大空間公共建筑防排煙系統設計

唐棟超

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著城市建設的不斷加快，大空間公共建筑越來越多，一旦這類人員密集型建筑發生火災，給人員提供安全的疏散環境非常重要。當建筑物著火時，室內環境溫度會迅速升高，空氣因熱脹冷縮原理急劇膨脹，由于煙氣密度比空氣小，煙氣會在浮力作用下迅速上升，并在到達建筑頂部后水平擴散，逐漸積聚在建筑物頂部，形成煙氣層。為了防止煙氣不斷擴散，給人員逃生和消防救援創造有利條件，因此建筑內必須要設置防排煙系統。通過管道、設備等設施把火災時產生的大量濃煙較快排出，防止出現更大的安全隱患，降低施救難度。

1 防煙分區劃分

首先需要合理設置防煙分區，防止煙氣擴散，從而達到降低因火災煙氣造成的災害影響。《煙規（GB 51251—2017）》對劃分標準和原則已做了相關要求，室內凈高越大，防煙分區的允許面積越大。如果單個分區面積太大，煙氣會因擴散過程中的溫度下降而發生沉降，這對于排煙是非常不利的；而如果面積太小，勢必會降低這個區域的儲煙能力導致煙氣擴散速度加快，從而降低整個分區的阻隔效果。實際設計過程中我們除了綜合考慮機房面積、風井大小、管線安裝時的吊頂空間之外，還需考慮多分區控制的風量匹配性和合理性等因素。

比如，某地下商場，層高約4.5m，簡易平面如圖1 所示，圖1對面積相同的防火分區進行了不同方式的劃分。

圖1 防火分區

表1 列出了不同劃分情況下的計算值，比較防火分區A 和B，不難發現雖然系統排煙量相同，但是防火分區A 的劃分更合適，可以減少工程量且消防控制系統也更加簡單；比較防火分區C、和D，因劃分方式不同系統排煙量相差一倍，顯然防火分區D的劃分更合理，排煙量增大，設備容量、機房面積、風管尺寸等都需加大，不僅增加造價，還會影響室內吊頂高度，一般地下空間建筑層高都比較緊張，對于上部管線安裝空間的要求更加嚴格。另外需要注意，同一系統的各個分區的面積取值應盡量相近，如果相差太大，火災時排煙口和排煙風管的實際風量與設計風量不吻合，情況嚴重的話會出現煙氣層吸穿現象，從而導致實際排煙量的降低。

表1 防煙分區劃分情況

擋煙垂壁的設置既要滿足最小清晰高度，以保證火災時人員能夠快速安全撤離，又要考慮煙氣層厚度。清晰高度并不是越高越好，清晰高度越高，煙氣行程就越長，吸入冷空氣越多，煙量越大而煙氣溫度越低，對于排出煙氣是非常不利的。

對于建筑室內凈高大于9m 的場所，一般認為在這個高度煙氣的擴散不足以產生增大火災力度的影響，也不會因為煙氣的積聚對人員產生影響，因此可考慮不設擋煙垂壁，這就相當于我們要把大空間假想成若干個虛擬的防煙分區。這種情況從消防控制角度來說，各個分區之間沒有分隔，是一個整體的大空間，火災時產生的煙氣很可能會飄到相鄰分區，這會導致FAS 系統出現誤判的可能性，無法準確開啟著火區域對應的排煙閥或排煙口。因此，在條件允許的情況下還是建議設置物理擋煙垂壁，使得系統更加可靠。

2 排煙量與補風量計算

2.1 排煙量

對于凈高不超過6m 的場所，排煙量僅跟面積有關；對于凈高大于6m 的場所，排煙量與很多因素有關，比如建筑凈高、火災熱釋放速率、噴淋設置情況等，因此，排煙量應根據公式計算確定，且不小于《煙規》中的規定值。當建筑的凈高越大，垂直溫度梯度更加明顯，浮力越小，排煙就越困難，排煙效率跟高度成反比。

當空間凈高（＞6m）一定時，我們以軸對稱型煙羽流為例：

由式（1）～式（3）可以看出，當 QC恒定時，質量流量 Mρ只跟 Z值有關，類似于一個冪函數y=axb，Mρ隨Z 值成指數增長或成線型增長。

單個防煙分區排煙量V：

由式（4）～式（6）可以得出，當 QC和 K 恒定時，V 是關于 Mρ的一次函數，類似于 y=ax+b，a=0.833，b=0.002815QC。排煙量 V 和質量流量Mρ兩者成正比關系。

最終得出結論，當火災熱釋放速率、空間凈高恒定時，Z 值越大，質量流量Mρ越大，排煙量V 就越大。Z 值對排煙效果影響非常大，Z 值的選取既要保證清晰高度，又要考慮排煙量過大導致排煙風機、排煙風道等設施加大的問題。在設計過程中，排煙量可以盡量控制在《煙規》第4.6.3 條的規定值附近，既滿足了最小值的要求，也不會因排煙量太大而要增加排煙設施的容量。

