中庭烟气分层及其与排烟设计相关性问题探讨

云南正元安泰建设工程设计咨询有限责任公司 崔 跃

0 引言

问题先得从中庭排烟方式的选择说起。

关于中庭排烟方式的选择，作为GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》(以下简称《烟标》)中排烟系统设计一般规定的第4.1.3条条文说明指出：当可能出现“层化”现象时，就应设机械排烟；当烟气不会出现“层化”现象时，就可采用自然排烟。那什么情况下可能出现“层化”现象呢？第4.6.8条条文说明认为，当储烟仓的烟层与周围空气温差小于15 ℃时，就会出现“层化”现象，即烟气“在空中滞留或沉降”，并且一旦出现“层化”，事情就很严重——“无论机械排烟还是自然排烟，都难以有效地将烟气排到室外”。至于储烟仓的烟层温度，《烟标》第4.6.12条指出，计算烟层温度的主要变量是进入储烟仓的烟羽流质量流量。那么“层化”了的烟层究竟在哪里？是在储烟仓内？不对。悬在半空中？也不对。自然排烟？不行。机械排烟？也不行。显然，探讨这个问题的症结所在很有必要。

1 什么叫“层化”?

《烟标》参考了6个国外相关技术标准[1]，其中的4个英美标准(即NFPA 92、NFPA 204、BS 5588、BS 7346)似乎都不太重视“层化”，没有给出相关术语；另外2个标准中，澳大利亚的AS 2419是消防给水规范，日本的是建筑消防安全法规，没有这个术语很正常。但在国内，“层化”问题颇受重视，GB 50045《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)自1995年版起就有了“层化”的描述和相关的规定[2]。现行国家标准GB/T 5907.2—2015《消防词汇 第2部分：火灾预防》第2.6.42条明确了烟气分层(smoke stratification)的定义：“封闭空间内在没有气流扰动的情况下，由热效应作用引起的烟气分层状态。”综上国内外相关标准规范的有关论述，对于烟气分层似乎就有了2种说法。

1) “层化”。以规范建筑中庭消防安全技术为主旨的BS 5588-7:2004描述到：“当烟气通过中庭上升时，它会从周围环境中卷吸大量冷空气，降低烟羽流的温度，增加其质量和体积。随着烟羽流在上升过程中受到冷却，浮力将减小，到达一定的高度后，其温度可能下降到周围空气的温度，将停止靠其自身浮力上升。在这种情况下，可能在中庭屋顶下方的一定距离处形成一个稳定的烟层。烟气上升到一个上限高度后，就将向下积累，产生的烟层越来越厚，并且水平地扩散到烟层厚度范围内的任何一个楼层”[3]。需要注意的是，该标准并未使用“层化”(或分层)这样的术语。《高规》采用了大致相同的描述，称之为“层化”现象，然后提出了“12米层化”的理论(这个理论已被发现与实际不符[4])并为业内所熟知。为叙述便利，本文仍按习惯将这种分层现象称之为“层化”。

2) 分层。如NFPA 92[5]所称的“烟气分层”(stratification of smoke)，BS 7346-4:2003[6]所称的“早期烟气分层”(early stratification of smoke)。长于中庭等高大空间排烟技术的NFPA 92(2011年前为92B)在历年版本的条文中均未针对分层情况下的排烟系统设计作出任何规定，仅以附录的方式提供了有关烟气分层的专题信息。该附录(Annex E)指出：“当大空间上部空气温度高于较低部位空气温度时，烟气会在热空气层下分层，无法到达安装在顶棚上的感烟探测器。”——关注的重点似乎并不在烟气层化可能对排烟造成的困难，而在于可能存在层化的条件下如何及时探测烟气并启动排烟系统——“一旦中庭或其他大空间的排烟系统启动，热空气层的去除将消除分层的条件。设计者所面临的问题是如何确保在所有可能的火灾前温度竖向分布条件下及时检测到烟雾的存在。”BS 7346-4:2003也只是在“烟气和火灾探测系统”一节中才提到分层：“一些大的空间，如高大的中庭，由于暖通空调系统的运行、玻璃屋顶的太阳能加热等，会在顶棚下聚集大量的热空气。在这种情形下，尤其是在火灾的早期阶段，当火势还很小时，在上升的过程中，烟羽流会随着卷吸周围冷空气而温度降低，在到达顶棚之前就形成烟层。在这种情况下，安装在顶棚附近的感烟探测器不能(正确地)预警烟气的存在。通常不可能预测烟气开始分层的高度(这通常取决于天气)。重要的是，探测器要安装在能够探测到这种分层的位置上。”以下将此称之为“分层”以示区别。

