高大厂房排烟系统设计问题探讨

敖伟华

（长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南 岳阳 414000）

根据防火规范中的相关条文可知，经常有人停留，或者可燃物较多的丙类生产场所或建筑面积大于300 m2的丙类厂房的地上房间需要设置排烟设施。对于面积超过5 000 m2的丁类生产车间，也需要设置排烟设施。排烟系统的核心作用是将火灾发生时产生的烟气，有效排除，或将烟气控制在相应的范围之内，避免烟气出现大面积扩散，保证厂房内部人员顺利疏散。为保证高大厂房排烟系统能更为稳定地运行，本文重点研究高大厂房排烟系统设计要点。

1 加强高大厂房排烟系统设计的现实意义

高大厂房排烟系统主要是针对火灾初期人员疏散而设计的，能够减小火灾对人员的伤害。通常高大厂房内部结构比较复杂，进深很大，与室外连接相通的门、窗比较少，一旦出现火灾，特别是在火灾发生初期的引燃环节，会产生大量烟气，排烟难度比较大，因此，做好高大厂房排烟系统设计工作至关重要。通过做好高大厂房排烟系统设计工作，特别是人员分布比较密集的高大厂房，设置科学合理的排烟系统，不仅能够保障作业人员的人身安全，而且有效提升火灾的救援速度。对于高大厂房排烟系统设计人员来讲，要结合厂房结构特点，对既有的排烟设计方案进行优化，进而保证高大厂房排烟系统设计方案得以更好地实施[1]。

2 高大厂房排烟系统设计原则

高大厂房排烟系统设计原则与内容见表1。

表1 高大厂房排烟系统设计原则

3 高大厂房排烟系统设计问题研究

3.1 高大单层厂房，是采用自然排烟还是机械排烟

室内净高较高的单层厂房，采用自然排烟还是机械排烟，一直是设计人员关注的问题。《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）中建议厂房排烟设计优先采用自然排烟方式，对于厂房空间较高时，自然排烟效果是否良好，没有直接给出结论。

参考《高层民用建筑设计防火规范》[GB 50045—95（2005版）] 8.2.2.5条内容“净空高度小于12 m的中庭可开启的天窗或高侧窗的面积不应小于该中庭地面积的5%。”意味着室内净高超过12 m的中庭需要采用机械排烟才能达到比较好的排烟效果。这是因为烟气上升有“层化”现象，所谓“层化”现象，主要指热烟气上升流动中过冷，烟气密度不断增大，当烟气流到达与其密度相等的空气高度时，很容易折转成水平方向扩散，不再上升。上升到一定高度的烟气随着温度的降低又会下降，使得烟气无法从高窗排出室外。这为分析单层高大厂房排烟效果分析提供了方法，即计算烟层与环境空气密度的相对大小，而密度的大小又与温度相关，所以，重点在于计算烟气层的平均温度与环境温度的差值。

根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）第4.1.3条的条文说明，当烟层平均温度与周围空气温度差值小于15 ℃时，烟层在建筑空间上部可能出现“层化”现象，此时应设置机械排烟方式并合理设置排烟口的高度；当烟气不会出现“层化”现象时，就可采用自然排烟。以此作为判定依据，决定厂房是采用自然排烟或是机械排烟方式。

那么对于净高较高的单层厂房，高度出现烟气层化现象的高度可根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）进行计算。一般厂房内烟烟羽流为轴对称型。其计算步骤：首先，确定火灾达到稳态时厂房的热释放速率Q、燃料面到烟层底部的高度Z；其次，计算烟羽流质量流量Mρ；最后，根据Mρ和Q计算出烟层温度与环境温度的差值。主要公式如下：

（1） 轴对称型烟羽流质量流量Mρ计算：

式中：Qc——热释放速率的对流部分；

Z——燃料面到烟层底部的高度 （m） （取值应大于等于最小清晰高度与燃料面高度之差） ；

Z1——火焰极限高度 （m） ；

Mρ——烟羽流质量流量 （kg/s） 。

（2） 烟层平均温度与环境温度的差值计算公式如下：

式中：

ΔT——烟层平均温度与环境温度的差 （K） ；

Cp——空气的定压比热，一般取Cp=1.01 kJ/（kg·K）；

K——烟气中对流放热量因子。当采用机械排烟时，取K=1.0，当采用自然排烟时，取K=0.5。

例如：某室内净高分别为24 m和36 m丁类单层厂房，根据设计的不同储烟仓底部高度 （即烟层底部高度），计算采用自然排烟和机械排烟方式时的Mρ和ΔT。

根据相关资料，无喷淋时厂房的热释放速率Q=8.0 MW，热释放速率的对流部分Qc=5 600 kW，根据式（1），计算出Z1=5.24 m，代入相关参数，并将部分结果列于表2和表3。

表2 净高24 m的单层厂房排烟计算

表3 净高36 m的单层厂房排烟计算

根据以上计算结果有以下结论：

（1） 采用自然排烟方式时，高度为24 m的厂房，储烟仓底部高度最高为19.2 m，此时烟层平均温度与环境温差只有15.12 ℃，烟层达到“层化”状态，此时不宜采用自然排烟方式，应采用机械排烟方式排烟。

（2） 采用机械排烟时，高度为36 m的厂房，储烟仓底部高度为29.7 m时，烟层平均温度与环境温差只有15.04 ℃，烟层达到“层化”状态， 此时应降低机械排烟口的设置高度，来达到比较好的排烟效果。

3.2 高大厂房室内布置数层操作平台，如何开展排烟设计

当高大厂房室内布置数层操作平台与检修平台时，在排烟设计环节，计算清晰高度应根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）第4.6.9条公式：

式中：Hq——最小清晰高度 （m）；H’——对于单层空间，取排烟空间的建筑高度 （m），对于多层空间，取最高疏散楼层的层高 （m）。

对空间净高H’的取值，是按单层空间取地面至屋面之间净高计算，还是按多层空间取最高层钢平台至屋面之间的净高计算？若按照多层空间取最高层钢平台至屋面之间的净高计算清晰高度，要求储烟仓必须设在最高层钢平台上部，导致厂房空间净高增加，且增加自然排烟高侧窗的布置难度。如按单层空间取地面至屋面之间净高为H’值计算清晰高度，在设定储烟仓高度时有可能使顶层或靠近顶层的钢平台位于储烟仓之内，影响人的疏散。

对于一些自动化程度较高的厂房，因操作平台和检修平台基本上没有人员工作，设计人员可以不考虑人员疏散问题，操作平台或检修平台的高度对最终的厂房清晰高度计算结果不会产生任何影响，可采用地面至屋面间的净高为H’值进行计算。但对于人员较多的情况，则必须按多层空间取最高层钢平台至屋面之间的净高为H’值进行计算。

4 结语

综上所述，通过对高大厂房排烟系统设计问题进行有效分析，对于单层高大厂房，或室内布置数层操作平台的高大厂房，进行排烟设计时，要结合厂房内部操作平台或检修平台的数量，以及平台分布情况，合理计算厂房清晰高度，还要考虑烟层是否会出现“层化”现象。本文提出的解决思路和措施，对于此类厂房的设计具有参考意义。

若高大厂房内部结构复杂，为保证排烟系统设计方案合理、规范，设计人员需要查阅更多资料，保证设计方案得到更好的实施。