高层建筑防排烟系统风压计算的一点研究

摘要：高层建筑防排烟系统设计日益成为消防审查中的重视点，风压问题经常成为消防建审人员提及担忧的问题。本文试图通过一些设计手册里能查阅到的计算公式和方法简单得对风压问题提出一些掌控估算方法和建议，让防排烟系统设计在设计阶段就能做到心安理得，这样后期的消防调试验收就能满足接近规范要求。

关键词：高层建筑；排烟；计算

随着经济社会的快速发展，高层建筑甚至超高层建筑已经在土地资源稀缺的一二线城市中常态化规模化投资建设，楼层越来越高，建筑功能越来越多样复杂，高层建筑火灾所带来的危害不容忽视，特别是近几年的火灾实例表明，烟气是造成高层建筑火灾蔓延和人员伤亡的致命杀手。因此，防排烟设计已成为高层建筑防火设计的一个重要组成部分。

在这其中送风口、排烟口风量、余压值达不到规范要求的现象在工程中比较普遍，有的送风口、排烟口的风速甚至接近于零，造成这种现象的原因比较复杂，笔者仅仅想对其中造成原因之一的系统风压问题提出一些估算解决方法，使得在设计配合以及选型时有所依据，做到心中有数，以期有利于后期的消防调试验收。

1.设计现状及其问题

现在高层建筑防排烟设计时，系统风量往往可以根据规范规定的各项具体数值比对高规的各项表格复核进行计算确定，也就是说在风量问题上一般设计过程中都有一个量化的概念，一些数值比如60m3/m2.h、120m/m2.h、2%、30米都能脱口而出的提及，甚至对于熟练经验丰富的设计师，高规的整张表格都已经深深的烙印在脑海里。反映出在设计过程中，设计人员更愿意遵从一些量化的指导思想，因为量化在实践过程中更易于接受和执行。

但是在提及风压的选择计算时，往往听到的回应大多是经验值或者以前某某项目设计过验收没问题可以照搬这样拍脑袋式的回答，给人心里不踏实或者虚化的概念，究其原因应该还是在印象里，加压或者排烟过程中空气流动涉及到太多的流体力学以及在风路中空气扰动不可控带来的过程复杂性，使得设计人员怀疑计算的必要性和符合现场实际的真实性。因此风压问题往往被认为是个“伪命题”或者“虚命题”，但是笔者认为其实任何设计都是被量纲分析的形而上学，不能因为其虚就务虚而不去探寻其科学有效的求知工具。

2.风压计算的方法选择

防排烟系统设计中风压计算首先需要对风路沿程压力损失和局部压力损失两部分分别进行计算。

2.1沿程压力损失

首先，风路沿程压力损失，可以根据《实用供热空调设计手册》第二版（以下叙述过程中不再累述）所列公式计算：

Pm=pm*L （1）

（2）

式中pm---单位管长沿程摩擦阻力，Pa/m；V---管内风速，m/s；

L---风管长度，m。

一般防排烟系统中风路管道均为矩形，故pm可以在设计手册表11.2-3中查到；在查阅表11.2-3中注意到一个现象：发现pm的数值变化有一个规律，即在风道截面积以及系统风量均相同的情况下（意味着管道风速也相同），风管断面尺寸宽高比越大的截面，其pm越大。

这里以28000m3/h的风量，风道风速控制在10m/s为例，对风管断面尺寸分别为2000x400（宽高比为5）、1600x500（宽高比为3.2）、1000x800（宽高比为1.25）进行查表得出的pm分别为1.43、1.22和1.01，先将三者的数据罗列下表展示：

表1

系统风量m3/h 截面尺寸mm 截面风速m/s 宽高比 pm Pa/m

28000 2000x400 10 5 1.43

28000 1600x500 10 3.2 1.22

28000 1000x800 10 1.25 1.01

由上表可以清楚得看到随着风道截面宽高比的降低，pm也是逐步得降低。

另外根据pm的理论计算公式，pm是与风速的平方成正比的，在高规中对防排烟系统风速的规定值是：采用金属风管时不应大于20m/s；采用混凝土等非金属材料风道时不应大于15m/s，将采用极限风速时的查表数据罗列如下：

表2

系统风量m3/h 截面尺寸mm 截面风速m/s 宽高比 pm Pa/m

42000 2000x400 15 5 3.13

42000 1600x500 15 3.2 2.66

42000 1000x800 15 1.25 2.20

由上面两个表对比可知，在风量增大为1.5倍（意味着风速增大为1.5倍）的情况下，pm实际增大值约为原来的1.5x1.5=2.25倍，由于表11.2-3未罗列出风速限值为20m/s的单位摩擦阻力，但是可以预见的是实际情况下pm实际增大值也应约为原来的2x2=4倍！

