高大空間場所煙氣控制系統(tǒng)設計及計算要點分析

李玉洋

對于建筑火災來說，高溫煙氣是阻礙人員逃生及消防員進行滅火的主要原因，其致命危害主要體現(xiàn)在毒氣蔓延、高溫灼熱、遮蔽視線等方面[1]。隨著社會的快速發(fā)展，越來越多的大型公共建筑投入使用，這些建筑中往往包含各種形式的內部高大空間。這些場所通常體量較大、功能復雜，其在發(fā)生火災時煙氣控制的難度較大。如何根據(jù)煙氣的流動規(guī)律及煙氣釋放原理，設計出符合高大空間場所特點的高效煙控系統(tǒng)，逐漸成為一項重要的研究課題。

1 高大空間場所的火災發(fā)展過程及特點

高大空間場所通常指的是空間高度大于6 m、面積不小于500 m2的建筑場所。此類場所的火災整體發(fā)展過程和常規(guī)火災一樣，包括初期增長、充分燃燒和衰減3個階段，在煙氣控制方面有以下特點。第一，煙控系統(tǒng)啟動延后。此類場所較高，建筑體量較大，初期的火災規(guī)模小，煙氣溫度低，煙氣的彌散和沉降現(xiàn)象將導致空間頂部感煙探測器無法及時探測到信號。只能到火災發(fā)展一定規(guī)模后，煙控系統(tǒng)才能開始工作[2]。第二，煙氣水平擴散快。空間高度大導致煙氣流動的距離長，其上部煙氣層溫度和濃度都較低，加上大空間水平阻隔較少，對于火災初期產(chǎn)生的煙氣，甚至升不到頂棚便發(fā)生彌散[3]。第三，人員暴露在煙氣下的時長更長。通常情況下，此類場所的人員密集，加上對建筑布局不了解，一旦發(fā)生火災，人員難以找到建筑疏散路徑。同時，因空間過大，人員到達室外出口的距離大，因此疏散時間較長。

2 高大空間場所煙氣控制系統(tǒng)常規(guī)設計要點

高大空間場所煙氣控制通常分為自然排煙及機械排煙。自然排煙主要借助室內外溫差所引起的熱壓作用，形成室內煙氣與室外空氣的對流運動。這種方式受室外風力、熱力的影響較大，當煙氣流出的動力不足以克服排煙口的阻力時，還可能出現(xiàn)煙氣倒灌的現(xiàn)象[4]。同時，因空間較高，煙氣行程較長，通常到上部時溫度降低導致浮升力不足，自然排煙效果受限。機械排煙即利用由風機、風管、風口等部件組成排煙系統(tǒng)對空間進行強制排煙，因其排煙效果穩(wěn)定，不受室外影響，當前正逐漸成為高大空間場所煙氣控制的主要形式。以下針對機械排煙下高大空間場所煙氣設計要點進行分析。

2.1 關于火災熱釋放速率的確定

根據(jù)火災熱釋放速率的大小是否隨火災發(fā)展過程變化，可將火災發(fā)展模型分為穩(wěn)態(tài)火模型和非穩(wěn)態(tài)火模型。穩(wěn)態(tài)火模型假定火災燃燒全過程中火源的熱釋放速率Q 保持不變，是一種簡化的理想模型，設計結果較為保守[2]。其數(shù)值可在《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB 51251-2017）（以下簡稱《煙標》）表4.6.7 中按照對應建筑類別選取。

非穩(wěn)態(tài)火模型是指在火災發(fā)展過程中火源的熱釋放速率Q 大小隨燃燒時間發(fā)生變化的火災發(fā)展模型，計算公式為：

式中，α為火災增長系數(shù)，與可燃物材料有關，其數(shù)值可在《煙標》表4.6.10中查到。非穩(wěn)態(tài)火模型雖然更符合火災本質，但是在實際應用中因火災增長時間t 通常難以準確判定（只能根據(jù)經(jīng)驗值選取），故《煙標》規(guī)定需將此模型下Q 的計算值和穩(wěn)態(tài)火災模型下的查表值相比較，取大值作為最終值。