在ASHRAE会同ICC/SFPE/NFPA联合发布的《烟气控制工程手册》[7]中虽然设有“分层”一节，但却并未提到排烟系统，其实际内容都是为了解决分层条件下的烟气探测问题。

实际上，按照物理机制分析，“层化”和分层本是一回事，即国标GB/T 5907.2—2015所称的“烟气分层”。更具象一点，可如上述BS 7346-4:2003所称的“早期烟气分层”或美国消防工程师协会(SFPE)《消防工程手册》[8]所称的“中间分层”(intermediate stratification)。

定义厘清后，接下来的问题就是：烟气分层有哪几种可能的表现形式？如何预估？与排烟方式的选择又有何关联？

2 烟气分层的预估与排烟方式的选择

综合国内外相关标准、规范、设计手册的有关论述，中庭的烟气分层可按其发生的设定空间条件分为3种情形，并可采用相应的方式进行预估。

1) 理想空间中：假设中庭环境空气温度均匀(如《烟标》所设定的环境空气温度to)，可计算出烟羽流在某一高度z上的平均温度tp，通常认为，当Δt(Δt=tp-to)小于某个温度值时，就有可能出现分层。《烟标》用的就是这个思路，但不同之处首先在于这里的tp是烟羽流的平均温度，而不是《烟标》中所说的烟层的平均温度。再者，按BS 5588-7:2004的说法，当烟气“温度下降到周围空气的温度”(即Δt=tp-to=0 ℃或Δt接近0 ℃)时，才“停止靠其自身浮力上升”并“层化”，而不是《烟标》所说的Δt<15 ℃时就“层化”。

2) 存在“热垫层”的空间中：中庭环境温度基本稳定，但其上部不使用，也未进行空气调节，则空气温度在相应高度上很可能发生一个阶跃变化(透明顶盖在日照下尤为明显)。在此条件下，NFPA 92和SFPE《消防工程手册》都认为，可以通过烟羽流中心线温度来评估分层的可能性——“如果在某一高度上烟羽流中心线的温度等于环境温度，烟羽流就不再上升，并在那个高度分层。”

其三，从审计结果角度看，CPA审计寻租降低了审计质量。我国资本市场中，CPA往往会采用低价揽客的方法进行竞争寻租，如果这种现象长期得不到改善，可能会演变为恶性降价竞争。当审计收入不断下降，降至低于审计活动正常进行需要付出的成本时，会计师事务所为了获取收益，可能就会倾向于不执行一些本应执行的有效审计程序，这必然会导致审计质量下降，最终造成审计失败。

3) 存在温度梯度的空间中：中庭从地面到顶棚具有恒定的温度梯度，这种情形比较少见，但其理论研究却比较成熟——既可以计算烟气上升的最大高度，也可以计算足以克服环境温度差、将烟气驱至顶棚所需的最小火灾热释放速率Q，还可以推算出热源强度为Qc的烟羽流在给定的温差Δt下所能到达的最大顶棚高度，等等，预估分层比较容易。

上述3种情形中，只有情形1)可以确定是烟气(羽流)由于自身内在的原因而无法继续上升，只能借助外力即采用机械排烟。其余2种则未必。原因如NFPA 92及SFPE《消防工程手册》所述：一旦排烟系统开启，热空气层的去除将消除分层的条件，使得烟气能够到达顶棚即进入储烟仓——至于此时此地的烟气自身是否还有足够的浮力产生压差流出孔口，也即实现自然排烟，值得怀疑，但未经验算，也不宜轻易下结论。正因为这个原因，英美相关标准、规范、设计手册中均未将烟气分层作为中庭排烟方式选择的依据。

必须指出，以上讨论的实际上都是在火灾初起、排烟设施尚未开启时(或称烟气填充阶段)中庭内可能出现的(早期)烟气分层的情形。那么，排烟设施开启后或者说排烟系统运行过程中是否还会出现烟气分层现象呢？

