防排煙系統(tǒng)設計中幾個關鍵參量的設置問題研究

李思成

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前，我國高層建筑、綜合體建筑等大型建筑的數(shù)量越來越多。這些建筑火災荷載大、人員集聚多、疏散距離長，一旦發(fā)生火災，會造成較為嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-2]。例如，2009年2月9日，央視附屬文化中心大樓工地發(fā)生火災，造成1名消防隊員犧牲，過火面積8 490 m2。2010年11月15日，上海市靜安區(qū)教師公寓發(fā)生火災，該建筑共28層，火災豎向蔓延迅速，高壓水槍及云梯車均不能達到建筑上部，最終造成58人死亡，70余人受傷。調查表明，火災煙氣造成的人員傷亡比例占到80%以上[3]。因此，設計良好的防排煙系統(tǒng)，對于有效減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，有著重要意義。

建筑發(fā)生火災時，普通電梯不能用作人員疏散，防煙樓梯間、疏散走廊作為人員安全疏散的必要通道，一旦被火災煙氣侵入，會嚴重影響建筑內人員的生命安全[4]。為了保證火災時人員安全疏散和消防員快速救援，許多大型建筑中都設置了防排煙設施，一般對防煙樓梯間進行防煙，對疏散走廊或比較大的房間進行排煙。防煙方式一般為機械加壓送風，通過向防煙部位送入新鮮空氣使其維持一定的正壓，防止煙氣侵入。排煙方式一般為機械排煙，通過風機和管道，把火災煙氣從排煙部位排出室外。

防排煙系統(tǒng)的良好設計，是防排煙設施發(fā)揮重要作用的前提。目前，防排煙設計的主要依據(jù)是相關的規(guī)范。專門的《防煙排煙系統(tǒng)技術規(guī)范》(送審稿)[5]將要頒布。然而，在這些設計規(guī)范當中，對一些重要的設計參量，并沒有做詳細的規(guī)定。本文從前室加壓送風口的位置設定、送風豎井粗糙度、送風豎井尺寸和排煙口設置高度等幾個方面，詳細介紹武警學院“火災煙氣控制研究中心”對這幾個問題的研究成果，為有效減少火災損失提供參考。

1 防排煙設計中存在的問題

1.1 前室送風口布置問題

前室防煙是在火災時對前室加壓送風，如前室門開啟，會在前室門門洞處形成足夠大的氣流以阻止煙氣進入。火災煙氣蔓延一般從著火房間進入走廊，在前室門的頂部從走廊流進前室，如圖1所示。從圖可知，即使前室門整體防煙速度足夠大，如果門頂部氣流速度不足，仍然無法阻擋煙氣進入前室。同理，當門洞頂部的防煙氣流足夠大時，即使整體門洞風速有所降低，依然能對前室進行有效防煙。

圖1 防煙方向與煙氣蔓延

本課題組在實際工程測試中發(fā)現(xiàn)，前室門門洞風速分布與前室送風口的設置位置有關[6]。因此研究前室合理的送風口位置，使得前室門處形成有效的防煙氣流是十分必要的。而關于建筑前室(合用前室)內送風位置的設置，我國現(xiàn)行規(guī)范《建筑設計防火規(guī)范》[7](GB 50016—2014)并未給出明確的規(guī)定，只是對加壓送風量、余壓值、送風口風速等做了相關規(guī)定，各類文獻期刊中也很少提及此類問題。這就造成了設計人員在系統(tǒng)設計時無章可循，實際工程中送風豎井可能處于前室中央，也可能處于角落等位置，送風口安裝高度不一致，風口與前室門的相對位置不一的現(xiàn)象。圖2所示為某高層建筑防排煙系統(tǒng)設計標準層平面圖。從圖中可以看出，同一座建筑中兩個前室大小和形狀相似，但是其送風口的設置位置卻截然不同，左側前室送風口靠近門洞，且在垂直門洞墻面布置，而右側前室送風口卻處于正對門洞墻面，而此建筑所選用送風系統(tǒng)的風機、風量以及送風口大小等均保持一致，如此火災情況下兩前室所能達到的防煙效果是否一致值得討論。

圖2 某高層建筑防排煙標準層平面圖

霍昭磐[8]利用FDS數(shù)值模擬，研究了送風口位置對前室門洞風速分布的影響。圖3為送風口處于正對前室門、送風量為10 000 m3·h-1時，不同送風口設置高度情況下門洞風速分布云圖。從圖中可以直觀的看出，不同送風口設置高度下，門洞風速分布呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。當送風口設置高度低于門洞時，送風口在對面墻壁的投影正好處于門洞內，此時門洞風速分布較為集中，呈現(xiàn)出中心速度大，逐漸向四周減小的規(guī)律；當送風口投影處于門洞正上方，即送風口的下沿超過2 m時，整個門洞均有風速分布，但不存在風速值過大的區(qū)域且呈現(xiàn)出中下部區(qū)域風速較大，頂部區(qū)域風速相對較小的規(guī)律。

