建筑内疏散走道机械排烟口合理设置的探讨

黄小新 陈明丰

中国轻工业广州工程有限公司

0 引言

建筑内的疏散走道是发生火灾时，人员向前室和楼梯间疏散的必经通道[1]。若火灾产生的大量烟气扩散到走道内，烟气的较高浓度可能影响人员的正常疏散，烟气的较高温度可能造成人员严重灼伤，烟气中的有毒气体可能导致人员中毒或窒息死亡[2]。因此，为了保证人员在走道中的安全疏散，疏散走道的排烟设计非常重要。我国现行国家标准《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）（2018 年版）第8.5.2 条和第8.5.3 条规定，高度大于32 m 的高层厂房或仓库内长度大于20 m 的疏散走道，其他厂房或仓库内长度大于40 m的疏散走道，以及民用建筑内长度大于20 m 的疏散走道，均应设置排烟设施。

机械排烟是一种采用排烟风机进行强制排烟的方式，目前被广泛应用于建筑内疏散走道的排烟。机械排烟口作为机械排烟系统的重要组成部分，其布置对机械排烟效果有很大的影响。因此，针对机械排烟口设置的研究得到了越来越多的关注。近年来，许多学者针对机械排烟口设置对排烟效果的影响开展了大量研究，提出了许多设计优化方法和原则。

本文首先对建筑内疏散走道中的火灾烟气流动特性进行分析，随后结合现行国家标准，分别对疏散走道内机械排烟口的安装高度，设置位置，数量和间距等参数对排烟效果影响的研究进展进行总结，最后给出疏散走道内比较合理的机械排烟口布置原则，为实际工程设计提供参考。

1 排烟口安装高度

在没有排烟设施的情况下，着火点产生的高温烟气在浮升力作用下，不断地往走道顶棚流动。烟气抵达顶棚后，受到壁面阻挡，随后向四周沿着壁面散开。烟气在疏散走道中的流动可以分为如图1 所示的五个阶段[3]。阶段I：烟气积聚在顶棚附近。阶段II：高温烟气接触温度较低的顶棚后被冷却并下沉。阶段III：扩散到墙面的烟气进一步被墙面冷却，随后逐渐下沉。阶段IV：被冷却的烟气沿着墙面下沉至地面。阶段V：烟气在走道地面形成一定厚度的烟气层，此时走道断面中部空间的空气被烟气包围。最终，烟气将基本充满整个走道。

图1 疏散走道内烟气的流动过程

梁强等人[4]实验研究发现，在狭长走道内，越贴近顶棚的烟气温度越高。冯文兴等人[5]对狭长走道内烟气毒性成分的空间分布进行了实验研究，结果表明，烟气中CO2和CO 的浓度随着空间高度的降低呈现出下降的趋势。由此可见，当排烟口安装在距离顶棚较近之处时，其可将温度与浓度均较高的部分烟气快速排走，从而有利于人员的安全疏散。

朱毅和李思成[6]的实验结果表明，当排烟口上沿距顶棚的距离从0 mm 增加至150 mm 时，烟气蔓延速度从0.15 m/s 增加至0.4 m/s，烟气控制效果逐渐变差。徐伯乐等人[7]的模拟结果显示，排烟口高度较低时，容易吸入烟气与空气的混合气体，排烟口高度较高时，则不易吸入烟气层下部的空气，因此排烟效率随着排烟口安装高度的升高而得到改善。许小磊等人[8]通过数值研究发现，烟气质量分数在走道内的分布是从上至下逐渐减小，当排烟口设置在顶棚时，排烟口能够排出走道上部质量分数较高的烟气，而当排烟口设置在侧壁时，排烟口的上边缘吸入的烟气质量分数较高，但其下边缘吸入的烟气质量分数较低。因此，在相同排烟量的情况下，排烟口设置在顶棚的排烟效率高于设置在侧壁的排烟效率。

