高層建筑加壓防煙設計主要問題研究

●徐文毅

(武警學院 消防工程系,河北 廊坊 065000)

我國高層建筑發展較晚,對高層建筑防排煙方面的科學研究起步亦較晚。近年來高層建筑發展很快,建筑火災中防排煙問題的重要性大家雖有共識,但我們的實驗數據及運行管理手段均較缺乏,不能滿足實際高層建筑工程設計的需要。雖然在《高層民用建筑設計防火規范》(以下簡稱《高規》)中有原則規定,在一些設計資料中也有所介紹,但對設計者來說,根據高層建筑不同平面布置、工程規模、使用功能等要求,設計一個能滿足這些要求的加壓防煙系統仍感困難。另外《高規》只著重對與火災有關的內容作了規定,不可能包羅萬象,因為各個專業或學科,均有其自身獨立的內容,有些專業文件也不可能都包羅在《高規》條文之中,如果忽視這些內容,仍然會影響加壓防煙的效果,降低防煙系統的可靠性,甚至使防煙系統失去防煙功能。本文對加壓防煙設計中出現頻率較高的幾個主要問題進行分析,并提出一些看法和措施,以供參考。

1 加壓防煙系統的風機壓頭問題

在加壓防煙系統設計時,設計人員往往只注意送風量的確定,而不注重系統阻力計算。他們大多憑借自己的主觀直覺,估算壓頭是否符合實際情況;而風機風量通常也是按《高規》表 8.3.2.1～4中的現成數據選用的。但風機的風量與壓頭是相關參數,一個風量參數是不能決定風機型號的。據加壓防煙設計工程統計：對 20～32層的前室(包括合用前室)加壓送風防煙系統選擇的風機壓頭最小有 273Pa,最大有1 324Pa,而且防煙樓梯間與前室加壓風機的壓頭多數會取同一數值。風機壓頭計算公式：

式中,P——風機全壓,Pa;

Pm——最不利環管道壓頭損失,Pa;

k——整個管網局部壓力損失與沿程壓力損失的比值;

ΔP——余壓,Pa;防煙樓梯間取 40～50Pa,前室、合用前室、消防電梯間前室、封閉避難層(間)取 25～30Pa。

實際上,如果前室和防煙樓梯間都是常開自垂式百葉風口,風機壓頭可能相差不大;但如果前室采用的是常閉型風口,火災時只開啟著火層和與其相鄰的上、下層風口,防煙樓梯間采用的是常開型自垂式百葉風口時,由于防煙樓梯間豎向風道各風口有泄流量,豎向風道斷面是不變的,其最不利環路的阻力會比前室加壓防煙系統的要小得多。

如果選擇的風機壓頭與系統實際阻力不匹配,風機工作點就會產生飄移,當所選擇的風機壓頭比系統實際阻力小時,風機的風量就達不到設計風量的要求。如果選擇的風機壓頭比系統實際阻力大時,實際風機的風量將比設計要求的風量大。風機風量過大會造成電機超載甚至燒毀電機,風量過大還會使前室超壓。因而會大大降低防煙系統的可靠性,這不能不引起我們的注意。

2 建筑風道內壁的絕對粗糙度問題

既然加壓防煙系統的阻力計算常被忽視,與之密切相關的豎向風道內壁絕對粗糙度的問題更不必說,因此,設計人員很少對施工單位提出粗糙度的工藝要求。風道內壁絕對粗糙度的大小,直接影響風道的單位長度摩擦阻力,關系到風機壓頭的選擇。一般常用風道(管)內表面的絕對粗糙度 K值見表1。

表1 常用風道(管)內表面的絕對粗糙度

實際工程中的風道,往往談不上光滑,因為有些由于操作不便,抹灰困難,甚至連磚縫都沒有鉤,表面高低不平,漏風嚴重。設計中應由暖通方對土建方提出這方面的工藝要求。

阻力計算中應盡可能符合實際地估計風道內壁的絕對粗糙度K值的大小。K值不同,同一加壓防煙系統阻力也是不同的。對不同的K值,其單位長度摩擦阻力 Pm(Pa·m-1)可按下列公式計算：

式中,de為風道當量直徑,m,de=2ab/(a+b),a、b為矩形風道長、短邊長度,m;U為風道內平均流速,m·s-1。

其中,(2)式的使用范圍為 de=0.2～2.0,U=5.0～20;(3)、(4)式的使用范圍為 de=0.5～2.0,U=3.0～12。

當豎井 F=0.445m2,de=0.616,U=10時,現將 3種 K值的Pm的計算結果列于表2以便于對比。在上述諸條件下,絕對粗糙度 K=3.0的單位摩擦阻力為K=0.15(鋼板風管)的 1.87倍,這不能不引起重視。

表2 3種 K值的單位摩擦阻力

3 送風豎向風道斷面長、寬比問題

在加壓防煙系統設計時,設計人員通常只按《高規》控制的斷面風速,混凝土風道不大于 15m·s-1來控制風道的斷面面積,不重視斷面長短邊的比值,多數把土建風道的設置權交給建筑專業。而建筑專業并不了解加壓送風的工藝要求,一般只保證風道面積的要求。在工程中,尺寸 a×b=4 500×250、a×b=3 000×200、a×b=2 000×150等都是常見的。

