高大廠房排煙系統設計問題探討

敖偉華

（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000）

根據防火規范中的相關條文可知，經常有人停留，或者可燃物較多的丙類生產場所或建筑面積大于300 m2的丙類廠房的地上房間需要設置排煙設施。對于面積超過5 000 m2的丁類生產車間，也需要設置排煙設施。排煙系統的核心作用是將火災發生時產生的煙氣，有效排除，或將煙氣控制在相應的范圍之內，避免煙氣出現大面積擴散，保證廠房內部人員順利疏散。為保證高大廠房排煙系統能更為穩定地運行，本文重點研究高大廠房排煙系統設計要點。

1 加強高大廠房排煙系統設計的現實意義

高大廠房排煙系統主要是針對火災初期人員疏散而設計的，能夠減小火災對人員的傷害。通常高大廠房內部結構比較復雜，進深很大，與室外連接相通的門、窗比較少，一旦出現火災，特別是在火災發生初期的引燃環節，會產生大量煙氣，排煙難度比較大，因此，做好高大廠房排煙系統設計工作至關重要。通過做好高大廠房排煙系統設計工作，特別是人員分布比較密集的高大廠房，設置科學合理的排煙系統，不僅能夠保障作業人員的人身安全，而且有效提升火災的救援速度。對于高大廠房排煙系統設計人員來講，要結合廠房結構特點，對既有的排煙設計方案進行優化，進而保證高大廠房排煙系統設計方案得以更好地實施[1]。

2 高大廠房排煙系統設計原則

高大廠房排煙系統設計原則與內容見表1。

表1 高大廠房排煙系統設計原則

3 高大廠房排煙系統設計問題研究

3.1 高大單層廠房，是采用自然排煙還是機械排煙

室內凈高較高的單層廠房，采用自然排煙還是機械排煙，一直是設計人員關注的問題。《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）中建議廠房排煙設計優先采用自然排煙方式，對于廠房空間較高時，自然排煙效果是否良好，沒有直接給出結論。

參考《高層民用建筑設計防火規范》[GB 50045—95（2005版）] 8.2.2.5條內容“凈空高度小于12 m的中庭可開啟的天窗或高側窗的面積不應小于該中庭地面積的5%。”意味著室內凈高超過12 m的中庭需要采用機械排煙才能達到比較好的排煙效果。這是因為煙氣上升有“層化”現象，所謂“層化”現象，主要指熱煙氣上升流動中過冷，煙氣密度不斷增大，當煙氣流到達與其密度相等的空氣高度時，很容易折轉成水平方向擴散，不再上升。上升到一定高度的煙氣隨著溫度的降低又會下降，使得煙氣無法從高窗排出室外。這為分析單層高大廠房排煙效果分析提供了方法，即計算煙層與環境空氣密度的相對大小，而密度的大小又與溫度相關，所以，重點在于計算煙氣層的平均溫度與環境溫度的差值。

根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）第4.1.3條的條文說明，當煙層平均溫度與周圍空氣溫度差值小于15 ℃時，煙層在建筑空間上部可能出現“層化”現象，此時應設置機械排煙方式并合理設置排煙口的高度；當煙氣不會出現“層化”現象時，就可采用自然排煙。以此作為判定依據，決定廠房是采用自然排煙或是機械排煙方式。

那么對于凈高較高的單層廠房，高度出現煙氣層化現象的高度可根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）進行計算。一般廠房內煙煙羽流為軸對稱型。其計算步驟：首先，確定火災達到穩態時廠房的熱釋放速率Q、燃料面到煙層底部的高度Z；其次，計算煙羽流質量流量Mρ；最后，根據Mρ和Q計算出煙層溫度與環境溫度的差值。主要公式如下：

（1） 軸對稱型煙羽流質量流量Mρ計算：

式中：Qc——熱釋放速率的對流部分；

Z——燃料面到煙層底部的高度 （m） （取值應大于等于最小清晰高度與燃料面高度之差） ；

Z1——火焰極限高度 （m） ；

Mρ——煙羽流質量流量 （kg/s） 。

（2） 煙層平均溫度與環境溫度的差值計算公式如下：

式中：

ΔT——煙層平均溫度與環境溫度的差 （K） ；

Cp——空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01 kJ/（kg·K）；

K——煙氣中對流放熱量因子。當采用機械排煙時，取K=1.0，當采用自然排煙時，取K=0.5。

例如：某室內凈高分別為24 m和36 m丁類單層廠房，根據設計的不同儲煙倉底部高度 （即煙層底部高度），計算采用自然排煙和機械排煙方式時的Mρ和ΔT。

根據相關資料，無噴淋時廠房的熱釋放速率Q=8.0 MW，熱釋放速率的對流部分Qc=5 600 kW，根據式（1），計算出Z1=5.24 m，代入相關參數，并將部分結果列于表2和表3。

表2 凈高24 m的單層廠房排煙計算

表3 凈高36 m的單層廠房排煙計算

根據以上計算結果有以下結論：

（1） 采用自然排煙方式時，高度為24 m的廠房，儲煙倉底部高度最高為19.2 m，此時煙層平均溫度與環境溫差只有15.12 ℃，煙層達到“層化”狀態，此時不宜采用自然排煙方式，應采用機械排煙方式排煙。

（2） 采用機械排煙時，高度為36 m的廠房，儲煙倉底部高度為29.7 m時，煙層平均溫度與環境溫差只有15.04 ℃，煙層達到“層化”狀態， 此時應降低機械排煙口的設置高度，來達到比較好的排煙效果。

3.2 高大廠房室內布置數層操作平臺，如何開展排煙設計

當高大廠房室內布置數層操作平臺與檢修平臺時，在排煙設計環節，計算清晰高度應根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）第4.6.9條公式：

式中：Hq——最小清晰高度 （m）；H’——對于單層空間，取排煙空間的建筑高度 （m），對于多層空間，取最高疏散樓層的層高 （m）。

對空間凈高H’的取值，是按單層空間取地面至屋面之間凈高計算，還是按多層空間取最高層鋼平臺至屋面之間的凈高計算？若按照多層空間取最高層鋼平臺至屋面之間的凈高計算清晰高度，要求儲煙倉必須設在最高層鋼平臺上部，導致廠房空間凈高增加，且增加自然排煙高側窗的布置難度。如按單層空間取地面至屋面之間凈高為H’值計算清晰高度，在設定儲煙倉高度時有可能使頂層或靠近頂層的鋼平臺位于儲煙倉之內，影響人的疏散。

對于一些自動化程度較高的廠房，因操作平臺和檢修平臺基本上沒有人員工作，設計人員可以不考慮人員疏散問題，操作平臺或檢修平臺的高度對最終的廠房清晰高度計算結果不會產生任何影響，可采用地面至屋面間的凈高為H’值進行計算。但對于人員較多的情況，則必須按多層空間取最高層鋼平臺至屋面之間的凈高為H’值進行計算。

4 結語

綜上所述，通過對高大廠房排煙系統設計問題進行有效分析，對于單層高大廠房，或室內布置數層操作平臺的高大廠房，進行排煙設計時，要結合廠房內部操作平臺或檢修平臺的數量，以及平臺分布情況，合理計算廠房清晰高度，還要考慮煙層是否會出現“層化”現象。本文提出的解決思路和措施，對于此類廠房的設計具有參考意義。

若高大廠房內部結構復雜，為保證排煙系統設計方案合理、規范，設計人員需要查閱更多資料，保證設計方案得到更好的實施。