2.2 關于儲煙倉厚度及清晰高度的選擇

清晰高度越高越有利于人員安全疏散，然而對于設計而言，清晰高度越高，意味著煙氣下沿離著火樓層地面高度越大；煙氣上升行程相應就越長，煙量也勢必越大。煙氣下沿抬高會使排煙口下方的煙層厚度減小，導致排煙口將煙層撕裂，產(chǎn)生“風洞”，吸入大量空氣，降低了有效煙氣比例。因此，在《煙標》中對最小清晰高度做出規(guī)定的同時還對儲煙倉厚度提出了明確要求：當采用機械排煙方式時，儲煙倉厚度不應小于空間凈高的10%，且不應小于500 mm[5]。實際工程設計中常需要綜合考慮并進行試算驗證，確定合理的清晰高度及儲煙倉厚度。

2.3 關于煙羽流類型及煙羽流質量流量及體積流量的計算

高大空間場所內部通常無遮擋，煙氣類型按規(guī)范選取軸對稱型。其煙羽流質量流量Mρ主要受熱釋放速率Q及燃燒面到煙層底部的高度Z影響[5]。

煙氣層溫升能量來源于火災熱釋放能量，且與火災熱釋放速率的對流部分Qc存在線性關系。根據(jù)能量守恒定律，結合空氣定壓比熱Cρ及煙羽流質量Mρ即可算出煙層溫升ΔT（煙層平均溫度與環(huán)境溫度差）。而又因進入煙層的煙羽流質量流量與排出的相等，根據(jù)質量守恒定律即可算出對應排出溫度T（取煙層的平均絕對溫度）下煙氣的體積流量[5]。相關計算公式為：

式中：K為對流熱釋放因子，機械排煙時取1，自然排煙時取0.5；ρ0為環(huán)境溫度T0下氣體密度，通常取1.2 kg/m3；T0通常取293.15 K。

根據(jù)《煙標》規(guī)定排煙量需在計算值與查表值中取大值，查表值經(jīng)過驗證通常為最不利情況下的最大排煙量，取值過于保守。對于設計而言，計算出的結果通常作為較小值被舍棄，難免引起質疑。因此，在實際工程應用中，越來越多的地方性標準開始將計算值作為最終結果，不再強制要求與查表值比較，如《浙江省消防難點問題操作技術指南2020版》在7.2.30 中規(guī)定排煙量需按計算確定。

此方式得到設計人員的廣泛認可。

3 高大空間場所煙氣控制設計計算實例

本文選取設計實例，對煙氣控制設計計算過程及原理進行解讀。所選項目為杭州市某學校的多功能報告廳，建筑面積635 m2，采用階梯式地面，臺階最高處高出底部地面5 m。空間凈高按最低處計為8.2 m（按最高臺階處計為3.2 m），屬于高大空間場所。

針對此報告廳，因其位于建筑內部，頂部為封閉吊頂，不具備自然排煙條件，故按機械排煙方式進行煙控系統(tǒng)設計。其排煙數(shù)據(jù)計算內容如表1 所示。

根據(jù)表1，項目選取了兩臺排煙量48 500 m3/h 的消防軸流風機，并設置8個排煙口。經(jīng)復核驗算，單個排煙口的排煙量未超過最大允許排煙量，滿足相關要求。

表1 杭州市某學校報告廳排煙數(shù)據(jù)計算表

4 高大空間場所煙氣控制系統(tǒng)的常見問題

4.1 煙層厚度不均勻問題

對于高大空間場所，根據(jù)其使用功能及美觀等要求，吊頂通常為傾斜吊頂或弧形吊頂。受其影響，吊頂上的排煙口也多為高低錯落的。而根據(jù)煙氣浮升概念，儲煙倉底常為齊平，因此不同位置排煙口的煙層厚度并不相同。設計時常選取最不利點（排煙口下煙層最薄位置）計算單個排煙口的最大允許排煙量。

