消防排煙環網系統可行性分析

馬晨鈺 楊 毅 曹志剛

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

在建筑設備系統中,環網系統的應用較為廣泛。多熱源環網供熱技術在區域供熱領域應用時間長,可以有效改善供熱系統水力失衡的問題[1],提高熱網結構可靠性[2]。在城市供熱領域,這種多熱源環網系統因其突出優勢,已成為主流的供熱系統[3]。考慮互用互通、提高安全性,環網系統在對空調水系統備用性要求較高的數據中心應用也較多[4-5]。另外,環網也廣泛應用于城鎮燃氣供應、建筑供配電、消火栓給水系統等領域。

排煙系統作為建筑消防系統的重要組成部分,對減少火災危害、保護人身和財產安全起到至關重要的作用。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[6](以下簡稱《煙規》)總結了火災事故教訓和建筑排煙系統工程應用情況,對排煙系統的設計提出了嚴格要求,包括排煙管風速、消防排煙量、排煙口風速等。

《煙規》中一般空間場所的排煙量計算原則為同一防火分區中任意2個相鄰防煙分區排煙量之和的最大值。其中,對于建筑空間凈高大于6 m的場所,按排煙量最大的一個防煙分區的排煙量計算。排煙量應同時滿足《煙規》中表4.6.3的數值要求與標準規定的計算值。因此大型的高大空間場所通常存在排煙量計算值大、消防風管尺寸巨大的問題,消防排煙環網系統具有一定的應用價值。

目前,環網應用于排煙系統的案例較少,系統具有一定的創新性。本文對消防排煙環網系統進行介紹分析,并對其進行可行性分析,進一步探索應用的可能性。

1 排煙環網系統

傳統的消防排煙系統通常為承擔多個防煙分區排煙的枝狀系統。干管設計管徑根據任意2個相鄰防煙分區排煙量之和的最大值(建筑空間凈高為6 m及以下的場所)或最大防煙分區排煙量(建筑空間凈高大于6 m的場所)及排煙管道風速要求進行選型;末端設計支管根據末端防煙分區及風速要求進行設計。根據《煙規》,各防煙分區的消防排煙口常開,對應的排煙閥平時常閉,火災時由消防控制中心遠距離控制開啟裝置或現場手動開啟裝置打開著火區域的排煙口,其他區域排煙口保持關閉。

相對于枝狀系統,如圖1a所示,排煙環網系統分為單源環網系統與多源環網系統。單源環網系統的排煙風機可以為1臺或多臺,風機設備僅作用于環網中的一點,如圖1b所示。多源環網系統的排煙系統有多臺,作用于環網中的多點,如圖1c所示。

以某大型體育建筑比賽場館為例,對排煙環網系統進行計算分析。

比賽場館為一整個防火分區,空間占地總面積為12 360 m2,場館中心凈高40 m。按照防煙分區長邊最大允許長度與最大允許面積劃分為8個防煙分區(見圖2中A～H防煙分區)。場館的最小儲煙倉高度為5.6 m,按觀眾坐席高度,場館的最小清晰高度為29.7 m,設計取儲煙倉高度為8.5 m,設計清晰高度為31.5 m。根據《煙規》相關條文,計算所得系統計算排煙量為791 414 m3/h。設計取每個防煙分區的計算排煙量為80萬m3/h,排煙系統設置2個排煙環網系統,如圖2a所示。其中,單個排煙系統環網承擔40萬m3/h的排煙量,如圖2b所示。由于系統具有對稱性,以下說明及分析均針對40萬m3/h排煙量的單個排煙環網系統。

圖2 某場館排煙環網系統案例

單個排煙系統在每個防煙分區含5個排煙口,單個排煙口排煙量為8萬m3/h,如圖2所示。根據排煙系統計算參數及設計風量的1.2倍余量,選用8臺6萬m3/h風量的軸流排煙風機,依據規范要求風機入口設置280 ℃排煙防火閥、止回閥。根據風管排煙風速限值,初步取排煙干管為3.2 m×2.0 m的矩形風管,風口為2.6 m×1.2 m的常開消防排煙口,各風口前均配置電動排煙閥及280 ℃排煙防火閥。環網系統可以簡化為圖1c,其中管段1～8的長度均為30 m。

