排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)的設(shè)計

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簡介： 討論排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)的水力計算，推導(dǎo)出不同于《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》的排煙量計算等式，指出初調(diào)試風(fēng)量的重要性。
關(guān)鍵字：排煙系統(tǒng) 排風(fēng)系統(tǒng) 排煙量 風(fēng)機特性

1 概述 

　　排煙系統(tǒng)作為火災(zāi)初期人員疏散及救援的必要手段，對保障人們生命安全起了非常重要的作用，因此，排煙系統(tǒng)在火災(zāi)時能否良好運行有著重要意義。對于平時必須通風(fēng)的場合，將排風(fēng)和排煙系統(tǒng)合用，既節(jié)省了投資，又提高了排煙系統(tǒng)運行的可靠性，避免了日常的試運行檢查。是較有實用價值的一種形式。

　　排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)的設(shè)計，基本上應(yīng)遵循排煙系統(tǒng)的設(shè)計原則，要點如下列所示。

1.1 風(fēng)機宜優(yōu)先采用離心式風(fēng)機，公安部四川消防科研所對4-72型普通離心風(fēng)機進(jìn)行了280℃排氣溫度運行實驗，結(jié)果證明離心風(fēng)機在耐熱性能、變形等方面優(yōu)于軸流風(fēng)機。若采用軸流風(fēng)機，應(yīng)采用專用的高溫排煙風(fēng)機。

1.2 風(fēng)機入口處設(shè)280℃防火閥。

1.3 對于每個防煙分區(qū)，單臺風(fēng)機排煙量不小于7200m³/h。

1.4 風(fēng)管材料采用非燃燒體制作，風(fēng)管壁厚滿足排煙風(fēng)管厚度的要求。

1.5 排煙風(fēng)速：金屬風(fēng)管不大于20m/s混凝土風(fēng)道不大于15m/s，排煙口不大于10m/s。

1.6 排煙口應(yīng)采用常開型，排煙口位置沿走道方向距附近安全出口邊緣之間的最小水平距離不應(yīng)小于1.5m。

2 共用系統(tǒng)的水力計算 

　　排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)的風(fēng)管水力計算，應(yīng)對排煙、排風(fēng)量進(jìn)行校核計算。按照排煙系統(tǒng)的設(shè)置有以下模式：

　　A. 排煙系統(tǒng)為一個防煙分區(qū)服務(wù)，且該防煙分區(qū)為一個房間。

　　B. 排煙系統(tǒng)為一個防煙分區(qū)服務(wù)，但該防煙分區(qū)由不同房間組成。

　　C. 排煙系統(tǒng)為兩個以上防煙分區(qū)共用，排煙時只打開著火區(qū)排煙口，其它防煙分區(qū)排煙口關(guān)閉。

　　D. 排煙系統(tǒng)為兩個以上防煙分區(qū)共用，排煙時打開著火區(qū)及另一區(qū)排煙口，其它排煙口通過消防控制中心電信號關(guān)閉。工程上作法一般可分為兩種：

　　D₁：垂直方向上，打開著火區(qū)及相鄰上一層的排煙口進(jìn)行排煙。

　　D₂：水平方向上，打開著火區(qū)及走道排煙口進(jìn)行排煙。

　　對于模式A、C，管路水力計算應(yīng)先選取排煙量進(jìn)行計算，然后根據(jù)計算出來的管路校核風(fēng)機在低速下運行的風(fēng)量（宜按風(fēng)機運行曲線與管路特性曲線相交點的風(fēng)量）是否滿足排風(fēng)量的要求。模式C還須校核最有利環(huán)路風(fēng)口排煙風(fēng)速≤10m/s。

　　對于模式B、D，先推出一個等式來討論管路計算。

3 等式的推導(dǎo)及討論 

3.1 前提條件：初調(diào)試時共用系統(tǒng)是以排風(fēng)量作為調(diào)試量的。調(diào)試完畢之后，管路的阻力系數(shù)就確定了，在系統(tǒng)阻力系數(shù)恒定的情況下，風(fēng)量變化的規(guī)律就是本文要討論的內(nèi)容。

