Z值及防煙分區對高大空間排煙系統的影響分析

張 兵 胡 勇

(中信建筑設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

0 引言

GB 51251—2017建筑防煙排煙系統技術標準(以下簡稱標準)已于2018年8月1日實施。《標準》與原《建筑設計防火規范》(以下簡稱建規)中排煙系統設計的區別比較大。如排煙量的計算和防煙分區的劃分。新的《標準》排煙量計算不再像原《建規》排煙量僅按最大防煙分區的面積來進行簡單的數學乘法，而是與火災熱釋放速率、煙羽流的類型有關；防煙分區最大允許面積根據凈高分類由原來的2類改為4類。因此按新規設計的排煙系統與原《建規》差異非常大。本文以最近設計的奧體中心游泳館和體育館為例來闡述新規在上述兩方面帶來的差異，并對《標準》第4.2.4條注2提出建議。

1 Z值對排煙量的影響

筆者最近設計的奧體中心內有一個1 500座的游泳館及一個4 500座的體育館，均為多層建筑。游泳館及體育館內的比賽大廳空間防火分區面積均控制在5 000 m2內。游泳館橢圓型屋頂最高點凈高30 m，最高處座椅高度為6.6 m。體育館橢圓型屋頂最高點凈高30 m，最高處座椅高度為14 m。簡易剖面圖如圖1,圖2所示。

游泳館和體育館煙羽流類型均為軸對稱型。根據《標準》第4.6.11.1條軸對稱型煙羽流質量流量的計算式可以看出煙羽流質量流量Mρ值與Qc和Z值等因素有關，特別是Z值(燃料面到煙層底部的高度)對煙羽流質量流量的影響非常大。

(1)

(2)

從式(1)可以看出，對于凈高、火災時的熱釋放速率一定，Mρ與Z成拋物線(類似于y=axb+c，b=5/3，c=0.001 8Qc)的關系，詳見圖3。從圖中可以看出Z值與Mρ呈指數增長,Z值越大，Mρ越大。即煙羽流質量流量越大，排煙量越大，儲煙倉厚度越小。

從式(2)可以看出，對于凈高、火災時的熱釋放速率一定，Mρ與Z成正比關系線(類似于y=axb+c，b=1，c=0)的關系，詳見圖3。從圖中可以看出Z值與Mρ呈線型增長,Z值越大，Mρ也越大，但增長速度明顯沒有式(1)增長的快。

假設游泳館和體育館均在0.000發生火災，有噴淋，軸對稱型煙羽流，火災熱釋放速率Q=2.5 MW。根據《標準》第4.6.11條～4.6.13條及圖1和圖2分別計算出游泳館和體育館一個防煙分區的各項值，列入表1。

從上述計算及表1中可以看出：對于面積、凈高均相等的游泳館和體育館，由于Z值的不同，Mρ值相差1倍有余。而按原《建規》游泳館和體育館的排煙量均為300 000 m3/h。人數少的游泳館排煙量減少了，人數多的體育館基本持平。人員多的體育館，因其Z值更大，導致所需的排煙量也更大。

表1 游泳館和體育館一個防煙分區內的各項排煙數值

名稱QcZ1ZHqMρΔTVT游泳館1 7503.2910.53.946.2237.4943.44(156 384)330.64體育館1 7503.2917.23.2101.1517.1389.22(321 192)310.28注:Qc為熱釋放速率的對流部分,kW;Z1為火焰極限高度,m;Z為燃料面到煙層底部的高度,m;Hq為最小清晰高度,m;Mρ為煙雨流質量流量,kg/s;ΔT為煙層平均溫度與環境溫度的差,K;V為排煙量,m3/s(括號內為m3/h);T為煙層的平均絕對溫度,K

2 防煙分區的劃分對排煙系統的影響

如前所述，按原《建規》游泳館和體育館空間凈高大于6 m，可不劃分防煙分區。每個館的排煙量均為30萬m3/h。每個館可對稱設置4個風機房，每個風機房內設置1臺75 000 m3/h排煙風機。失火時4臺排煙風機同時啟動排煙。

