建筑內疏散走道機械排煙口合理設置的探討

黃小新 陳明豐

中國輕工業廣州工程有限公司

0 引言

建筑內的疏散走道是發生火災時，人員向前室和樓梯間疏散的必經通道[1]。若火災產生的大量煙氣擴散到走道內，煙氣的較高濃度可能影響人員的正常疏散，煙氣的較高溫度可能造成人員嚴重灼傷，煙氣中的有毒氣體可能導致人員中毒或窒息死亡[2]。因此，為了保證人員在走道中的安全疏散，疏散走道的排煙設計非常重要。我國現行國家標準《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）（2018 年版）第8.5.2 條和第8.5.3 條規定，高度大于32 m 的高層廠房或倉庫內長度大于20 m 的疏散走道，其他廠房或倉庫內長度大于40 m的疏散走道，以及民用建筑內長度大于20 m 的疏散走道，均應設置排煙設施。

機械排煙是一種采用排煙風機進行強制排煙的方式，目前被廣泛應用于建筑內疏散走道的排煙。機械排煙口作為機械排煙系統的重要組成部分，其布置對機械排煙效果有很大的影響。因此，針對機械排煙口設置的研究得到了越來越多的關注。近年來，許多學者針對機械排煙口設置對排煙效果的影響開展了大量研究，提出了許多設計優化方法和原則。

本文首先對建筑內疏散走道中的火災煙氣流動特性進行分析，隨后結合現行國家標準，分別對疏散走道內機械排煙口的安裝高度，設置位置，數量和間距等參數對排煙效果影響的研究進展進行總結，最后給出疏散走道內比較合理的機械排煙口布置原則，為實際工程設計提供參考。

1 排煙口安裝高度

在沒有排煙設施的情況下，著火點產生的高溫煙氣在浮升力作用下，不斷地往走道頂棚流動。煙氣抵達頂棚后，受到壁面阻擋，隨后向四周沿著壁面散開。煙氣在疏散走道中的流動可以分為如圖1 所示的五個階段[3]。階段I：煙氣積聚在頂棚附近。階段II：高溫煙氣接觸溫度較低的頂棚后被冷卻并下沉。階段III：擴散到墻面的煙氣進一步被墻面冷卻，隨后逐漸下沉。階段IV：被冷卻的煙氣沿著墻面下沉至地面。階段V：煙氣在走道地面形成一定厚度的煙氣層，此時走道斷面中部空間的空氣被煙氣包圍。最終，煙氣將基本充滿整個走道。

圖1 疏散走道內煙氣的流動過程

梁強等人[4]實驗研究發現，在狹長走道內，越貼近頂棚的煙氣溫度越高。馮文興等人[5]對狹長走道內煙氣毒性成分的空間分布進行了實驗研究，結果表明，煙氣中CO2和CO 的濃度隨著空間高度的降低呈現出下降的趨勢。由此可見，當排煙口安裝在距離頂棚較近之處時，其可將溫度與濃度均較高的部分煙氣快速排走，從而有利于人員的安全疏散。

朱毅和李思成[6]的實驗結果表明，當排煙口上沿距頂棚的距離從0 mm 增加至150 mm 時，煙氣蔓延速度從0.15 m/s 增加至0.4 m/s，煙氣控制效果逐漸變差。徐伯樂等人[7]的模擬結果顯示，排煙口高度較低時，容易吸入煙氣與空氣的混合氣體，排煙口高度較高時，則不易吸入煙氣層下部的空氣，因此排煙效率隨著排煙口安裝高度的升高而得到改善。許小磊等人[8]通過數值研究發現，煙氣質量分數在走道內的分布是從上至下逐漸減小，當排煙口設置在頂棚時，排煙口能夠排出走道上部質量分數較高的煙氣，而當排煙口設置在側壁時，排煙口的上邊緣吸入的煙氣質量分數較高，但其下邊緣吸入的煙氣質量分數較低。因此，在相同排煙量的情況下，排煙口設置在頂棚的排煙效率高于設置在側壁的排煙效率。

