高层建筑防排烟设计方案选择及评估指标探讨

摘要：随着经济发展，社会的进步，现代建筑物的形态日益丰富、规模不断扩大、功能日趋增多，在提倡以人为本的社会新时代，大家对高层建筑有关防火方面的要求越来越高，也更加重视。文章在合理满足烟气控制的前提下对防排烟实际方案进行优化选择，减少设备投资及能耗，并为烟气控制的安全评估提出了安全评估指标。

关键词：高层建筑；防排烟；评估指标

高层建筑使用的可燃装饰材料，如塑胶板、化纤地毯等，这些可燃物在燃烧过程中会产生大量的有毒烟气。防排烟设计中较复杂的环节，也是建筑生命安全系统的重点。防烟、排烟就是将火灾中产生的烟气在着火房间或着火房间所在的防烟区域加以控制和排除，以防止烟气扩散到疏散通道或其他防烟区域中，确保人员安全疏散和扑救的建筑防烟措施。

一、防排烟系统设计方案选择

在规范中，一类高层和建筑高度超过32米的二类高层的下列部位应设排烟设施:长度超过20 米的内走道；面积超过100平方米，且经常有人停留或可燃物较多的房间；中庭和经常有人停留或可燃物较多的地下室。通常对上述场所设置排烟系统都没有疑义，关键是在排烟方式的选择上，是采用自然排烟，还是机械排烟，或是两者组合?我们不妨参照一下国外的经验。依据澳大利亚消防管理委员会顾问的经验，当地政府部门和消防队认为只要是烟层降到2.1 米以下的设计即为不可用状态而不管烟气的其他条件如何（温度、毒性和能见度）。也就是建筑可承受状态的指标是:至少在2.1米以上。这样我们在排烟系统设计方案选择中，就有了一条标准，只要排烟场所的排烟设施能满足排烟高度的要求，就可以采用投资最省的方案。

排烟高度的计算方法如下，在给定时间内，其烟层界面高度z可通过下式估算：

式中，AR为房间水平面积，HR为房间天花板高度，ρs为烟层密度。

排烟方式的选择计算，由羽流流量mp：

其中，Qf和z分别是火源热释放速率和火源的高度。

可得要求的通风面积：

Aε=mp/α

其中，地板水平压力差Δp=m2p /2（αAd）2，Ad为开口面积。α为流量系数，ρ∞为空气密度，Hε为排烟口距地高度。

将Aε与已知条件相比较，当实际通风口面积小于该值时，就必须采用机械排烟系统，否则就可采用自然排烟系统。

二、评估指标确定

对一个正压送风防烟系统来说，要保证效果，也就是阻止烟气侵入疏散通道的指标有三个:第一，对于开启的楼梯间及前室内门，流过门洞的风速应大于阻止烟气倒流所需的临界风速；第二，对于关闭的楼梯间及前室内门，在门的两侧的压力应大于防止烟气侵入所需的正压值（通常认为是规范所规定的正压值）；第三，所有关闭的疏散门的两侧的压差必须小于开启门所允许的最大压差。对于排烟系统，如前所述，只要烟层保持一定的高度，我们就可认为是利于疏散的。

（一）临界门洞风速

在正压送风系统工程中，为防止烟流经过开启的门从有烟区域进入无烟的加压区域，通常让具有一定流速的气流流经门洞来实现，当该气流恰好能够阻挡烟气入侵时，该流速就是临界门洞风速或防倒流风速，CriticalAirVelocity），它可由防倒流所需的流经门洞的风量除于门洞面积求得。

临界风速是正压送风系统一个重要的检验指标，世界上许多国家和地区的防火规范都对它作了明确的规定。 澳大利亚的AS11668Partl要求当防烟楼梯间的三个门全开时，梯井的气流流出速度不得小于200fpm（1m/s）；纽约地方法规NO.84 要求当三个门同时开启时，必须维持最小平均流速2m/s； 英国标准BS5588Part4认为门只是间歇开启，在开启的门洞上所需的平均断面风速与火灾发热量的大小密切相关，在设有自动喷水系统折建筑中，由于烟气受到喷水冷却，门洞上所需平均断面风速可以减少到0.23～1.25m/s。