排煙環網系統能夠減小管網干管尺寸,提高系統可靠性。本文以常用的枝狀系統(見圖1a)為參照,分別分析單源環網系統與多源環網系統(見圖1b、1c)的可行性與可靠性,旨在為排煙環網系統的設計提供一定參考。

2 可行性分析

2.1 水力分析方法

排煙系統風管分析主要采用水力分析方法。目前風管的水力計算方法有壓損平均法、假定流速法、靜壓復得法和T計算法等。《實用供熱空調設計手冊》指出,對于低速機械送排風系統和空調風系統的水力計算,大多采用假定流速法和壓損平均法,對于高速送風系統和變風量空調系統的水力計算,宜采用靜壓復得法[7]。另外,ASHRAE手冊[8]還提出了一種風管優化計算法——T計算法。由于排煙系統的運行特點,火災時僅打開著火區域所在防煙分區的所有排煙口,其他排煙口均保持關閉。由于《煙規》中對排煙風速有“不應大于20 m/s”的條款要求,因此在設計過程中通常采用假定風速法進行水力計算。

通過對排煙風管進行水力分析,計算出系統的最不利環路阻力,作為排煙風機風壓的選型依據。文獻[9]提出了一種排煙系統風管阻力的簡化方法。阻力計算包括了沿程阻力與局部阻力,計算公式見式(1)～(3)。

沿程阻力可用下式計算:

ΔpL=∑RiLi

(1)

式中 ΔpL為系統沿程阻力,Pa;Ri為第i段風管比摩阻,Pa/m;Li為第i段風管長度,m。

鍍鋅鋼板矩形風管的比摩阻[10]可以采用下式計算:

(2)

式中R為風管比摩阻,Pa/m;v為風管空氣流速,m/s;a、b分別為矩形風管的長與寬,m。

文獻[9]指出,當風速小于20 m/s時,采用式(2)計算得到的比摩阻相對誤差小于3%。式(2)計算的條件為空氣溫度20 ℃,應用于排煙系統時由于空氣溫度與計算條件不同,應對比摩阻進行溫度修正。由于排煙溫度為變量,無法預先確定,但修正系數小于1且接近于1,因此設計的比摩阻將溫度修正作為安全余量考慮在內,不單獨計算溫度修正。

局部阻力可用下式計算:

(3)

式中 ΔpJ為系統沿程阻力,Pa;ξi為第i管件的局部阻力系數;ρ為流體密度,kg/m3;vi為第i段風管內空氣流速,m/s。

防煙分區的末端排煙口的水力分析見圖3,根據管段風量的不同將末端管路分為管段1～5。

圖3 末端排煙口水力分析

根據文獻[9]選取局部阻力系數,其局部阻力的計算值如表1所示。經計算,各項局部阻力之和為755.5 Pa。

表1 局部阻力計算

以枝狀系統的最不利環路為例,即防煙分區D排煙口工作時,根據式(1)、(2)計算排煙系統的沿程阻力,如圖4a所示。沿程風管長度為120 m(管段1～4),計算得到風管的沿程阻力為104.2 Pa,系統總阻力為859.7 Pa,風管最大風速為17.36 m/s。

注:v為風管風速;G為風管風量。圖4 防煙分區D排煙口工作時水力計算簡圖

如圖4b所示,單源環網系統的排煙分別以G1、G2的風量往排煙風機匯聚,2段管路并聯。由式(1)可知,2段管路的比摩阻之比即為管路長度之比的倒數。由式(2)計算2段并聯管路的比摩阻后,即可以求得管路風量G1、G2,計算結果見表2。如圖4c所示,首先判斷多源環網系統在防煙分區D著火時G3的流向,再根據式(1)、(2)列壓力平衡等式,計算結果見表2。