我國現行國家標準《建筑防排煙系統技術標準》（GB51251-2017）第4.4.12 條指出，排煙口宜設置在頂棚或靠近頂棚的墻面上。當走道凈高不大于3 m 時，排煙口可設置在其凈高的1/2 以上。當排煙口設置在側墻時，吊頂與其最近邊緣的距離不應大于0.5 m。

綜上所述，在條件允許的情況下，應盡量將排煙口設置在頂棚，且排煙口的安裝高度越高，其排煙效果越好。在頂棚設置排煙口存在困難時，可以考慮將排煙口設置在走道側墻。值得指出的是，在實際工程中，由于走道不設置吊頂或吊頂均勻開孔且開孔率大于25%，通常把排煙口設置在排煙風管的頂部或側面。為了確保走道內平均溫度和火場能見度在人員的承受范圍之內，文獻[6]建議排煙口距頂棚的距離不應超過0.3 m。

2 排煙口設置位置

建筑內常見的疏散走道形狀有直形，L 形，T 形和環形等。當疏散走道的長度較長，為了有效延緩煙氣的擴散，為逃生人員提供較多的疏散時間，通常將疏散走道劃分為若干防煙分區。在每個防煙分區中，設置的擋煙垂壁與走道側墻將走道頂部空間圍成儲煙倉，用于蓄積煙氣。每個儲煙倉內設置一定數量的排煙口。根據《建筑防排煙系統技術標準》（GB51251-2017）第4.2.4 條，走道劃分防煙分區的最大允許長度具體如表1 所示。

表1 走道防煙分區的最大允許長度

對于長直走道，其中設置有擋煙垂壁時，煙氣的流動如圖2 所示。煙氣上升至頂棚后，受頂棚的限制，進而往水平方向擴散。當煙氣遇到擋煙垂壁后，擋煙垂壁阻止了煙氣的向前流動，此時上游仍有大量煙氣不斷地向前流動，積聚在該擋煙垂壁上游儲煙倉之內，直至煙氣層厚度大于儲煙倉高度，隨后煙氣溢出該儲煙倉并流入下游毗鄰儲煙倉[9-10]。

圖2 擋煙垂壁作用下直走道中的煙氣流動

對于L 形和環形走道，其均具有轉角，煙氣在走道轉角區域的流動如圖3 所示。當煙氣在L 形或環形走道的直形段內流動時，其流動特性與在直形走道中的流動特性相同。當煙氣流動至L 形或環形走道的轉角之處時，受到前方墻壁的阻擋，隨后有部分煙氣回流，進一步地，上游煙氣與回流煙氣相互干擾，使大量煙氣積聚在走道轉角之處[11]。

圖3 走道轉角區域的煙氣流動

圖4 給出了T 形走道示意圖。當煙氣從點A 流向點B 時，其流動特性類似于在直走道中的流動。當煙氣從點C 流向點D 時，其流動特性類似于在L 形或環形走道中轉角處的流動。

圖4 T 形走道示意圖

由前文可知，在不同形狀的走道內，煙氣的流動存在一定差異。因此，如何在不同形狀走道中合理設置排煙口的位置，是值得研究的問題。靖成銀等人[12]對直走道進行了數值研究，認為排煙口處于火源下風向時，能夠有效延緩煙氣的擴散，而排煙口處于火源上風向時，可以快速排出高溫高濃度煙氣，故建議將排煙口設置在防煙分區的中間位置。紀杰等人[13]實驗發現，直走道僅一端開敞時，開啟補風口相反側的排煙口則排煙效果較佳，而直走道兩端開敞時，同時開啟火源兩側的排煙口則排煙效果較好。湯靜等人[11]通過模擬發現，L 形和環形走道的轉角處煙氣溫度較高，建議做好該位置的排煙措施。黃東方等人[14]的模擬結果表明，相比于排煙口設置在環形走道其他位置，排煙口設置在環形走道轉角位置時，其排煙效果更好。

綜上所述，防煙分區為直形的走道，若僅一端有補風口，排煙口應設置在補風口相反側位置，若兩端均有補風口，則排煙口可設置在中間位置。防煙分區為L 形、環形或T 形走道，排煙口應設置在轉角位置。

