建筑中空間凈高大于6 m場所排煙方式的對比分析
——基于建筑防煙排煙系統技術標準

劉 堯,吳小冬,李欣林

(成都市建筑設計研究院，四川成都 610015)

近年來，隨著國家經濟建設和人民生活水平的提高，城市建筑逐年增加，使得火災隱患及事故逐漸增。大堂、中庭、餐廳、展廳等內部空間高大、火災荷載大、人員密度大的建筑內場所大量出現，極大增加了火災救援及人員安全疏散的難度。在火災事故中，對人員造成危害最大的往往是煙氣，建筑火災排煙方式分為自然排煙和機械排煙兩種，國內外已多位研究人員、工程師基于不同類型的建筑對這兩種方式的排煙效果做出討論[3-4][7]。然而，由于規范的更新，新規范針對高于6 m的空間給出了單獨的定義，該類場所的排煙量計算不再像GB 50016-2014《建筑設計防火規范(2018版)》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、煙羽流的類型等參數相關[1-2][5]。因此，合理設計建筑中該類高大空間的排煙方式，有效控制煙氣擴散和蔓延，具有重要的工程意義。

1 排煙量計算

根據新規范，公共建筑、工業建筑中空間凈高大于6 m的場所，其每個防煙分區排煙量應根據場所內的熱釋放速率以及式(1)～式(6)計算，且不應小于表1中的數值。

(1)

(2)

(3)

式中：Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為Qc=0.7Q(kW)；Z為燃氣面到煙層底層的高度(m)(取值應大于或等于最小清晰高度與燃料面高度之差)；Z1為火焰極限高度(m)；Mρ為煙羽流質量流量(kg/s)。

煙層平均溫度與環境溫度與環境溫度的差應按下式計算：

ΔT=KQc/MρCp

(4)

式中：ΔT為煙層平均溫度與環境溫度的差(K)；Cp為空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01[kJ/kg·K]；K為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。

每個防煙分區排煙量應按下列公式計算：

V=MρT/ρ0T0

(5)

T=T0+ΔT

(6)

式中：V為排煙量(m3/s)；ρ0為環境溫度下的氣體密度(kg/m3)，通常T0=293.15K，ρ0=1.2(kg/m3)；T0為環境的絕對溫度(K)；T為煙層的平均絕對溫度(K)。

表1 公共建筑、工業建筑中空間凈高大于6m場所的計算排煙量及自然排煙側窗(口)部風速

2.當采用自然排煙主式時，儲煙倉厚度應大于房間凈高的20 %；自然排煙窗(口)面積=計算排煙量/自然排煙窗(口)處風速；當采用頂開窗排煙時，其自然排煙(口)的風速可按側窗口部風速的1.4倍計。

對表1中的數據進行整理分析可以得出，不同凈高下的最小排煙量為不同火災功率儲煙倉高度為10 %凈高時的計算值。本文主要對廠房、其他公共建筑(有噴淋)進行舉例分析，表2為廠房、其他公共建筑有噴淋時不同凈高下Mρ、ΔT、Av·min的取值，方便下文選用。

2 排煙影響因素

根據新規范條文解釋，火災中所涉及的煙羽流分為軸對稱型、窗口型及陽臺溢出型三種，見圖1。一般情況下房間的煙羽流可以按照軸對稱型煙羽流考慮，因此本文僅研究探討了軸對稱型煙羽流。

圖1 三種煙羽流

表2 廠房、其他公共建筑有噴淋時最小自然排煙側窗的有效面積

2.1 機械排煙

針對空間凈高大于6 m的場所，表1中已經明確了各個凈高下排煙量的最小值，該排煙量是各火災功率下儲煙倉高度為10 %凈高時的計算值。而新規范要求設置機械排煙時儲煙倉厚度不能小于10 %空間凈高，由式(1)～式(6)中Z值與Mp的關系可知，Z值越大Mp越大，排煙量V越大。也就是說表1中所給出的最小排煙量實際上是各種類型的場所中采用機械排煙時的最大排煙量。因此，當采用機械排煙方式時，無法通過調節最小清晰高度、儲煙倉高度等設計因素來減小排煙量，只要風機選型正確，影響排煙量的僅為安裝質量、風管漏風量、風機、風閥可靠性等非設計因素[6]。

2.2 自然排煙

與機械排煙不同，在排煙量與自然排煙窗(口)的面積之間的關系，可按式(7)計算。式中可以看出，當排煙量Mρ確定時，自然排煙窗(口)的面積主要受db、AvCv/A0C0的影響。表1僅給出最小開窗(口)面積，在不同的db、AvCv/A0C0組合下并不一定滿足公式的平衡關系，也就是說自然排煙窗(口)在不同的條件下所排出的煙氣量是不一定的。因此需要進一步討論開窗面積隨db、AvCv/A0C0的變化情況。

(7)

