建筑中空间净高大于6 m场所排烟方式的对比分析<br/>——基于建筑防烟排烟系统技术标准

建筑中空间净高大于6 m场所排烟方式的对比分析
——基于建筑防烟排烟系统技术标准

2020-11-16吴小冬李欣林

四川建筑 2020年5期

刘尧,吴小冬,李欣林

(成都市建筑设计研究院，四川成都 610015)

近年来，随着国家经济建设和人民生活水平的提高，城市建筑逐年增加，使得火灾隐患及事故逐渐增。大堂、中庭、餐厅、展厅等内部空间高大、火灾荷载大、人员密度大的建筑内场所大量出现，极大增加了火灾救援及人员安全疏散的难度。在火灾事故中，对人员造成危害最大的往往是烟气，建筑火灾排烟方式分为自然排烟和机械排烟两种，国内外已多位研究人员、工程师基于不同类型的建筑对这两种方式的排烟效果做出讨论[3-4][7]。然而，由于规范的更新，新规范针对高于6 m的空间给出了单独的定义，该类场所的排烟量计算不再像GB 50016-2014《建筑设计防火规范(2018版)》排烟量仅按最大防烟分区的面积来进行简单的数学乘法，而是与火灾热释放速率、烟羽流的类型等参数相关[1-2][5]。因此，合理设计建筑中该类高大空间的排烟方式，有效控制烟气扩散和蔓延，具有重要的工程意义。

1 排烟量计算

根据新规范，公共建筑、工业建筑中空间净高大于6 m的场所，其每个防烟分区排烟量应根据场所内的热释放速率以及式(1)～式(6)计算，且不应小于表1中的数值。

(1)

(2)

(3)

式中：Qc为热释放速率的对流部分，一般取值为Qc=0.7Q(kW)；Z为燃气面到烟层底层的高度(m)(取值应大于或等于最小清晰高度与燃料面高度之差)；Z1为火焰极限高度(m)；Mρ为烟羽流质量流量(kg/s)。

烟层平均温度与环境温度与环境温度的差应按下式计算：

ΔT=KQc/MρCp

(4)

式中：ΔT为烟层平均温度与环境温度的差(K)；Cp为空气的定压比热，一般取Cp=1.01[kJ/kg·K]；K为烟气中对流放热量因子。当采用机械排烟时，取K=1.0；当采用自然排烟时，取K=0.5。

每个防烟分区排烟量应按下列公式计算：

V=MρT/ρ0T0

(5)

T=T0+ΔT

(6)

式中：V为排烟量(m3/s)；ρ0为环境温度下的气体密度(kg/m3)，通常T0=293.15K，ρ0=1.2(kg/m3)；T0为环境的绝对温度(K)；T为烟层的平均绝对温度(K)。

表1 公共建筑、工业建筑中空间净高大于6m场所的计算排烟量及自然排烟侧窗(口)部风速

2.当采用自然排烟主式时，储烟仓厚度应大于房间净高的20 %；自然排烟窗(口)面积=计算排烟量/自然排烟窗(口)处风速；当采用顶开窗排烟时，其自然排烟(口)的风速可按侧窗口部风速的1.4倍计。

对表1中的数据进行整理分析可以得出，不同净高下的最小排烟量为不同火灾功率储烟仓高度为10 %净高时的计算值。本文主要对厂房、其他公共建筑(有喷淋)进行举例分析，表2为厂房、其他公共建筑有喷淋时不同净高下Mρ、ΔT、Av·min的取值，方便下文选用。

2 排烟影响因素

根据新规范条文解释，火灾中所涉及的烟羽流分为轴对称型、窗口型及阳台溢出型三种，见图1。一般情况下房间的烟羽流可以按照轴对称型烟羽流考虑，因此本文仅研究探讨了轴对称型烟羽流。

图1 三种烟羽流

表2 厂房、其他公共建筑有喷淋时最小自然排烟侧窗的有效面积

2.1 机械排烟

针对空间净高大于6 m的场所，表1中已经明确了各个净高下排烟量的最小值，该排烟量是各火灾功率下储烟仓高度为10 %净高时的计算值。而新规范要求设置机械排烟时储烟仓厚度不能小于10 %空间净高，由式(1)～式(6)中Z值与Mp的关系可知，Z值越大Mp越大，排烟量V越大。也就是说表1中所给出的最小排烟量实际上是各种类型的场所中采用机械排烟时的最大排烟量。因此，当采用机械排烟方式时，无法通过调节最小清晰高度、储烟仓高度等设计因素来减小排烟量，只要风机选型正确，影响排烟量的仅为安装质量、风管漏风量、风机、风阀可靠性等非设计因素[6]。

