中庭煙氣分層及其與排煙設計相關性問題探討

云南正元安泰建設工程設計咨詢有限責任公司 崔 躍

0 引言

問題先得從中庭排煙方式的選擇說起。

關于中庭排煙方式的選擇，作為GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》(以下簡稱《煙標》)中排煙系統設計一般規定的第4.1.3條條文說明指出：當可能出現“層化”現象時，就應設機械排煙；當煙氣不會出現“層化”現象時，就可采用自然排煙。那什么情況下可能出現“層化”現象呢？第4.6.8條條文說明認為，當儲煙倉的煙層與周圍空氣溫差小于15 ℃時，就會出現“層化”現象，即煙氣“在空中滯留或沉降”，并且一旦出現“層化”，事情就很嚴重——“無論機械排煙還是自然排煙，都難以有效地將煙氣排到室外”。至于儲煙倉的煙層溫度，《煙標》第4.6.12條指出，計算煙層溫度的主要變量是進入儲煙倉的煙羽流質量流量。那么“層化”了的煙層究竟在哪里？是在儲煙倉內？不對。懸在半空中？也不對。自然排煙？不行。機械排煙？也不行。顯然，探討這個問題的癥結所在很有必要。

1 什么叫“層化”?

《煙標》參考了6個國外相關技術標準[1]，其中的4個英美標準(即NFPA 92、NFPA 204、BS 5588、BS 7346)似乎都不太重視“層化”，沒有給出相關術語；另外2個標準中，澳大利亞的AS 2419是消防給水規范，日本的是建筑消防安全法規，沒有這個術語很正常。但在國內，“層化”問題頗受重視，GB 50045《高層民用建筑設計防火規范》(以下簡稱《高規》)自1995年版起就有了“層化”的描述和相關的規定[2]。現行國家標準GB/T 5907.2—2015《消防詞匯 第2部分：火災預防》第2.6.42條明確了煙氣分層(smoke stratification)的定義：“封閉空間內在沒有氣流擾動的情況下，由熱效應作用引起的煙氣分層狀態。”綜上國內外相關標準規范的有關論述，對于煙氣分層似乎就有了2種說法。

1) “層化”。以規范建筑中庭消防安全技術為主旨的BS 5588-7:2004描述到：“當煙氣通過中庭上升時，它會從周圍環境中卷吸大量冷空氣，降低煙羽流的溫度，增加其質量和體積。隨著煙羽流在上升過程中受到冷卻，浮力將減小，到達一定的高度后，其溫度可能下降到周圍空氣的溫度，將停止靠其自身浮力上升。在這種情況下，可能在中庭屋頂下方的一定距離處形成一個穩定的煙層。煙氣上升到一個上限高度后，就將向下積累，產生的煙層越來越厚，并且水平地擴散到煙層厚度范圍內的任何一個樓層”[3]。需要注意的是，該標準并未使用“層化”(或分層)這樣的術語。《高規》采用了大致相同的描述，稱之為“層化”現象，然后提出了“12米層化”的理論(這個理論已被發現與實際不符[4])并為業內所熟知。為敘述便利，本文仍按習慣將這種分層現象稱之為“層化”。

2) 分層。如NFPA 92[5]所稱的“煙氣分層”(stratification of smoke)，BS 7346-4:2003[6]所稱的“早期煙氣分層”(early stratification of smoke)。長于中庭等高大空間排煙技術的NFPA 92(2011年前為92B)在歷年版本的條文中均未針對分層情況下的排煙系統設計作出任何規定，僅以附錄的方式提供了有關煙氣分層的專題信息。該附錄(Annex E)指出：“當大空間上部空氣溫度高于較低部位空氣溫度時，煙氣會在熱空氣層下分層，無法到達安裝在頂棚上的感煙探測器。”——關注的重點似乎并不在煙氣層化可能對排煙造成的困難，而在于可能存在層化的條件下如何及時探測煙氣并啟動排煙系統——“一旦中庭或其他大空間的排煙系統啟動，熱空氣層的去除將消除分層的條件。設計者所面臨的問題是如何確保在所有可能的火災前溫度豎向分布條件下及時檢測到煙霧的存在。”BS 7346-4:2003也只是在“煙氣和火災探測系統”一節中才提到分層：“一些大的空間，如高大的中庭，由于暖通空調系統的運行、玻璃屋頂的太陽能加熱等，會在頂棚下聚集大量的熱空氣。在這種情形下，尤其是在火災的早期階段，當火勢還很小時，在上升的過程中，煙羽流會隨著卷吸周圍冷空氣而溫度降低，在到達頂棚之前就形成煙層。在這種情況下，安裝在頂棚附近的感煙探測器不能(正確地)預警煙氣的存在。通常不可能預測煙氣開始分層的高度(這通常取決于天氣)。重要的是，探測器要安裝在能夠探測到這種分層的位置上。”以下將此稱之為“分層”以示區別。

