高层建筑加压防烟设计主要问题研究

●徐文毅

(武警学院 消防工程系,河北 廊坊 065000)

我国高层建筑发展较晚,对高层建筑防排烟方面的科学研究起步亦较晚。近年来高层建筑发展很快,建筑火灾中防排烟问题的重要性大家虽有共识,但我们的实验数据及运行管理手段均较缺乏,不能满足实际高层建筑工程设计的需要。虽然在《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)中有原则规定,在一些设计资料中也有所介绍,但对设计者来说,根据高层建筑不同平面布置、工程规模、使用功能等要求,设计一个能满足这些要求的加压防烟系统仍感困难。另外《高规》只着重对与火灾有关的内容作了规定,不可能包罗万象,因为各个专业或学科,均有其自身独立的内容,有些专业文件也不可能都包罗在《高规》条文之中,如果忽视这些内容,仍然会影响加压防烟的效果,降低防烟系统的可靠性,甚至使防烟系统失去防烟功能。本文对加压防烟设计中出现频率较高的几个主要问题进行分析,并提出一些看法和措施,以供参考。

1 加压防烟系统的风机压头问题

在加压防烟系统设计时,设计人员往往只注意送风量的确定,而不注重系统阻力计算。他们大多凭借自己的主观直觉,估算压头是否符合实际情况;而风机风量通常也是按《高规》表 8.3.2.1～4中的现成数据选用的。但风机的风量与压头是相关参数,一个风量参数是不能决定风机型号的。据加压防烟设计工程统计：对 20～32层的前室(包括合用前室)加压送风防烟系统选择的风机压头最小有 273Pa,最大有1 324Pa,而且防烟楼梯间与前室加压风机的压头多数会取同一数值。风机压头计算公式：

式中,P——风机全压,Pa;

Pm——最不利环管道压头损失,Pa;

k——整个管网局部压力损失与沿程压力损失的比值;

ΔP——余压,Pa;防烟楼梯间取 40～50Pa,前室、合用前室、消防电梯间前室、封闭避难层(间)取 25～30Pa。

实际上,如果前室和防烟楼梯间都是常开自垂式百叶风口,风机压头可能相差不大;但如果前室采用的是常闭型风口,火灾时只开启着火层和与其相邻的上、下层风口,防烟楼梯间采用的是常开型自垂式百叶风口时,由于防烟楼梯间竖向风道各风口有泄流量,竖向风道断面是不变的,其最不利环路的阻力会比前室加压防烟系统的要小得多。

如果选择的风机压头与系统实际阻力不匹配,风机工作点就会产生飘移,当所选择的风机压头比系统实际阻力小时,风机的风量就达不到设计风量的要求。如果选择的风机压头比系统实际阻力大时,实际风机的风量将比设计要求的风量大。风机风量过大会造成电机超载甚至烧毁电机,风量过大还会使前室超压。因而会大大降低防烟系统的可靠性,这不能不引起我们的注意。

2 建筑风道内壁的绝对粗糙度问题

既然加压防烟系统的阻力计算常被忽视,与之密切相关的竖向风道内壁绝对粗糙度的问题更不必说,因此,设计人员很少对施工单位提出粗糙度的工艺要求。风道内壁绝对粗糙度的大小,直接影响风道的单位长度摩擦阻力,关系到风机压头的选择。一般常用风道(管)内表面的绝对粗糙度 K值见表1。

表1 常用风道(管)内表面的绝对粗糙度

实际工程中的风道,往往谈不上光滑,因为有些由于操作不便,抹灰困难,甚至连砖缝都没有钩,表面高低不平,漏风严重。设计中应由暖通方对土建方提出这方面的工艺要求。

阻力计算中应尽可能符合实际地估计风道内壁的绝对粗糙度K值的大小。K值不同,同一加压防烟系统阻力也是不同的。对不同的K值,其单位长度摩擦阻力 Pm(Pa·m-1)可按下列公式计算：

式中,de为风道当量直径,m,de=2ab/(a+b),a、b为矩形风道长、短边长度,m;U为风道内平均流速,m·s-1。

其中,(2)式的使用范围为 de=0.2～2.0,U=5.0～20;(3)、(4)式的使用范围为 de=0.5～2.0,U=3.0～12。

当竖井 F=0.445m2,de=0.616,U=10时,现将 3种 K值的Pm的计算结果列于表2以便于对比。在上述诸条件下,绝对粗糙度 K=3.0的单位摩擦阻力为K=0.15(钢板风管)的 1.87倍,这不能不引起重视。

表2 3种 K值的单位摩擦阻力

3 送风竖向风道断面长、宽比问题

在加压防烟系统设计时,设计人员通常只按《高规》控制的断面风速,混凝土风道不大于 15m·s-1来控制风道的断面面积,不重视断面长短边的比值,多数把土建风道的设置权交给建筑专业。而建筑专业并不了解加压送风的工艺要求,一般只保证风道面积的要求。在工程中,尺寸 a×b=4 500×250、a×b=3 000×200、a×b=2 000×150等都是常见的。

