建筑内疏散走道机械排烟口合理设置的探讨

2020-12-30黄小新陈明丰

建筑热能通风空调 2020年11期

黄小新陈明丰

中国轻工业广州工程有限公司

0 引言

建筑内的疏散走道是发生火灾时，人员向前室和楼梯间疏散的必经通道[1]。若火灾产生的大量烟气扩散到走道内，烟气的较高浓度可能影响人员的正常疏散，烟气的较高温度可能造成人员严重灼伤，烟气中的有毒气体可能导致人员中毒或窒息死亡[2]。因此，为了保证人员在走道中的安全疏散，疏散走道的排烟设计非常重要。我国现行国家标准《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）（2018 年版）第8.5.2 条和第8.5.3 条规定，高度大于32 m 的高层厂房或仓库内长度大于20 m 的疏散走道，其他厂房或仓库内长度大于40 m的疏散走道，以及民用建筑内长度大于20 m 的疏散走道，均应设置排烟设施。

机械排烟是一种采用排烟风机进行强制排烟的方式，目前被广泛应用于建筑内疏散走道的排烟。机械排烟口作为机械排烟系统的重要组成部分，其布置对机械排烟效果有很大的影响。因此，针对机械排烟口设置的研究得到了越来越多的关注。近年来，许多学者针对机械排烟口设置对排烟效果的影响开展了大量研究，提出了许多设计优化方法和原则。

本文首先对建筑内疏散走道中的火灾烟气流动特性进行分析，随后结合现行国家标准，分别对疏散走道内机械排烟口的安装高度，设置位置，数量和间距等参数对排烟效果影响的研究进展进行总结，最后给出疏散走道内比较合理的机械排烟口布置原则，为实际工程设计提供参考。

1 排烟口安装高度

在没有排烟设施的情况下，着火点产生的高温烟气在浮升力作用下，不断地往走道顶棚流动。烟气抵达顶棚后，受到壁面阻挡，随后向四周沿着壁面散开。烟气在疏散走道中的流动可以分为如图1 所示的五个阶段[3]。阶段I：烟气积聚在顶棚附近。阶段II：高温烟气接触温度较低的顶棚后被冷却并下沉。阶段III：扩散到墙面的烟气进一步被墙面冷却，随后逐渐下沉。阶段IV：被冷却的烟气沿着墙面下沉至地面。阶段V：烟气在走道地面形成一定厚度的烟气层，此时走道断面中部空间的空气被烟气包围。最终，烟气将基本充满整个走道。

图1 疏散走道内烟气的流动过程

梁强等人[4]实验研究发现，在狭长走道内，越贴近顶棚的烟气温度越高。冯文兴等人[5]对狭长走道内烟气毒性成分的空间分布进行了实验研究，结果表明，烟气中CO2和CO 的浓度随着空间高度的降低呈现出下降的趋势。由此可见，当排烟口安装在距离顶棚较近之处时，其可将温度与浓度均较高的部分烟气快速排走，从而有利于人员的安全疏散。

朱毅和李思成[6]的实验结果表明，当排烟口上沿距顶棚的距离从0 mm 增加至150 mm 时，烟气蔓延速度从0.15 m/s 增加至0.4 m/s，烟气控制效果逐渐变差。徐伯乐等人[7]的模拟结果显示，排烟口高度较低时，容易吸入烟气与空气的混合气体，排烟口高度较高时，则不易吸入烟气层下部的空气，因此排烟效率随着排烟口安装高度的升高而得到改善。许小磊等人[8]通过数值研究发现，烟气质量分数在走道内的分布是从上至下逐渐减小，当排烟口设置在顶棚时，排烟口能够排出走道上部质量分数较高的烟气，而当排烟口设置在侧壁时，排烟口的上边缘吸入的烟气质量分数较高，但其下边缘吸入的烟气质量分数较低。因此，在相同排烟量的情况下，排烟口设置在顶棚的排烟效率高于设置在侧壁的排烟效率。

我国现行国家标准《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.4.12 条指出，排烟口宜设置在顶棚或靠近顶棚的墙面上。当走道净高不大于3 m 时，排烟口可设置在其净高的1/2 以上。当排烟口设置在侧墙时，吊顶与其最近边缘的距离不应大于0.5 m。

综上所述，在条件允许的情况下，应尽量将排烟口设置在顶棚，且排烟口的安装高度越高，其排烟效果越好。在顶棚设置排烟口存在困难时，可以考虑将排烟口设置在走道侧墙。值得指出的是，在实际工程中，由于走道不设置吊顶或吊顶均匀开孔且开孔率大于25%，通常把排烟口设置在排烟风管的顶部或侧面。为了确保走道内平均温度和火场能见度在人员的承受范围之内，文献[6]建议排烟口距顶棚的距离不应超过0.3 m。

2 排烟口设置位置

建筑内常见的疏散走道形状有直形，L 形，T 形和环形等。当疏散走道的长度较长，为了有效延缓烟气的扩散，为逃生人员提供较多的疏散时间，通常将疏散走道划分为若干防烟分区。在每个防烟分区中，设置的挡烟垂壁与走道侧墙将走道顶部空间围成储烟仓，用于蓄积烟气。每个储烟仓内设置一定数量的排烟口。根据《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.2.4 条，走道划分防烟分区的最大允许长度具体如表1 所示。

