防排烟系统设计中几个关键参量的设置问题研究

李思成

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前，我国高层建筑、综合体建筑等大型建筑的数量越来越多。这些建筑火灾荷载大、人员集聚多、疏散距离长，一旦发生火灾，会造成较为严重的人员伤亡和财产损失[1-2]。例如，2009年2月9日，央视附属文化中心大楼工地发生火灾，造成1名消防队员牺牲，过火面积8 490 m2。2010年11月15日，上海市静安区教师公寓发生火灾，该建筑共28层，火灾竖向蔓延迅速，高压水枪及云梯车均不能达到建筑上部，最终造成58人死亡，70余人受伤。调查表明，火灾烟气造成的人员伤亡比例占到80%以上[3]。因此，设计良好的防排烟系统，对于有效减少人员伤亡和财产损失，有着重要意义。

建筑发生火灾时，普通电梯不能用作人员疏散，防烟楼梯间、疏散走廊作为人员安全疏散的必要通道，一旦被火灾烟气侵入，会严重影响建筑内人员的生命安全[4]。为了保证火灾时人员安全疏散和消防员快速救援，许多大型建筑中都设置了防排烟设施，一般对防烟楼梯间进行防烟，对疏散走廊或比较大的房间进行排烟。防烟方式一般为机械加压送风，通过向防烟部位送入新鲜空气使其维持一定的正压，防止烟气侵入。排烟方式一般为机械排烟，通过风机和管道，把火灾烟气从排烟部位排出室外。

防排烟系统的良好设计，是防排烟设施发挥重要作用的前提。目前，防排烟设计的主要依据是相关的规范。专门的《防烟排烟系统技术规范》(送审稿)[5]将要颁布。然而，在这些设计规范当中，对一些重要的设计参量，并没有做详细的规定。本文从前室加压送风口的位置设定、送风竖井粗糙度、送风竖井尺寸和排烟口设置高度等几个方面，详细介绍武警学院“火灾烟气控制研究中心”对这几个问题的研究成果，为有效减少火灾损失提供参考。

1 防排烟设计中存在的问题

1.1 前室送风口布置问题

前室防烟是在火灾时对前室加压送风，如前室门开启，会在前室门门洞处形成足够大的气流以阻止烟气进入。火灾烟气蔓延一般从着火房间进入走廊，在前室门的顶部从走廊流进前室，如图1所示。从图可知，即使前室门整体防烟速度足够大，如果门顶部气流速度不足，仍然无法阻挡烟气进入前室。同理，当门洞顶部的防烟气流足够大时，即使整体门洞风速有所降低，依然能对前室进行有效防烟。

图1 防烟方向与烟气蔓延

本课题组在实际工程测试中发现，前室门门洞风速分布与前室送风口的设置位置有关[6]。因此研究前室合理的送风口位置，使得前室门处形成有效的防烟气流是十分必要的。而关于建筑前室(合用前室)内送风位置的设置，我国现行规范《建筑设计防火规范》[7](GB 50016—2014)并未给出明确的规定，只是对加压送风量、余压值、送风口风速等做了相关规定，各类文献期刊中也很少提及此类问题。这就造成了设计人员在系统设计时无章可循，实际工程中送风竖井可能处于前室中央，也可能处于角落等位置，送风口安装高度不一致，风口与前室门的相对位置不一的现象。图2所示为某高层建筑防排烟系统设计标准层平面图。从图中可以看出，同一座建筑中两个前室大小和形状相似，但是其送风口的设置位置却截然不同，左侧前室送风口靠近门洞，且在垂直门洞墙面布置，而右侧前室送风口却处于正对门洞墙面，而此建筑所选用送风系统的风机、风量以及送风口大小等均保持一致，如此火灾情况下两前室所能达到的防烟效果是否一致值得讨论。

图2 某高层建筑防排烟标准层平面图

霍昭磐[8]利用FDS数值模拟，研究了送风口位置对前室门洞风速分布的影响。图3为送风口处于正对前室门、送风量为10 000 m3·h-1时，不同送风口设置高度情况下门洞风速分布云图。从图中可以直观的看出，不同送风口设置高度下，门洞风速分布呈现出不同的规律。当送风口设置高度低于门洞时，送风口在对面墙壁的投影正好处于门洞内，此时门洞风速分布较为集中，呈现出中心速度大，逐渐向四周减小的规律；当送风口投影处于门洞正上方，即送风口的下沿超过2 m时，整个门洞均有风速分布，但不存在风速值过大的区域且呈现出中下部区域风速较大，顶部区域风速相对较小的规律。