在上部加压送风系统中，由于高层建筑的新高度不断提高，有的加压送风系统的系统长度甚至能达到百米甚至更长。因此在系统长度无法缩短的情况下，在加压送风井的面积尺寸提资配合过程中，由上表观察可得到的第一个建议是：应倾向性地与土建专业配合要求布置一个宽高比（或者长宽比）尽量小的并且风道风速应尽量控制10m/s左右的加压送风风井，狭长型的高速风井应尽量避免。因为在风压计算过程中pm是作为一个因子存在的，后续的修正以及累积叠加都是以这个因子作为基础展开，因此在刚开始就应该尽量控制这个数值的大小以利于整个系统的风压控制。

2.2绝对粗糙度的修正

表11.2-3中查得的pm是以K=0.15x10-3m作为钢板风管内壁绝对粗糙度的标准，但是实际工程中风道是以各种形式存在的，例如上部加压送风系统中风道就大多是以混凝土风道的形式存在的，随着各种各样的风管材料的不断推陈出新，例如已普遍使用的玻璃钢风管等，绝对粗糙度的修正也显得特别重要。设计手册中表11.2-1以及表11.2-4对此部分修正已经界定很详细，现罗列如下：

现通过比对日常工程设计最经常替代钢板风管的混凝土风道以及玻璃钢风管，将绝对粗糙度的修正系数罗列如下表格：

表3

风道材料 绝对粗糙度mm 风速m/s 绝对粗糙度的修正系数

混凝土风道 3 10 1.85

玻璃钢风管 0.9 10 1.40

由上表观察可得到的第二个建议是：由于建筑条件的限制，混凝土风道的使用不可避免，但可以采取在混凝土风道内内衬镀锌钢板的技术措施减少绝对粗糙度的修正系数，同样有利于整个系统的风压控制。但由于该措施会减少实际的风井面积，提高风道风速，因此应在矩形风井每个边留出50mm富裕量的基础上来复核实际的风井面积是否达到所配合提资的面积。另外由于玻璃钢风管重量轻、耐腐蚀、安装维护费用低，所以在安装工程大量替代使用，但表格显示内表面喷涂的玻璃钢风管其绝对粗糙度已经接近混凝土的粗糙度，即便是普通的玻璃钢风管，修正系数也达到了1.40，因此在设计过程中应充分考虑此部分增加的压力损失，事先就进行预估修正。

2.3局部压力损失

当空气流经风管系统的配件及设备时，由于气流流动方向的改变，流过断面的变化和流量的变化而出现涡流时产生了局部阻力。为克服局部阻力而引起的能量损失，称之为局部压力损失Pj。

（3）

防排烟系统中产生局部阻力的配件，主要包括空气进口、弯管、变径管、三（四）通管、风量调节阀和空气出口等。由于大多数配件的局部阻力系数§值是通过实验确定的，而且各种配件如角度、开度、曲率等细微的差别都将引起局部阻力的变化，因此在实际计算中很难准确得对局部压力损失进行精确性的考量叠加。

对于低速机械送（排）风系统，在将pm与pj进行叠加时是以压损平均与假定流速作为前提的，一般可以采用单位管长压力损失法或者当量长度法。其中当量长度法将风管配件的局部阻力换算成沿程阻力的当量长度，一般各类常用风管都会提供各类配件的当量长度因此计算起来将更为方便。

2.4防排烟系统总压力损失的估算法

对于一般的进风、排风系统，管网总压力损失P，可以简单利用设计手册中公式（11.5-1）进行估算，公式如下：

Pm=pm*L（1+k） （4）

式中pm---单位管长沿程摩擦阻力，当系统风量小于10000m3/h时，pm=1.0～1.15Pa/m；当风量大于等于10000m3/h时，pm按照选定的风速查表11.2-3中得到。一般防排烟系统风量均大于10000m3/h ，因此均应查表计算。

