高大空间场所烟气控制系统设计及计算要点分析

李玉洋

对于建筑火灾来说，高温烟气是阻碍人员逃生及消防员进行灭火的主要原因，其致命危害主要体现在毒气蔓延、高温灼热、遮蔽视线等方面[1]。随着社会的快速发展，越来越多的大型公共建筑投入使用，这些建筑中往往包含各种形式的内部高大空间。这些场所通常体量较大、功能复杂，其在发生火灾时烟气控制的难度较大。如何根据烟气的流动规律及烟气释放原理，设计出符合高大空间场所特点的高效烟控系统，逐渐成为一项重要的研究课题。

1 高大空间场所的火灾发展过程及特点

高大空间场所通常指的是空间高度大于6 m、面积不小于500 m2的建筑场所。此类场所的火灾整体发展过程和常规火灾一样，包括初期增长、充分燃烧和衰减3个阶段，在烟气控制方面有以下特点。第一，烟控系统启动延后。此类场所较高，建筑体量较大，初期的火灾规模小，烟气温度低，烟气的弥散和沉降现象将导致空间顶部感烟探测器无法及时探测到信号。只能到火灾发展一定规模后，烟控系统才能开始工作[2]。第二，烟气水平扩散快。空间高度大导致烟气流动的距离长，其上部烟气层温度和浓度都较低，加上大空间水平阻隔较少，对于火灾初期产生的烟气，甚至升不到顶棚便发生弥散[3]。第三，人员暴露在烟气下的时长更长。通常情况下，此类场所的人员密集，加上对建筑布局不了解，一旦发生火灾，人员难以找到建筑疏散路径。同时，因空间过大，人员到达室外出口的距离大，因此疏散时间较长。

2 高大空间场所烟气控制系统常规设计要点

高大空间场所烟气控制通常分为自然排烟及机械排烟。自然排烟主要借助室内外温差所引起的热压作用，形成室内烟气与室外空气的对流运动。这种方式受室外风力、热力的影响较大，当烟气流出的动力不足以克服排烟口的阻力时，还可能出现烟气倒灌的现象[4]。同时，因空间较高，烟气行程较长，通常到上部时温度降低导致浮升力不足，自然排烟效果受限。机械排烟即利用由风机、风管、风口等部件组成排烟系统对空间进行强制排烟，因其排烟效果稳定，不受室外影响，当前正逐渐成为高大空间场所烟气控制的主要形式。以下针对机械排烟下高大空间场所烟气设计要点进行分析。

2.1 关于火灾热释放速率的确定

根据火灾热释放速率的大小是否随火灾发展过程变化，可将火灾发展模型分为稳态火模型和非稳态火模型。稳态火模型假定火灾燃烧全过程中火源的热释放速率Q 保持不变，是一种简化的理想模型，设计结果较为保守[2]。其数值可在《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251-2017）（以下简称《烟标》）表4.6.7 中按照对应建筑类别选取。

非稳态火模型是指在火灾发展过程中火源的热释放速率Q 大小随燃烧时间发生变化的火灾发展模型，计算公式为：

式中，α为火灾增长系数，与可燃物材料有关，其数值可在《烟标》表4.6.10中查到。非稳态火模型虽然更符合火灾本质，但是在实际应用中因火灾增长时间t 通常难以准确判定（只能根据经验值选取），故《烟标》规定需将此模型下Q 的计算值和稳态火灾模型下的查表值相比较，取大值作为最终值。

2.2 关于储烟仓厚度及清晰高度的选择

清晰高度越高越有利于人员安全疏散，然而对于设计而言，清晰高度越高，意味着烟气下沿离着火楼层地面高度越大；烟气上升行程相应就越长，烟量也势必越大。烟气下沿抬高会使排烟口下方的烟层厚度减小，导致排烟口将烟层撕裂，产生“风洞”，吸入大量空气，降低了有效烟气比例。因此，在《烟标》中对最小清晰高度做出规定的同时还对储烟仓厚度提出了明确要求：当采用机械排烟方式时，储烟仓厚度不应小于空间净高的10%，且不应小于500 mm[5]。实际工程设计中常需要综合考虑并进行试算验证，确定合理的清晰高度及储烟仓厚度。

2.3 关于烟羽流类型及烟羽流质量流量及体积流量的计算

高大空间场所内部通常无遮挡，烟气类型按规范选取轴对称型。其烟羽流质量流量Mρ主要受热释放速率Q及燃烧面到烟层底部的高度Z影响[5]。

烟气层温升能量来源于火灾热释放能量，且与火灾热释放速率的对流部分Qc存在线性关系。根据能量守恒定律，结合空气定压比热Cρ及烟羽流质量Mρ即可算出烟层温升ΔT（烟层平均温度与环境温度差）。而又因进入烟层的烟羽流质量流量与排出的相等，根据质量守恒定律即可算出对应排出温度T（取烟层的平均绝对温度）下烟气的体积流量[5]。相关计算公式为：

