大空间公共建筑防排烟系统设计

唐栋超

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

随着城市建设的不断加快，大空间公共建筑越来越多，一旦这类人员密集型建筑发生火灾，给人员提供安全的疏散环境非常重要。当建筑物着火时，室内环境温度会迅速升高，空气因热胀冷缩原理急剧膨胀，由于烟气密度比空气小，烟气会在浮力作用下迅速上升，并在到达建筑顶部后水平扩散，逐渐积聚在建筑物顶部，形成烟气层。为了防止烟气不断扩散，给人员逃生和消防救援创造有利条件，因此建筑内必须要设置防排烟系统。通过管道、设备等设施把火灾时产生的大量浓烟较快排出，防止出现更大的安全隐患，降低施救难度。

1 防烟分区划分

首先需要合理设置防烟分区，防止烟气扩散，从而达到降低因火灾烟气造成的灾害影响。《烟规（GB 51251—2017）》对划分标准和原则已做了相关要求，室内净高越大，防烟分区的允许面积越大。如果单个分区面积太大，烟气会因扩散过程中的温度下降而发生沉降，这对于排烟是非常不利的；而如果面积太小，势必会降低这个区域的储烟能力导致烟气扩散速度加快，从而降低整个分区的阻隔效果。实际设计过程中我们除了综合考虑机房面积、风井大小、管线安装时的吊顶空间之外，还需考虑多分区控制的风量匹配性和合理性等因素。

比如，某地下商场，层高约4.5m，简易平面如图1 所示，图1对面积相同的防火分区进行了不同方式的划分。

图1 防火分区

表1 列出了不同划分情况下的计算值，比较防火分区A 和B，不难发现虽然系统排烟量相同，但是防火分区A 的划分更合适，可以减少工程量且消防控制系统也更加简单；比较防火分区C、和D，因划分方式不同系统排烟量相差一倍，显然防火分区D的划分更合理，排烟量增大，设备容量、机房面积、风管尺寸等都需加大，不仅增加造价，还会影响室内吊顶高度，一般地下空间建筑层高都比较紧张，对于上部管线安装空间的要求更加严格。另外需要注意，同一系统的各个分区的面积取值应尽量相近，如果相差太大，火灾时排烟口和排烟风管的实际风量与设计风量不吻合，情况严重的话会出现烟气层吸穿现象，从而导致实际排烟量的降低。

表1 防烟分区划分情况

挡烟垂壁的设置既要满足最小清晰高度，以保证火灾时人员能够快速安全撤离，又要考虑烟气层厚度。清晰高度并不是越高越好，清晰高度越高，烟气行程就越长，吸入冷空气越多，烟量越大而烟气温度越低，对于排出烟气是非常不利的。

对于建筑室内净高大于9m 的场所，一般认为在这个高度烟气的扩散不足以产生增大火灾力度的影响，也不会因为烟气的积聚对人员产生影响，因此可考虑不设挡烟垂壁，这就相当于我们要把大空间假想成若干个虚拟的防烟分区。这种情况从消防控制角度来说，各个分区之间没有分隔，是一个整体的大空间，火灾时产生的烟气很可能会飘到相邻分区，这会导致FAS 系统出现误判的可能性，无法准确开启着火区域对应的排烟阀或排烟口。因此，在条件允许的情况下还是建议设置物理挡烟垂壁，使得系统更加可靠。

2 排烟量与补风量计算

2.1 排烟量

对于净高不超过6m 的场所，排烟量仅跟面积有关；对于净高大于6m 的场所，排烟量与很多因素有关，比如建筑净高、火灾热释放速率、喷淋设置情况等，因此，排烟量应根据公式计算确定，且不小于《烟规》中的规定值。当建筑的净高越大，垂直温度梯度更加明显，浮力越小，排烟就越困难，排烟效率跟高度成反比。

当空间净高（＞6m）一定时，我们以轴对称型烟羽流为例：

由式（1）～式（3）可以看出，当 QC恒定时，质量流量 Mρ只跟 Z值有关，类似于一个幂函数y=axb，Mρ随Z 值成指数增长或成线型增长。

单个防烟分区排烟量V：

由式（4）～式（6）可以得出，当 QC和 K 恒定时，V 是关于 Mρ的一次函数，类似于 y=ax+b，a=0.833，b=0.002815QC。排烟量 V 和质量流量Mρ两者成正比关系。

最终得出结论，当火灾热释放速率、空间净高恒定时，Z 值越大，质量流量Mρ越大，排烟量V 就越大。Z 值对排烟效果影响非常大，Z 值的选取既要保证清晰高度，又要考虑排烟量过大导致排烟风机、排烟风道等设施加大的问题。在设计过程中，排烟量可以尽量控制在《烟规》第4.6.3 条的规定值附近，既满足了最小值的要求，也不会因排烟量太大而要增加排烟设施的容量。