我国现行国家标准《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.4.12 条指出，排烟口宜设置在顶棚或靠近顶棚的墙面上。当走道净高不大于3 m 时，排烟口可设置在其净高的1/2 以上。当排烟口设置在侧墙时，吊顶与其最近边缘的距离不应大于0.5 m。

综上所述，在条件允许的情况下，应尽量将排烟口设置在顶棚，且排烟口的安装高度越高，其排烟效果越好。在顶棚设置排烟口存在困难时，可以考虑将排烟口设置在走道侧墙。值得指出的是，在实际工程中，由于走道不设置吊顶或吊顶均匀开孔且开孔率大于25%，通常把排烟口设置在排烟风管的顶部或侧面。为了确保走道内平均温度和火场能见度在人员的承受范围之内，文献[6]建议排烟口距顶棚的距离不应超过0.3 m。

2 排烟口设置位置

建筑内常见的疏散走道形状有直形，L 形，T 形和环形等。当疏散走道的长度较长，为了有效延缓烟气的扩散，为逃生人员提供较多的疏散时间，通常将疏散走道划分为若干防烟分区。在每个防烟分区中，设置的挡烟垂壁与走道侧墙将走道顶部空间围成储烟仓，用于蓄积烟气。每个储烟仓内设置一定数量的排烟口。根据《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.2.4 条，走道划分防烟分区的最大允许长度具体如表1 所示。

表1 走道防烟分区的最大允许长度

对于长直走道，其中设置有挡烟垂壁时，烟气的流动如图2 所示。烟气上升至顶棚后，受顶棚的限制，进而往水平方向扩散。当烟气遇到挡烟垂壁后，挡烟垂壁阻止了烟气的向前流动，此时上游仍有大量烟气不断地向前流动，积聚在该挡烟垂壁上游储烟仓之内，直至烟气层厚度大于储烟仓高度，随后烟气溢出该储烟仓并流入下游毗邻储烟仓[9-10]。

图2 挡烟垂壁作用下直走道中的烟气流动

对于L 形和环形走道，其均具有转角，烟气在走道转角区域的流动如图3 所示。当烟气在L 形或环形走道的直形段内流动时，其流动特性与在直形走道中的流动特性相同。当烟气流动至L 形或环形走道的转角之处时，受到前方墙壁的阻挡，随后有部分烟气回流，进一步地，上游烟气与回流烟气相互干扰，使大量烟气积聚在走道转角之处[11]。

图3 走道转角区域的烟气流动

图4 给出了T 形走道示意图。当烟气从点A 流向点B 时，其流动特性类似于在直走道中的流动。当烟气从点C 流向点D 时，其流动特性类似于在L 形或环形走道中转角处的流动。

图4 T 形走道示意图

由前文可知，在不同形状的走道内，烟气的流动存在一定差异。因此，如何在不同形状走道中合理设置排烟口的位置，是值得研究的问题。靖成银等人[12]对直走道进行了数值研究，认为排烟口处于火源下风向时，能够有效延缓烟气的扩散，而排烟口处于火源上风向时，可以快速排出高温高浓度烟气，故建议将排烟口设置在防烟分区的中间位置。纪杰等人[13]实验发现，直走道仅一端开敞时，开启补风口相反侧的排烟口则排烟效果较佳，而直走道两端开敞时，同时开启火源两侧的排烟口则排烟效果较好。汤静等人[11]通过模拟发现，L 形和环形走道的转角处烟气温度较高，建议做好该位置的排烟措施。黄东方等人[14]的模拟结果表明，相比于排烟口设置在环形走道其他位置，排烟口设置在环形走道转角位置时，其排烟效果更好。

综上所述，防烟分区为直形的走道，若仅一端有补风口，排烟口应设置在补风口相反侧位置，若两端均有补风口，则排烟口可设置在中间位置。防烟分区为L 形、环形或T 形走道，排烟口应设置在转角位置。