3.2 等式的推導(dǎo)采用以下管路，管路干管起止點分別為a₀、a_n，支管1起止點分別為a₁、b₁，支管2起止點分別為a₂、b₂，依此類推。

　　對于以上管路假設(shè)各支路初始流量為Q₀、Q₁、Q₂……Q_n

　　當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚龠\行時，其流量為Q₀^‘、Q₁^‘、Q₂^‘……Q_n^‘ 

　　先取末端2個支管進(jìn)行計算：

　　在管路實際運行中，支路之間必然存在壓力平衡，

　　故有：H_n-1= Ha_n-1－a_n+ H_n

　　　　　S_n-1Q _n-1² =Sa_n-1－a_n Q _n² + S_nQ _n²

　　　　 =Sa_n-1－b_n Q _n²（1）

　　式中：H_n-1-支管（n-1）的阻力
　　　　　Ha_n-1－a_n-從點（a_n-1）到點（a_n）的阻力
　　　　　H_n-支管（n）的阻力
　　　　　S_n-1--支管（n-1）的阻力系數(shù)
　　　　　Sa_n-1－a_n--從點a_n-1到a_n的管路阻力系數(shù)
　　　　　Q _n-1--支管（n-1）的流量
　　　　　Q _n--支管n的流量

　　以下各式中符號下標(biāo)表示方法與此同理。

　　同樣對于高速運行下有：

　　S_n-1Q _n-1^‘2= Sa_n-1－b_n Q _n^‘2 　　　　（2）

　　由（1）（2）得

　　Q _n-1^‘/ Q _n-1= Q _n^‘/ Q _n　　　?。?）

　　對于管路中任一支管K，等式的證明先采取一種處理方法。就是將k至（n-1）之間支路全部折合成支路（n-1），整個系統(tǒng)視為只有（k+2）個支路。由于式（3）的證明依據(jù)是管路之間的壓力平衡，所以這種處理并不影響式（3）的正確性，即此時：