2.2 自然排烟

与机械排烟不同，在排烟量与自然排烟窗(口)的面积之间的关系，可按式(7)计算。式中可以看出，当排烟量Mρ确定时，自然排烟窗(口)的面积主要受db、AvCv/A0C0的影响。表1仅给出最小开窗(口)面积，在不同的db、AvCv/A0C0组合下并不一定满足公式的平衡关系，也就是说自然排烟窗(口)在不同的条件下所排出的烟气量是不一定的。因此需要进一步讨论开窗面积随db、AvCv/A0C0的变化情况。

(7)

式中：Av为自然排烟窗(口)截面积(m2)；A0为所有进气口总面积(m2)；Cv自然排烟窗(口)流量系数(通常选定在0.5～0.7之间)；C0为进气口流量系数(通常约为0.6)；g为重力加速度(m/s2)。

以9 m净高有喷淋的其他公共场所为例进行计算，将式(7)中的db、AvCv/A0C0定义为两个变量，其余参数取值见表2。根据上述条件，在AvCv/A0C0分别为1.5、2…3.5五种情况下，db由0.4、0.7…3.1变化，自然排烟窗(口)面积与db、AvCv/A0C0的关系曲线如图2所示。

图2 自然排烟窗(口)面积与db、AvCv/A0C0的关系

可以看出，对于空间净高大于6 m的场所，自然排烟设计并不是简单的通过表1计算排烟窗面积。实际所需的自然排烟窗面积随AvCv/A0C0的增大而增大，随db值的增大而减小。需要注意的是当AvCv/A0C0为3和3.5时，db即使为3.1 m也难以满足自然排烟要求。因此在自然排烟设计时，在满足上部排烟窗面积要求的同时，加大下部进风面积和降低清晰高度保证足够的db都会对自然排烟效果产生重要影响。

3 排烟设计

图3为机械排烟系统平面布置、机房布置示意图。与以前不同的是，新规范要求不管的室内还是室外的排烟风机均需设置在专用机房内，而且风机距墙和其他风机的距离不得小于600 mm以便于检修维护。这就使得新规范中机械排烟系统与土建专业的主要矛盾在于排烟风机不管设置在何处都需要占用一定的建筑面积来布置排烟机房。空间净高大于6 m的场所排烟量较大，风机尺寸较大，甚至需要多台风机并联的机械排烟系统就会给建筑面积本来就很紧张的项目增加一定的麻烦。但是根据一些工程实例，通过合理优化使得排烟系统和其他通风或空调系统共用风机房是可以有效减小其对建筑面积的影响。

图3 机械排烟示意

然而对于自然排烟，新规范同样要求排烟口必须设置于储烟仓内，见图4(a)。不同形式的排烟窗有效开窗面积需要按一定的规则进行计算，对于建筑中最常采用的上悬窗，其有效开窗面积的计算规则见图4(b)。

图3 机械排烟示意

根据上文的讨论，受db、AvCv/A0C0值的影响，实际所需的自然排烟窗(口)会随着db、AvCv/A0C0值的变化而变化但不能小于表2的中的值，因此并不是储烟仓内的所有区域都可以用于开设自然排烟窗(口)。外墙的宽度L对自然排烟方案的可行性至关重要。

α>70 °，L=Av/(0.9H-1.6-db)

(8)

(9)

式中：α为开窗角度；H为空间净高(m)。

对式(8)、式(9)进行分析，当净高H确定后规范要求的最小Av值可按表2查出，而实际所需Av值是由db和AvCv/A0C0两个变量决定的，得出db和AvCv/A0C0之间的转换关系可以方便设计时采用单一变量进行分析。以9 m净高空间(有喷淋)为例，当Av取42时，对式(7)进行变化，可以得出式(10)。

db=596.2/A02+0.4

(10)

3.1 实例一

假设某项目中净高空间大于9 m的场所(有喷淋)，下部A0为14.4 m2(4个1.5 m×2.4 m的双扇门)，开窗形式为上悬窗，α=45°(通常为30 °或45 °)。以规范中最小自然排烟窗面积进行自然排烟设计，经计算可得该空间db≥3.3m，L≥19m。

3.2 算例二

假设某项目中净高空间大于9 m的场所(有喷淋)，开窗形式为上悬窗，α=45°(通常为30 °或45 °)，L=14.6m。以规范中最小自然排烟窗面积进行自然排烟设计，经计算可得该空间db≥2.5m，A0≥16.8m2。

新旧规范中均有明确要求，建筑排烟系统的设计应根据建筑的使用性质、平面布局等因素，优先采用自然排烟系统。但是有文献指出[8-9]自然排烟的可靠性受气候条件、热压、风压等外部条件影响较大。对空间净高大于6 m的场所，由于新规范的排烟计算理论做出了较大的调整，经过本文的讨论，得出在新规范下自然排烟所比机械排烟对建筑设计造成的影响更大，需要通过前期与建筑专业配合留出自然排烟条件，帮助建筑专业了解其对立面的影响情况或准确判断已有建筑方案中该内场所是否有自然排烟的可行性。下面给出了不同净高下的L、db、A0等参数间的等式关系供设计时快速选用(表3)。