此外，邱旭东等人[15]的数值研究发现，排烟口处于安全出口附近时，由于浓烟积聚在排烟口下方，导致逃生人员难以识别安全出口位置，不利于人员安全疏散，因此建议排烟口设置在距离安全出口较远的位置。随后，《建筑防排烟系统技术标准》（GB51251-2017）第4.4.12 条提出，排烟口的设置宜使烟气流动方向与人员疏散方向相反，且排烟口与安全出口最近边缘的水平距离应大于1.5 m。孙翀[16]模拟结果表明，相比于排烟口贴近侧壁，排烟口远离侧壁时，其排烟效果更好。

3 排烟口数量及间距

在一个防烟分区内，当单个排烟口的排烟量过大，或者多个排烟口之间的距离过小时，均可能发生烟气层吸穿现象[17-18]。当烟气层被吸穿，排烟口排出的是烟气与空气的混合气体，导致有效排烟量减少，从而排烟效率降低[19]。因此，《建筑防排烟系统技术标准》(GB51251-2017)第4.6.14 条给出了单个排烟口最大允许排烟量的计算式，即：

式中：Vmax为单个排烟口最大允许排烟量，m3/s；γ 为排烟口位置系数，当排烟口中心点到墙体距离≥2 倍的排烟口当量直径时，γ 取值为1.0，否则，γ 取值为0.5；db为排烟口吸入口以下烟气层厚度，m；T 为烟气层的平均温度，K；T0为环境温度，K。

式（1）表明，单个排烟口最大允许排烟量不仅与烟气层的平均温度和厚度有关，还与排烟口距墙体的距离有关。由此可知，在防烟分区排烟量不变的情况下，相比于排烟口靠近走道侧墙设置，排烟口距离走道侧墙较远时所需的数量可能比较少。例如，一个净高为3 m，宽为2.5 m 的疏散走道，火灾热释放速率为1500 kW，假设一个防烟分区的排烟量为15000 m3/h，烟气层厚度为0.8 m，排烟口设置在顶棚上。当排烟口位置系数取1.0 时，单个排烟口最大允许排烟量为7549 m3/h，故至少需要2 个排烟口。当排烟口位置系数取0.5 时，单个排烟口最大允许排烟量为3750 m3/h，则至少需要4 个排烟口。

目前，我国现行国家标准均无关于排烟口间距设置的规定，而美国国家标准NFPA92-2018 给出了一个防烟分区内设置多个排烟口时，排烟口边缘之间的最小距离计算式，即

式中：Smin为排烟口边缘之间的最小距离，m；Ve为一个排烟口的排烟量，m3/s。由此可见，随着排烟口排烟量的增加，其对烟气的控制范围将扩大，故排烟口之间所需保持的间距也将增加。

4 结论

本文分析了建筑内疏散走道中火灾烟气的流动特性，结合现行国家标准，分别对疏散走道内机械排烟口的安装高度，设置位置，数量和间距等参数对排烟效果影响的研究进展进行了总结，得出了疏散走道内比较合理的排烟口布置原则：

1）疏散走道内的排烟口应尽量设置在顶棚，当条件不允许时可考虑将排烟口设置在侧墙，排烟口距顶棚的距离不应超过0.3 m。

2）排烟口应尽量远离安全出口，其与安全出口最近边缘的水平距离应大于1.5 m，且应使烟气流动方向与人员疏散方向相反。

3）防烟分区为直形的走道，仅一端有补风口时，宜将排烟口设置在补风口的相反侧，两端有补风口时，可将排烟口设置在中间位置。防烟分区为L 形，环形或T 形的走道，排烟口应设置在走道的转角处。

4）排烟口应尽量设置在远离走道侧壁的位置，当条件不允许时可靠近走道侧壁设置。

5）排烟口的数量应根据防烟分区排烟量和单个排烟口最大允许排烟量等参数进行确定，当一个防烟分区内需要设置多个排烟口时，排烟口的间距可参考NFPA92-2018 给出的排烟口边缘最小距离计算式进行确定。