　　Q _n-1^‘/ Q _n-1= Q _n^‘/ Q _n 仍成立

　　故 Q _n-1^‘/ Q _n^‘= Q _n-1/ Q _n　　　?。?^‘）

　　以下證明Q _k^‘/ Q _k= Q _n^‘/ Q _n

　　H_k=Ha_k－a_n-1+ Ha_n-1－a_n+ Ha_n

　　　=Sa_k－a_n-1（Q _n-1+Q _n）²+Sa_n-1－a_nQ_n²+ S_nQ_n²

　　即S _kQ _k²= Sa_k－a_n-1（Q_n-1+Q_n）²+Sa_n-1－b_nQ_n²（4）

　　同樣

　　S _kQ _k^‘2= Sa_k－a_n-1（Q _n-1^‘+Q _n^’）²+Sa_n-1－b_n Q _n^‘2（5）

　　由式（3^‘）、（4）、（5）可得

　　（Q _k^‘/ Q _k）²= （Q _n^‘/ Q _n ）²

　　即 Q _k^‘/ Q _k= Q _n^‘/ Q _n　　　?。?）

　　等式（6）中的K為管路中任一支管，故有

　　Q ₁^‘/ Q ₁= Q ₂^‘/ Q ₂ =…… = Q _n^‘/ Q _n …　　　　（7）

　　這就是針對多支路共用系統(tǒng)變檔運行下的風(fēng)量校核計算等式。

　　
　　　　　　　　　　a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 b　　　　　　　　

　　該式表明，當(dāng)系統(tǒng)總風(fēng)量變化時，各風(fēng)口風(fēng)量變化是等比的。但對于系統(tǒng)中有幾個支路關(guān)閉的情況，有必要另作分析。仍以開始推導(dǎo)等式的管路為例，當(dāng)某個支路k關(guān)閉時，必然對干管在a_k處的三通阻力產(chǎn)生影響，此時干管的S值產(chǎn)生變化，等式失去成立的理論依據(jù)，但分析可以發(fā)現(xiàn)，三通的阻力主要是支流的阻力，而直通的阻力較小，所以支路關(guān)閉對干管的阻力影響可以忽略。該等式仍可應(yīng)用于工程上的計算，當(dāng)然為了進(jìn)一步降低關(guān)閉支路的影響，有必要對三通的做法進(jìn)行研究。對三通及變徑的兩種做法（如上圖）進(jìn)行分析，做法b的三通直流阻力受支路關(guān)斷的影響要比a大，所以不宜采用。

3.3 以上推導(dǎo)了作為應(yīng)用于排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)的一個分析計算等式，具體應(yīng)用于模式B、D中時，作以下討論：

　　3.3.1模式B：假設(shè)該防煙分區(qū)為兩房間組成，其面積分別為A₁、A₂，且A₁＞A₂，排風(fēng)換氣次數(shù)分別為n₁、n₂，單位面積排煙量分別為x₁、x₂。按等式（7）有：

　　h n₁ A₁/x₁A₁= h n₂ A₂/x₂A₂　?。▁₁ ，x₂≥60m³/m².h）

　　式中：h-房間的高度

　　即n₁/x₁=n₂/x₂　　　　（8）

　　如果n₁不等于n₂，就會引起實際運行中排風(fēng)（煙）量與設(shè)計不符。這也與最初調(diào)試運行是以哪個量作為調(diào)試量有關(guān)，如果調(diào)試時以排風(fēng)量作為調(diào)試量：

　　當(dāng)n₁＞n₂時排風(fēng)量調(diào)試達(dá)到設(shè)計要求，由式（8）則x₁＞x₂，所以排煙時房間1排煙量為x₁A₁＞x₂A₁≥60 A₁即排煙量大于60 A₁，因而系統(tǒng)的最小排煙量應(yīng)按60 n₁ A₁/ n₂ +60 A₂計算。

　　同理n₁＜n₂時系統(tǒng)最小排煙量應(yīng)按60 A₁+60 n₂ A₂/ n₁計算。

　　以上分析可以推廣到多個房間組成的防煙分區(qū)。并得到以下結(jié)論：對同一防煙分區(qū)中的不同房間，設(shè)其中排風(fēng)換氣次數(shù)最小的房間面積為A₁，換氣次數(shù)為n₁，則系統(tǒng)最小排煙量應(yīng)按下式計算：

　　G=60A₁+60A₂n₂/n₁+60A₃n₃/n₁+…　　　?。?）

　　3.3.2模式D：由于系統(tǒng)擔(dān)負(fù)兩個以上防煙分區(qū)，規(guī)范規(guī)定總排煙量按最大分區(qū)面積乘以120m³/m² h計算，設(shè)最大防煙分區(qū)面積為A_max。

　　3.3.2.1模式D₁：工程上一般為內(nèi)走廊排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)，各層內(nèi)走廊排風(fēng)換氣次數(shù)一般相等。按式（8）有x₁=x₂，系統(tǒng)總排煙量按120A_max計算，由120 A_max=x₁A₁+x₂A₂=x₁(A₁+A₂)＜x₁2A_max，即x₁＞60，故任何一個防煙分區(qū)排煙量都有富余。排煙量按A_max計算就可以符合要求。

　　3.3.2.2模式D₂：

　?。?）設(shè)著火區(qū)為最大防煙分區(qū)，面積為A₁= A_max，走道面積為A₂，A₁、A₂排風(fēng)換氣次數(shù)不等。由式（8）n₁/x₁=n₂/x₂，令n₁=yn₂，則x₁=yx₂，總排煙量為