(a)0～0.9 m

(b)1～1.9 m

(c)2～2.9 m

通过试验和数值模拟方法，霍昭磐对不同情况下前室送风口的设置给出了详细的结论。(1)送风口正对于前室门时，应将送风口设置于前室上部区域；在送风系统送风量一定的情况下，适当地减小送风口面积，可以提高门洞顶部区域风速大小，更有利于防烟；在送风口面积一定的情况下，适当地降低高宽比，使送风口呈扁平形状，可以达到更佳的送风效果。(2)送风口侧对于前室门时，随着距门洞水平距离的增大，送风效果逐渐变差，此相对位置下送风口同样应设置在前室上部区域。(3)送风口垂直于前室门时，为达到较好的送风效果，应将送风口设置于靠近地面处；此相对位置下不宜选用竖直安装的长条型送风口；送风口与门洞的垂直距离对门洞风速分布影响较大，建议将送风口设置于墙面中央位置。(4)送风口处于前室门同侧时，送风口设置于门洞两侧，送风口设置高度越低，距门洞越近送风效果越佳，但总体而言此时送风效果整体较差；送风口位于门洞正上方时送风效果相对较好，此时送风口下沿距门洞上沿距离不应超过20 cm且应同时避免过于贴近门洞，送风口高宽比对送风效果影响较弱。(5)建筑送风系统布置时，应优先考虑布置在正对于前室门墙面且风口高于门洞，其次是垂直于门洞墙面的下部，最后是侧对于门洞的上部区域。

这些研究成果，考虑了送风口与前室门不同的相对位置下，送风口的布置问题。设计人员可以在工程设计时予以考虑，以供在实际工程中全尺寸检验这些成果，经过修正和完善，最后使前室送风口位置的设计达到最优效果。

1.2 送风竖井粗糙度问题

目前，高层建筑的加压送风系统在施工过程中，送风竖井多采用混凝土内壁，很少使用金属材料制作管壁，且送风竖井施工质量较差，多数竖井内壁达不到光滑井道的标准，现行规范中，对送风竖井内壁材料及施工标准并无明确要求。刘海啸[9]以前室送风系统为例，研究了送风竖井壁面粗糙度对加压送风效果的影响。

送风竖井管壁粗糙度增大，会增加送风竖井的沿程阻力损失，从而导致送风口分配到的有效送风量减小，送风效率降低。本课题组利用网络数值模拟软件，研究了送风竖井粗糙度的改变对送风效果的影响。模拟采用前室单独送风，楼梯间自然通风的方式，送风风机设置在建筑顶部。分别假定2层、9层、16层、23层和30层为着火层，模拟时着火层前室、楼梯间门均为开启状态，送风管道材料分别选用混凝土、矿渣石膏板、钢板和碳钢板，管壁粗糙度分别选取3,1,0.15,0.03 mm。图4为不同管壁粗糙度情况下前室的开门风速。由图可以看出，送风竖井管壁粗糙度对前室门洞风速值有较大的影响。前室门洞风速整体呈现随着楼层数的增大门洞风速增大的现象。当着火层位于建筑2层，管壁粗糙度为3 mm时，前室门洞风速值为0.58 m·s-1，当粗糙度减小到0.03 mm时，前室门洞风速值为0.86 m·s-1，增大了48%。从图中还能看出，当管壁粗糙度小于0.15 mm时，该建筑各楼层的前室门洞风速均能达到防烟要求。粗糙度为0.15 mm时对应的管道材料是钢板。实际工程中，使用钢板作为送风竖井材料的建筑较少，大多建筑选用石膏板或混凝土，这样会导致部分较低楼层的加压送风系统达不到防烟效果。因而消防执法人员在对建筑进行验收时也应关注施工质量的问题，如送风竖井的材料选用问题，防止因材料选用不当导致建筑投入使用后防烟效果不佳的问题出现。

图4 管壁粗糙度与前室门洞风速之间的关系

1.3 送风竖井尺寸问题

对于送风竖井的尺寸，规范主要通过限制送风管道的设计流速来实现。《建筑防烟排烟系统技术规范》(送审稿)第3.3.7条规定：送风管道应采用光滑的不燃烧材料制作，且不应采用土建井道。当采用金属管道时，管道设计风速不应大于20 m·s-1；当采用非金属材料管道时，管道设计风速不应大于15 m·s-1。这条规定，主要是防止在实际工程设计中，送风竖井过小，阻力过大，造成风量过低。然而在实际工程设计中，一般都选用规范规定的最大值，这样可以节省建筑空间。送风竖井的尺寸大小对防烟效果到底有多大影响呢？本课题组的刘海啸[9]运用网络节点模型CONTAM研究了这个问题。

