建筑排烟系统设计分析

2022-09-01王亚峰

建材发展导向 2022年16期

王亚峰

(甘肃省建设设计咨询集团有限公司天水勘察设计院，甘肃天水 741000)

近些年，我国城市建设实现飞跃发展，建筑业在这一过程中规模不断扩大，建设质量也在逐渐提升。建筑火灾发生过程中，受到烟气危害影响，对人员死亡造成直接威胁，此种类型人员死亡比例相比于总因素数值攀升至80%左右。基于此，在建筑发生火灾后，需将火灾控制在一定空间内，或利用最短的时间将烟气其排除到室外，因此确定合理的防排烟系统是建筑防火设计中的重要环节。

1 建筑工程中防排烟系统重要性分析

建筑工程发展速度较快，但在其快速发展过程中，也产生较多消防安全隐患，此种问题凸显了防排烟系统在工程使用中的作用。在火灾发生后会产生大量浓烟，严重损伤人体，对人们的逃生造成威胁，人们的生命财产安全均会受到威胁。火灾生成的烟气，会造成空气中含氧量降低，人们在窒息影响会逐渐死亡。基于此，建筑防排烟系统的设计和构建可确保及时有效扩散烟雾，用户生命财产安全得到保护。

2 建筑防排烟系统中存在的问题分析

2.1 机械防烟设置未满足标准需求

防烟系统中选择的风机型号不满足标准，通常情况下需要依据相应要求对机械加压送风量数值进行计算，但人们通常将规范值作为标准，过程中并没有按照标准开展计算工作，因此风机风压数值与实际风量并不符合防烟标准。其次，送风口的位置设计不合理。针对楼梯间竖向系统中的送风口，其通常是使用常开的百叶风口，但设计过程中风口规格相同，在风机和风口距离相对较远情况下，会产生风量不足的问题，严重情况下会造成末端风口风量数值接近于0，难以提高防烟效果。每个建筑物都是不同的，各个建筑物均存在差异性，在设置加压送风系统过程中，需根据不同的要求设置加压送风系统。

2.2 自然排烟设计弊端

自然排烟过程中并不需要借助设备实现火灾烟气的排放，过程中会借助火灾发生时产生的热压完成烟气从排烟窗顺利排出，具有经济性，在火灾发生过程中，即使电源中断也不会影响系统功能发挥。自然排烟设计工作中存在较大缺陷和不足，性能也会受到多方面因素影响，比较常见的因素有建筑自身密封性能、室外环境中的风向与风速以及热压作用等，自然排烟设计通常是利用烟气浮力完成排烟，在室外环境中风力比较强劲情况下，会出现烟气倒灌情况，烟气会加速在室内蔓延，难以满足预期排烟效果。在冬季排烟过程中，会出现开口难以进行排烟的情况，室外空气会通过开口位置进入到室内中，过程中没有利用有效措施解决，会造成烟气借助电梯井或者是楼梯井传播。夏季阶段，建筑物内部出现下降气流，烟气传播到防烟楼梯前室以及楼梯间等，对人员正常疏散和生命安全造成严重影响，不利于消防工作顺利开展。

2.3 加压送风问题分析

送风量的确定需要结合实际需求，过程中不能盲目进行，设计过程中需要依据相应规定确保计算准确性，避免过程中对防排烟系统功能发挥造成影响。设计建筑防烟系统过程中，需要利用精确的参数数值选择加压送风机，设计阶段，需有效计算加压风机全压参数，在选择防烟组合方式以及加压送风机过程中，相关设计人员需要依据相应规范和标准进行，但多数设计人员不够重视规范以及标准重要性，造成正压数值设计缺乏合理性，后续工作存在较大安全隐患。

2.4 机械排烟设施排烟未满足标准需求

排烟整体质量以及效果会受到多种因素影响，其中起着关键性作用的一项是排烟口设置不够合理，一般情况下，设置排烟口过程中基本是安装在顶棚火接近顶棚的位置，多数建筑防排烟系统在具体实施过程中并没有按照要求安装排烟口，将其放置在墙下部分，因此烟气难以顺利排除。这一过程中排烟口设置不够合理，也会影响人员疏散效果。

3 火灾特点分析

建筑产生火灾的特点主要有以下几种：1）火势蔓延相对加快，依据相应测算数据，火灾形成的烟气，处于水平方向上的实际扩散速度显示为0.5～3m/s，沿楼以及竖向扩散速度数值显示为3～4m/s。建筑高度假设为100m，并没有针对竖向井道开展防火分隔措施，或者是防火处理效果较差，火灾生成的烟气极有可能在30s内扩散到顶层位置；2）烟囱效果，极易出现立体火灾。火灾发生后，烟囱效应主要出现在高层建筑中的竖向管径以及共享空间等部位，烟火蔓延速度不断加快，通常水平方向蔓延速度数值显示为0.5～0.8m/s，垂直方向上蔓延速度数值可达到3～4m/s。这一过程中，火灾实际蔓延途径可顺着外墙窗口朝上升腾或者是弯曲，严重情况下会出现跳跃式向上蔓延，极有可能造成邻近建筑物燃烧情况。室内环境中温度数值会伴随燃烧时间持续上升到，在外部新鲜空气进入后，极有可能发生轰燃。