　　G=x₁A₁+x₂A₂=yx₂A₁+x₂A₂=x₂（yA₁+A₂）（10）

　?。▁₁ ，x₂≥60m³/m².h）

　　此值與2x₂A₁比較，當(dāng)y＞2－A₂ / A₁ 時

　　G =x2（yA₁+A₂）＞x₂ [（2-A₂/ A₁）A₁+ A₂]= x2（2A₁）≥120 A₁=120 A_max。

　　綜合以上分析計算，有：

　　當(dāng)n₁/ n₂=y＞2-A₂/ A₁時系統(tǒng)最小排煙量G＞120 A_max，可見排煙量與排風(fēng)換氣次數(shù)有關(guān)。具體排煙量的值應(yīng)按式（10）計算。

　　當(dāng)n₁/ n₂=y≤2-A₂/ A₁時系統(tǒng)最小排煙量按120 A_max計算即可。

　?。?）走道面積為最大防煙分區(qū)面積，即A₂=A_max。由式（8）n₁/x₁=n₂/x₂，得x₂= n₂ x₁/ n₁，只要n₂ / n₁＜1，總排煙量就是

　　G= x₁A₁+x₂A₂= x₁（A₁+ A₂n₂ / n₁）＜2x₁A₂=120 A_max

　　所以系統(tǒng)總排煙量按120A_max計算是足夠的。工程上走道換氣次數(shù)要求并不很嚴(yán)格，設(shè)計中可令其小于等于其他防煙分區(qū)的換氣次數(shù)，排煙量按120 A_max計算就行了。

4 結(jié)論及建議 

　　針對設(shè)計人員在計算排煙量時普遍采用60（120）m³/m².h作為計算依據(jù)的問題，本文提出以下結(jié)論： 

　　4.1 排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)在兩種工況下運行時，其末端風(fēng)量變化規(guī)律遵循式（7）。

　　4.2 在各防煙分區(qū)排風(fēng)換氣次數(shù)要求嚴(yán)格而且換氣次數(shù)不等的前提下，最小排煙量就不能按規(guī)范提供的最低數(shù)值計算。而應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置情況分別按式（9）、（10）計算。對排風(fēng)的換氣次數(shù)要求，設(shè)計中應(yīng)具體情況具體處理。

　　4.3 系統(tǒng)應(yīng)按設(shè)計風(fēng)量調(diào)試。

　　4.4 建議在設(shè)計圖紙上標(biāo)出各末端風(fēng)量大小，作為調(diào)試依據(jù)。

　　4.5 設(shè)計人員往往忽略規(guī)范條文中對排煙量的計算只是規(guī)定一個下限，而在計算時直接采用規(guī)范中的下限數(shù)據(jù)，這樣就容易導(dǎo)致錯誤。

5 工程實例 

　　下圖為某醫(yī)院地下室的一個防火分區(qū)，該防火分區(qū)由圖中標(biāo)出

　　面積的三個庫房和走道組成，層高為4.2m?，F(xiàn)設(shè)置排煙排風(fēng)共用系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置概況為：各個庫房和走道均單獨作為一個防煙分區(qū)，每個防煙分區(qū)各設(shè)一個常開型排煙口，平時排風(fēng)，火災(zāi)發(fā)生時，風(fēng)機轉(zhuǎn)為高速運行，著火區(qū)及走道排煙口執(zhí)行排煙功能，而其他排煙口由消防控制中心關(guān)閉。下面按兩種情況給出系統(tǒng)的設(shè)計計算過程。