式中：K为对流热释放因子，机械排烟时取1，自然排烟时取0.5；ρ0为环境温度T0下气体密度，通常取1.2 kg/m3；T0通常取293.15 K。

根据《烟标》规定排烟量需在计算值与查表值中取大值，查表值经过验证通常为最不利情况下的最大排烟量，取值过于保守。对于设计而言，计算出的结果通常作为较小值被舍弃，难免引起质疑。因此，在实际工程应用中，越来越多的地方性标准开始将计算值作为最终结果，不再强制要求与查表值比较，如《浙江省消防难点问题操作技术指南2020版》在7.2.30 中规定排烟量需按计算确定。

此方式得到设计人员的广泛认可。

3 高大空间场所烟气控制设计计算实例

本文选取设计实例，对烟气控制设计计算过程及原理进行解读。所选项目为杭州市某学校的多功能报告厅，建筑面积635 m2，采用阶梯式地面，台阶最高处高出底部地面5 m。空间净高按最低处计为8.2 m（按最高台阶处计为3.2 m），属于高大空间场所。

针对此报告厅，因其位于建筑内部，顶部为封闭吊顶，不具备自然排烟条件，故按机械排烟方式进行烟控系统设计。其排烟数据计算内容如表1 所示。

根据表1，项目选取了两台排烟量48 500 m3/h 的消防轴流风机，并设置8个排烟口。经复核验算，单个排烟口的排烟量未超过最大允许排烟量，满足相关要求。

表1 杭州市某学校报告厅排烟数据计算表

4 高大空间场所烟气控制系统的常见问题

4.1 烟层厚度不均匀问题

对于高大空间场所，根据其使用功能及美观等要求，吊顶通常为倾斜吊顶或弧形吊顶。受其影响，吊顶上的排烟口也多为高低错落的。而根据烟气浮升概念，储烟仓底常为齐平，因此不同位置排烟口的烟层厚度并不相同。设计时常选取最不利点（排烟口下烟层最薄位置）计算单个排烟口的最大允许排烟量。

若以每个排烟口分别计算最大允许排烟量，则在实际运行中如何保证同一系统中各个风口对应的风量成为一个难题。考虑到高大空间场所的排烟量较大，常需要多台风机组合排烟，可结合吊顶及单台风机风量进行虚拟划分片区，将单台风机系统控制的排烟口布置在高度相同的吊顶区域。吊顶高度较高区域采用大号风机，因其排烟口下烟层较厚，单个排烟口设计排烟量可适当加大；相应的吊顶高度较低区域采用小型号风机。每套系统附带的风口高度一致，风口风量均匀，无需额外添加调节阀，系统更稳定。对于整个空间而言，不同区域风口对应风量与烟气聚集程度相互匹配，能够有效提升排烟效率[6]。

4.2 烟气“层化”问题

《烟标》4.6.8 条文指出：当储烟仓的烟层温度与周围空气温差小于15 ℃时，此时烟气已经基本失去浮力，会在空中滞留或沉降。通常将此现象称为“层化”。经研究，笔者认为“层化”问题需考虑以下两种情况。

对于非阶梯式地面的高大空间场所，发生“层化”的主要原因是设计烟层下缘距离地面太高，烟气上浮行程过长，进而卷吸大量冷空气使烟温下降，烟气质量却增加，导致浮升力不足[7]。如果仅按最小清晰高度（通常不超过6 m）设计烟层下缘，则对应烟气行程较短，不会出现上述问题。故反推可知，“层化”现象仅为设计者设定的烟层厚度过小导致，可通过重新设计烟层厚度或加大挡烟垂壁深度来解决。

对于阶梯式高大空间场所，当火源位于前排低台阶区域时，受台阶带来的高差影响，烟层下缘与燃烧点距离过大，进而导致烟层平均温度较低，出现“层化”现象。而根据《烟标》规范需根据高台阶区域的空间净高来设计最小清晰高度（数值远高于按非阶梯式地面的计算值），受其限制，烟层必须在高位，设计烟层下缘无法降低。针对这种情况，本文认为需回归烟控目的本身，即确保人员疏散不被烟气影响，优先保证清晰高度。建议根据台阶的净高差异将空间划分为高低区，增加挡烟垂壁分隔，在高区和低区分别设置独立的排烟系统，高低区烟层厚度相应分开设置，即可解决“层化”问题。

4.3 烟气“热障”问题

此问题主要存在于夏季中庭等空间，因中庭上部通常不单独进行空气调节，夏季因采光顶下方聚热，加上空间内的热气上浮，导致空气温度分层[8]。空气温度在相应高度上很可能发生一个阶跃变化（透明顶盖在日照下尤为明显），产生“热垫层”。火灾发生时，烟气上升至“热垫层”时，受其高温影响，难以上升至最高处[9]。此即为烟气“热障”问题。

此情况对于烟气控制影响如下：一是高位的烟雾探头无法及时检测到信号并启动排烟系统，推迟了系统响应时间；二是排烟系统启动时顶部风口先排出的“热垫层”的空气，运行一段时间后才能吸出烟气，排烟效率降低。基于此，针对超高中庭，可在12 ～18 m 设置烟感探头及排烟口，从而能够解决烟气“热障”问题，有效提高系统响应速度以及排烟效率。

5 结语

随着火灾模拟技术的发展，会有更多高效的烟气控制系统设计成果诞生。本文结合实际案例对高大空间场所烟气控制系统进行分析，分析了烟气控制设计要点及常见问题的解决方法，希望能为相关研究提供借鉴。