對建筑中機械排煙管道選擇要求的探討

葛秀方

(安徽省合肥市消防救援支隊，安徽 合肥 230001)

0 前 言

隨著我國城鎮建設的高速發展，高層、地下建筑、大空間大跨度建筑和多種功能集于一體的場所數量大幅增加。這些建筑內部結構比較復雜，外窗開設較少，一旦發生火災后，煙氣很容易在建筑內部迅速擴散，如果機械排煙管道布置選型不正確，煙氣難以在短時間內排除，人員逃生困難，并積蓄熱量導致火勢迅速蔓延。2008年1月2日，烏魯木齊德匯國際廣場批發市場發生火災，產生大量高溫煙氣，現場的機械排煙未發揮有效的作用，導致火勢迅速突破了所有的防火分區沿水平和縱向蔓延形成立體燃燒。火災造成3名員工死亡，過火面積約65 000 m2,直接財產損失約3億元。

建筑中機械排煙系統管道的設計是一個比較復雜的過程，包括管道材質的選擇和管道的布置。確定管道的尺寸，確定管道不同部位的支撐連接方式，并考慮其他特殊技術要求，因此，建筑中排煙管道的布置選型非常重要。

1 管道設計布置要點

所謂管道的布置，就是將排煙系統的各種設備及其附件按一定順序連接起來組成一個整體，因此，管道的布置要服從機械排煙的工藝線路線和建筑物的總體布置，又便于安裝、檢修和維護。儀表、閥門要裝設在便于操作、便于觀測的位置，這樣才能給運行操作和計算管理帶來方便。此外，還應盡可能減少占地面積和侵占空間。

1)排煙管的布置應不影響生產過程，不影響建筑物的美觀，不影響疏散安全，并盡量減少建筑物的占用空間，便于安裝、維護和管理。

2)排煙管不得與工業通風共同使用，因工業生產容易產生易燃易爆氣體、蒸汽或粉塵，會引起燃燒爆炸。另外，空調系統和機械排煙系統必須是獨立的，獨立的機械排煙系統可以正常用于通風換氣。如果通風和空調系統具備以下條件也可以進行排煙。

(1)排出的煙氣一定不能通過過濾器和空調器等，否則會影響排煙效果。

(2)排煙口應設安裝有遙控或自動切換的排煙防火閥，動作溫度應小于或等于280℃。

(3)鋼制排煙管的壁厚應符合技術要求，不小于1.5 mm，同時管道和保溫材料均應用不燃材料制成。

(4)通風空調系統應根據排煙系統的要求設計，一定要考慮管道尺寸、排煙量大小，電源、材料、風機的正確選擇等。如風管兼作排煙管道時，其安裝如圖1所示。

圖1 兼作排煙管道時的安裝要求

3)內走道和房間的排煙系統設置應分開，走道內的排煙系統應垂直布置，但為了防止排煙風機過負荷運行，可以采取將排煙系統分成多個系統的方法，但每個排煙系統的排煙口不應超過30個，這樣可以減少漏風量。但是，不能采用上層煙氣引到下層管道的形式設計，需要排煙地下室同時要考慮設計送風系統，送風量的大小不宜小于排煙量的50%。

4)在管道設計中還應考慮到熱膨脹和冷收縮的可能性，這對排煙管道來說是必須考慮的，通常的做法是在管道的適當部位加裝伸縮節或伸縮結構以適應熱脹冷縮，否則管道容易撕裂和漏風，如圖2所示。

(1)利用管道的自然轉彎處的彈性，使管道具有伸縮的余地，具體有“L”形和“Z”形兩種。

(2)在管道中間采用特制的彎曲管段，常用的有“∏”和“Ω”形兩種。

(3)在管道中間采用波紋型伸縮節，通常是采用沖壓而成的金屬片焊接而成。

(4)在管道中間采用套管式伸縮節，其由芯管和外管組成，芯管可在外管中間自由伸縮，芯管外壁與外管內壁之間的間隙內充以耐火密封填料。

(a)

(b)

(c)

(d)

2 排煙管道材料的正確選擇

排煙管可以用不同的材料制成，但不能用耐火性差的材料制作。通常采用磚砌、鋼質、混凝土等材料制成，這些材料制成的是固定或剛性的管道。排煙管制造經常采用的是薄鋼板，可分為普通薄鋼板和鍍鋅薄鋼板兩種。采用薄鋼板制作管道時，容易加工，安裝方便，布置靈活，能承受較高的溫度，尤其是鍍鋅薄鋼板還具有一定的防腐性能。因此鋼制管道在機械排煙中廣為應用。對于民用建筑中的排煙管道可采用厚度為0.5～1.5 mm的鋼板制作。對于工業建筑和庫房等，因為火災煙氣中含有腐蝕性氣體，則排煙管道宜采用厚度為2～3 mm的鋼板制作。另外排煙管道厚度還可以根據排煙管道的風速不同選定。

