基于煙氣沉降的公共建筑排煙量計(jì)算方法探究

高若馨，李思成

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

近年來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)化速度越來(lái)越快，涌現(xiàn)出大量的公共建筑來(lái)滿(mǎn)足人們居住、娛樂(lè)的需求。與此同時(shí)，這些公共建筑也帶來(lái)了一定的消防安全問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)因火災(zāi)傷亡的人員中有90%以上是因煙氣致死[1]。因此，做好防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保證火災(zāi)中人員順利向安全區(qū)域疏散的重要因素之一。

我國(guó)最新實(shí)施的《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2](GB 51251—2017，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》)按照空間凈高的不同，對(duì)公共建筑中非中庭部位的排煙量有兩種不同計(jì)算方法：面積法和羽流法。在凈空高度小于或等于6 m時(shí)使用面積法，在凈空高度大于6 m時(shí)使用羽流法。兩種不同方法計(jì)算得出的排煙量必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的差異，而出現(xiàn)差異后哪種方法能夠更加有效地排出火場(chǎng)中的煙氣也值得探討。排煙量并不是越大越好，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后，繼續(xù)增大排煙量對(duì)其排煙效果影響不大[3]。本文通過(guò)理論分析不同凈空高度、不同防煙分區(qū)面積、不同火災(zāi)熱釋放速率在兩種計(jì)算方法得出的排煙量條件下的煙氣模型，得到不同凈空高度、不同防煙分區(qū)面積、不同火災(zāi)熱釋放速率條件下公共建筑煙氣層沉降規(guī)律，分析兩種排煙量計(jì)算方法的適用性。

1 煙氣層沉降理論分析

1.1 煙氣層高度

對(duì)于建筑內(nèi)部空間，煙氣層的高度取決于煙氣生成量和排煙量。在排煙過(guò)程中，如果機(jī)械排煙的速率大于煙氣生成速率，則煙氣層不會(huì)沉降，當(dāng)機(jī)械排煙速率等于煙氣生成速率，則煙氣層維持在某一高度，而當(dāng)煙氣生成速率大于機(jī)械排煙速率時(shí)，則煙氣會(huì)沉降。在機(jī)械排煙過(guò)程中，可用質(zhì)量守恒方程來(lái)表示煙氣高度的變化[4]，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，Mρ為煙氣生成速率，kg·s-1；Me為機(jī)械排煙速率，kg·s-1；A為空間的平面面積，m2；ρs為熱煙氣密度，kg·m-3；H為建筑高度，m；Z為煙氣層界面距地面的高度，m。

1.2 煙氣生成速率

本文中煙氣生成速率采用《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中的軸對(duì)稱(chēng)型煙羽流計(jì)算方法，見(jiàn)式(2)～式(4)。

當(dāng)Z>Z1時(shí)，

(2)

當(dāng)Z≤Z1時(shí)，

(4)

式中，Qc為熱釋放速率中的對(duì)流部分，一般取值為Qc=0.7Q，kW；Z1為火焰極限高度，m。

1.3 機(jī)械排煙量

1.3.1 面積法

《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中第4.6.3條第一款規(guī)定，建筑空間凈高小于或等于6 m的場(chǎng)所，其排煙量應(yīng)按不小于60 m3·m-2·h-1計(jì)算，且取值不小于15 000 m3·h-1。

1.3.2 羽流法

《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中第4.6.3條第二款規(guī)定，建筑空間凈高大于6 m的場(chǎng)所，其排煙量應(yīng)按式(5)計(jì)算。為使得煙氣控制在擋煙垂壁以?xún)?nèi)，式(5)中計(jì)算Mρ時(shí)，Z應(yīng)取地面到擋煙垂壁下沿的高度。

V=MρT/ρ0T0

(5)

式中，V為排煙量，m3·s-1；ρ0為環(huán)境溫度下的氣體密度，kg·m-3；T0為環(huán)境的絕對(duì)溫度，K；T為煙氣層的平均絕對(duì)溫度，K。

一般取T0=293.15 K，ρ0=1.2 kg·m-3。

1.4 煙氣溫度

本文中煙氣溫度采用《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中第4.6.12條的計(jì)算方法，見(jiàn)式(6)、式(7)。

T=T0+△T

(6)

△T=KQc/MρCρ

(7)

式中，△T是煙氣層平均溫度與環(huán)境溫度的差，K；Cρ為空氣的定壓比熱，一般取Cρ=1.01 kJ·kg-1·K-1；K為煙氣中對(duì)流放熱因子，當(dāng)采用機(jī)械排煙時(shí)取K=1.0。

1.5 煙氣密度

火災(zāi)中煙氣密度可以通過(guò)式(8)來(lái)計(jì)算。

ρs=352/T

(8)

將上述式(1)～(8)聯(lián)立，可以得出不同面積、不同凈高、不同火災(zāi)熱釋放速率條件下，公共建筑室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)以后的煙氣沉降過(guò)程及排煙效果。