L---风管总长度，是指最远送风口的送风管总长度加上最远回风口的回风管总长度，m；

k---整个管网局部压力损失与沿程压力损失的比值。类似于局部阻力当量长度的概念，在公式中以比值概念的形式存在。

弯头、三通等配件较少时，k=1.0～2.0

弯头、三通等配件较多时，k=3.0～5.0

由上述估算公式我们可以发现对于防排烟系统的设计，弯头、三通等配件即局部阻力损失也是影响系统风压的重要原因，直接影响公式的k值大小，因此得到的第三个建议是：防排烟系统设计中应尽量减少弯头、三通等配件，在横向的机械排烟系统中比较好理解的就是减少风管弯头、三通，当不可避免使用弯头、三通、四通等连接方式时，也应尽量使用导流弯头以及选用圆角曲率大于1的圆角三通、四通减少局部阻力损失，以使得式中k值减小，使得实际更接近计算值。而在竖向的机械加压送风系统中，例如楼梯间加压送风系统中，加压送风口可以抽象得理解为均匀送风系统中的侧孔，或者理解为风管断面不变的送风系统中插管三通连接风口，由于高规中对楼梯间加压送风口设置的表述为：楼梯间每隔二至三层设一个加压送风口，因此为了减少三通也即应减少送风口的设置，可以按照规范的上限楼梯间采用三层设置一个加压送风口的方式来尽可能减少三通，进而减小k值，当然对于前室或者合用前室的加压送风系统，由于其风口为常闭，即使火灾时也仅打开两个（20层以下）、三个（20层以上），因此对于前室、合用前室的加压送风系统，其k值可按弯头、三通配件较少时的量化固定为中间值K=1.5进行估算试算。

3.设计举例

笔者以风路过程较为复杂不可控的32层防烟楼梯间带前室的加压送风系统为例，对整个防排烟系统进行估算，看看估算值如何。

按高规表格8.3.2-1及风速法计算对比后确定其值大者为系统风量，在这个加压送风系统系统中加压送风量Q=40000m3/h，L=H=100米

按照建议风井风速取值为10米左右，那么首先确定的风井面积应为1.1m2，由于加压送风井建筑专业一般在布置时会尽量贴紧楼梯间剪力墙边的方式进行布置，建筑专业在布置时风井一般长度方向比较好延伸拉长，而宽度由于收到楼梯间疏散宽度的影响一般会控制缩短长度，假设最后的风井妥协尺寸为1700mmx650mm（宽高比为2.62较为适中），查设计手册表11.2-3中可以参照比对的最接近的风管断面尺寸为1600x630，该风井尺寸在10m/s的风速下对应的Q=36047m3/h，pm=0.99，考虑实际风量更大以及风井尺寸更为有利，可以暂将pm=1.00作为计算初始值。

由于上部加压送风系统中风道一般以混凝土风道的形式存在，那么我们需要对绝对粗糙度为3mm的混凝土风道进行修正，根据上述表3查得绝对粗糙度的修正系数为1.85。

由于该加压送风系统负担的加压层数为32层，我们按照建议以3层设置一个加压送风口为原则，那么该系统的风口为10个，可以先抽象性得理解为风管断面不变的送风系统中有十个插管三通，在100米的风路上，虽然垂直加压送风系统截面不变，也即意味着变径、弯头较少，但由于十个常开加压送风口的存在类似于十个插管三通，我们可以将该加压送风系统保守性得暂定为弯头、三通等配件较多时的情况，但k取下限值附近，即k=3.1。

在上述数值均确定的情况下，我们可以利用Pm=pm*L（1+k） （4）进行计算，估算计算过程如下：

Pm=pm*L（1+k）=1x1.85x100x（1+3.1）=758.5（Pa）

同样按照上述计算过程，笔者罗列出风井断面尺寸分别为1700mmx650mm、2200mmx500mm以及2700mmx400mm三种常见尺寸下的风压估算值，列表如下：

表4

系统风量m3/h 截面尺寸mm 截面风速m/s Pm Pa/m

40000 1700x650 10 758.5

40000 2200x500 10 849.5

40000 2700x400 10 1023.9

由于高规要求机械加压送风除计算最不利环路管道压头损失外，尚应有余压，防烟楼梯间为40Pa至50Pa，因此在考虑余压50Pa的基础上，我们可以将758.5+50=808.5Pa作为防排烟系统的风压估算值，虽然实际的加压送风过程复杂，空气流动又很难按照设想的假定约束进行，每个风口又很难做到按照均匀风量送风，但笔者认为上述演算过程至少在大的系统风压控制上做到了了然于胸，起码不再是经验值式的拍脑袋的决定，因此可以大胆得以此作为设计选型依据。

4.结论

通过以上对影响防排烟系统风压的各个部分因素进行考究，以及通过设计试算，我们发现防排烟系统风压控制估算中最重要的一点是对pm也即单位管长沿程摩擦阻力的控制，笔者的建议一和建议二无非就是在设计初始阶段对这个最重要的初始因子pm进行控制约束，尽量减少由于配合过程不到位而造成的人为扰动和修正，进而使得整个系统的风压呈现蝴蝶效应式的叠加影响；而建议三就是在风路复杂不可控的自然因素影响下，尽量按照高规允许的合理设置来减少自然因素的复杂性和不可控性，试图将自然因素影响减小到最低。

参考文献

[1]陆耀庆：《实用供热空调设计手册》第二版：中国建筑工业出版社

[2]《高层民用建筑设计防火规范》2005年版：中国计划出版社

[3]《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调・动力》：中国建筑标准设计研究所