表2 排煙系統風量分配 萬m3/h

由表2可見,單源環網系統在防煙分區著火點距排煙源點越遠時(即著火點由A→D),環網的2條通路比摩阻趨于接近,2個通路的排煙流量相差越小,分配越均勻。而多源環網系統由于其對稱性,防煙分區A著火時的流量分配與D一致,但在防煙分區著火點距排煙源點越遠時(即著火點由A→B),其排煙流量相差越小,分配越均勻,且由于雙源的共同作用,其變化幅度相比單源系統更大。

2.2 排煙規范滿足情況

《煙規》規定的系統排煙量、排煙管風速、排煙口最大排煙量、排煙口最大風速要求是評價以上幾種系統是否滿足設計標準要求的關鍵指標,也是指導排煙系統設計的重要指標,相應條文要求見表3。

其中排煙口最大排煙量、排煙口最大風速均與排煙口數量、排煙口末端尺寸有關,在該工程中均滿足。因此設計中需利用水力分析計算方法,對系統的排煙管風速進行充分校核。表4為幾種排煙系統在不同著火情況下風管的最大風速。

表4 排煙系統風管風速 m/s

因此,在原設計管網條件下,環網系統能夠滿足規范要求。

2.3 系統風管優化

通過對幾個系統的水力計算分析,系統的流量分配與管道風速均可求解。

由于環狀系統可以實現排煙量分流,風速相比設計要求的20 m/s低,如表4中單源環網、多源環網系統在不同防煙分區著火時,管道最大風速均為13～14 m/s。因此在設計中可以適當減小環狀管網的風管尺寸,由原來的3.2 m×2.0 m調整為2.5 m×2.0 m,調整風管尺寸后的風管最大風速見圖5,結果表明環網系統能夠實現系統風管的適當優化,優化后風速仍然能夠滿足《煙規》要求的20 m/s限值。

圖5 環網、枝狀系統最大風管風速

由圖4及表4可知,A/E、D/H防煙分區著火點工況為環網的并聯管路流量分配最不均勻的工況,環網系統的最大風管風速也集中出現在這種情況。根據式(1)、(2),單源環網系統最大風管風速vmax可推導出下式:

(4)

式中v0為枝狀系統最大風管風速,m/s;L1、L2分別為單源環網系統流量分配最不均勻的防煙分區著火時,2段并聯排煙管路的長度,m,其中L1≤L2。

式(4)中的風速比例(L2/L1)1/1.895/[1+(L2/L1)1/1.895]始終小于1,且隨著L2/L1減小,即流量分配最不均勻的防煙分區的2段排煙環路的長度越相近,環網管路的最大風管風速越小,相應風管尺寸也可以減小更多。風管尺寸的優化百分比與L2/L1的關系曲線見圖6。

圖6 枝狀系統和單源環網系統最大風管風速及風管尺寸優化比例

如本文工程案例的環網中,L2/L1=9,根據圖6可以快速查出風管風速比例為76.1%,因此可以滿足風管尺寸從原來的3.2 m×2.0 m調整為2.5 m×2.0 m(縮小了75%)。實際上,枝狀系統的設計風速仍有余量。圖6中的曲線可以應用于單源環網系統快速計算工程中的風管優化問題,其前提是環網的2段管路上風口布置均勻,與長度基本成正比,即風管局部阻力也可以簡化為L2/L1的情況。

3 可靠性分析

3.1 評價指標

消防環網的最重要優勢體現在提高了系統的可靠性。但對于傳統的枝狀消防管網,其機械排煙全過程的深入可靠性研究較少,更多研究關注部分排煙設施,如消防排煙風機[11]、排煙系統聯動控制方式[12]、煙氣隔斷設施[13]等。李湘念針對傳統枝狀排煙系統,基于事故樹分析方法,對機械排煙系統事故分為擋煙垂壁故障、排煙風機故障、防火閥故障、排煙口故障等事件,從建筑機械排煙系統的組成構件與系統控制方面對系統可靠度進行了定量分析[14]。但這一評價指標較為單一,認為當任何一個環節出了問題時系統就不可靠了,無法同時考慮備用、多源的有效性問題。本文引用排煙系統各構件的事故故障率,同時考慮多源環網系統的備用性,提出可靠的評價指標。

