淺析建筑排煙簡易設計計算的應用

張 濤

（晉中市公安消防支隊，山西 晉中 030600）

1 概述

火災發生后，因煙氣而造成的人員死亡遠大于因熱輻射、火焰或建筑物倒塌而造成的，而且火災蔓延主要是通過熱煙氣擴散實現。據有關資料統計數字表明，因火災而傷亡者中，大多數是煙害所致。火災中受煙害直接致死的約占1/3～2/3，因火燒死的約占1/3～1/2，而且火燒死中也是多數先受煙毒暈倒而后燒死。人們越來越深刻地認識到，通過提供一套有效的排煙系統，可以保障人身的安全，減少煙氣擴散而導致的火勢蔓延。但問題是對于低層建筑，特別是對于低層工業建筑人們對建筑物防排煙設施的重視程度仍遠遠不夠。我國現行的《建筑設計防火規范》第9.1.3條規定，下列場所應設置排煙設施：①丙類廠房中建筑面積大于300 m2的地上房間；人員、可燃物較多的丙類廠房或高度大于32 m的高層廠房中長度大于20 m的內走道；任一層建筑面積大于5 000 m2的丁類廠房；②占地面積大于1 000 m2的丙類倉庫……。可以看出，《規范》雖然明確規定了需要設置排煙設施的場所，但是如何設置排煙設施，在哪些具體部位設置；對于廠房或倉庫等特殊建筑，生產區、倉儲區與內走道之間沒有嚴格的區分限制，排煙設施究竟應在哪些部位設置而沒有一個統一明確規定。

為此，筆者參閱一些相關技術資料，提出一套簡單易于操作的排煙設計計算理論。

2 建筑排煙簡易設計

2.1 確定預期火災的大小

火災中產生的煙氣數量取決于火勢的大小。但是人們不可能簡單設計一個排煙系統來適應任何大小的火災。設計的火災模型不可能簡單認為是可能發生的最大的火災，因為最大火勢往往出現在轟燃后，燃及整個防火場所或防火區內的極盛期，設計的排煙系統也不是專門針對這類火災的。

通常情況下，一種實際和理論上更合理的方法是假設火勢在不斷變大。計算可簡化為選擇設定時間的火勢大小（例如：可以參照火災發現時間或人員疏散時間）或選擇轟燃即將發生前的火勢。如需根據實際情況設定時間，需根據人們所共知T形火來決定火災的大小。在此可以參照美國國家標準局對一系列的火災試驗基礎上分析得出的下列簡式來初步估算各種火災大小：

Q=at2

式中：Q：火災釋放的熱量，kW；

a：火災增長常數；

t：燃燒時間，s。

火災增長常數隨材料的狀況和火災房間布局而變化。表1給出了4種基本類型的火災增長常數。

表1 T型火概況

假設這種火災是在圓形范圍內，熱量釋放為500 kW/m2時，那么火災的區域為：Q/500

如果僅主要考慮人身安全，t為保證安全撤離所必需的時間，如果排煙系統設計以消防人員進入火災現場的，t為消防隊反應的時間。

2.2 計算煙氣體積和溫度

煙氣生成量與火勢的大小和煙氣上升的高度的關系為：

式中：Ce=0.188在吊頂離火較高的大空間量；

Ce＝0.210在吊頂離火較低的大空間量；

Ce＝0.337在具有通風口的小房間里；

M：煙氣的流量，kg/s；

P：火災周長，m；

Y：到煙氣層底的高度，m。

2.3 煙氣與周圍環境的溫差

θ=Q/M℃

式中，Q：設計的火勢大小，kW。

2.4 需排出的煙氣的體積為

式中：V：須排出的煙氣體積；

T0：環境溫度，通常為 20℃（293 K）。

T=θ+T0

式中：ρ0：環境大氣密度，kg/m3

通過上式，在計算煙氣溫度時，通常假設火災產生的熱量Q的1/3是被建筑物本身吸收的，其余2/3的能量是使煙氣溫度上升的。

另外，在設計時應充分考慮火場煙氣溫度過高，正常情況下θ的值大于200℃人們疏散逃生是較困難的，因此當計算所得θ值高于200℃時，需要重新設計排煙系統，或者在排煙區域內安裝自動噴水滅火系統以降低煙氣的溫度。

2.5 確定排煙點數目

我國《建筑設計防火規范》第9.2.4規定，自然排煙口距該防煙分區最遠點的水平距離不應超過30 m（因為大于這個距離將會使煙氣過于冷卻而與煙氣層下的空氣混合在一起）。第9.1.6條還規定機械加壓送風管道、排煙管道和補風管道內的風速應符合下列規定：采用金屬管道時，不宜大于20 m/s，采用非金屬管道時，不宜大于15 m/s。除此之外，從每個排煙口的臨界排煙速度應為：

式中：V：臨界排煙速度，m3/s；

d：從排煙點到煙氣層底的距離，m；

T0：周圍環境溫度，K；

Tc：煙氣溫度，K；

θ：煙氣與周圍環境的溫差（Tc-T0）℃。

圖1 物品倉庫的結構圖

2.6 設計實例

以一丙Ⅱ類物品倉庫為例簡要說明設計計算程序，見圖1。一多層倉庫，每層是一個20×15 m的防火分區，耐火極限為2 h，二部樓梯，通向樓梯間的門高度1.8 m,底板到吊頂的高度為3.2 m。

確定火災大小：對丙類倉庫，火災蔓延較為迅速，人們對火災的響應時間為300 s。

對照表1，a取 0.047，

Q=0.047 t2＝0.047×3 002＝4 230 kW

煙氣流量M=0.19PY3/2=0.19×10.3×23/2=5.5 kg/s

假設1/3的熱量被建筑結構吸收，則有效熱量為4 230×2/3＝2 820 kW

θ＝Q/M=2 820/5.5=513℃

T0=20 ℃，ρ0T0=354.5

確定排煙點數量：d=3.2（吊頂高度）-2＝1.2×m

臨界排煙速度

排煙管道的布置見圖1，排煙口到最遠點不超過30 m，考慮送風，排煙速度＝12.5 m3/s。

假設自然送風使用自動開啟低層進風的方法，最大進風速度為5 m/s，最小送風面積

3 結論

低層建筑，尤其是工業建筑，《規范》對這類場所排煙設施的要求不是很明確，人們在對該類型場所進行設計時所能參照的依據也不是很多。因此通過上述實例的分析，希望可以對其設計思路帶來啟發，同時也希望國家有關防排煙設計的專業規范能盡快出臺，逐步規范防排煙的設計、安裝、施工。