(a)0～0.9 m

(b)1～1.9 m

(c)2～2.9 m

通過試驗和數(shù)值模擬方法，霍昭磐對不同情況下前室送風口的設置給出了詳細的結論。(1)送風口正對于前室門時，應將送風口設置于前室上部區(qū)域；在送風系統(tǒng)送風量一定的情況下，適當?shù)販p小送風口面積，可以提高門洞頂部區(qū)域風速大小，更有利于防煙；在送風口面積一定的情況下，適當?shù)亟档透邔挶?，使送風口呈扁平形狀，可以達到更佳的送風效果。(2)送風口側對于前室門時，隨著距門洞水平距離的增大，送風效果逐漸變差，此相對位置下送風口同樣應設置在前室上部區(qū)域。(3)送風口垂直于前室門時，為達到較好的送風效果，應將送風口設置于靠近地面處；此相對位置下不宜選用豎直安裝的長條型送風口；送風口與門洞的垂直距離對門洞風速分布影響較大，建議將送風口設置于墻面中央位置。(4)送風口處于前室門同側時，送風口設置于門洞兩側，送風口設置高度越低，距門洞越近送風效果越佳，但總體而言此時送風效果整體較差；送風口位于門洞正上方時送風效果相對較好，此時送風口下沿距門洞上沿距離不應超過20 cm且應同時避免過于貼近門洞，送風口高寬比對送風效果影響較弱。(5)建筑送風系統(tǒng)布置時，應優(yōu)先考慮布置在正對于前室門墻面且風口高于門洞，其次是垂直于門洞墻面的下部，最后是側對于門洞的上部區(qū)域。

這些研究成果，考慮了送風口與前室門不同的相對位置下，送風口的布置問題。設計人員可以在工程設計時予以考慮，以供在實際工程中全尺寸檢驗這些成果，經(jīng)過修正和完善，最后使前室送風口位置的設計達到最優(yōu)效果。

1.2 送風豎井粗糙度問題

目前，高層建筑的加壓送風系統(tǒng)在施工過程中，送風豎井多采用混凝土內壁，很少使用金屬材料制作管壁，且送風豎井施工質量較差，多數(shù)豎井內壁達不到光滑井道的標準，現(xiàn)行規(guī)范中，對送風豎井內壁材料及施工標準并無明確要求。劉海嘯[9]以前室送風系統(tǒng)為例，研究了送風豎井壁面粗糙度對加壓送風效果的影響。

送風豎井管壁粗糙度增大，會增加送風豎井的沿程阻力損失，從而導致送風口分配到的有效送風量減小，送風效率降低。本課題組利用網(wǎng)絡數(shù)值模擬軟件，研究了送風豎井粗糙度的改變對送風效果的影響。模擬采用前室單獨送風，樓梯間自然通風的方式，送風風機設置在建筑頂部。分別假定2層、9層、16層、23層和30層為著火層，模擬時著火層前室、樓梯間門均為開啟狀態(tài)，送風管道材料分別選用混凝土、礦渣石膏板、鋼板和碳鋼板，管壁粗糙度分別選取3,1,0.15,0.03 mm。圖4為不同管壁粗糙度情況下前室的開門風速。由圖可以看出，送風豎井管壁粗糙度對前室門洞風速值有較大的影響。前室門洞風速整體呈現(xiàn)隨著樓層數(shù)的增大門洞風速增大的現(xiàn)象。當著火層位于建筑2層，管壁粗糙度為3 mm時，前室門洞風速值為0.58 m·s-1，當粗糙度減小到0.03 mm時，前室門洞風速值為0.86 m·s-1，增大了48%。從圖中還能看出，當管壁粗糙度小于0.15 mm時，該建筑各樓層的前室門洞風速均能達到防煙要求。粗糙度為0.15 mm時對應的管道材料是鋼板。實際工程中，使用鋼板作為送風豎井材料的建筑較少，大多建筑選用石膏板或混凝土，這樣會導致部分較低樓層的加壓送風系統(tǒng)達不到防煙效果。因而消防執(zhí)法人員在對建筑進行驗收時也應關注施工質量的問題，如送風豎井的材料選用問題，防止因材料選用不當導致建筑投入使用后防煙效果不佳的問題出現(xiàn)。

圖4 管壁粗糙度與前室門洞風速之間的關系

1.3 送風豎井尺寸問題

對于送風豎井的尺寸，規(guī)范主要通過限制送風管道的設計流速來實現(xiàn)。《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術規(guī)范》(送審稿)第3.3.7條規(guī)定：送風管道應采用光滑的不燃燒材料制作，且不應采用土建井道。當采用金屬管道時，管道設計風速不應大于20 m·s-1；當采用非金屬材料管道時，管道設計風速不應大于15 m·s-1。這條規(guī)定，主要是防止在實際工程設計中，送風豎井過小，阻力過大，造成風量過低。然而在實際工程設計中，一般都選用規(guī)范規(guī)定的最大值，這樣可以節(jié)省建筑空間。送風豎井的尺寸大小對防煙效果到底有多大影響呢？本課題組的劉海嘯[9]運用網(wǎng)絡節(jié)點模型CONTAM研究了這個問題。