从流体力学理论可知,在其他条件相同时,介质在圆形风道内流动的阻力最小;正多边形次之,这里指边数大于 4的正多边形,边数越多阻力越小;正方形再次之。土建风道一般做成矩形,如果按控制风道断面风速算得的风道断面面积提供给建筑专业,又不交代工艺要求,建筑专业为了便于布置,往往把风道压得很扁,这样扁的加压送风道带来了诸多弊端：一是边长比值变小,会增大风道的阻力;二是内尺寸短边太小给砖砌风道内壁抹灰带来困难,有的甚至不能进行抹灰操作,使风道内壁绝对粗糙度增加,单位长度摩擦阻力增大,也增大了漏风量;三是短边尺寸太小,使人不可能进入风道内检修,施工过程中掉入的垃圾堵塞风道时无法清理;四是安装的风阀尾部有可能突出风道内,增大风道阻力。

现以风道断面面积 F=0.48m2,风速 U=10.417的矩形风道为例,当风道断面面积和风速不变时,风道边长比的变化,对单位长度摩擦阻力的影响结果列于表 3以便对比。

表3 矩形不同边长比 Pm值比较表

4 竖向风道断面风速的选择问题

《高规》第 8.1.5.2条规定,采用内表面光滑的混凝土等非金属材料风道时,流速不应大于 15m·s-1。如果不分情况一律采用 15m·s-1的极限值是不合适的。目前建筑风道四面全是混凝土材质的不多,要认定内表面是光滑的,在土建施工中不提出要求是很难办到的。风道内流速的选择应根据绝对粗糙度及材质等诸多因素来确定。

对防烟楼梯间或选择常开型送风口的前室(包括合用前室),加压送风防烟系统起始风速采用 15m·s-1是可行的,因为这种竖向风道,各层都有途泄流量,风道断面不变,第一个风口后的各段风道内的速度是递减的,越往后风速越小,因此系统的总阻力小。但对选用常闭型送风口的前室加压送风系统,如果火灾时,只开启着火层及其相邻的上、下层风口,当不考虑关闭风口的漏风时,从风机出来以后的第一个风口,到着火层的前一个风口之间这段风道内的风速是不变的。建筑层数较多,如果风道内的起始风速也采用 15m·s-1就不合适。如果火灾发生在距离加压风机的最远一端,建筑物层数越多即风道长度较长时,系统总阻力可能较大,远端和近端阻力相差悬殊。按远端最大阻力选择的风机,其风量能满足设计风量的要求,近端火灾时,由于阻力小很多,风量会急剧增加,不仅会形成前室内超压,甚至使风机的电机过载而烧毁。

5 风机特性选择问题

《高规》对加压防烟系统风机的特性未作具体规定。由流体力学理论可知,高层建筑防烟系统的阻力 H(Pa),随风道的长度 L(m),风道内表面的绝对粗糙度 K,风道内的平均流速 U的增大而增大,随风道的当量直径de的减小而增大,即：

防烟系统用来选择风机压头的阻力,取决于防烟系统离风机远端火灾时的阻力 Hmax,但是按设计风量L(m3·h-1)与Hmax选择的风机,由于近端火灾时系统阻力 Hmin很小,△H=Hmax-Hmin差值很大,一般都很容易超出风机的性能曲线LH范围。因此不能只按加压送风量L和最不利环路的阻力Hmax来选择风机,还应校验风机在风量L变化不大的情况下,风机近端火灾时系统的最小阻力Hmin所确定的工作点是否仍在该风机的性能曲线L-H范围之内,和风机所需功率N(kW)是否超出电机的过载能力。这类风机通常应是风量变化不大而压头变化较大,即L-H曲线陡峻的风机。

当 △H=Hmax-Hmin过大,选不到合适的风机时,可采取以下措施解决：(1)降低风道内的平均流速 U;(2)减少风道内表面绝对粗糙度 K,如对风道内表面提出施工时抹光的要求,或改变风道材质等;(3)尽可能使风道边长比b∶a接近 1,或增大当量直径de;(4)改变加压风机的位置,将加压风机置于风道长度的中间位置;(5)改变风机转数增设变频调速器以压力或风速、流量传感器控制风机转速。

从以上分析看出,有的问题《高规》并未明文规定,但若加压防烟系统设计忽视相关技术问题,结果就会降低加压防烟系统的可靠性,甚至使加压防烟系统失去防烟功能。这虽不构成违规,可一旦发生火灾,同样会对人们生命财产造成重大损失,这必须在工程设计中予以重视。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社,2007.

[2]GB 50045-95(2005年版),高层民用建筑设计防火规范[S].

[3]刘朝贤.加压送风防烟有关问题的探讨[J].四川制冷,1998,(4).

[4]葛建晓,石哲明.高层民用建筑加压送风系统设计与探讨[J].消防科学与技术,2004,23(6).