2 條件設(shè)定及結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)熱釋放速率確定

根據(jù)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.7條規(guī)定，各場(chǎng)所火災(zāi)熱釋放速率不應(yīng)小于表1中數(shù)值。由于各場(chǎng)所中不設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)噴淋)的情況較少，本文只考慮設(shè)置噴淋的情況。根據(jù)表1所給的火災(zāi)熱釋放速率，設(shè)定四個(gè)常見(jiàn)火災(zāi)熱釋放速率分別代表四類(lèi)場(chǎng)所：代表辦公室、教室、客房、走道的1.5 MW；代表廠(chǎng)房、其他公共場(chǎng)所的2.5 MW；代表商店、展覽廳的3 MW；代表倉(cāng)庫(kù)的4 MW。汽車(chē)庫(kù)的防煙分區(qū)劃分及其排煙量執(zhí)行現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《汽車(chē)庫(kù)、修車(chē)庫(kù)、停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50067)規(guī)定，此處不作探討。

表1 火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率

2.2 計(jì)算判據(jù)

從報(bào)警到消防員到達(dá)火場(chǎng)一般不超過(guò)15 min，計(jì)算取1 000 s。煙氣層的安全高度取擋煙垂壁下沿距離地面高度。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》最大允許防煙分區(qū)面積規(guī)定，計(jì)算選用防煙分區(qū)面積分別為500 m2、750 m2、1 000 m2，凈空高度為4 m、6 m、8 m。結(jié)果見(jiàn)圖1～圖9。

由圖1可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為500 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在3.5 m。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，400 s后煙氣層高度穩(wěn)定在3.04 m；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.2 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在945 s時(shí)煙氣層高度降為0 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，在330 s時(shí)煙氣層高度降為0 m。

圖1 防煙分區(qū)面積500 m2、高度4 m時(shí)煙氣沉降

由圖2可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為500 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在5.4 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，800 s后煙氣層高度穩(wěn)定在3 m左右；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.25 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在970 s時(shí)煙氣層高度降為0 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，在390 s時(shí)煙氣層高度降為0 m。

圖2 防煙分區(qū)面積500 m2、高度6 m時(shí)煙氣沉降

由圖3可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為500 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在7.2 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，700 s后煙氣層高度穩(wěn)定在3 m左右；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.28 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為0.13 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，在430 s時(shí)煙氣層高度降為0 m。

由圖4可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為750 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在3.5 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW時(shí)，排煙量大于產(chǎn)煙量，煙氣不沉降；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，450 s后煙氣層高度穩(wěn)定在3.22 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為2.54 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.06 m。

圖4 防煙分區(qū)面積750 m2、高度4 m時(shí)煙氣沉降

由圖5可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為750 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在5.4 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.74 m；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為3.3 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為2.6 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.16 m。

圖5 防煙分區(qū)面積750 m2、高度6 m時(shí)煙氣沉降

由圖6可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為750 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在7.2 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.78 m；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為3.3 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為2.6 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為1.22 m。

圖6 防煙分區(qū)面積750 m2、高度8 m時(shí)煙氣沉降

由圖7可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為1 000 m2，凈空高度為4 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在3.5 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW、2.5 MW、3 MW時(shí)，機(jī)械排煙量大于煙氣生成量，煙氣不沉降；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為2.85 m。

圖7 防煙分區(qū)面積1 000 m2、 高度4 m時(shí)煙氣沉降

由圖8可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為1 000 m2，凈空高度為6 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在5.4 m處。而當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，排煙量大于煙氣生成量，煙氣不沉降；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.67 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.06 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為2.94 m。

圖8 防煙分區(qū)面積1 000 m2、 高度6 m時(shí)煙氣沉降

由圖9可知，當(dāng)防煙分區(qū)面積為1 000 m2，凈空高度為8 m，采用羽流法計(jì)算排煙量時(shí)，四種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣層高度均能穩(wěn)定保持在7.2 m處。當(dāng)使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為6.13 m；火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.71 m；火災(zāi)熱釋放速率為3 MW，在1 000 s時(shí)煙氣層高度為4.12 m；火災(zāi)熱釋放速率為4 MW，1 000 s時(shí)煙氣層高度為3 m。

圖9 防煙分區(qū)面積1 000 m2、 高度8 m時(shí)煙氣沉降

從以上分析可以看出，在使用面積法計(jì)算機(jī)械排煙量時(shí)，相同面積的防煙分區(qū)不同火災(zāi)熱釋放速率條件下有不同的沉降規(guī)律，火災(zāi)熱釋放速率越大煙氣沉降越明顯。火災(zāi)熱釋放速率相同時(shí)，不同防煙分區(qū)面積條件下也有不同的沉降規(guī)律，防煙分區(qū)面積越大煙氣層穩(wěn)定時(shí)的高度越高。

由圖1～圖9可以看出，當(dāng)采用羽流法計(jì)算機(jī)械排煙量時(shí)，各個(gè)工況在發(fā)生火災(zāi)后的1 000 s內(nèi)，煙氣層距地面高度總能高于擋煙垂壁距離地面的高度，能夠有效地將煙氣控制在防煙分區(qū)內(nèi)部。