從流體力學理論可知,在其他條件相同時,介質在圓形風道內流動的阻力最小;正多邊形次之,這里指邊數大于 4的正多邊形,邊數越多阻力越小;正方形再次之。土建風道一般做成矩形,如果按控制風道斷面風速算得的風道斷面面積提供給建筑專業,又不交代工藝要求,建筑專業為了便于布置,往往把風道壓得很扁,這樣扁的加壓送風道帶來了諸多弊端：一是邊長比值變小,會增大風道的阻力;二是內尺寸短邊太小給磚砌風道內壁抹灰帶來困難,有的甚至不能進行抹灰操作,使風道內壁絕對粗糙度增加,單位長度摩擦阻力增大,也增大了漏風量;三是短邊尺寸太小,使人不可能進入風道內檢修,施工過程中掉入的垃圾堵塞風道時無法清理;四是安裝的風閥尾部有可能突出風道內,增大風道阻力。

現以風道斷面面積 F=0.48m2,風速 U=10.417的矩形風道為例,當風道斷面面積和風速不變時,風道邊長比的變化,對單位長度摩擦阻力的影響結果列于表 3以便對比。

表3 矩形不同邊長比 Pm值比較表

4 豎向風道斷面風速的選擇問題

《高規》第 8.1.5.2條規定,采用內表面光滑的混凝土等非金屬材料風道時,流速不應大于 15m·s-1。如果不分情況一律采用 15m·s-1的極限值是不合適的。目前建筑風道四面全是混凝土材質的不多,要認定內表面是光滑的,在土建施工中不提出要求是很難辦到的。風道內流速的選擇應根據絕對粗糙度及材質等諸多因素來確定。

對防煙樓梯間或選擇常開型送風口的前室(包括合用前室),加壓送風防煙系統起始風速采用 15m·s-1是可行的,因為這種豎向風道,各層都有途泄流量,風道斷面不變,第一個風口后的各段風道內的速度是遞減的,越往后風速越小,因此系統的總阻力小。但對選用常閉型送風口的前室加壓送風系統,如果火災時,只開啟著火層及其相鄰的上、下層風口,當不考慮關閉風口的漏風時,從風機出來以后的第一個風口,到著火層的前一個風口之間這段風道內的風速是不變的。建筑層數較多,如果風道內的起始風速也采用 15m·s-1就不合適。如果火災發生在距離加壓風機的最遠一端,建筑物層數越多即風道長度較長時,系統總阻力可能較大,遠端和近端阻力相差懸殊。按遠端最大阻力選擇的風機,其風量能滿足設計風量的要求,近端火災時,由于阻力小很多,風量會急劇增加,不僅會形成前室內超壓,甚至使風機的電機過載而燒毀。

5 風機特性選擇問題

《高規》對加壓防煙系統風機的特性未作具體規定。由流體力學理論可知,高層建筑防煙系統的阻力 H(Pa),隨風道的長度 L(m),風道內表面的絕對粗糙度 K,風道內的平均流速 U的增大而增大,隨風道的當量直徑de的減小而增大,即：

防煙系統用來選擇風機壓頭的阻力,取決于防煙系統離風機遠端火災時的阻力 Hmax,但是按設計風量L(m3·h-1)與Hmax選擇的風機,由于近端火災時系統阻力 Hmin很小,△H=Hmax-Hmin差值很大,一般都很容易超出風機的性能曲線LH范圍。因此不能只按加壓送風量L和最不利環路的阻力Hmax來選擇風機,還應校驗風機在風量L變化不大的情況下,風機近端火災時系統的最小阻力Hmin所確定的工作點是否仍在該風機的性能曲線L-H范圍之內,和風機所需功率N(kW)是否超出電機的過載能力。這類風機通常應是風量變化不大而壓頭變化較大,即L-H曲線陡峻的風機。

當 △H=Hmax-Hmin過大,選不到合適的風機時,可采取以下措施解決：(1)降低風道內的平均流速 U;(2)減少風道內表面絕對粗糙度 K,如對風道內表面提出施工時抹光的要求,或改變風道材質等;(3)盡可能使風道邊長比b∶a接近 1,或增大當量直徑de;(4)改變加壓風機的位置,將加壓風機置于風道長度的中間位置;(5)改變風機轉數增設變頻調速器以壓力或風速、流量傳感器控制風機轉速。

從以上分析看出,有的問題《高規》并未明文規定,但若加壓防煙系統設計忽視相關技術問題,結果就會降低加壓防煙系統的可靠性,甚至使加壓防煙系統失去防煙功能。這雖不構成違規,可一旦發生火災,同樣會對人們生命財產造成重大損失,這必須在工程設計中予以重視。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].第二版.北京：中國建筑工業出版社,2007.

[2]GB 50045-95(2005年版),高層民用建筑設計防火規范[S].

[3]劉朝賢.加壓送風防煙有關問題的探討[J].四川制冷,1998,(4).

[4]葛建曉,石哲明.高層民用建筑加壓送風系統設計與探討[J].消防科學與技術,2004,23(6).