在ASHRAE會同ICC/SFPE/NFPA聯合發布的《煙氣控制工程手冊》[7]中雖然設有“分層”一節，但卻并未提到排煙系統，其實際內容都是為了解決分層條件下的煙氣探測問題。

實際上，按照物理機制分析，“層化”和分層本是一回事，即國標GB/T 5907.2—2015所稱的“煙氣分層”。更具象一點，可如上述BS 7346-4:2003所稱的“早期煙氣分層”或美國消防工程師協會(SFPE)《消防工程手冊》[8]所稱的“中間分層”(intermediate stratification)。

定義厘清后，接下來的問題就是：煙氣分層有哪幾種可能的表現形式？如何預估？與排煙方式的選擇又有何關聯？

2 煙氣分層的預估與排煙方式的選擇

綜合國內外相關標準、規范、設計手冊的有關論述，中庭的煙氣分層可按其發生的設定空間條件分為3種情形，并可采用相應的方式進行預估。

1) 理想空間中：假設中庭環境空氣溫度均勻(如《煙標》所設定的環境空氣溫度to)，可計算出煙羽流在某一高度z上的平均溫度tp，通常認為，當Δt(Δt=tp-to)小于某個溫度值時，就有可能出現分層。《煙標》用的就是這個思路，但不同之處首先在于這里的tp是煙羽流的平均溫度，而不是《煙標》中所說的煙層的平均溫度。再者，按BS 5588-7:2004的說法，當煙氣“溫度下降到周圍空氣的溫度”(即Δt=tp-to=0 ℃或Δt接近0 ℃)時，才“停止靠其自身浮力上升”并“層化”，而不是《煙標》所說的Δt<15 ℃時就“層化”。

2) 存在“熱墊層”的空間中：中庭環境溫度基本穩定，但其上部不使用，也未進行空氣調節，則空氣溫度在相應高度上很可能發生一個階躍變化(透明頂蓋在日照下尤為明顯)。在此條件下，NFPA 92和SFPE《消防工程手冊》都認為，可以通過煙羽流中心線溫度來評估分層的可能性——“如果在某一高度上煙羽流中心線的溫度等于環境溫度，煙羽流就不再上升，并在那個高度分層。”

其三，從審計結果角度看，CPA審計尋租降低了審計質量。我國資本市場中，CPA往往會采用低價攬客的方法進行競爭尋租，如果這種現象長期得不到改善，可能會演變為惡性降價競爭。當審計收入不斷下降，降至低于審計活動正常進行需要付出的成本時，會計師事務所為了獲取收益，可能就會傾向于不執行一些本應執行的有效審計程序，這必然會導致審計質量下降，最終造成審計失敗。

3) 存在溫度梯度的空間中：中庭從地面到頂棚具有恒定的溫度梯度，這種情形比較少見，但其理論研究卻比較成熟——既可以計算煙氣上升的最大高度，也可以計算足以克服環境溫度差、將煙氣驅至頂棚所需的最小火災熱釋放速率Q，還可以推算出熱源強度為Qc的煙羽流在給定的溫差Δt下所能到達的最大頂棚高度，等等，預估分層比較容易。

上述3種情形中，只有情形1)可以確定是煙氣(羽流)由于自身內在的原因而無法繼續上升，只能借助外力即采用機械排煙。其余2種則未必。原因如NFPA 92及SFPE《消防工程手冊》所述：一旦排煙系統開啟，熱空氣層的去除將消除分層的條件，使得煙氣能夠到達頂棚即進入儲煙倉——至于此時此地的煙氣自身是否還有足夠的浮力產生壓差流出孔口，也即實現自然排煙，值得懷疑，但未經驗算，也不宜輕易下結論。正因為這個原因，英美相關標準、規范、設計手冊中均未將煙氣分層作為中庭排煙方式選擇的依據。

必須指出，以上討論的實際上都是在火災初起、排煙設施尚未開啟時(或稱煙氣填充階段)中庭內可能出現的(早期)煙氣分層的情形。那么，排煙設施開啟后或者說排煙系統運行過程中是否還會出現煙氣分層現象呢？