若以每個排煙口分別計算最大允許排煙量，則在實際運行中如何保證同一系統(tǒng)中各個風口對應的風量成為一個難題。考慮到高大空間場所的排煙量較大，常需要多臺風機組合排煙，可結合吊頂及單臺風機風量進行虛擬劃分片區(qū)，將單臺風機系統(tǒng)控制的排煙口布置在高度相同的吊頂區(qū)域。吊頂高度較高區(qū)域采用大號風機，因其排煙口下煙層較厚，單個排煙口設計排煙量可適當加大；相應的吊頂高度較低區(qū)域采用小型號風機。每套系統(tǒng)附帶的風口高度一致，風口風量均勻，無需額外添加調節(jié)閥，系統(tǒng)更穩(wěn)定。對于整個空間而言，不同區(qū)域風口對應風量與煙氣聚集程度相互匹配，能夠有效提升排煙效率[6]。

4.2 煙氣“層化”問題

《煙標》4.6.8 條文指出：當儲煙倉的煙層溫度與周圍空氣溫差小于15 ℃時，此時煙氣已經(jīng)基本失去浮力，會在空中滯留或沉降。通常將此現(xiàn)象稱為“層化”。經(jīng)研究，筆者認為“層化”問題需考慮以下兩種情況。

對于非階梯式地面的高大空間場所，發(fā)生“層化”的主要原因是設計煙層下緣距離地面太高，煙氣上浮行程過長，進而卷吸大量冷空氣使煙溫下降，煙氣質量卻增加，導致浮升力不足[7]。如果僅按最小清晰高度（通常不超過6 m）設計煙層下緣，則對應煙氣行程較短，不會出現(xiàn)上述問題。故反推可知，“層化”現(xiàn)象僅為設計者設定的煙層厚度過小導致，可通過重新設計煙層厚度或加大擋煙垂壁深度來解決。

對于階梯式高大空間場所，當火源位于前排低臺階區(qū)域時，受臺階帶來的高差影響，煙層下緣與燃燒點距離過大，進而導致煙層平均溫度較低，出現(xiàn)“層化”現(xiàn)象。而根據(jù)《煙標》規(guī)范需根據(jù)高臺階區(qū)域的空間凈高來設計最小清晰高度（數(shù)值遠高于按非階梯式地面的計算值），受其限制，煙層必須在高位，設計煙層下緣無法降低。針對這種情況，本文認為需回歸煙控目的本身，即確保人員疏散不被煙氣影響，優(yōu)先保證清晰高度。建議根據(jù)臺階的凈高差異將空間劃分為高低區(qū)，增加擋煙垂壁分隔，在高區(qū)和低區(qū)分別設置獨立的排煙系統(tǒng)，高低區(qū)煙層厚度相應分開設置，即可解決“層化”問題。

4.3 煙氣“熱障”問題

此問題主要存在于夏季中庭等空間，因中庭上部通常不單獨進行空氣調節(jié)，夏季因采光頂下方聚熱，加上空間內的熱氣上浮，導致空氣溫度分層[8]。空氣溫度在相應高度上很可能發(fā)生一個階躍變化（透明頂蓋在日照下尤為明顯），產(chǎn)生“熱墊層”。火災發(fā)生時，煙氣上升至“熱墊層”時，受其高溫影響，難以上升至最高處[9]。此即為煙氣“熱障”問題。

此情況對于煙氣控制影響如下：一是高位的煙霧探頭無法及時檢測到信號并啟動排煙系統(tǒng)，推遲了系統(tǒng)響應時間；二是排煙系統(tǒng)啟動時頂部風口先排出的“熱墊層”的空氣，運行一段時間后才能吸出煙氣，排煙效率降低。基于此，針對超高中庭，可在12 ～18 m 設置煙感探頭及排煙口，從而能夠解決煙氣“熱障”問題，有效提高系統(tǒng)響應速度以及排煙效率。

5 結語

隨著火災模擬技術的發(fā)展，會有更多高效的煙氣控制系統(tǒng)設計成果誕生。本文結合實際案例對高大空間場所煙氣控制系統(tǒng)進行分析，分析了煙氣控制設計要點及常見問題的解決方法，希望能為相關研究提供借鑒。