根據《標準》第4.2.4條規定，對于空間凈高大于6 m的空間，其最大允許的防煙分區面積為2 000 m2。《標準》特別注明當空間凈高大于9 m時，防煙分區之間可不設置擋煙設施。此注釋“可不設置擋煙設施”目前有兩種理解，前期宣貫的專家學者、審圖機構及消防部門都沒有一個明確的意見，而兩種觀點排煙系統的做法及所產生的結果相差甚大。第一種觀點認為當空間凈高大于9 m時，不劃分防煙分區。類似于原《建規》中對于凈高大于6 m的空間不劃分防煙分區，按一個防煙分區考慮，計算一個防煙分區的排煙量；第二種觀點認為當空間凈高大于9 m時，按每個防煙分區面積不大于2 000 m2劃分防煙分區，但是不設置物理擋煙垂壁。以下以體育館為例來說明上述兩種觀點排煙系統的差別及其影響。

首選按第1種觀點，即將整個比賽大廳按一個防煙分區考慮，不劃分防煙分區，總設計計算排煙風量為321 192 m3/h。因此，在四個角共設4處風機房，每處風機房設1臺風機，每臺排煙風機的風量為80 298 m3/h。為便于比較，排煙風機風量暫均不考慮附加系數。按防煙分區內任一點與最近的排煙口之間的水平距離不大于30 m布置平面，詳見圖4。從圖中可以看出，排煙風管均勻分布于4處風機房附近。每處排煙干管的最小管徑為1 250 mm，2個支管最小管徑為φ900 mm。此做法對于建筑空間效果來說是可以接受的。排煙系統的控制也是可以實現的。為便于比較，此方案暫且稱為方案A。

如果按第2種觀點劃分為4個防煙分區，根據《標準》4.6.4.1條計算，排煙風機總設計計算排煙風量仍為321 192 m3/h。此種觀點有多種設計方案，筆者選擇其中2種邊界方案進行比較。方案B以減少風機數量，節約風機成本為出發點。為了使每個防煙分區內失火時都能利用風機房的4臺排煙風機，需要設置環形風管。如果設置1根環形風管，最大直徑為1.8 m；如果設置2根環形風管，最大直徑為1.25 m；4根環形風管對應的最大直徑0.9 m。失火時，4臺排煙風機開啟，同時聯動著火防煙分區的排煙口。平面布置示意圖如圖5所示。此方案雖然減少了風機數量，降低了風機及配電投資，但是網架內排煙風管尺寸太大/管道太多，嚴重影響比賽大廳的空間觀感。方案C按排煙風管最小/最短為原則，每個防煙分區需要設置4臺風量80 298 m3/h的排煙風機，共計16臺，平面布置示意圖如圖6所示。失火時，開啟著火防煙分區的4臺排煙風機，同時聯動著火防煙分區的排煙口。此方案排煙風機臺數、風機房面積、消防供電負荷均為方案B的4倍。但無論是方案B還是方案C，都面臨一個無法避免的問題，即各防煙分區之間由于沒有物理擋煙垂壁，失火時煙氣會飄逸到相鄰防煙分區，聚集在穹頂下方。此時消防報警系統無法判別究竟該開啟哪個防煙分區的排煙風機或者排煙口。

因此按觀點二的理解將大空間劃分多個防煙分區還是有諸多要解決的問題。方案B和方案C，要么風管過大/過多而影響建筑空間的美感，要么增加風機及配電投資，機房面積過大。并且，對于這種高大空間，電氣專業設置的光束感煙火災探測器及給排水專業的消防水炮均是按一個整體設置的。失火時，整個空間的消防設施同時動作，而不是僅僅動作某一個假想的防煙分區內的消防設施。無論方案B和方案C以及是否有物理擋煙垂壁，消防控制系統均不能精準判斷哪個防煙分區失火，無法判斷開啟哪個防煙分區的排煙口或者排煙風機。因此，筆者以為對于這樣的高大空間不應該劃分防煙分區，應該按一個防煙分區來設置機械排煙系統。

3 結語

對于凈高超過9 m且Z>Z1的高大空間Z值對排煙量Mρ的影響非常大，呈指數增長。且如單個功能區域建筑面積超過2 000 m2，建議按一個防煙分區考慮排煙設施比較合理，可行且可靠。