表1 走道防烟分区的最大允许长度

对于长直走道，其中设置有挡烟垂壁时，烟气的流动如图2 所示。烟气上升至顶棚后，受顶棚的限制，进而往水平方向扩散。当烟气遇到挡烟垂壁后，挡烟垂壁阻止了烟气的向前流动，此时上游仍有大量烟气不断地向前流动，积聚在该挡烟垂壁上游储烟仓之内，直至烟气层厚度大于储烟仓高度，随后烟气溢出该储烟仓并流入下游毗邻储烟仓[9-10]。

图2 挡烟垂壁作用下直走道中的烟气流动

对于L 形和环形走道，其均具有转角，烟气在走道转角区域的流动如图3 所示。当烟气在L 形或环形走道的直形段内流动时，其流动特性与在直形走道中的流动特性相同。当烟气流动至L 形或环形走道的转角之处时，受到前方墙壁的阻挡，随后有部分烟气回流，进一步地，上游烟气与回流烟气相互干扰，使大量烟气积聚在走道转角之处[11]。

图3 走道转角区域的烟气流动

图4 给出了T 形走道示意图。当烟气从点A 流向点B 时，其流动特性类似于在直走道中的流动。当烟气从点C 流向点D 时，其流动特性类似于在L 形或环形走道中转角处的流动。

图4 T 形走道示意图

由前文可知，在不同形状的走道内，烟气的流动存在一定差异。因此，如何在不同形状走道中合理设置排烟口的位置，是值得研究的问题。靖成银等人[12]对直走道进行了数值研究，认为排烟口处于火源下风向时，能够有效延缓烟气的扩散，而排烟口处于火源上风向时，可以快速排出高温高浓度烟气，故建议将排烟口设置在防烟分区的中间位置。纪杰等人[13]实验发现，直走道仅一端开敞时，开启补风口相反侧的排烟口则排烟效果较佳，而直走道两端开敞时，同时开启火源两侧的排烟口则排烟效果较好。汤静等人[11]通过模拟发现，L 形和环形走道的转角处烟气温度较高，建议做好该位置的排烟措施。黄东方等人[14]的模拟结果表明，相比于排烟口设置在环形走道其他位置，排烟口设置在环形走道转角位置时，其排烟效果更好。

综上所述，防烟分区为直形的走道，若仅一端有补风口，排烟口应设置在补风口相反侧位置，若两端均有补风口，则排烟口可设置在中间位置。防烟分区为L 形、环形或T 形走道，排烟口应设置在转角位置。

此外，邱旭东等人[15]的数值研究发现，排烟口处于安全出口附近时，由于浓烟积聚在排烟口下方，导致逃生人员难以识别安全出口位置，不利于人员安全疏散，因此建议排烟口设置在距离安全出口较远的位置。随后，《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.4.12 条提出，排烟口的设置宜使烟气流动方向与人员疏散方向相反，且排烟口与安全出口最近边缘的水平距离应大于1.5 m。孙翀[16]模拟结果表明，相比于排烟口贴近侧壁，排烟口远离侧壁时，其排烟效果更好。

3 排烟口数量及间距

在一个防烟分区内，当单个排烟口的排烟量过大，或者多个排烟口之间的距离过小时，均可能发生烟气层吸穿现象[17-18]。当烟气层被吸穿，排烟口排出的是烟气与空气的混合气体，导致有效排烟量减少，从而排烟效率降低[19]。因此，《建筑防排烟系统技术标准》(GB51251-2017)第4.6.14 条给出了单个排烟口最大允许排烟量的计算式，即：

式中：Vmax为单个排烟口最大允许排烟量，m3/s；γ 为排烟口位置系数，当排烟口中心点到墙体距离≥2 倍的排烟口当量直径时，γ 取值为1.0，否则，γ 取值为0.5；db为排烟口吸入口以下烟气层厚度，m；T 为烟气层的平均温度，K；T0为环境温度，K。

式（1）表明，单个排烟口最大允许排烟量不仅与烟气层的平均温度和厚度有关，还与排烟口距墙体的距离有关。由此可知，在防烟分区排烟量不变的情况下，相比于排烟口靠近走道侧墙设置，排烟口距离走道侧墙较远时所需的数量可能比较少。例如，一个净高为3 m，宽为2.5 m 的疏散走道，火灾热释放速率为1500 kW，假设一个防烟分区的排烟量为15000 m3/h，烟气层厚度为0.8 m，排烟口设置在顶棚上。当排烟口位置系数取1.0 时，单个排烟口最大允许排烟量为7549 m3/h，故至少需要2 个排烟口。当排烟口位置系数取0.5 时，单个排烟口最大允许排烟量为3750 m3/h，则至少需要4 个排烟口。

目前，我国现行国家标准均无关于排烟口间距设置的规定，而美国国家标准NFPA92-2018 给出了一个防烟分区内设置多个排烟口时，排烟口边缘之间的最小距离计算式，即