此外，邱旭東等人[15]的數值研究發現，排煙口處于安全出口附近時，由于濃煙積聚在排煙口下方，導致逃生人員難以識別安全出口位置，不利于人員安全疏散，因此建議排煙口設置在距離安全出口較遠的位置。隨后，《建筑防排煙系統技術標準》（GB51251-2017）第4.4.12 條提出，排煙口的設置宜使煙氣流動方向與人員疏散方向相反，且排煙口與安全出口最近邊緣的水平距離應大于1.5 m。孫翀[16]模擬結果表明，相比于排煙口貼近側壁，排煙口遠離側壁時，其排煙效果更好。

3 排煙口數量及間距

在一個防煙分區內，當單個排煙口的排煙量過大，或者多個排煙口之間的距離過小時，均可能發生煙氣層吸穿現象[17-18]。當煙氣層被吸穿，排煙口排出的是煙氣與空氣的混合氣體，導致有效排煙量減少，從而排煙效率降低[19]。因此，《建筑防排煙系統技術標準》(GB51251-2017)第4.6.14 條給出了單個排煙口最大允許排煙量的計算式，即：

式中：Vmax為單個排煙口最大允許排煙量，m3/s；γ 為排煙口位置系數，當排煙口中心點到墻體距離≥2 倍的排煙口當量直徑時，γ 取值為1.0，否則，γ 取值為0.5；db為排煙口吸入口以下煙氣層厚度，m；T 為煙氣層的平均溫度，K；T0為環境溫度，K。

式（1）表明，單個排煙口最大允許排煙量不僅與煙氣層的平均溫度和厚度有關，還與排煙口距墻體的距離有關。由此可知，在防煙分區排煙量不變的情況下，相比于排煙口靠近走道側墻設置，排煙口距離走道側墻較遠時所需的數量可能比較少。例如，一個凈高為3 m，寬為2.5 m 的疏散走道，火災熱釋放速率為1500 kW，假設一個防煙分區的排煙量為15000 m3/h，煙氣層厚度為0.8 m，排煙口設置在頂棚上。當排煙口位置系數取1.0 時，單個排煙口最大允許排煙量為7549 m3/h，故至少需要2 個排煙口。當排煙口位置系數取0.5 時，單個排煙口最大允許排煙量為3750 m3/h，則至少需要4 個排煙口。

目前，我國現行國家標準均無關于排煙口間距設置的規定，而美國國家標準NFPA92-2018 給出了一個防煙分區內設置多個排煙口時，排煙口邊緣之間的最小距離計算式，即

式中：Smin為排煙口邊緣之間的最小距離，m；Ve為一個排煙口的排煙量，m3/s。由此可見，隨著排煙口排煙量的增加，其對煙氣的控制范圍將擴大，故排煙口之間所需保持的間距也將增加。

4 結論

本文分析了建筑內疏散走道中火災煙氣的流動特性，結合現行國家標準，分別對疏散走道內機械排煙口的安裝高度，設置位置，數量和間距等參數對排煙效果影響的研究進展進行了總結，得出了疏散走道內比較合理的排煙口布置原則：

1）疏散走道內的排煙口應盡量設置在頂棚，當條件不允許時可考慮將排煙口設置在側墻，排煙口距頂棚的距離不應超過0.3 m。

2）排煙口應盡量遠離安全出口，其與安全出口最近邊緣的水平距離應大于1.5 m，且應使煙氣流動方向與人員疏散方向相反。

3）防煙分區為直形的走道，僅一端有補風口時，宜將排煙口設置在補風口的相反側，兩端有補風口時，可將排煙口設置在中間位置。防煙分區為L 形，環形或T 形的走道，排煙口應設置在走道的轉角處。

4）排煙口應盡量設置在遠離走道側壁的位置，當條件不允許時可靠近走道側壁設置。

5）排煙口的數量應根據防煙分區排煙量和單個排煙口最大允許排煙量等參數進行確定，當一個防煙分區內需要設置多個排煙口時，排煙口的間距可參考NFPA92-2018 給出的排煙口邊緣最小距離計算式進行確定。