式中：Av為自然排煙窗(口)截面積(m2)；A0為所有進氣口總面積(m2)；Cv自然排煙窗(口)流量系數(通常選定在0.5～0.7之間)；C0為進氣口流量系數(通常約為0.6)；g為重力加速度(m/s2)。

以9 m凈高有噴淋的其他公共場所為例進行計算，將式(7)中的db、AvCv/A0C0定義為兩個變量，其余參數取值見表2。根據上述條件，在AvCv/A0C0分別為1.5、2…3.5五種情況下，db由0.4、0.7…3.1變化，自然排煙窗(口)面積與db、AvCv/A0C0的關系曲線如圖2所示。

圖2 自然排煙窗(口)面積與db、AvCv/A0C0的關系

可以看出，對于空間凈高大于6 m的場所，自然排煙設計并不是簡單的通過表1計算排煙窗面積。實際所需的自然排煙窗面積隨AvCv/A0C0的增大而增大，隨db值的增大而減小。需要注意的是當AvCv/A0C0為3和3.5時，db即使為3.1 m也難以滿足自然排煙要求。因此在自然排煙設計時，在滿足上部排煙窗面積要求的同時，加大下部進風面積和降低清晰高度保證足夠的db都會對自然排煙效果產生重要影響。

3 排煙設計

圖3為機械排煙系統平面布置、機房布置示意圖。與以前不同的是，新規范要求不管的室內還是室外的排煙風機均需設置在專用機房內，而且風機距墻和其他風機的距離不得小于600 mm以便于檢修維護。這就使得新規范中機械排煙系統與土建專業的主要矛盾在于排煙風機不管設置在何處都需要占用一定的建筑面積來布置排煙機房。空間凈高大于6 m的場所排煙量較大，風機尺寸較大，甚至需要多臺風機并聯的機械排煙系統就會給建筑面積本來就很緊張的項目增加一定的麻煩。但是根據一些工程實例，通過合理優化使得排煙系統和其他通風或空調系統共用風機房是可以有效減小其對建筑面積的影響。

圖3 機械排煙示意

然而對于自然排煙，新規范同樣要求排煙口必須設置于儲煙倉內，見圖4(a)。不同形式的排煙窗有效開窗面積需要按一定的規則進行計算，對于建筑中最常采用的上懸窗，其有效開窗面積的計算規則見圖4(b)。

圖3 機械排煙示意

根據上文的討論，受db、AvCv/A0C0值的影響，實際所需的自然排煙窗(口)會隨著db、AvCv/A0C0值的變化而變化但不能小于表2的中的值，因此并不是儲煙倉內的所有區域都可以用于開設自然排煙窗(口)。外墻的寬度L對自然排煙方案的可行性至關重要。

α>70 °，L=Av/(0.9H-1.6-db)

(8)

(9)

式中：α為開窗角度；H為空間凈高(m)。

對式(8)、式(9)進行分析，當凈高H確定后規范要求的最小Av值可按表2查出，而實際所需Av值是由db和AvCv/A0C0兩個變量決定的，得出db和AvCv/A0C0之間的轉換關系可以方便設計時采用單一變量進行分析。以9 m凈高空間(有噴淋)為例，當Av取42時，對式(7)進行變化，可以得出式(10)。

db=596.2/A02+0.4

(10)

3.1 實例一

假設某項目中凈高空間大于9 m的場所(有噴淋)，下部A0為14.4 m2(4個1.5 m×2.4 m的雙扇門)，開窗形式為上懸窗，α=45°(通常為30 °或45 °)。以規范中最小自然排煙窗面積進行自然排煙設計，經計算可得該空間db≥3.3m，L≥19m。

3.2 算例二

假設某項目中凈高空間大于9 m的場所(有噴淋)，開窗形式為上懸窗，α=45°(通常為30 °或45 °)，L=14.6m。以規范中最小自然排煙窗面積進行自然排煙設計，經計算可得該空間db≥2.5m，A0≥16.8m2。

新舊規范中均有明確要求，建筑排煙系統的設計應根據建筑的使用性質、平面布局等因素，優先采用自然排煙系統。但是有文獻指出[8-9]自然排煙的可靠性受氣候條件、熱壓、風壓等外部條件影響較大。對空間凈高大于6 m的場所，由于新規范的排煙計算理論做出了較大的調整，經過本文的討論，得出在新規范下自然排煙所比機械排煙對建筑設計造成的影響更大，需要通過前期與建筑專業配合留出自然排煙條件，幫助建筑專業了解其對立面的影響情況或準確判斷已有建筑方案中該內場所是否有自然排煙的可行性。下面給出了不同凈高下的L、db、A0等參數間的等式關系供設計時快速選用(表3)。

表3 不同凈高最小L、db計算

4 結論

通過對比分析機械排煙和自然排煙的計算理論，得出自然排煙窗(口)隨影響因素db、AvCv/A0C0的變化關系。

根據新規范對排煙口的設置要求，得出凈高大于6 m的場所自然排煙的可行性與L、db、A0之間的關系，并給出計算表用于自然排煙可行性判斷。