機械排煙系統煙層平均溫度對抗爆建筑房間凈高的影響分析

吳鴻

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 研究背景

GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》（以下簡稱《煙標》）中明確了排煙量的計算準則，當房間凈高≤6 m 時，根據房間面積計算出房間的排煙量；當房間凈高＞6 m 時，根據表4.6.3 查出房間計算排煙量，依據儲煙倉高度、排煙口最大排煙量及排煙口風速≤10 m/s 等條件計算出排煙口數量。

在實際計算過程中，一些設計師通常只顧及排煙口最大排煙量和排煙風速的選取，忽略了計算排煙量時，房間的凈高、設計清晰高度、燃料面到煙層底部的高度等參數對煙層平均溫度的影響，《煙標》2.1.14 明確規定發生火災時，當排煙管道內煙氣溫度達到280 ℃時，排煙防火閥應關閉，若在計算系統排煙量過程中忽略了煙層平均溫度＞280 ℃這個因素，不利于排煙系統的運行，嚴重影響排煙效果，因此，在設計時加強對煙層平均溫度的控制是很有必要的。

2 抗爆建筑中排煙系統設計問題分析

在抗爆建筑設計當中，為了防止室外爆炸產生的沖擊波影響建筑室內人員及建筑物的損壞對全場安全產生影響，在抗爆建筑中設置外窗時選用固定抗爆防護窗[1]，窗戶不能開啟，在抗爆建筑設計中經常會遇到＞50 m2且經常有人的房間，如工程師站、操作間、交接班室等房間，根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018 年版）中8.5.4 的要求，地上無窗房間，當一個房間建筑面積＞50 m2且經常有人時，應設置排煙系統。對于抗爆建筑，要實現自然排煙顯然是不現實的，此類建筑通常考慮采用機械排煙系統。

根據《煙標》4.6，排煙計算主要公式有：

在抗爆建筑設計中，房間高度經常＞3 m，因此，本文清晰高度以房間凈高＞3 m 來計算，其房間最小清晰高度應按式（1）計算：

式中，Hq為最小清晰高度，m；H′為取排煙空間的建筑凈高，m。

在工業建筑中，機柜間、控制室等抗爆建筑用于輔助工藝生產，一般可定義為廠房，且根據GB 50084—2017《自動噴水滅火系統設計規范》的要求，操作間、工程師站等含有電氣設備的房間不允許采用水噴淋系統，因此，該類房間火災達到穩態時的熱釋放速率統一按8 MW 考慮。

在排煙系統中，軸對稱煙羽流為常見形式，因此，本文分析煙層平均溫度時只考慮軸對稱煙羽流形式，其計算應符合下列規定：

當Z＞Z1時：

當Z≤Z1時：

式中，MP為煙羽流質量流量，kg/s；Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為0.7 kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，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。

根據房間的火災釋放速率，并結合公式（4）可計算出火焰極限高度為Z1=5.241 m。從火焰極限高度可以看出，當Z＞5.241 m 時，煙羽流質量流量應按照公式（2）取值；當Z＜5.241 m 時，煙羽流質量流量應按照公式（3）取值。

煙層平均溫度與環境溫度的差應按式（5）計算：

式中，ΔT為煙層平均溫度與環境溫度的差，K；K為煙氣中對流放熱量因子，由于本文分析對象為機械排煙，故取值K=1.0；CP為空氣的定壓比熱，一般取1.01 kJ/（kg·K）。

根據以上公式及計算結果，公式（5）可簡化為：

每個防煙分區排煙量應按下列公式計算：

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

從式（3）和式（6）中可以看出，燃料面到煙層底部的高度Z和煙層平均溫度與環境溫度的差成反比關系，從對燃料面到煙層底部的高度的定義來看，Z的取值與房間最小清晰高度有一定的關系，假設燃料面高度為Hr，即Z≥H′-Hr，清晰高度越高，燃料面到煙層底部的高度Z越大，兩者均同增或同減，本文均按照燃料面高度為零考慮。