圓形排煙管道的制作主要有兩種方法，一種是直接軋制的管材，這種管材壁厚較大、長度較長，如熱軋鋼管、硬聚氯乙烯塑料管等。但大口徑薄壁鋼管的軋制是比較困難的，所以通常采用第二種制造方法，即采用薄鋼板卷制而成，其每段長度受到卷板機寬度的限制，小型卷板機寬度近1.5～2.0 m，大型卷板機寬度可達4～5 m，甚至更大些。對大口徑的塑料管道，有時也可以采用塑料板加熱卷制。由板材卷制的圓形管道的縱縫可采用鉚接或焊接兩種結構形式。

矩形排煙管道則幾乎全是采用板材加工而成，對于薄壁板，一般整片下料鈑制，只有一條縱縫；對于厚壁板，則必須分片下料，然后裝配而成，有四條縱向角縫。薄板管道的縱縫宜采用鉚接或焊接兩種結構形式。

磚砌、水泥混凝土等制品的排煙管道，一般用于與建筑結構整體配合的場合，作為建筑物的一個部分，經久耐用，能承受較高的溫度，這種管道內表面粗糙，摩擦阻力系數較大，氣密性較差，而且占地面積大。應該強調指出，作為機械排煙中用的磚砌、水泥混凝土制作的管道應進行防滲處理，以提高其氣密性，否則將影響整個排煙系統的工作性能。

3 排煙管道的尺寸確定

對于具體的機械排煙系統中管道的尺寸確定，在管道系統及其風量等已確定的基礎上，計算風管的斷面尺寸和阻力，進而確定風機的型號和動力消耗。根據通過管道的氣體流量和流速計算出管道的流通面積，然后按選定的管道橫斷面形狀計算出其內徑或邊長。

排煙管道的煙量確定應該按照排煙系統各分支管道所有排煙口中最大排煙口的2倍計算。當某個排煙系統某個排煙口煙量小于7 200 m3/h時，排煙管道可按7 200 m3/h計算，其余各支管的風量均按照各自負擔的風量計算確定。

管道流通面積為：

Fpy=Q/W

(1)

式中，Q為管道中通過煙氣的容積流量，m3/s；W為管道中的氣流速度，m/s。

對于機械排煙中的氣流速度，《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017)第4.4.12條規定：排煙口的風速不宜大于10 m/s。至于下限未作明確的規定。當選用較高的氣流速度時，能減小管道的尺寸，但管道的阻力相應增大；若選用較低的氣流速度，管道的阻力降低，但管道尺寸增大。所以合理的設計應進行技術經濟比較，力求使管道系統的投資和運行費用的總和在有效的使用壽命中最低。

管道的結構形式主要是指管道的形狀，常見的管道形狀按其橫斷面形狀有圓形、正方形及矩形三種，在確定了管道的流通面積和管道的形狀后，便可以進一步計算管道的具體尺寸：

對圓形管道，其內徑：

(2)

對正方形管道，其邊長：

a=(Q/W)1/2

(3)

對矩形管道，先要確定一邊長a值，則另一邊長

(4)

根據計算所得到的值對照管道的統一規格表選擇相同或相近的規格。對于矩形管道預先確定一個邊長a后，當然也是按照管道統一規格表中所具有的系列來選擇。當選定的管道尺寸小于所計算的尺寸時，要校核一下管道的氣流速度是否符合所推薦的范圍，如超出所推薦的范圍則要選定大一檔規格的尺寸。

管道的最小尺寸主要受到允許的最大管內氣流速度的限制，如管道內通過的煙氣流量較少，而選用的氣流速度較大，這樣所確定的管道尺寸就很小。從理論計算的角度來講，管道的最小尺寸是不受限制的，但管道的尺寸不能太小，以增加管道的剛度。因此，圓形管的最小直徑為80 mm，而方形或矩形管的最小側長為120 mm。