模拟采用前室单独送风的防烟方式，建筑共18层。加压送风量取19 120 m3·h-1，分别选取4层、8层、15层、18层为假定着火层，设置着火层前室送风口及楼梯间门和前室门为打开状态，送风竖井的横截面积分别设置为0.4,0.6,0.8 m2，对应的竖井内风速分别为13,9,7 m·s-1，模拟得到竖井截面积与楼梯间门洞风速的关系，结果如图5所示。由图可以看出，前室单独送风时，改变送风竖井的截面积对于提高防烟效果作用明显，以4层为例，当竖井横截面积为0.4 m2时，其门洞风速值为0.52 m·s-1；而竖井横截面积为0.8 m2时，门洞风速值为0.74 m·s-1；当竖井横截面积为0.8 m2时，无论起火位置位于建筑的哪一层，相应的门洞风速值均大于0.7 m·s-1，均可满足阻挡烟气蔓延的要求。可见，送风竖井的尺寸对送风效果影响较大。在设计时，不应该仅仅满足于规范规定的最大允许值，还应该综合考虑管道的粗糙度等问题，设计出更好的工程，满足防烟效果。

图5 前室单独送风时竖井截面积与门洞风速的关系

1.4 排烟口高度问题

高层建筑走廊中，机械排烟口的安装方式主要有顶棚安装和侧墙安装两种。发生火灾时，由于烟气在热浮力的作用下向上流动的特性，顶棚安装的排烟口在一般情况下的排烟效果理论上要好于侧墙安装的排烟口。但是在实际建筑工程中，由于施工困难以及成本高等原因，很多高层建筑中的机械排烟口安装在侧墙，且安装高度也不固定，导致在实际的工程中，排烟口的安装高度各种各样。目前，我国现行消防规范对机械排烟口的安装高度问题作出了相关规定，如《建筑防烟排烟系统技术规范》(送审稿)第4.3.12条规定：走廊内排烟口应设在其净空高度的1/2以上，当设置在侧墙时，其最近的边缘与吊顶的距离不应大于0.5 m。但其对排烟口的设置高度只进行了较为宽泛的范围规定，没有更加明确的规定。

本课题组李青[10]通过1/3小尺寸试验和数值模拟方法，研究了不同排烟口的安装高度对排烟效果的影响。图6是不同排烟口安装高度下的烟气层高度片光源图。根据比例尺寸的计算，最后研究结果为，当排烟口上沿与顶棚的距离超过0.3 m时，走廊内的平均温度和火场能见度均超出人员所能承受的安全范围，因此建议高层建筑环形走廊内机械排烟口距顶棚的距离不应超过0.3 m。

(a)排烟口靠近顶棚

(b)排烟口距顶棚5 cm

(c)排烟口距顶棚10 cm

(d)排烟口距顶棚15 cm

2 结论

从上述分析来看，虽然防排烟规范对一些具体参数都进行了规定，但是在一些设置细节上还需要进一步完善，如前室加压送风口的位置设定、送风竖井粗糙度、送风竖井尺寸和排烟口设置高度等。同时，一些设置参量应综合考量目前我国相关产品的质量(如漏风量)、施工水平和相关设施的维护管理水平。只有从设计初始阶段把许多参量设置清晰，才能从根本上保证防排烟设施在火灾时发挥良好的效果。

[1] 高云,张浩,戈俊楠.高层建筑火灾致因因素分析与防火安全对策[J].中国安全科学学报,2009,9(6):149-153.

[2] 魏捍东,张智.从央视大火探讨超高层建筑灭火对策[J].消防科学与技术,2010,29(7):606-612.

[3] 徐志胜,姜学鹏.防排烟工程[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4] 李冬姝.高层民用建筑楼梯间加压送风方式分析[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1999.

[5] 建筑防烟排烟系统技术规范(送审稿)[S].

[6] 陈汪海涛.前室送风口位置对门洞风速分布影响的研究[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院,2014.

[7] 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范:GB 50016—2014[S].北京:中国计划出版社,2015.

[8] 霍昭磐.高层建筑前室送风口设置对防烟效果影响研究[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院,2017.

[9] 刘海啸.高层建筑防烟楼梯间加压送风效果影响因素研究[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院,2016.

[10] 李青.高层建筑环形走廊机械排烟口布置对排烟效果的影响[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院,2016.