樓梯間正壓送風系統管道水力計算方法的探討

邱相武

(中國建筑科學研究院有限公司，北京100013)

火災產生的煙氣是建筑火災中人員傷亡的主要因素，不加控制或控制不當將導致嚴重后果。防煙樓梯間是火災中人員逃生避免煙氣侵害的生命通道。對采用機械加壓送風的防煙樓梯間，加壓送風量應滿足設計要求，風量太小，不能有效阻擋煙氣侵入，風量太大，會導致疏散門開啟阻力過大，影響人員有效疏散。因此GB51251-2017《建筑防排煙系統技術標準》[1]對機械加壓送風防煙系統的加壓送風量計算和防煙樓梯間余壓做了明確規定。影響加壓送風樓梯間風量和風壓的因素有土建風道密閉性能、疏散門縫隙、風機性能等。土建風道漏風量可通過土建風道施工控制解決，疏散門縫隙漏風量可通過風量詳細計算確定。影響所選風機性能主要參數是加壓送風機的風量和風壓，而風壓的計算要通過對風道的正確水力計算來確定。

GB51251-2017《建筑防排煙系統技術標準》[1]和《實用采暖空調設計手冊》[2](以下簡稱《手冊》)中對樓梯間加壓送風系統的風量計算均作出了比較詳細的說明，設計過程中比較容易把握。但對樓梯間正壓送風管道水力計算沒有給出具體算法，實際設計工作中設計人員會根據個人理解采用不同算法，常見的有2種算法：

(1)假設管道流量為管道進口流量不變，進行沿程阻力計算，將該沿程阻力損失作為正壓送風管道阻力損失。

(2)將送風口看做分流三通，各風口流速相同，直管段局部阻力按分流三通直管段，分段計算管道阻力，將各段阻力和作為管道阻力損失。

這2種算法理論上與正壓送風管道的孔口出流是有差異的，有時會產生較大誤差。本文從分析樓梯間正壓送風管道內空氣流動物理過程入手，介紹帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風管道的算法，并將幾種計算方法結果進行對比，供設計人員參考。

1 正壓送風管道流動特點分析

防煙樓梯間的正壓送風風道一般為土建混凝土風道，2～3層設置一個送風口，一端與加壓送風機相連，另一端封閉。其特點是風量大，送風斷面尺寸較大。送風口尺寸與風道界面相對尺寸較小。為簡化問題做假設：

(1)用斷面平均風速和平均靜壓代替該斷面的流速和靜壓。

(2)流量系數、沿程阻力系數和局部阻力系數看做常數。

(3)疏散口出流僅是由于風道中靜壓作用的結果。

如圖1所示的正壓送風風道，管道斷面為A,當量直徑為d，長度為L?？卓跀禐閚,單個孔口面積為σ。管道進口流速為ω0。從管道末端向進口逆流方向，將孔口編號。在每個孔口前面取一個斷面。第i號孔口的岀流速度為式(1)。

圖1 正壓送風風道

(1)

圖2 孔口與流速變化關系

2 帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風管道孔口流速和風道壓降[3]

在圖1所示的正壓送風管道中，對1斷面和i斷面列能量方程式，并認為流動阻力是由沿程阻力和流過孔口的直通阻力組成(式2)。

(2)

式中：pi為管道在1斷面處的空氣靜壓，(Pa)；ω1，ωi，ωk，ωk+1為管道在第1，i，k，k+1斷面處的流速，(m/s)；λ為沿程阻力系數；l0為相鄰孔口之間的距離,(m)；d為管道直徑(或當量直徑)，(m)；τ為流過孔口的直通阻力相當于突然擴大阻力的倍數，根據理論和實驗研究，τ=0.4。

(3)

(4)

(5)

根據連續性方程式Aω0=nσvc,式中vc為孔口的平均出流速度。可得式(6)：

(6)

將式(6)代入式(5)可得式(7)。

vi=

(7)

將根號展開成級數，可得式(8)。

(8)

(9)

式(9)中未知值為第1號孔口的出流速度。

(10)

(11)

將i=n和式(10)代入(9)式，可得式(12)。

(12)

(13)

(14)

管道進口處孔口流速的不均勻系數為式(15)。

(15)

(16)

(17)

E0即為管道斷面1～斷面n的阻力損失。式中：K為管道的總阻力系數。

(18)

3 沿程阻力摩擦系數計算

通風與空調工程中風道內空氣流動一般在紊流過渡區和阻力平方區，沿程摩擦阻力系數可按柯列勃洛克-懷特公式計算：

(19)

式中:λ為沿程阻力系數；K為管道絕對粗糙度，mm;D為圓形管道直徑或矩形管道當量直徑，mm；Re為雷諾數。

(20)

4 計算實例

某民用住宅，地上20層，層高3m，樓梯間加壓送風，隔層設置加壓送風口，計算加壓送風風機壓力。

該樓梯間加壓送風量取G=25000m3/h，混凝土風道尺寸取a×b=1200mm×500mm,風道長度L=60m,孔口數n=10,流量系數μ=0.65,最大不均勻系數rmax=0.05，混凝土風道粗糙度K=3mm,空氣動力粘度ν=1.57×10-5。

4.1 正壓送風口面積計算

管道末端孔口出流速度的不均勻性系數為:

(100-1)-0.4×5.5-0.6×20/2.46-400/3/2.462)

4.2 正壓送風管道進口斷面全壓計算

將K代入式(17)可得：

4.3 計算結果對比

在上述計算條件下，按管道全程風量25 000m3/h計算的沿程阻力：λ=0.029，整個管段沿程阻力：0.029×60×1.2×11.572/(2×0.706)=198 Pa。計算結果與3節中計算結果很接近。但當風道尺寸改變為a×b=900 mm×500 mm,風道內風速為=15.4 m/s時，其他條件不變，用帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風管道計算的管道阻力損失為318 Pa；而用全程風速為15.4 m/s計算的沿程阻力計算結果為378 Pa，計算結果要大60 Pa。

將送風口假設成分流三通，各風口流速相同，直管段局部阻力按分流三通直管段，分段計算管道阻力，將各段阻力和作為管道阻力損失。管道進口流量25 000m3/h，風管尺寸為a×b=900mm×500mm時，管道阻力計算結果為158Pa(計算過程略)，計算結果明顯偏小。

5 結論

(1)通過對防煙樓梯間正壓送風風道內空氣流動物理過程和風道特點分析，將該流動過程簡化為帶等面積孔口近似均勻送風。

(3)計算過程很容易通過Excel表實現，方便設計人員參考使用。