可靠性理論早在20世紀60年代已應用于集中供熱系統,其對環網的可靠性評價指標具有一定的參考意義。蘇聯莫斯科工程學院提出了具有概率本質的可靠性評價指標與限額供熱系數[15]。趙原林結合2個指標的計算公式,分析了環狀管網的故障流參數、供暖期運行時間、故障元件數量和相對供熱不足量對概率性指標的影響[16]。其中概率性指標更適用于排煙環網系統的可靠性分析。耿欣也采用概率論思想,討論了故障流參數的統計與計算方法,并總結出枝狀熱網可靠性指標計算步驟[17]。

相比于多熱源環網供熱技術、城鎮燃氣環網等供熱、供氣環網系統,排煙環網系統的顯著特點是其在火災時僅運行1個著火區域防煙分區的排煙口,而沿程排煙閥均關閉。類比于供熱系統的可靠性評價指標[15],排煙系統的可靠性評價指標R(t)可以表示為

(5)

式中t為排煙系統運行延續時間,h;n為導致排煙系統發生故障的元件數量;ΔGi為第i個元件故障造成的排煙不足量,m3/h;Go為排煙系統的設計排煙量,m3/h;λi為排煙系統第i個元件的故障率,h-1。

3.2 可靠性分析

《煙規》中第4.4.6條指出,排煙風機應滿足280 ℃時連續工作30 min的要求。本研究中的可靠性評價指標定義排煙系統運行延續時間為30 min。文獻[14]通過研究調研,歸納了排煙系統中間事件的失效發生概率,本文將這些中間事件再次進行歸納計算,將排煙系統的故障元件分為排煙風機及入口閥門故障、排煙口故障、排煙風管損壞3種,分別采用事故樹概率計算方法(見式(6))計算得到λi的取值,結果見表5。

表5 機械排煙系統失效事件概率統計[14]

(6)

式中m為導致事件故障的底部事件數量;Xi為第i個底部事件可靠度。

根據事件1～3,分別計算式(5)中的排煙不足量故障率指標,即λiΔGi/Go,為排煙不足量百分比與事故故障率的乘積,結果見圖7。

圖7 排煙不足量故障率指標

在λiΔGi/Go的計算基礎上,按式(5)計算幾個系統的可靠性。結果表明,枝狀系統、單源環網系統、多源環網系統的可靠性分別為92.037%、97.760%、99.074%。由圖6及計算所得的可靠性指標可知,排煙環網能夠提高系統可靠性主要體現在提高了抵抗風管損壞風險的能力。另外,選擇多臺排煙風機,也可平攤系統出現故障的風險。單源環網系統故障率是枝狀系統故障率的28.1%,以該項目為例的多源環網系統故障率是枝狀系統故障率的11.6%。

4 結論

1) 經過合理設計,環狀系統能夠滿足《煙規》中對風管風速、排煙口風速、排煙口最大風量的要求。

2) 單源環網系統的管網排煙風速相對于枝狀系統下降,因此可以適當減小排煙環網尺寸,降低設備成本。環網尺寸的優化取決于流量分配最不均勻的防煙分區著火時2段排煙管路的長度,優化比例可以速查圖6中的風管優化曲線。

3) 環網系統可以有效提高系統可靠性,主要體現在提高抵抗風管損壞風險的系統可靠性。該項目中,枝狀系統、單源環網系統、多源環網系統的可靠性分別為92.037%、97.760%、99.074%。單源環網系統故障率是枝狀系統故障率的28.1%,以該項目為例的多源環網系統故障率是枝狀系統故障率的11.6%。