对于系统排烟量的计算，《烟规》上分了两种情况：①负担相同净高的场所；②负担不同净高的场所。第二种情况的系统排烟量是先分别计算出每个相同净高的场所，再取其中的最大值。但是，有些建筑物顶部是斜的或者弧形的，净高连续变化，不能完全分割成几个相同净高的场所，这时可以分三种情况考虑：①当斜屋顶或弧形屋顶各处净高均≤6m 时，排烟量只跟面积有关；②当斜屋顶或弧形屋顶各处净高均＞6m 时，排烟量随着高度增加而增大，按最大净高计算出的排烟量取值较合理；③当斜屋顶或弧形屋顶局部净高＞6m 其余区域≤6m 时，排烟量该如何取值。以商店、展览厅为例，屋顶最高点处净高为6.5m，最低点处净高为5.5m，排烟量如表2 中所列，经过表2 中数据分析可以看出，这类场所由于不同的分区划分，系统排烟量的取值方法会有所不同，所以实际工程中应按两种方法分别计算后取最大值。

表2 系统排烟量计算

2.2 补风量

根据风量平衡的原则，必须要有进风才能实现有效排风。为了形成理想的气流组织，火灾时能迅速畅通地排除烟气，排烟系统必须要设置补风。补风量取值最好控制在排烟量的50%～80%之间，主要是为了能形成足够大的负压，有效阻止烟气向相邻区域蔓延。《烟规》中，对于补风量的取值并不是非常清晰，出现了两种不同的理解：①按系统排烟量的50%；②按最大防烟分区排烟量的50%，两种方法计算出的补风量差别很大。假设某排烟系统风量计算如表3 中所列，按第一种观点，补风量（20000m3/h）大于排烟量Q1（25000m3/h），这就不满足排烟量大于补风量的规定。只有当两个防烟分区同时发生火灾，系统的设计才成立，但这种情况又不符合“同一时间只有一处发生火灾”的基本原则。倘若该分区内正好设有补风口，则会造成该分区出现正压，使烟气向其他区域蔓延。按第二种观点，分区1 着火时，补风量QB为83%Q1，分区2 着火时，补风量QB为50%Q2，第二种计算方法更加合理。

表3 补风量计算

3 排烟口和补风口设置

布置排烟口时，首先要考虑烟流方向以及与安全出口的距离，避免逃生人员视线受影响；同时，要考虑烟气的水平行程，行程越大，因温度下降而越不容易被排除。若排烟口位置设置不合理的话，会造成烟气组织混乱，影响排烟效果。有些省份（浙江、江苏、陕西等）还对一个防烟分区内多个机械排烟口之间的间距做了规定，排烟口边缘最小净距（Ve为单个排烟口的计算排烟量，m3/s），目的也是使排烟更加均匀。

单个排烟口的最大允许排烟量Vmax：

由式（7）可以看出，当排烟位置系数γ 一定时，排烟口与储烟仓底部的距离越大，排烟口的允许排烟量越大。因此，排烟口的设置与烟气层的高度、风口风速、尺寸均有关。当排烟口风速太大或者单个排烟口风量太大时，排烟口下的烟气层会发生严重吸穿，新鲜冷空气被吸入，从而减少了实际排烟量，导致烟气层快速下降，影响人员安全疏散。

《烟规》中，当室内净高≤3m 时，排烟口有个特殊规定，可不设在储烟仓内，只要保证在1/2 净高以上即可。如果采用的是自然排烟，那么排烟口在1/2 净高以上就可以满足规范要求。但是，如果采用的是机械排烟，排烟口若不在储烟仓内，那就无法满足单个排烟口允许风量的要求。部分省份（浙江、江苏、陕西等）已经出了消防实施细则，对于净高≤3m 的场所，排烟口只需满足风速要求即可。其他没有规定的省份，建议设置活动式挡烟垂壁，既不影响室内净高，又可满足消防排烟要求。

补风口的设置位置也需要注意，高度上应在储烟仓以下，水平方向应满足与排烟口的最小水平距离（5m），设计中应尽可能增大补风口与排烟口的间距，这样烟气不会被扰动，有利于烟气排除。

4 结语

本文是对大空间公共建筑防排烟系统设计的一点总结，主要介绍了防烟分区的设置，挡烟垂壁高度的控制，排烟量、补风量的计算，排烟口、补风口的设置原则。在实际设计过程中，对于各种形式多样的大空间公共建筑，要依据工程的不同实际情况灵活设计。