自然排烟计算参数的应用研究

李娜，路文渊

（太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

火灾时燃烧产生高温烟气在浮力作用下上升到建筑物顶部，逐渐形成加厚的高温烟气层。自然排烟是利用高温烟气产生的浮力，通过冷空气和热烟气之间的对流运动将烟气通过设置在建筑物上部的屋面和外墙上的排烟口排至室外。与机械排烟相比，自然排烟系统具有可靠性高、结构简单、操作容易、投资少和日常维护管理简便等优点；但是自然排烟过程缓慢，排烟效果受火源荷载强度、空间净高、进排风口位置形式、建筑地理位置和室内外环境温度等因素影响[1]；特别是大空间、高层建筑和密闭性大的地下建筑，在应用自然排烟设计时，自然排烟口和进风口的面积大小、位置和开启方式、角度对自然排烟的效果影响很大。自然排烟窗面积的计算规范推荐公式需采用试算法[1]，计算复杂、工作量大、不利于设计人员使用，本文对自然排烟计算公式进行理论分析，结合火灾数值模拟软件仿真分析，给出简化的自然排烟计算公式。

1 计算前提条件

自然排烟系统是利用火灾产生热烟气的浮力作为排烟的动力，自然排烟口的排烟速率很大程度上取决于烟气层的厚度和温度[2]。现有自然排烟计算公式是根据热压自然通风原理，采用比较成熟的计算公式简化后推演而得。这些公式有如下前提假定条件[3]：

1）自然排烟和进风处于稳态条件下，计算涉及参数在整个排烟过程是稳定不变的；

2）上部烟层的厚度随时间而变化，但在任何时刻烟层绝对温度T（烟层平均温度）和密度ρ，在整个空间水平和垂直方向是均匀相等的；

3）在接近稳态条件下，当进入外部通风口的质量流率近似等于从顶板通风口流出的质量流率[4]；

4）烟层以下空间全部与室外连通，进风口的面积足够大，进风口的压降远小于屋顶排烟口的压降；

5）排烟口两侧区域在稳态条件下，每个空间的压力可以描述为静水压力，通过排气口的质量流量由伯努利方程推导而来，其中浮力压力与排气口的动压力有关；

6）不考虑室外风压作用，不考虑由缝隙渗入和渗出的空气和烟气。

2 自然排烟计算公式

2.1 理想建筑屋顶排烟口的质量流量

某建筑物屋顶排烟口见图1。

图1 某建筑热辐射

根据流体动力学伯努利方程，由室内外压差引起排烟口的质量流量可表示为

式中：Mρ为屋顶排烟口的质量流量；为屋顶自然排烟口等效面积；CV为自然排烟口流量系数，常取0.5～0.7；ρ为烟层密度；ΔP为排烟口内外压力差；ρ0为室外空气密度；h为清晰高度。

根据理想气体定律，可得气体温度和密度之间的关系为

式中：T0为室外空气温度；T为烟层平均温度。

将式（2）代入式（1）可得

2.2 现实建筑屋顶排烟口实际排气面积

式（3）是假定补风口无限大，进风口的压降远小于屋顶排烟口的压降；而实际建筑因客观条件、使用要求和工程造价等问题，进风口不可能远大于排烟口。进风口面积受限时的通风系统可简化为由N个具有不同区域通风口连接的空间系统，见图2。

图2 由N个通风口连接的空间系统

根据质量定律，通过各通风口之间气体的质量关系可表达为

根据流体动力学伯努利方程，通过任一通风口之间的压差关系可表示为

通过各通风口之间的压差关系可表达为

式中：m为通风口处的质量流量；ΔP为通风口的内外压差；A为通风口面积。

将式（4）～（6）与图1相结合，当实际进风口面积Ao不能远大于排烟口面积Av时，进风口处的压降不能忽略，则Av与理想状态下排烟口等效面积A*v的关系可表示为

整理式（7），可得排烟口修正系数

3 数值模拟及应用

以GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》条文说明4.6.11工程为例，某3层商业建筑长30 m、宽20 m、高15 m，层高均为3 m，火源热释放速率4 MW，燃料面距地高度1 m。

3.1 数值模拟

3.1.1 自然排烟公式应用

和进风口的实际面积见表1。

表1 实际排烟口和进风口面积

3.1.2 数值模拟

采用FDS火灾烟气模拟软件建立模型，高大空间长宽高为长30 m×20 m×15 m，采用均匀网格划分方法，网格尺寸为1 m×1 m×1 m。以表1中排烟口和进风口面积为基础建立4个模型，进风口均位于清晰高度内，底边与地面平齐，4个模型设置相同尺寸进风口；其中模型4的储烟仓以下均为进风口，与室外空气完全连通，接近图1。采用火灾烟气模拟软件Pyrosim，室内设置烟气浓度切片，排烟口和进风口处设置速度探测装置。见图3和图4。

图3 室内烟气浓度

图4 排烟口和进风口速度

k为0.5时，火源正上方的烟气浓度最大，顶棚除火源以外区域的烟气浓度相对低；进排烟口比逐渐增大时，进风口面积增大，室内烟气浓度降低，因排烟口面积减小，顶棚处烟气浓度升高；k为28时，储烟仓以下均为补风口，虽排烟口面积最小，但因储烟仓以下完全与室外连通，进风口无压力损失，利于排烟，顶棚处烟气浓度最低。