模擬采用前室單獨送風的防煙方式，建筑共18層。加壓送風量取19 120 m3·h-1，分別選取4層、8層、15層、18層為假定著火層，設置著火層前室送風口及樓梯間門和前室門為打開狀態(tài)，送風豎井的橫截面積分別設置為0.4,0.6,0.8 m2，對應的豎井內風速分別為13,9,7 m·s-1，模擬得到豎井截面積與樓梯間門洞風速的關系，結果如圖5所示。由圖可以看出，前室單獨送風時，改變送風豎井的截面積對于提高防煙效果作用明顯，以4層為例，當豎井橫截面積為0.4 m2時，其門洞風速值為0.52 m·s-1；而豎井橫截面積為0.8 m2時，門洞風速值為0.74 m·s-1；當豎井橫截面積為0.8 m2時，無論起火位置位于建筑的哪一層，相應的門洞風速值均大于0.7 m·s-1，均可滿足阻擋煙氣蔓延的要求?？梢姡惋L豎井的尺寸對送風效果影響較大。在設計時，不應該僅僅滿足于規(guī)范規(guī)定的最大允許值，還應該綜合考慮管道的粗糙度等問題，設計出更好的工程，滿足防煙效果。

圖5 前室單獨送風時豎井截面積與門洞風速的關系

1.4 排煙口高度問題

高層建筑走廊中，機械排煙口的安裝方式主要有頂棚安裝和側墻安裝兩種。發(fā)生火災時，由于煙氣在熱浮力的作用下向上流動的特性，頂棚安裝的排煙口在一般情況下的排煙效果理論上要好于側墻安裝的排煙口。但是在實際建筑工程中，由于施工困難以及成本高等原因，很多高層建筑中的機械排煙口安裝在側墻，且安裝高度也不固定，導致在實際的工程中，排煙口的安裝高度各種各樣。目前，我國現(xiàn)行消防規(guī)范對機械排煙口的安裝高度問題作出了相關規(guī)定，如《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術規(guī)范》(送審稿)第4.3.12條規(guī)定：走廊內排煙口應設在其凈空高度的1/2以上，當設置在側墻時，其最近的邊緣與吊頂?shù)木嚯x不應大于0.5 m。但其對排煙口的設置高度只進行了較為寬泛的范圍規(guī)定，沒有更加明確的規(guī)定。

本課題組李青[10]通過1/3小尺寸試驗和數(shù)值模擬方法，研究了不同排煙口的安裝高度對排煙效果的影響。圖6是不同排煙口安裝高度下的煙氣層高度片光源圖。根據(jù)比例尺寸的計算，最后研究結果為，當排煙口上沿與頂棚的距離超過0.3 m時，走廊內的平均溫度和火場能見度均超出人員所能承受的安全范圍，因此建議高層建筑環(huán)形走廊內機械排煙口距頂棚的距離不應超過0.3 m。

(a)排煙口靠近頂棚

(b)排煙口距頂棚5 cm

(c)排煙口距頂棚10 cm

(d)排煙口距頂棚15 cm

2 結論

從上述分析來看，雖然防排煙規(guī)范對一些具體參數(shù)都進行了規(guī)定，但是在一些設置細節(jié)上還需要進一步完善，如前室加壓送風口的位置設定、送風豎井粗糙度、送風豎井尺寸和排煙口設置高度等。同時，一些設置參量應綜合考量目前我國相關產(chǎn)品的質量(如漏風量)、施工水平和相關設施的維護管理水平。只有從設計初始階段把許多參量設置清晰，才能從根本上保證防排煙設施在火災時發(fā)揮良好的效果。

[1] 高云,張浩,戈俊楠.高層建筑火災致因因素分析與防火安全對策[J].中國安全科學學報,2009,9(6):149-153.

[2] 魏捍東,張智.從央視大火探討超高層建筑滅火對策[J].消防科學與技術,2010,29(7):606-612.

[3] 徐志勝,姜學鵬.防排煙工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4] 李冬姝.高層民用建筑樓梯間加壓送風方式分析[D].哈爾濱:哈爾濱建筑大學,1999.

[5] 建筑防煙排煙系統(tǒng)技術規(guī)范(送審稿)[S].

[6] 陳汪海濤.前室送風口位置對門洞風速分布影響的研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院,2014.

[7] 中華人民共和國公安部.建筑設計防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[8] 霍昭磐.高層建筑前室送風口設置對防煙效果影響研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院,2017.

[9] 劉海嘯.高層建筑防煙樓梯間加壓送風效果影響因素研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院,2016.

[10] 李青.高層建筑環(huán)形走廊機械排煙口布置對排煙效果的影響[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院,2016.