對自然排煙方式中“自然條件”的可靠性分析

任志鵬

摘 要：文章以室內火災為核心，首先指出幾種常見的防煙排煙方式，然后介紹了自然防煙排煙在高層建筑中的應用，最后分析了自然條件的可靠性，以供參考。

關鍵詞：室內火災；防煙排煙；自然條件；可靠性

中圖分類號：D631.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0185-02

室內火災指的是限定在一個房間內的火災事故，隨著火源的擴大，相近的可燃物可能出現明火燃燒，繼而產生煙氣。當煙氣溫度、擴散流動到一定程度后，火災發展就會受限，因此房間大小、幾何結構、室內布局等，均會對火災發展造成影響。如何控制火災煙氣、避免隨意擴散，成為一項研究重點，以下針對自然排煙防煙進行深入探討。

1 針對室內火災的防煙排煙方式

就目前而言，室內火災的防煙排煙方式，主要包括以下三種：

第一，自然排煙。煙氣自身具有浮力，加上外部風力的作用，就能夠經過建筑物內部到達排煙口，促使煙氣排出室外。該方式雖然成本低、安裝簡單，但是排煙效率會受到煙氣和外部環境的影響。舉例來說，煙氣溫度越高，自身浮力越大，流動驅動力強，因此排煙效率高；相反煙氣溫度低，自身浮力就小，流動驅動力弱，因此排煙效率低。

第二，機械排煙。即輔助應用機械設備如風機，促使室內的煙氣流向排煙口，實現排煙效果。該方式的排煙效率高，而且性能相對穩定。當然，要求前期投入一定資金成本，用于購買風機設備和支付安裝費用。

第三，密閉排煙。依據《人民防空工程設計防火規范》（人防規范），其中明確指出密閉排煙是在火災發生后，關閉房門、管道、通道等，促使火區內外相互隔斷，因缺氧最終導致火災熄滅[1]。該方式不需要設置排煙通風系統，既經濟又方便，但是在實際應用中會受到多種因素的限制，因此排煙效率不穩定。

2 高層建筑自然防煙排煙的技術應用

2.1 排煙形式

依據《高層民用建筑設計防火規范》中要求，除建筑高度超過50m的一類公共建筑和建筑高度超過100m的居住建筑外，靠外墻的防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室和合用前室，宜采用自然排煙方式。而自然排煙的形式，包括開啟外窗、陽臺或凹廊、專用排煙豎井或排煙口三種。其中，第一種、第二種適合所有的高層建筑，第三種不適合在無窗房間、內走道、樓梯間前室中使用。因為排煙豎井的占地面積大，且對豎井上的窗口、排煙口要求較高，當室內、室外溫度差異較大時，會影響排煙效果。開啟外窗宜采用平開或者推拉形式，對于上懸窗不應作為自然排煙窗，因為上懸窗排煙口屬于窗的下方，風壓在懸窗內側形成負壓，排煙效果極差，同時在上懸窗排煙口位置較低的情況下，煙氣離地面距離較近，影響人員逃生效率。

2.2 系統設計要求

自然排煙方式的設置，應該滿足以下條件[2]：第一，樓梯間前室、消防電梯前室中，開窗面積應該在2m2以上，合用前室則超過3m2。如果防煙樓梯間靠近外墻，每5層的開窗面積之和應該在2m2以上。內走道長度在60m以內，開窗面積應該達到走道面積的2%以上；排煙房間開窗面積達到房間面積的2%以上。凈空高度在12m以內的中庭，開窗面積應該達到中庭面積的5%。第二，防煙樓梯間前室、合用前室若是利用陽臺、凹廊進行排煙，那么樓梯間內可以不設置防煙設施。第三，排煙窗應該設置在上方，并且保證開啟方便。

2.3 存在的缺陷

高層建筑中，自然排煙方式的缺陷包括三點：一是建筑設計制約。煙氣的自然排放必須經過外墻上的窗戶，因此要求排煙房間靠近室外，而且進深不能太大。同時，還要設計開窗面積，即使有分隔要求的房間也要設置外窗，如此就會帶來防塵、隔音問題。二是具有火災蔓延風險。煙氣通過外窗排出室外，如果自身溫度較高，且含有未充分燃燒的氣體，就可能導致煙氣排出后形成火焰，致使火災蔓延到上層建筑[3]。三是排煙影響因素多。自然排煙本身就不穩定，而且還會受到煙氣溫度、室外風向、風速變化、建筑熱壓、煙囪效應的影響，因此排煙效率差，且排煙過程難以控制。