3 排烟系统运行过程中出现分层的可能性

《烟标》第4.6.8条条文说明指出：“当储烟仓的烟层温度与周围空气温差小于15 ℃时，此时烟气已经基本失去浮力，会在空中滞留或沉降，无论机械排烟还是自然排烟，都难以有效地将烟气排到室外”。换言之，出现层化现象时，排烟设施即便开启，也难以有效排烟。但《烟标》中并没有给出相关依据。

在BS 5588-7:2004中有关于排烟系统的如下论述：“在平均设计烟层温度比环境温度高20 ℃的情况下，自然排烟和机械排烟都能形成所需要的稳定烟层。如果上述温差较小，2种系统都可能趋于转而创建稀释过程，并且烟层可能出于内在原因变得不稳定。”这一说法是否支持《烟标》的上述论断呢？这里需要留意下面几个关键词。

第一，“设计烟层温度”：设计烟层在储烟仓里，这就已经排除了中间分层的可能性。

第二，“稳定烟层”：设计烟层均匀、稳定地位于清晰层之上，符合理想化的排烟系统设计模式。

第三，“稀释过程”：BS 5588-7:2004先定义了稀释是“通过将烟气与足够的清洁空气混合，以达到减少危害的一种烟气控制方式”，又将排烟系统“分为2种不同的类型：1) 建立稳定的烟层，提供清洁空气，使人员得以安全疏散；2) 稀释烟气，保持可耐受条件。”类型1)即通常意义上的排烟系统，该系统设计为在上部烟层与下部清晰层泾渭分明的假设的理想状态下运行；类型2)即稀释，也是一种排烟系统，但允许系统在烟层没那么完整，甚至有少量烟气渗入清晰层的状况下运行，同时必须将一定高度内的烟气浓度控制在可耐受(以光密度、能见度指标限定)的范围内。实际上，《烟标》第4.6.9条有关“空间净高不大于3 m的区域，其最小清晰高度不宜小于其净高的1/2”的规定也已经考虑到并且默认了类似的非理想状况，换言之，这种非理想状况下的排烟仍然被认为是有助于疏散和灭火救援活动的。

第四，“内在原因”：烟层中的热烟气由于传热量或供热量的减少而冷却，浮力逐渐减小，难以维持理想的稳定状态，烟气开始以烟缕的形式进入清晰层，进而使得排烟系统的运行“可能趋于转而创建稀释过程”。

可见，BS 5588-7:2004这里是在预期一个按照假设的理想条件合规设计的排烟系统，当实际运行条件发生变化(例如，由于喷头开放、空调影响或火势受控、燃料耗尽等原因导致烟层温度下降)时可能出现的系统运行模式的转变——如果设计烟层与环境空气的温差减小到小于20 ℃，自然和机械排烟系统都有可能难以继续保持预设的理想状态，但仍然可以退而求其次，在差强人意(其实也更切合火场实际)的状况下(以稀释烟气的方式)运行。这里论述的既不是排烟系统的失效(或设计失误)，也无关烟气分层，更没有排斥自然排烟的意思。

重新审视现行国家标准GB/T 5907.2—2015对烟气分层的定义，烟气分层现象是在“没有气流扰动的情况下”出现的，所以结论也很简单：按设定火灾条件设计的排烟系统正常运行过程中，中庭不会出现烟气分层。

4 《烟标》中的“层化”

前面提到，《烟标》第4.1.3条条文说明说的是“层化”，但其所指向的第4.6.8条条文说明又说“当储烟仓的烟层温度与周围空气温差小于15 ℃时，此时烟气已经基本失去浮力，会在空中滞留或沉降，……”。让人难以理解的是：如果烟气已经“层化”，“在空中滞留或沉降”，又如何进入储烟仓并形成“储烟仓的烟层”呢？反之，烟气既然已经进入储烟仓并形成烟层，烟气上升过程中又怎么会发生“层化”或者说分层呢？

同理，《烟标》第4.6.8条“当储烟仓的烟层温度与周围空气温差小于15 ℃时”一说也值得探讨。储烟仓的烟层温度按《烟标》公式4.6.12计算，该公式中的Mρ是燃料面到烟层底部高度为z处的烟羽流质量流量，而z又是由储烟仓底部高度决定的，这就存在一个问题：烟羽流能否到达储烟仓高度z还不知道，怎么就用烟羽流已经到达z处后形成的烟层温度来评估它能否到达这个高度z呢？非但如此，这里提出的判断依据15 ℃也是个问题。

