对自然排烟方式中“自然条件”的可靠性分析

任志鹏

摘 要：文章以室内火灾为核心，首先指出几种常见的防烟排烟方式，然后介绍了自然防烟排烟在高层建筑中的应用，最后分析了自然条件的可靠性，以供参考。

关键词：室内火灾；防烟排烟；自然条件；可靠性

中图分类号：D631.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0185-02

室内火灾指的是限定在一个房间内的火灾事故，随着火源的扩大，相近的可燃物可能出现明火燃烧，继而产生烟气。当烟气温度、扩散流动到一定程度后，火灾发展就会受限，因此房间大小、几何结构、室内布局等，均会对火灾发展造成影响。如何控制火灾烟气、避免随意扩散，成为一项研究重点，以下针对自然排烟防烟进行深入探讨。

1 针对室内火灾的防烟排烟方式

就目前而言，室内火灾的防烟排烟方式，主要包括以下三种：

第一，自然排烟。烟气自身具有浮力，加上外部风力的作用，就能够经过建筑物内部到达排烟口，促使烟气排出室外。该方式虽然成本低、安装简单，但是排烟效率会受到烟气和外部环境的影响。举例来说，烟气温度越高，自身浮力越大，流动驱动力强，因此排烟效率高；相反烟气温度低，自身浮力就小，流动驱动力弱，因此排烟效率低。

第二，机械排烟。即辅助应用机械设备如风机，促使室内的烟气流向排烟口，实现排烟效果。该方式的排烟效率高，而且性能相对稳定。当然，要求前期投入一定资金成本，用于购买风机设备和支付安装费用。

第三，密闭排烟。依据《人民防空工程设计防火规范》（人防规范），其中明确指出密闭排烟是在火灾发生后，关闭房门、管道、通道等，促使火区内外相互隔断，因缺氧最终导致火灾熄灭[1]。该方式不需要设置排烟通风系统，既经济又方便，但是在实际应用中会受到多种因素的限制，因此排烟效率不稳定。

2 高层建筑自然防烟排烟的技术应用

2.1 排烟形式

依据《高层民用建筑设计防火规范》中要求，除建筑高度超过50m的一类公共建筑和建筑高度超过100m的居住建筑外，靠外墙的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室和合用前室，宜采用自然排烟方式。而自然排烟的形式，包括开启外窗、阳台或凹廊、专用排烟竖井或排烟口三种。其中，第一种、第二种适合所有的高层建筑，第三种不适合在无窗房间、内走道、楼梯间前室中使用。因为排烟竖井的占地面积大，且对竖井上的窗口、排烟口要求较高，当室内、室外温度差异较大时，会影响排烟效果。开启外窗宜采用平开或者推拉形式，对于上悬窗不应作为自然排烟窗，因为上悬窗排烟口属于窗的下方，风压在悬窗内侧形成负压，排烟效果极差，同时在上悬窗排烟口位置较低的情况下，烟气离地面距离较近，影响人员逃生效率。

2.2 系统设计要求

自然排烟方式的设置，应该满足以下条件[2]：第一，楼梯间前室、消防电梯前室中，开窗面积应该在2m2以上，合用前室则超过3m2。如果防烟楼梯间靠近外墙，每5层的开窗面积之和应该在2m2以上。内走道长度在60m以内，开窗面积应该达到走道面积的2%以上；排烟房间开窗面积达到房间面积的2%以上。净空高度在12m以内的中庭，开窗面积应该达到中庭面积的5%。第二，防烟楼梯间前室、合用前室若是利用阳台、凹廊进行排烟，那么楼梯间内可以不设置防烟设施。第三，排烟窗应该设置在上方，并且保证开启方便。

2.3 存在的缺陷

高层建筑中，自然排烟方式的缺陷包括三点：一是建筑设计制约。烟气的自然排放必须经过外墙上的窗户，因此要求排烟房间靠近室外，而且进深不能太大。同时，还要设计开窗面积，即使有分隔要求的房间也要设置外窗，如此就会带来防尘、隔音问题。二是具有火灾蔓延风险。烟气通过外窗排出室外，如果自身温度较高，且含有未充分燃烧的气体，就可能导致烟气排出后形成火焰，致使火灾蔓延到上层建筑[3]。三是排烟影响因素多。自然排烟本身就不稳定，而且还会受到烟气温度、室外风向、风速变化、建筑热压、烟囱效应的影响，因此排烟效率差，且排烟过程难以控制。

