机械排烟系统烟层平均温度对抗爆建筑房间净高的影响分析

吴鸿

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 研究背景

GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》（以下简称《烟标》）中明确了排烟量的计算准则，当房间净高≤6 m 时，根据房间面积计算出房间的排烟量；当房间净高＞6 m 时，根据表4.6.3 查出房间计算排烟量，依据储烟仓高度、排烟口最大排烟量及排烟口风速≤10 m/s 等条件计算出排烟口数量。

在实际计算过程中，一些设计师通常只顾及排烟口最大排烟量和排烟风速的选取，忽略了计算排烟量时，房间的净高、设计清晰高度、燃料面到烟层底部的高度等参数对烟层平均温度的影响，《烟标》2.1.14 明确规定发生火灾时，当排烟管道内烟气温度达到280 ℃时，排烟防火阀应关闭，若在计算系统排烟量过程中忽略了烟层平均温度＞280 ℃这个因素，不利于排烟系统的运行，严重影响排烟效果，因此，在设计时加强对烟层平均温度的控制是很有必要的。

2 抗爆建筑中排烟系统设计问题分析

在抗爆建筑设计当中，为了防止室外爆炸产生的冲击波影响建筑室内人员及建筑物的损坏对全场安全产生影响，在抗爆建筑中设置外窗时选用固定抗爆防护窗[1]，窗户不能开启，在抗爆建筑设计中经常会遇到＞50 m2且经常有人的房间，如工程师站、操作间、交接班室等房间，根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）中8.5.4 的要求，地上无窗房间，当一个房间建筑面积＞50 m2且经常有人时，应设置排烟系统。对于抗爆建筑，要实现自然排烟显然是不现实的，此类建筑通常考虑采用机械排烟系统。

根据《烟标》4.6，排烟计算主要公式有：

在抗爆建筑设计中，房间高度经常＞3 m，因此，本文清晰高度以房间净高＞3 m 来计算，其房间最小清晰高度应按式（1）计算：

式中，Hq为最小清晰高度，m；H′为取排烟空间的建筑净高，m。

在工业建筑中，机柜间、控制室等抗爆建筑用于辅助工艺生产，一般可定义为厂房，且根据GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》的要求，操作间、工程师站等含有电气设备的房间不允许采用水喷淋系统，因此，该类房间火灾达到稳态时的热释放速率统一按8 MW 考虑。

在排烟系统中，轴对称烟羽流为常见形式，因此，本文分析烟层平均温度时只考虑轴对称烟羽流形式，其计算应符合下列规定：

当Z＞Z1时：

当Z≤Z1时：

式中，MP为烟羽流质量流量，kg/s；Qc为热释放速率的对流部分，一般取值为0.7 kW；Z为燃料面到烟层底部的高度，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。

根据房间的火灾释放速率，并结合公式（4）可计算出火焰极限高度为Z1=5.241 m。从火焰极限高度可以看出，当Z＞5.241 m 时，烟羽流质量流量应按照公式（2）取值；当Z＜5.241 m 时，烟羽流质量流量应按照公式（3）取值。

烟层平均温度与环境温度的差应按式（5）计算：

式中，ΔT为烟层平均温度与环境温度的差，K；K为烟气中对流放热量因子，由于本文分析对象为机械排烟，故取值K=1.0；CP为空气的定压比热，一般取1.01 kJ/（kg·K）。

根据以上公式及计算结果，公式（5）可简化为：

每个防烟分区排烟量应按下列公式计算：

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

从式（3）和式（6）中可以看出，燃料面到烟层底部的高度Z和烟层平均温度与环境温度的差成反比关系，从对燃料面到烟层底部的高度的定义来看，Z的取值与房间最小清晰高度有一定的关系，假设燃料面高度为Hr，即Z≥H′-Hr，清晰高度越高，燃料面到烟层底部的高度Z越大，两者均同增或同减，本文均按照燃料面高度为零考虑。

《烟标》4.6.8 规定，当储烟仓的烟层与周围空气温差＜15 ℃时，应通过降低排烟口的位置等措施重新调整排烟设计，即规定烟层平均温度和周围空气温度差的下限值，ΔT的值应＞15 ℃，但是并没有规定烟层平均温度和周围空气温度差的上限值，根据《烟标》5.5.5 中要求，280 ℃时排烟防火阀应自行关闭，并应连锁关闭排烟风机和补风机，从上述规定可以看出，烟气温度280 ℃为排烟系统中一个重要的参数，如果在排烟系统设计时忽略对烟层平均温度的控制，将导致烟气无法有效排出，通常在设计排烟系统时，环境温度取20 ℃，从公式（8）中可以推出，在机械排烟系统设计中，烟层平均温度与环境温度的最大差值应按照≤260 ℃的限制计算。

3 案例分析

基于上述公式推导，选取抗爆建筑中工程师站作为排烟场所，且房间无喷淋系统，对抗爆建筑而言，房间净高一般为3～6 m，计算出房间最小清晰高度为1.9～2.2 m，按最小清晰高度取值，即燃料面到烟层底部的高度均小于火焰极限高度，因此，燃料面到烟层底部的高度可按照公式（3）计算，燃料面的高度Hr设定为0，通过不同工况分析出烟层平均温度和房间净高之间的关系。

工况一：（1）房间高度为变量，且房间高度按每隔0.1 m 递增；（2）储烟仓高度不变（按照房间净高值取最小储烟仓高度）；（3）设计清晰高度（取最小值）；烟层平均温度与环境温度的差值ΔT变化见表1。

工况二：（1）以房间高度为定量（选取房间净高为4.5 m）；（2）储烟仓高度从最小高度按每隔0.2 m 递增（直到最大储烟仓高度）；（3）设计清晰高度（取最小值）；烟层平均温度与环境温度的差值ΔT变化见表2。

表2 工况二计算结果

从表1 可以看出，随着房间净高的递增，烟层平均温度与环境温度的差值有减小的趋势，当房间净高增加到4.3 m 的时候，烟层平均温度与环境温度的差值＜260 ℃，即满足排烟系统运行条件。

表1 工况一计算结果

从表2 可以看出，当房间高度一定时，随着储烟仓厚度的增加（等同于清晰高度的减少），烟层平均温度与环境温度的差值ΔT有增大的趋势，即储烟仓厚度在最小时（清晰高度最大时），烟层平均温度与环境温度的差值ΔT为最小。从上述内容可以看出房间高度一定时，清晰高度的增加有利于烟层平均温度与环境温度的差值ΔT的减小，但清晰高度增加的限值，即为房间净高和最小储烟仓高度之差。

综上所述，在抗爆建筑中，当房间不能做喷淋系统且房间需做机械排烟系统时，房间的净高至少需4.3 m。如果房间净高不满足4.3 m 要求，烟气层温度将会＞280 ℃，影响排烟系统正常运行。

4 结语

综上所述，本文得出以下几点结论：

1）在抗爆建筑中，当房间不能做喷淋系统时，且房间需要做机械排烟时，在设计前期应考虑到房间净高，保证房间净高≥4.3 m，以免后期调整困难。

2）当抗爆建筑中房间净高不能满足＞4.3 m 要求时，可通过调整操作间、工程师站等房间面积来避免排烟系统设置。

3）本文只列举了在无喷淋情况下，热释放速率为8.0 MW的一种情况，在其他热释放速率下，均可通过本文计算方法计算出不同热释放速率下房间最小净高要求。