對于系統排煙量的計算，《煙規》上分了兩種情況：①負擔相同凈高的場所；②負擔不同凈高的場所。第二種情況的系統排煙量是先分別計算出每個相同凈高的場所，再取其中的最大值。但是，有些建筑物頂部是斜的或者弧形的，凈高連續變化，不能完全分割成幾個相同凈高的場所，這時可以分三種情況考慮：①當斜屋頂或弧形屋頂各處凈高均≤6m 時，排煙量只跟面積有關；②當斜屋頂或弧形屋頂各處凈高均＞6m 時，排煙量隨著高度增加而增大，按最大凈高計算出的排煙量取值較合理；③當斜屋頂或弧形屋頂局部凈高＞6m 其余區域≤6m 時，排煙量該如何取值。以商店、展覽廳為例，屋頂最高點處凈高為6.5m，最低點處凈高為5.5m，排煙量如表2 中所列，經過表2 中數據分析可以看出，這類場所由于不同的分區劃分，系統排煙量的取值方法會有所不同，所以實際工程中應按兩種方法分別計算后取最大值。

表2 系統排煙量計算

2.2 補風量

根據風量平衡的原則，必須要有進風才能實現有效排風。為了形成理想的氣流組織，火災時能迅速暢通地排除煙氣，排煙系統必須要設置補風。補風量取值最好控制在排煙量的50%～80%之間，主要是為了能形成足夠大的負壓，有效阻止煙氣向相鄰區域蔓延。《煙規》中，對于補風量的取值并不是非常清晰，出現了兩種不同的理解：①按系統排煙量的50%；②按最大防煙分區排煙量的50%，兩種方法計算出的補風量差別很大。假設某排煙系統風量計算如表3 中所列，按第一種觀點，補風量（20000m3/h）大于排煙量Q1（25000m3/h），這就不滿足排煙量大于補風量的規定。只有當兩個防煙分區同時發生火災，系統的設計才成立，但這種情況又不符合“同一時間只有一處發生火災”的基本原則。倘若該分區內正好設有補風口，則會造成該分區出現正壓，使煙氣向其他區域蔓延。按第二種觀點，分區1 著火時，補風量QB為83%Q1，分區2 著火時，補風量QB為50%Q2，第二種計算方法更加合理。

表3 補風量計算

3 排煙口和補風口設置

布置排煙口時，首先要考慮煙流方向以及與安全出口的距離，避免逃生人員視線受影響；同時，要考慮煙氣的水平行程，行程越大，因溫度下降而越不容易被排除。若排煙口位置設置不合理的話，會造成煙氣組織混亂，影響排煙效果。有些省份（浙江、江蘇、陜西等）還對一個防煙分區內多個機械排煙口之間的間距做了規定，排煙口邊緣最小凈距（Ve為單個排煙口的計算排煙量，m3/s），目的也是使排煙更加均勻。

單個排煙口的最大允許排煙量Vmax：

由式（7）可以看出，當排煙位置系數γ 一定時，排煙口與儲煙倉底部的距離越大，排煙口的允許排煙量越大。因此，排煙口的設置與煙氣層的高度、風口風速、尺寸均有關。當排煙口風速太大或者單個排煙口風量太大時，排煙口下的煙氣層會發生嚴重吸穿，新鮮冷空氣被吸入，從而減少了實際排煙量，導致煙氣層快速下降，影響人員安全疏散。

《煙規》中，當室內凈高≤3m 時，排煙口有個特殊規定，可不設在儲煙倉內，只要保證在1/2 凈高以上即可。如果采用的是自然排煙，那么排煙口在1/2 凈高以上就可以滿足規范要求。但是，如果采用的是機械排煙，排煙口若不在儲煙倉內，那就無法滿足單個排煙口允許風量的要求。部分省份（浙江、江蘇、陜西等）已經出了消防實施細則，對于凈高≤3m 的場所，排煙口只需滿足風速要求即可。其他沒有規定的省份，建議設置活動式擋煙垂壁，既不影響室內凈高，又可滿足消防排煙要求。

補風口的設置位置也需要注意，高度上應在儲煙倉以下，水平方向應滿足與排煙口的最小水平距離（5m），設計中應盡可能增大補風口與排煙口的間距，這樣煙氣不會被擾動，有利于煙氣排除。

4 結語

本文是對大空間公共建筑防排煙系統設計的一點總結，主要介紹了防煙分區的設置，擋煙垂壁高度的控制，排煙量、補風量的計算，排煙口、補風口的設置原則。在實際設計過程中，對于各種形式多樣的大空間公共建筑，要依據工程的不同實際情況靈活設計。