4 排煙管道設置的具體要求

1)排煙豎井頂部應高于樓頂，排煙豎井底部邊緣應高出樓頂不少于1 m。屋頂的排煙口距可燃物不應小于1 m。

2)管道連接是管段與管段之間的裝配和密封，在變流方向的變流股之間，通常有焊接、鉚接、法蘭連接三種形式。

(1)焊接方式，機動靈活，用途廣泛，不但適用于管道縱縫的對接焊。焊接方式對接縫的尺寸要求也較低，此外焊接方式不但可以用于鋼制管道，而且還可以用于塑料制的管道。對鋼質管道來說，當壁厚大于2 mm時常用電焊，而當壁厚小于1.5 mm時常用氣焊。

(2)鉚接方式，只用于薄鋼板管道的制造和連接。一般壁厚不超過1.5 mm，在管道的鉚接中，對口接縫的尺寸對接頭的質量影響很大，工藝要求也高，鉚接接縫的咬口形式常見的有平咬口、立咬口、角咬口幾種，如圖3所示。

(3)法蘭連接方式，只適用于管道的對口接頭處，其最大的特點是可卸性，這是同鉚接和焊接方式的根本區別，法蘭連接方式對管口尺寸要求較低，尤其是尺寸偏差較大時也影響不大，只要法蘭之間配合良好即可。法蘭的型式與管道相應，有圓法蘭、方法蘭和矩形法蘭。為了保證接口處不發生漏氣現象，法蘭之間必須采用密封墊片，其厚度δ=3～5 mm，墊片的材料可為橡膠板、石棉橡膠板、聚四氯乙烯塑料板等，具體應根據不同介質的性質和溫度來選擇，普通橡膠板可用于常溫通風管道，石棉橡膠板應用于排煙管道。無論是圓形、方形或矩形的法蘭圈均可采用扁鋼或角鋼來制作。排煙管與排煙管的連接應采用法蘭連接或不可燃彈性連接。

(a)

(b)

(c)

(d) (e) (f)

3)由于排煙管排出煙氣溫度高，除用金屬板、混凝土等未燃材料外，還必須牢固安裝，這樣排煙溫度高也不會變形，氣密性好。

4)高溫埋地管道或通過建筑物保溫結構的部分，應采取一系列防火措施。

(1)安裝在屋頂框架、頂棚、樓板內的排煙管道外表面與燃燒構件應保持至少15 cm的距離，或外表面采用厚度不小于10 cm的非燃燒隔熱材料包裹。

(2)排煙管不應穿越防火分區，穿越每層樓板的豎管應采用耐火材料，并應安裝在管道豎井內或采用混凝土煙道制作，洞口及周圍空隙必須用不燃材料密封，防止煙氣向火災其他區域或場所擴散，管道不得穿過防火墻、樓板或其他重要部位，如必須穿越時，應采用相應的防火措施：①在穿越的部位設置排煙防火閥，發生火災時能起到阻火防煙作用；②在穿越的2 m范圍內用不燃的隔熱材料包裹；③在穿越時留有的孔洞和縫隙用不燃材料封堵嚴實。因為當排煙管或其他設備配管穿過防火隔斷與建筑物維修結構封堵不嚴時發生火災，它可以成為煙霧擴散的一個主要途徑。

5)混凝土及其他非金屬材料排煙管，應填滿灰縫，防止煙氣泄漏。通過內部空間封閉的屋頂，必須用水泥砂漿勾縫。需要隔熱的金屬排煙管應采用未燃保溫材料，如礦棉、玻璃棉、巖棉等。當排煙管穿過擋煙隔墻時，管道與擋煙墻之間的空隙應用不燃燒隔熱材料封堵嚴密。

6)剛性管道水平段的安裝方式有兩種：支撐和吊架。管道垂直段的安裝固定方法通常是利用建筑物的維護結構，如外墻、柱、梁等，把角鋼制作的鋼架預埋或澆筑其上，然后利用U型螺栓把管道固定在鋼架上。由于垂直管道的支撐不靠鋼架，所以固定點之間的垂直距離可以自由些。對于矩形管道，當采用單吊架方式時，為使吊架穩定，在矩形管道底邊不超過500 mm的情況下，可采用單吊架；而在底邊超過500 mm時，則必須采用雙吊架。

5 結 語

建筑防排煙設計是建筑消防安全的重要組成部分。國內外眾多火災表明，火災中的煙氣具有遮光、有毒、高溫等特點，是造成人員傷亡的主要因素。根據相關資料分析，發生火災初期時，機械排煙系統設計精良，可散發80%的熱量和煙氣，使著火區的溫度和煙氣下降，能見度明顯提高，對人員疏散逃生、控制火勢發展和撲救起到重要的作用，所以應該從源頭抓起，做好建筑中機械排煙管道的布置選型工作。

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