3 排煙系統運行過程中出現分層的可能性

《煙標》第4.6.8條條文說明指出：“當儲煙倉的煙層溫度與周圍空氣溫差小于15 ℃時，此時煙氣已經基本失去浮力，會在空中滯留或沉降，無論機械排煙還是自然排煙，都難以有效地將煙氣排到室外”。換言之，出現層化現象時，排煙設施即便開啟，也難以有效排煙。但《煙標》中并沒有給出相關依據。

在BS 5588-7:2004中有關于排煙系統的如下論述：“在平均設計煙層溫度比環境溫度高20 ℃的情況下，自然排煙和機械排煙都能形成所需要的穩定煙層。如果上述溫差較小，2種系統都可能趨于轉而創建稀釋過程，并且煙層可能出于內在原因變得不穩定。”這一說法是否支持《煙標》的上述論斷呢？這里需要留意下面幾個關鍵詞。

第一，“設計煙層溫度”：設計煙層在儲煙倉里，這就已經排除了中間分層的可能性。

第二，“穩定煙層”：設計煙層均勻、穩定地位于清晰層之上，符合理想化的排煙系統設計模式。

第三，“稀釋過程”：BS 5588-7:2004先定義了稀釋是“通過將煙氣與足夠的清潔空氣混合，以達到減少危害的一種煙氣控制方式”，又將排煙系統“分為2種不同的類型：1) 建立穩定的煙層，提供清潔空氣，使人員得以安全疏散；2) 稀釋煙氣，保持可耐受條件。”類型1)即通常意義上的排煙系統，該系統設計為在上部煙層與下部清晰層涇渭分明的假設的理想狀態下運行；類型2)即稀釋，也是一種排煙系統，但允許系統在煙層沒那么完整，甚至有少量煙氣滲入清晰層的狀況下運行，同時必須將一定高度內的煙氣濃度控制在可耐受(以光密度、能見度指標限定)的范圍內。實際上，《煙標》第4.6.9條有關“空間凈高不大于3 m的區域，其最小清晰高度不宜小于其凈高的1/2”的規定也已經考慮到并且默認了類似的非理想狀況，換言之，這種非理想狀況下的排煙仍然被認為是有助于疏散和滅火救援活動的。

第四，“內在原因”：煙層中的熱煙氣由于傳熱量或供熱量的減少而冷卻，浮力逐漸減小，難以維持理想的穩定狀態，煙氣開始以煙縷的形式進入清晰層，進而使得排煙系統的運行“可能趨于轉而創建稀釋過程”。

可見，BS 5588-7:2004這里是在預期一個按照假設的理想條件合規設計的排煙系統，當實際運行條件發生變化(例如，由于噴頭開放、空調影響或火勢受控、燃料耗盡等原因導致煙層溫度下降)時可能出現的系統運行模式的轉變——如果設計煙層與環境空氣的溫差減小到小于20 ℃，自然和機械排煙系統都有可能難以繼續保持預設的理想狀態，但仍然可以退而求其次，在差強人意(其實也更切合火場實際)的狀況下(以稀釋煙氣的方式)運行。這里論述的既不是排煙系統的失效(或設計失誤)，也無關煙氣分層，更沒有排斥自然排煙的意思。

重新審視現行國家標準GB/T 5907.2—2015對煙氣分層的定義，煙氣分層現象是在“沒有氣流擾動的情況下”出現的，所以結論也很簡單：按設定火災條件設計的排煙系統正常運行過程中，中庭不會出現煙氣分層。

4 《煙標》中的“層化”

前面提到，《煙標》第4.1.3條條文說明說的是“層化”，但其所指向的第4.6.8條條文說明又說“當儲煙倉的煙層溫度與周圍空氣溫差小于15 ℃時，此時煙氣已經基本失去浮力，會在空中滯留或沉降，……”。讓人難以理解的是：如果煙氣已經“層化”，“在空中滯留或沉降”，又如何進入儲煙倉并形成“儲煙倉的煙層”呢？反之，煙氣既然已經進入儲煙倉并形成煙層，煙氣上升過程中又怎么會發生“層化”或者說分層呢？

同理，《煙標》第4.6.8條“當儲煙倉的煙層溫度與周圍空氣溫差小于15 ℃時”一說也值得探討。儲煙倉的煙層溫度按《煙標》公式4.6.12計算，該公式中的Mρ是燃料面到煙層底部高度為z處的煙羽流質量流量，而z又是由儲煙倉底部高度決定的，這就存在一個問題：煙羽流能否到達儲煙倉高度z還不知道，怎么就用煙羽流已經到達z處后形成的煙層溫度來評估它能否到達這個高度z呢？非但如此，這里提出的判斷依據15 ℃也是個問題。