排烟口和进风口面积越小，排烟速度和进风速度越大；而在k=28时，因储烟仓以下完全与室外连通，进风口无压力损失，利于排烟，排烟口面积减小时，排烟速度并没有增加。结合表1数据，当k＞5时，排烟口基本接近理想状态下排烟口等效面积。

3.2 工程应用

3.2.1 自然排烟公式简化计算

将式（8）代入GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》4.6.15条给出的自然排烟窗口面积计算公式，可得式（9）

GB 51251—2017中4.6.15条给出的自然排烟窗口面积计算公式两侧均有未知数Av，需要设计人员在使用时进行试算，计算难度高、工作量大。采用式（9）计算，先根据Mρ、T、T0求出；再根据建筑平面布局和立面要求，估算出k，求出M；最后根据式（9）求出排烟Av和补风口的实际面积A0。

3.2.2 温差的计算

GB 51251—2017条文说明4.6.8规定，储烟仓的烟层平均温度与周围环境空气温差不应＜15℃；由条文说明4.6.12给出ΔT的公式可以发现，清晰高度越高，热释放速率Qc越小，温差ΔT易＜15℃。

室内净高18 m，储烟仓厚度为空间净高的20%，清晰高度14.4 m，储烟仓高度3.6 m。采取有效喷淋灭火措施时，建筑内根据房间功能不同热释放速率取值为1.5、2.5、3.0、4.0 MW；代入GB 51251—2017的4.6.12条公式中，ΔT值分别为8.2、11.39、12.79、15.34℃；当房间内无喷淋灭火措施时，热释放速率取值为6.0 MW，ΔT值为16.78℃。高大空间内设置有效喷淋灭火措施时，热释放速率值偏小，可适当加大挡烟垂壁的深度，保证ΔT＞15℃。

ΔT＜15℃时烟气基本失去向上的浮力，会滞留在空中或局部形成沉降，排烟口很难有效将烟气排至室外。在多层连通内部高大空间，保证最高楼层人员的清晰高度同时要仔细核算ΔT，保证火灾时高温烟气能及时有效的排至室外。

3.2.3 风口风速的取值

根据GB 51251—2017的表4.6.3，民用建筑自然排烟窗处的风速采用侧窗排烟时不应＞1.0 m/s，采用顶开窗排烟时风速不应＞1.5 m/s；NFPA 92—2015《烟气控制系统标准》规定自然排烟时进风口处风速不应＞1.0 m/s。进风口面积越小，门洞处风速越大，不利于人员疏散且会干扰火源处火焰羽流，不利于形成稳定的烟气层。

除了依靠重力开启自然排烟窗，单个自然排烟窗的面积不宜＞3 m2；单个自然排烟窗面积越大重量越大，打开时需要的力矩越大，不方便室内人员手动开启，使自然排烟可靠性降低[4]。

3.2.4 室外环境的影响

自然排烟是利用火灾时热压形成的浮力把高温烟气排至室外，当排烟窗设置于外墙或屋顶时会受室外风速和风向的影响。自然排烟窗的开启方向应与烟气流动方向一致，采用外开式排烟窗可以减少烟气排出时阻力，有利于烟气排出；外墙上设置排烟窗时宜沿建筑两侧外墙的长边对称布置，形成对流条件，减小室外风压和风速的影响[5]。

自然排烟口的效率会因外界环境温度升高而降低，比较典型的是我国南方地区的夏季，室外温度高，热压形成的浮力减小，影响排烟效果。若火源处的室内温度比室外环境温度低，如夏天室内空调系统运行时，烟气与室外空气混合后形成的浮力不能使其到达顶棚最高处，烟气层高度降低，影响排烟效果。

3.2.5 其他

民用建筑中的大型交通枢纽、体育馆和展览馆等高大空间建筑顶部多为穹形网架结构，连通无分割，适合储烟。火灾时，可燃物上方的烟气羽流向上到达顶棚，沿顶棚向四周扩散，形成稳定的烟气层填充满整个穹顶区域。随着烟层厚度的增加，位于储烟仓内排烟口处的内外压差逐渐增大，有利于自然排烟；但因为室内外环境温度和风压影响，仅在建筑物顶部设置排烟窗不可靠且建筑的室内温度受室外太阳热辐射、室内灯光设备散热和室内热空气对流影响，上下温度分布不均，温差甚至＞10℃，会在顶棚下形成一定厚度的热空气层，烟气不能上升至最高处，无法及时有效排烟，此时还应在侧墙四周较高部位均匀设置排烟窗，增加自然排烟系统的可靠性。

自然排烟时补风系统可以采用自然或机械补风，同一空间宜采用同一种补风方式。采用机械补风时，进风口应远离自然排烟窗，防止气流短路且风速不宜＞5 m/s；采用自然补风时，应设置专门进风口，风口面积不宜小于自然排烟窗面积的1～2倍[4]。

4 结语

在实际工程设计中，自然排烟的计算采用本文推荐公式可以简化计算过程、减小工作量。对特定高大空间采用自然排烟系统时，在满足国家规范标准的基础上，建议结合数值模拟软件进行仿真计算，定量分析完善优化设计方案，使自然排烟系统更合理、可靠、经济。