关于这个15 ℃，前已提及，Δt<15 ℃出现层化的说法明显与“层化”说的本意(即BS 5588-7:2004提到的“到达一定的高度后，烟气的温度可能下降到周围空气的温度，将停止靠其自身浮力上升”)相去甚远，令人心存疑窦。《工程建设标准编写指南》第26条对标准中技术内容的编写原则有这样的要求：“定性和定量应准确，并应有充分的依据”[9]。据此，这个15 ℃应当既准确又有充分的依据，但《烟标》中并未给出这样的依据。

尚未见有证据证明Δt<15 ℃就一定会出现“层化”，也没有证据证明烟气分层是中庭选择机械排烟的充分必要条件。原《高规》的“12米层化”说已被发现与实际不符，如今又提出“15 ℃”的说法，需要慎重。如要为自然排烟方式设一个高度上限，有2个英国标准可供参考：1) BS 9999:2017对于灭火清烟(smoke clearance for fire-fighting)系统建议“高度不超过30 m的中庭可采用自然排烟，任何高度的中庭都可以采用机械排烟”[10]；2) 保守一点，参考BS 5588-7:2004，以18 m为限[3]。注意到，30 m与18 m折中为24 m，恰好是现行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中高层与多层民用建筑的分界和高层建筑裙房高度的上限。有鉴于此，建议将采用自然排烟的中庭高度上限取为24 m。这样做一则有了出处。二则从计算上看，中庭火灾(Q=4 MW)按轴对称型烟羽流计算时，24 m高度处的烟羽流平均温度约为33 ℃，Δt=13 ℃；按中庭底层周围商店火灾(有喷淋，Q=3 MW)计算时，24 m高度处的阳台溢出型烟羽流平均温度约为26 ℃，Δt=6 ℃，也可以认为有了一定的安全裕度。再则24 m也与上述规范的规定契合，显得较为现实和自然。

至于第4.6.8条规定的“通过降低排烟口的位置等措施重新调整排烟设计”，于自然排烟系统则缺乏可行性，于机械排烟系统则缺乏必要性。再看该条条文说明，其前半段逻辑上说不通，后半段谈的是烟层厚度与产烟(排烟)量的关系。这已经是另外一个话题[11]了，此处不赘。

5 结论

1) “层化”是烟气分层的一种习惯称谓，通常发生在中庭等高大空间火灾的早期阶段。“层化”的定义应以现行国家标准GB/T 5907.2—2015对术语“烟气分层”的定义为准。

2) 多种现实原因可以造成建筑中庭烟气分层现象的出现，因此，中庭烟气发生分层的可能性普遍存在，一般可依中庭内环境空气竖向温度场分布的假设条件按3种不同的情形加以描述，并可采用相对应的方式对分层可能发生的高度进行预估。最不利条件下的预评估结果可能影响火灾探测装置的类型与安装方式的选择，也可能影响排烟方式的选择。中庭烟气分层对排烟系统的主要影响是妨碍安装在顶棚附近的感烟探测器及时感知烟气的存在并启动排烟系统。

3) 机械排烟方式不是中庭可能发生烟气分层时的必然选择，降低排烟口高度也不是解决分层条件下中庭排烟问题的合理和有效的措施。高度超过24 m的中庭宜采用机械排烟。如果中庭的机械排烟系统按设定的火灾场景和计算条件进行设计，火灾初期，该系统一旦投入运行，将消除早期烟气分层的条件，助力整个空间自下而上的气流运动并实现排烟目标。在之后的系统正常运行过程中，中庭不会出现烟气分层现象，现实中更大的可能性是该排烟系统逐渐转变为以稀释烟气的方式运行。

4) 《烟标》中有关中庭烟气分层的论述(包括条文及其说明)难以依照常识和逻辑加以理解，在某种程度上存在基本概念含混不清、现象描述自相矛盾等问题，对中庭发生烟气分层的性能判据缺乏充分依据，因而在中庭烟气分层与排烟系统设计之间的关系问题上，部分规定和要求显得牵强，不利于标准的施行，建议修改。

重要的是，信息时代的技术资讯交流十分便利，可以通过参考国外相关主流标准、规范、设计手册，借助物理模型试验和CFD模拟等途径，结合国内外火灾事故经验教训的总结，走出长期困扰业内的“层化”迷思，客观、理性地认识烟气分层现象及其对中庭等高大空间排烟系统设计的影响，合理规范中庭排烟系统设计，推动我国建筑烟气控制技术科学、系统地健康发展。