3 自然排煙防煙“自然條件”的可靠性分析

3.1 假設條件

按照《高規》的規定，自然排煙需要的自然條件是風壓、熱壓。由于實際情況中排煙條件較為復雜，因此必須進行假設，以簡化環境條件，具體如下[4-5]：第一，以年度為周期，將我國城市劃分為夏季、冬季、過渡季，其中夏季產生反向熱壓作用，冬季產生正向熱壓作用，過渡季只有風壓、沒有熱壓。第二，在熱壓作用下，建筑物上會形成壓力為0的中和界，假設中和界位于建筑高度的1/2處。第三，建筑物的密閉性滿足規定，且熱壓系數相等，取值為常數KR。而火災的發生季節、發生樓層具有隨機性。第四，前室、合用前室、防煙樓梯間內，均設置了1個可以開啟的排煙外窗。第五，風向、風頻具有均勻性，其中迎風面的風壓系數Kyp為0.468，背風面的風壓系數Kbp為0.408。由于兩者的絕對值差異較小，所以取平均值為0.438。第六，煙氣在走道內水平流速為0.3-0.8m/s，經過長距離流動后，由于溫度降低，流速接近0.3m/s，壓差在0.2Pa以內。考慮到靜風的風速為0.3m/s，因此靜風狀態下煙氣無法排出。

3.2 風壓和熱壓的特性

第一，熱壓分布的豎直面上，以中和界進行劃分，是一條上下、左右均對稱的線段。第二，風壓分布的水平面上，以迎風面、背風面進行劃分，迎風和背風左右對稱；但在豎直方向上，表現為上部壓力大、下部壓力小的曲線[6]。

3.3 概率理論

由于火災的發生時間、發生地點是隨機的，風壓、熱壓的出現也是隨機的，因此需要引入概率理論。以隨機事件A為例，發生概率以P（A）表示。

3.4 可靠度計算

如果隨機事件事先可以確定結果，也就是風壓△Pf或熱壓△Pr單獨作用條件下。第一，在過渡季，風壓單獨作用記為隨機事件A，能否自然排煙具有互斥性，因此P（A）=50%。第二，熱壓單獨作用記為事件B，和事件A類似，可得P（B）=50%。

如果隨機事件事先不能確定結果，也就是風壓或熱壓同時存在條件下。第一，冬季熱壓△Prd、迎風面風壓△Pfy同時作用，丨△Pfy丨<丨△Prd丨，記為事件C；丨△Pfy丨=丨△Prd丨，記為事件D；丨△Pfy丨>丨△Prd丨，記為事件E。分析可知以上三種情況均對排煙不利。第二，冬季熱壓△Prd、背風面風壓△Pfb同時作用，丨△Pfb丨<丨△Prd丨，記為事件F；丨△Pfb丨=丨△Prd丨，記為事件G；丨△Pfb丨>丨△Prd丨，記為事件H。分析可知以上三種情況均對排煙有利。同理分析夏季熱壓△Prx和迎風面風壓△Pfy、背風面風壓△Pfb之間的作用關系，可以得到事件I、J、K，對排煙不利；事件L、M、N，對排煙有利。

綜合以上各種隨機事件可知，對自然排煙有利的情況、不利的情況分布相等，因此可以認為在風壓、熱壓作用下，自然排煙的可靠度為50%。

4 結束語

綜上所述，自然排煙是針對室內火災的防煙排煙方式之一，將其應用在高層建筑中，不僅操作簡單，而且節約成本。但同時也存在一些缺陷，例如建筑設計制約、具有蔓延風險、排煙影響因素多。文中針對自然排煙防煙的自然條件進行分析，結果得出在風壓、熱壓共同作用下，可靠度為50%。

參考文獻：

[1]熊筠，馮小軍.對防煙樓梯間自然排煙窗不同設置排煙效果的探討[J].消防技術與產品信息，2015（12）：22-25.

[2]武小，高強，武曉飛，等.防煙樓梯間及前室和合用前室的防煙設計[J].山西建筑，2015，41（5）：110-111.

[3]孫瑜，姜杰文.淺談高層建筑防煙樓梯間防排煙設計[J].中國建筑金屬結構，2013（36）：79.

[4]向勇.民用建筑防煙措施調研與探討[J].暖通空調，2017（01）：35-38.

[5]歐德華.高層建筑安全疏散中存在的問題及對策研究[J].產業與科技論壇，2012（24）：212-213.

[6]杜紅.室內火災防排煙方式選擇的一些思考[J].消防技術與產品信息，2014（10）：28-30.endprint