當(dāng)防煙分區(qū)面積為500 m2，使用面積法計(jì)算機(jī)械排煙量時(shí)，本文中所有工況在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法將煙氣控制在儲(chǔ)煙倉(cāng)以?xún)?nèi)，火場(chǎng)中煙氣向其他防煙分區(qū)擴(kuò)散，無(wú)法滿(mǎn)足排煙需求。(1)火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，火災(zāi)發(fā)生后煙氣層高度穩(wěn)定在3 m左右，說(shuō)明凈空高度在3.5 m以下，防煙分區(qū)面積不小于500 m2、火災(zāi)熱釋放速率在1.5 MW以下時(shí)，使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。(2)其他三種火災(zāi)熱釋放速率情況下煙氣沉降后穩(wěn)定的高度均小于1.5 m，且小于最小清晰高度，不能滿(mǎn)足疏散需求。

當(dāng)防煙分區(qū)面積為750 m2，使用面積法計(jì)算機(jī)械排煙量時(shí)：(1)火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW的各個(gè)工況在發(fā)生火災(zāi)后煙氣穩(wěn)定在4.74 m，說(shuō)明凈空高度在5.24 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在1.5 MW以下時(shí)，面積不小于750 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的機(jī)械排煙量能較好地控制煙氣。(2)火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在3.22 m，說(shuō)明凈空高度在3.72 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在2.5 MW以下時(shí)，面積不小于750 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。(3)火災(zāi)熱釋放速率為3 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在2.54 m，說(shuō)明凈空高度在3.04 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在3 MW以下時(shí)，面積不小于750 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。(4)當(dāng)火災(zāi)熱釋放速率為4 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在1.06 m，低于最小清晰高度，不能滿(mǎn)足疏散要求。

當(dāng)防煙分區(qū)面積為1 000 m2，使用面積法計(jì)算排煙量時(shí)：(1)火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW的各個(gè)工況在發(fā)生火災(zāi)后煙氣穩(wěn)定在6.13 m，說(shuō)明凈空高度在6.63 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在1.5 MW以下時(shí)，面積不小于1 000 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的機(jī)械排煙量能較好地控制煙氣。(2)火災(zāi)熱釋放速率為2.5 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在4.67 m，說(shuō)明凈空高度在5.17 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在2.5 MW以下時(shí)，面積不小于1 000 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。(3)火災(zāi)熱釋放速率為3 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在4.06 m，說(shuō)明凈空高度在4.56 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在3 MW以下時(shí)，面積不小于1 000 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。(4)火災(zāi)熱釋放速率為4 MW時(shí)，煙氣層高度穩(wěn)定在2.85 m，說(shuō)明凈空高度在3.35 m以?xún)?nèi)，火災(zāi)熱釋放速率在4 MW以下時(shí)，面積不小于1 000 m2的防煙分區(qū)使用面積法計(jì)算的排煙量能較好地控制煙氣。

由上述分析可總結(jié)出使用面積法時(shí)滿(mǎn)足安全需要的情況，見(jiàn)表2。從表2可以看出，在相同防煙分區(qū)面積下，火災(zāi)熱釋放速率越大，最大凈空高度越小，說(shuō)明火災(zāi)熱釋放速率越大所需要的排煙量越大，且有研究表明，煙氣的生成量主要取決于羽流的質(zhì)量流量[5]，應(yīng)增加單位面積的機(jī)械排煙量[6]，從而使其適用范圍更廣。在相同火災(zāi)熱釋放速率下,最大凈空高度越高，最小防煙分區(qū)面積越大，求出其中對(duì)應(yīng)關(guān)系，可使其適用范圍增大。

表2 滿(mǎn)足安全需要的面積法計(jì)算排煙量的條件

本文通過(guò)計(jì)算多種情況下的機(jī)械排煙量，得出面積法計(jì)算中的單位面積機(jī)械排煙量與火災(zāi)熱釋放速率的經(jīng)驗(yàn)公式：

Vs=24+24×HRR

(9)

式中，Vs為單位面積機(jī)械排煙量，m3·m-2·h-1；HRR為火災(zāi)熱釋放速率，MW。

最小防煙分區(qū)面積經(jīng)驗(yàn)公式：

Am=88+125×H

(10)

式中，Am為防煙分區(qū)最小面積，m2；H為凈空高度，m。

以上經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)算證明，可應(yīng)用于凈空高度在6 m以下的各個(gè)場(chǎng)所，且都有良好的排煙效果。

3 結(jié)論

在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上，利用《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中的羽流公式和火災(zāi)煙氣溫度、密度模型，求解得出兩種機(jī)械排煙量計(jì)算方法下不同火災(zāi)熱釋放速率、不同防煙分區(qū)面積、不同凈空高度火災(zāi)發(fā)生后開(kāi)啟機(jī)械排煙系統(tǒng)時(shí)煙氣沉降的過(guò)程。結(jié)果表明，使用羽流法計(jì)算的機(jī)械排煙量能滿(mǎn)足安全需要，而使用面積法計(jì)算的機(jī)械排煙量只能在部分條件下滿(mǎn)足安全需要。提出兩個(gè)用于面積法計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)證可以用于面積法的計(jì)算，且較原有的方法有更好的排煙效果，適用范圍更廣。