由上可见，各国规范对门洞最低风速的取值相差较大，而我国目前对门洞风速的规定主要是在参考各国的规定后确定的，迄今尚未有人对门洞风速做较深入的研究。在防烟楼梯间及前室正压送风系统模型中，临界门洞风速关系着对一个系统方案的评估，有必要对它做进一步的认识。

临界门洞风速与门洞两边的通风情况、开门状况、门洞的尺寸大小和门洞两边气体温度的分布有关，在近似认为门洞两边无通风系统影响的条件下，此时临界风速就主要取决于烟气温度、门的开度和高度。

在火灾发生一段时间后，烟气将弥漫于整个走道，若近似将走道的烟气温度看作同一温度Tf，加压区域温度为Ts，则在关闭状态下的门洞的两侧的压力分布将遵守下式：

Δp=ps-pf=gh（ps-352/Tf）

式中，h 为离中性面的距离；Ps 为加压区域在离中性面h 高度上的压力；Pf为走道离中性面h高度上的压力。门开启后情况略微发生了变化，加压区域冷空气吹向走道，对走道靠近门处的烟气在垂直方向上进行不同程度的冷却，越接近地面，两侧的压差越大，从加压区域流向走道的冷风量就越大，烟气温度也呈现出一定的降低门洞两侧压力曲也不再是直线，而是呈现一定的变化，但离直线偏差不会太远此时，各高度土的压差仍可近似用上式计算。当加压风量正好使门洞中心线的压力分布处于临界状态，即门顶端的两侧压力差等于零时，此时的门洞平均风速就是临界门洞风速。临界门洞风速可用下式计算:

vd=Qd./（Asina×3600）

式中，Qd为防烟气流的门洞临界风量，m3/h；A 为门洞的有效面积。综上所述，临界门洞风速可按上述公式近似求出，算法关键在于门洞加压后中性层位置。GeorgeT.Tamura曾就临界风速进行试验测定，对0.914* 2.13m 的门洞，在开门角度为9000，烟温为3000℃时，防烟临界风量为3.48m3/s，在烟温为300℃时，防烟风速4.34m3/s，算成临界风速为1.78m/s和2.22m/s，。在开门角度为60时，防烟风速为1.55m/s和1.92m/s。

根据上述算法算出开门角度为600，烟温为300℃时，临界风速为1.82m/s和2.10m/s。可见要略高于实测值。

（二）加压区域的正压范围

加压区域的正压值， 不仅是防烟楼梯间及前到正压送风系统的重要检验指标，而且是防烟楼梯间及前室正压送风系统设计时的重要指标，因为其对加压送风量的计算、风机全压的选择均起着重要的作用。正压值范围的确定要求与加压部位相通的门在关闭的情况下足以阻止着火层的烟气在热压、风压、浮力、膨胀力等联合作用下进入加压部位， 同时又不致压力过高而造成人们推不开通向疏散通道的门。根据《高层民用建筑设计防火规范》规定，对于楼梯间及前室正压送风系统，前室的最小压力为25-30Pa；楼梯间为40-50Pa。由此规定了正压区域的最小压力和最大压力。

（三）烟层高度

如前所述， 烟层的高度是作为评价排烟场所设置排烟设施对疏散的影响的一个量化指标。因此，该指标也成为评估排烟系统的最基本的评估指标。

要完整地评价排烟系统的效果，还要通过对建筑或某区域内的烟气流动模拟，看出不同排烟系统和同一系统不同排烟能力对建筑烟气产生和蔓延的深层影响，由此才能作出正确的评估，选定最佳方案。

三、结语

建筑防排烟设计工程是人们的生命工程，对设计方案所产生的效果要进行比较，还要确定系统安全和经济指标。通过指标选择优秀的设计方案，保证人们的生命财产安全，同时尽量减少建筑设备投资，节约能耗，促进社会可持续发展。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。