4 建筑防排烟系统设计内容分析

工程实例：甘肃某幼儿园综合楼项目建筑面积5222.11m，共设有12个幼儿班，地上三层，地下一层（隔震层），建筑总高11.600m，层高均为3.6m，吊顶后净空高度为2.8m，室内外高差0.3m，建筑主要功能有：活动室、寝室、办公室、食堂等。一至三层划分为一个防火分区。主要平面布置如下：⑤-⑥轴交-为中庭，长宽分别为6.9m、5.1m；一至三层南北侧为活动室兼寝室，建筑面积分别108.14m；一层北侧为操作间；中间布置净宽约2.5m的内走道；一至三层设置两部开敞楼梯间；全楼均设置自动喷水灭火系统。

4.1 排烟系统设计

活动室兼寝室排烟系统设计：每间活动室建筑面积均大于100m，依据《建筑防烟排烟系统技术标准》4.6.3条的规定，每间活动室设置有效面积不小于该房间建筑面积2%的自然排烟窗。

中庭排烟系统设计：⑤-⑥轴交-建筑专业定义为中庭，暖通专业按照中庭设计排烟系统。中庭采用机械排烟系统，依据《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.6.5条第1款，本工程中庭周围场所设置排烟设施，机械排烟系统的排烟量小于107000m/h。若采用自然排烟系统，按自然排烟窗的风速不大于0.5m/s计算有效开窗面积，即外窗可开启面积为107000/3600/0.5=59.4m。

内走道排烟系统设计：本综合楼内走道采用机械排烟系统。依据《烟规》4.6.3.条第1款的规定，按照排烟量应按不小于60m/（h·m）计算，且取值不小于15000m/h。依据《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.2.3条的规定，在敞开楼梯间的入口处设置固定式防护玻璃挡烟垂壁，挡烟垂壁底部距离2.0m。采用自然排烟系统时，内走道设置有效面积不小于走道、回廊建筑面积2%的自然排烟窗，依据《建筑防烟排烟系统技术标准》4.3.3条第1款，自然排烟窗设置在室内净高1/2以上，即敞开楼梯间设置柔性活动式挡烟垂壁，挡烟垂壁底部局地高度为1.4m。

4.2 排烟系统设计探讨

中庭的定义：文献[3]对国内外中庭的定义做了相应的分析，我国国家相关规范未对中庭做出类似于上海市地方标准DG/TJ 08—88—2021那样的准确定义，这对实际工程设计过程产生了一定的困扰，实际设计工程中有很多将一二层通高门厅部分也定义为中庭进行相应的排烟系统设计的项目，如医院或学校综合楼门厅一二层通高的大厅等。如在实际项目设计时，若将一二层通高处定义为中庭，由于自然排烟窗不满足要求，需设置机械排烟系统，此时需要设置火灾自动报警系统，这样设计的合理性有待商榷。笔者认为，在具体工程设计过程中，可不必硬套规范对于中庭的定义，而是应该根据不同建筑类型确定合理的排烟系统，在保障人员安全的前提下尽量经济合理。

1）中庭排烟系统对比计算：

若本工程中中庭定义为采光天井，按照《烟标》

4.6.3 条净空高度大于6m的场所计算：

②热释放速率的对流部分：Q=0.7Q（kw）

③火焰极限高度：Z=1.88m（燃料面高度按贴地面取值）

④烟层平均温度与环境温度的差：ΔT=KQ/MCρ

自然排烟时：ΔT=0.5×1050/3.91×1.01=135.6K

机械排烟时：ΔT=1.0×1050/3.91×1.01=271.2K

⑤自然排烟量计算：T=T+ΔT，T=293.15K，ρ=1.2kg/mV=MρT/ρT=3.91×428.75/1.2×293.15=4.77m/s

机械排烟量计算：T=T+ΔT，T=293.15K，ρ=1.2kg/mV=MρT/ρT=3.91×564.35/1.2×293.15=6.28m/s

查《建筑防烟排烟系统技术标准》表4.6.3，机械排烟量为V1=87000m/h

自然排烟系统、机械排烟系统排烟量为max（V，V1）==87000mh，采用顶开窗的自然排烟窗有效面积计算：S=87000/3600/0.6/1.4=27m

综上所述：本工程当采用自然排烟方式时，按《建筑防烟排烟系统技术标准》净空高度大于6m空间计算自然排烟窗可开启有效面积面积27m，按照中庭计算时排烟窗可开启有效面积为60m。按净空高度大于6m空间计算机械排烟量为87000m/h，按照中庭计算为107000 m/h。很显然，按照高大空间和中庭设计排烟系统，不管是机械排烟系统的排烟量还是自然排烟系统的自然排烟窗的有效开启面积，两个都存在很大的差异。考虑每栋建筑在空间布局、火灾危险性、排烟系统和排烟量计算及自动喷水灭火系统、排烟系统启动时间、建筑内人员年龄及体能等方面都存在较大差异，中庭的排烟设施应根据不同的建筑形态，综合火灾模型和实际经验指标，选择合理的排烟方式。

