)

式中，Vs為單位面積機械排煙量，m3·m-2·h-1；HRR為火災熱釋放速率，MW。

最小防煙分區面積經驗公式：

Am=88+125×H

(10)

式中，Am為防煙分區最小面積，m2；H為凈空高度，m。

以上經驗公式經驗算證明，可應用于凈空高度在6 m以下的各個場所，且都有良好的排煙效果。

3 結論

在質量守恒的基礎上，利用《防排煙標準》中的羽流公式和火災煙氣溫度、密度模型，求解得出兩種機械排煙量計算方法下不同火災熱釋放速率、不同防煙分區面積、不同凈空高度火災發生后開啟機械排煙系統時煙氣沉降的過程。結果表明，使用羽流法計算的機械排煙量能滿足安全需要，而使用面積法計算的機械排煙量只能在部分條件下滿足安全需要。提出兩個用于面積法計算的經驗公式，經驗證可以用于面積法的計算，且較原有的方法有更好的排煙效果，適用范圍更廣。