3 自然排烟防烟“自然条件”的可靠性分析

3.1 假设条件

按照《高规》的规定，自然排烟需要的自然条件是风压、热压。由于实际情况中排烟条件较为复杂，因此必须进行假设，以简化环境条件，具体如下[4-5]：第一，以年度为周期，将我国城市划分为夏季、冬季、过渡季，其中夏季产生反向热压作用，冬季产生正向热压作用，过渡季只有风压、没有热压。第二，在热压作用下，建筑物上会形成压力为0的中和界，假设中和界位于建筑高度的1/2处。第三，建筑物的密闭性满足规定，且热压系数相等，取值为常数KR。而火灾的发生季节、发生楼层具有随机性。第四，前室、合用前室、防烟楼梯间内，均设置了1个可以开启的排烟外窗。第五，风向、风频具有均匀性，其中迎风面的风压系数Kyp为0.468，背风面的风压系数Kbp为0.408。由于两者的绝对值差异较小，所以取平均值为0.438。第六，烟气在走道内水平流速为0.3-0.8m/s，经过长距离流动后，由于温度降低，流速接近0.3m/s，压差在0.2Pa以内。考虑到静风的风速为0.3m/s，因此静风状态下烟气无法排出。

3.2 风压和热压的特性

第一，热压分布的竖直面上，以中和界进行划分，是一条上下、左右均对称的线段。第二，风压分布的水平面上，以迎风面、背风面进行划分，迎风和背风左右对称；但在竖直方向上，表现为上部压力大、下部压力小的曲线[6]。

3.3 概率理论

由于火灾的发生时间、发生地点是随机的，风压、热压的出现也是随机的，因此需要引入概率理论。以随机事件A为例，发生概率以P（A）表示。

3.4 可靠度计算

如果随机事件事先可以确定结果，也就是风压△Pf或热压△Pr单独作用条件下。第一，在过渡季，风压单独作用记为随机事件A，能否自然排烟具有互斥性，因此P（A）=50%。第二，热压单独作用记为事件B，和事件A类似，可得P（B）=50%。

如果随机事件事先不能确定结果，也就是风压或热压同时存在条件下。第一，冬季热压△Prd、迎风面风压△Pfy同时作用，丨△Pfy丨<丨△Prd丨，记为事件C；丨△Pfy丨=丨△Prd丨，记为事件D；丨△Pfy丨>丨△Prd丨，记为事件E。分析可知以上三种情况均对排烟不利。第二，冬季热压△Prd、背风面风压△Pfb同时作用，丨△Pfb丨<丨△Prd丨，记为事件F；丨△Pfb丨=丨△Prd丨，记为事件G；丨△Pfb丨>丨△Prd丨，记为事件H。分析可知以上三种情况均对排烟有利。同理分析夏季热压△Prx和迎风面风压△Pfy、背风面风压△Pfb之间的作用关系，可以得到事件I、J、K，对排烟不利；事件L、M、N，对排烟有利。

综合以上各种随机事件可知，对自然排烟有利的情况、不利的情况分布相等，因此可以认为在风压、热压作用下，自然排烟的可靠度为50%。

4 结束语

综上所述，自然排烟是针对室内火灾的防烟排烟方式之一，将其应用在高层建筑中，不仅操作简单，而且节约成本。但同时也存在一些缺陷，例如建筑设计制约、具有蔓延风险、排烟影响因素多。文中针对自然排烟防烟的自然条件进行分析，结果得出在风压、热压共同作用下，可靠度为50%。

参考文献：

[1]熊筠，冯小军.对防烟楼梯间自然排烟窗不同设置排烟效果的探讨[J].消防技术与产品信息，2015（12）：22-25.

[2]武小，高强，武曉飞，等.防烟楼梯间及前室和合用前室的防烟设计[J].山西建筑，2015，41（5）：110-111.

[3]孙瑜，姜杰文.浅谈高层建筑防烟楼梯间防排烟设计[J].中国建筑金属结构，2013（36）：79.

[4]向勇.民用建筑防烟措施调研与探讨[J].暖通空调，2017（01）：35-38.

[5]欧德华.高层建筑安全疏散中存在的问题及对策研究[J].产业与科技论坛，2012（24）：212-213.

[6]杜红.室内火灾防排烟方式选择的一些思考[J].消防技术与产品信息，2014（10）：28-30.endprint