關于這個15 ℃，前已提及，Δt<15 ℃出現層化的說法明顯與“層化”說的本意(即BS 5588-7:2004提到的“到達一定的高度后，煙氣的溫度可能下降到周圍空氣的溫度，將停止靠其自身浮力上升”)相去甚遠，令人心存疑竇。《工程建設標準編寫指南》第26條對標準中技術內容的編寫原則有這樣的要求：“定性和定量應準確，并應有充分的依據”[9]。據此，這個15 ℃應當既準確又有充分的依據，但《煙標》中并未給出這樣的依據。

尚未見有證據證明Δt<15 ℃就一定會出現“層化”，也沒有證據證明煙氣分層是中庭選擇機械排煙的充分必要條件。原《高規》的“12米層化”說已被發現與實際不符，如今又提出“15 ℃”的說法，需要慎重。如要為自然排煙方式設一個高度上限，有2個英國標準可供參考：1) BS 9999:2017對于滅火清煙(smoke clearance for fire-fighting)系統建議“高度不超過30 m的中庭可采用自然排煙，任何高度的中庭都可以采用機械排煙”[10]；2) 保守一點，參考BS 5588-7:2004，以18 m為限[3]。注意到，30 m與18 m折中為24 m，恰好是現行GB 50016—2014《建筑設計防火規范》中高層與多層民用建筑的分界和高層建筑裙房高度的上限。有鑒于此，建議將采用自然排煙的中庭高度上限取為24 m。這樣做一則有了出處。二則從計算上看，中庭火災(Q=4 MW)按軸對稱型煙羽流計算時，24 m高度處的煙羽流平均溫度約為33 ℃，Δt=13 ℃；按中庭底層周圍商店火災(有噴淋，Q=3 MW)計算時，24 m高度處的陽臺溢出型煙羽流平均溫度約為26 ℃，Δt=6 ℃，也可以認為有了一定的安全裕度。再則24 m也與上述規范的規定契合，顯得較為現實和自然。

至于第4.6.8條規定的“通過降低排煙口的位置等措施重新調整排煙設計”，于自然排煙系統則缺乏可行性，于機械排煙系統則缺乏必要性。再看該條條文說明，其前半段邏輯上說不通，后半段談的是煙層厚度與產煙(排煙)量的關系。這已經是另外一個話題[11]了，此處不贅。

5 結論

1) “層化”是煙氣分層的一種習慣稱謂，通常發生在中庭等高大空間火災的早期階段。“層化”的定義應以現行國家標準GB/T 5907.2—2015對術語“煙氣分層”的定義為準。

2) 多種現實原因可以造成建筑中庭煙氣分層現象的出現，因此，中庭煙氣發生分層的可能性普遍存在，一般可依中庭內環境空氣豎向溫度場分布的假設條件按3種不同的情形加以描述，并可采用相對應的方式對分層可能發生的高度進行預估。最不利條件下的預評估結果可能影響火災探測裝置的類型與安裝方式的選擇，也可能影響排煙方式的選擇。中庭煙氣分層對排煙系統的主要影響是妨礙安裝在頂棚附近的感煙探測器及時感知煙氣的存在并啟動排煙系統。

3) 機械排煙方式不是中庭可能發生煙氣分層時的必然選擇，降低排煙口高度也不是解決分層條件下中庭排煙問題的合理和有效的措施。高度超過24 m的中庭宜采用機械排煙。如果中庭的機械排煙系統按設定的火災場景和計算條件進行設計，火災初期，該系統一旦投入運行，將消除早期煙氣分層的條件，助力整個空間自下而上的氣流運動并實現排煙目標。在之后的系統正常運行過程中，中庭不會出現煙氣分層現象，現實中更大的可能性是該排煙系統逐漸轉變為以稀釋煙氣的方式運行。

4) 《煙標》中有關中庭煙氣分層的論述(包括條文及其說明)難以依照常識和邏輯加以理解，在某種程度上存在基本概念含混不清、現象描述自相矛盾等問題，對中庭發生煙氣分層的性能判據缺乏充分依據，因而在中庭煙氣分層與排煙系統設計之間的關系問題上，部分規定和要求顯得牽強，不利于標準的施行，建議修改。

重要的是，信息時代的技術資訊交流十分便利，可以通過參考國外相關主流標準、規范、設計手冊，借助物理模型試驗和CFD模擬等途徑，結合國內外火災事故經驗教訓的總結，走出長期困擾業內的“層化”迷思，客觀、理性地認識煙氣分層現象及其對中庭等高大空間排煙系統設計的影響，合理規范中庭排煙系統設計，推動我國建筑煙氣控制技術科學、系統地健康發展。