《煙標》4.6.8 規定，當儲煙倉的煙層與周圍空氣溫差＜15 ℃時，應通過降低排煙口的位置等措施重新調整排煙設計，即規定煙層平均溫度和周圍空氣溫度差的下限值，ΔT的值應＞15 ℃，但是并沒有規定煙層平均溫度和周圍空氣溫度差的上限值，根據《煙標》5.5.5 中要求，280 ℃時排煙防火閥應自行關閉，并應連鎖關閉排煙風機和補風機，從上述規定可以看出，煙氣溫度280 ℃為排煙系統中一個重要的參數，如果在排煙系統設計時忽略對煙層平均溫度的控制，將導致煙氣無法有效排出，通常在設計排煙系統時，環境溫度取20 ℃，從公式（8）中可以推出，在機械排煙系統設計中，煙層平均溫度與環境溫度的最大差值應按照≤260 ℃的限制計算。

3 案例分析

基于上述公式推導，選取抗爆建筑中工程師站作為排煙場所，且房間無噴淋系統，對抗爆建筑而言，房間凈高一般為3～6 m，計算出房間最小清晰高度為1.9～2.2 m，按最小清晰高度取值，即燃料面到煙層底部的高度均小于火焰極限高度，因此，燃料面到煙層底部的高度可按照公式（3）計算，燃料面的高度Hr設定為0，通過不同工況分析出煙層平均溫度和房間凈高之間的關系。

工況一：（1）房間高度為變量，且房間高度按每隔0.1 m 遞增；（2）儲煙倉高度不變（按照房間凈高值取最小儲煙倉高度）；（3）設計清晰高度（取最小值）；煙層平均溫度與環境溫度的差值ΔT變化見表1。

工況二：（1）以房間高度為定量（選取房間凈高為4.5 m）；（2）儲煙倉高度從最小高度按每隔0.2 m 遞增（直到最大儲煙倉高度）；（3）設計清晰高度（取最小值）；煙層平均溫度與環境溫度的差值ΔT變化見表2。

表2 工況二計算結果

從表1 可以看出，隨著房間凈高的遞增，煙層平均溫度與環境溫度的差值有減小的趨勢，當房間凈高增加到4.3 m 的時候，煙層平均溫度與環境溫度的差值＜260 ℃，即滿足排煙系統運行條件。

表1 工況一計算結果

從表2 可以看出，當房間高度一定時，隨著儲煙倉厚度的增加（等同于清晰高度的減少），煙層平均溫度與環境溫度的差值ΔT有增大的趨勢，即儲煙倉厚度在最小時（清晰高度最大時），煙層平均溫度與環境溫度的差值ΔT為最小。從上述內容可以看出房間高度一定時，清晰高度的增加有利于煙層平均溫度與環境溫度的差值ΔT的減小，但清晰高度增加的限值，即為房間凈高和最小儲煙倉高度之差。

綜上所述，在抗爆建筑中，當房間不能做噴淋系統且房間需做機械排煙系統時，房間的凈高至少需4.3 m。如果房間凈高不滿足4.3 m 要求，煙氣層溫度將會＞280 ℃，影響排煙系統正常運行。

4 結語

綜上所述，本文得出以下幾點結論：

1）在抗爆建筑中，當房間不能做噴淋系統時，且房間需要做機械排煙時，在設計前期應考慮到房間凈高，保證房間凈高≥4.3 m，以免后期調整困難。

2）當抗爆建筑中房間凈高不能滿足＞4.3 m 要求時，可通過調整操作間、工程師站等房間面積來避免排煙系統設置。

3）本文只列舉了在無噴淋情況下，熱釋放速率為8.0 MW的一種情況，在其他熱釋放速率下，均可通過本文計算方法計算出不同熱釋放速率下房間最小凈高要求。