2）敞开楼梯间人口挡烟垂壁设置：原设计设置自然排烟系统系统时，设置活动式柔性挡烟垂壁，挡烟垂壁底部距地1.4m，此时虽然满足《烟规》4.3.3条的有关规定，但是走道净空高度2.8m，挡烟垂壁距地1.4m时，不利于火灾时人员疏散，且《民用建筑设计统一标准》GB 50253—2019第6.3.3条规定，地下室、局部夹层、走道等有人员正常活动的最低处净高不应小于2.0m，结合建筑内火灾时烟气流动特点及人员疏散要求，建筑物中具有多层的连通空间，其上层、下层分属于两个不同防烟分区，为了防止烟气向上层蔓延，给人员疏散和火灾扑救带来困难，笔者建议在实际工程中，在敞开楼梯口设置挡烟垂壁时尽量使得挡烟垂壁底部高度大于2m，以满足火灾时人员紧急疏散的需要。

5 防排烟设计措施分析

5.1 全敞开式室外疏散措施

全敞开式室外疏散设施中主要包括全敞开式室外疏散楼梯、屋外停机坪以及检查用梯等。此种楼梯可实现与外界的直接相通，避免受到烟气干扰。火灾发生时，不能从其他疏散措施中脱离，部分高层建筑可利用屋顶停机坪进行空中疏散；检查用梯危险性相对较高，并且疏散操作难度较大，仅可以将其作为辅助疏散措施使用。室外疏散楼梯可为人员疏散提供重要安全保证，造价成本较低，结构比较简单，并不会占用建筑室内空间，全敞开式室外疏散楼梯在防排烟以及安全疏散过程中有至关重要的作用。

5.2 借助通风空调系统开展防排烟工作

这种设计可对原有设备进行充分利用，投资成本得以节约。系统运行会借助非着火区送风，及时对着火区排烟，以此方式实现防排烟目的，实现非着火区送烟，是通过风机以及送风口等，对非着火区进行送风，促使这一区域构成正压，避免烟气继续朝着非着火区蔓延；针对着火区排烟是将原来的送风口作为排烟口，利用独立的排烟管道将烟气顺利排出室外。送风口以及排烟口位置均需设置自动化装置，在烟气温度数值较低情况下可实现自动关闭。风道部分使用不燃材料，增加材料厚度，起到绝热的目的。

5.3 电梯井用作防排烟设施

针对高层建筑来说，结合实际情况确定电梯井是否用作自然排烟或者是正压送风。高层建筑中设置的电梯井，建筑内部设置具备排烟效果、满足相应规范要求的机械排烟系统，电梯井可进行自然排烟；反之可将其用作正压送风竖井。建筑内部设置具备防烟效果并且满足相应规范要求的机械防烟系统，电梯井在一定条件下可作为自然排烟使用；在建筑内部并没有设置机械防排烟系统，或者是这一系统的防烟效果并不能满足规范要求，需可结合电梯井送风量数值对结果进行计算，以此确定防烟方式，电梯井可同时作为正压送风竖井使用。

电梯井作为自然排烟井使用过程中需要实现与大气相通。基于此，需要在电梯井顶部位置设置排烟口，排烟口阀门部分需实现自动化开关，发挥防雨以及排烟的作用。电梯井用作自然排烟需要在某层电梯门的上部墙壁处设置排烟口或者接排烟用的风管，设置防火阀门，这一阀门可进行手动控制，也可进行自动化控制。与此同时，需要注意避免烟气进入到电梯房中，避免直接打开电梯门排烟，人员疏散过程中不会出现误入电梯造成伤亡的现象。

6 机械排烟系统与通风等系统联合使用中注意问题分析

设计通风系统、空调系统以及排烟系统过程中，凸显独立性，维护管理工作也比较便捷，不存在复杂技术，但其中也存在较多弊端，其一是建设造价成本增加，与规范经济理念不符合；其二是空间较小，两个系统的风管布置存在局限性；其三是机械排烟系统运转条件是在发生火灾时，平时仅仅是定期检修，部分建筑在投入使用后排烟系统并未运行过，传动机构逐渐锈蚀难以运作，排烟阀门部分也出现易熔片脱落情况，控制系统失去灵活性等，基于上述种种情况，排烟系统难以有效发挥作用，也面临成为火灾蔓延通道的风险。出于节省建筑空间目的，建设投资成本降低，保证排烟系统稳定性，一般情况下会利用两种系统联用方式。系统联用，在日常运行过程中按照通风空调系统运行，火灾发生时会切换装置自动转换为排烟系统完成排烟工作。此种设计系统会保证始终处于运行状态中，增强其可靠性。除此之外，排烟与通风空调系统联合应用后，可借助更加完善的自动控制管理系统，实现远距离中央控制，大大提升检测控制有效性以及可靠性。

两种系统联用过程中，需利用更具可靠性的防火安全措施，排烟系统要求得以满足，通风要求也要满足。