5.1 庫房與走道要求的排風(fēng)換氣次數(shù)均為4次/時，即n₁=n₄=4。

　?。?）系統(tǒng)總排煙量

　　由模式D₁的討論：

　　G=A₁×120=306×120=36720m³/h

　?。?）各個排煙口排煙量

　　G_i=xA_i=A_iG/（A_i+A₄）（a）

　　G_4i=G-G_i　　　　（b）

　　式中下標(biāo)4i表示走道與i區(qū)排煙口共同排煙時走道的排煙量。

　　由式（a）可得

　　G_i=G/（1+A₄/ A_i）（a^‘）

　　dG_i/dA_i= G A₄/（A_i+A₄）²　　　?。╝^‘‘）

　　由式（a^‘）（a^‘‘），G_i是一個隨A_i增加而遞增的函數(shù)，且函數(shù)K值隨A_i增加而減小。G_i的曲線如下圖。

　　各排煙口排煙量按式（a）（b）計算的結(jié)果如下：

　　G₁=26010m³/h　　G₄₁=10710m³/h

　　G₂=24544m³/h　　G₄₂=12176m³/h

　　G₃=24349m³/h　　G₄₃=12371m³/h

　　（3）各排煙口排風(fēng)量

　　G₁^‘=hnA₁=5141m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=4267m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=4166m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=2117m³/h

　　總排風(fēng)量為15751 m³/h。

　　（4）排煙口尺寸：設(shè)計中通常采用同一規(guī)格的風(fēng)口，式（a^‘）、（a^‘‘）及其結(jié)論可作為風(fēng)口計算依據(jù)。

　　各庫房排煙口按最大面積庫房的排煙量計算風(fēng)口尺寸。

　　F₁=G₁/3600v=26010/（10×3600）=0.7225m²

　　式中F為風(fēng)口有效通風(fēng)面積，v為排煙口風(fēng)速。

　　走道排煙口按面積最小的庫房排煙時走道的排煙量計算風(fēng)口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12371/（10×3600）=0.34m²

　?。?）按排煙量進(jìn)行管道水力計算，求出管道總阻力。

　?。?）按總阻力、總排煙量、總排風(fēng)量（考慮漏風(fēng)系數(shù)）及風(fēng)機特性曲線選用兩檔風(fēng)機。

5.2 庫房排風(fēng)換氣次數(shù)n₁= 5，走道排風(fēng)換氣次數(shù)n₄= 3，設(shè)著火區(qū)為A₁。

　?。?）系統(tǒng)總排煙量

　　由y=5/3=1.67＞2－A₄/A₁=1.59，按模式D₂的討論

　　G=（5/3×A₁+ A₄）×60=（5/3×306+ 126）×60=38160m³/h

　　（2）各個排煙口排煙量

　　按式（a）（b）計算的結(jié)果如下：

　　G₁=27030m³/h　　G₄₁=11130m³/h

　　G₂=25507m³/h　　G₄₂=12653m³/h

　　G₃=25304m³/h　　G₄₃=12856m³/h

　?。?）各排煙口排風(fēng)量

　　G₁^‘=hnA₁=6426m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=5334m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=5208m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=1588m³/h

　　總排風(fēng)量為18556m³/h。

　?。?）排煙口尺寸

　　各庫房排煙口按最大面積庫房的排煙量計算風(fēng)口尺寸。

　　F₁=G₁/3600v=27030/（10×3600）=0.76m²

　　走道排煙口按面積最小的庫房排煙時走道的排煙量計算風(fēng)口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12856/（10×3600）=0.36m²

　?。?）按排煙量進(jìn)行管道水力計算，求出管道總阻力。

　?。?）按總阻力、總排煙量、總排風(fēng)量（考慮漏風(fēng)系數(shù)）及風(fēng)機特性曲線選用兩檔風(fēng)機。

6 遺留問題 

6.1 高規(guī)中規(guī)定排煙系統(tǒng)承擔(dān)兩個或兩個以上防煙分區(qū)時，排煙

　　量應(yīng)按不小于最大防煙分區(qū)面積乘以120 m³/m² h計算，這個計算風(fēng)量考慮了兩個防煙分區(qū)同時排煙所需，但并未明確同時排煙的兩個防煙分區(qū)是各自獨立著火，還是因為某個區(qū)著火而引起另一區(qū)著火。以下對這兩種情況分別加以討論。

　　（1）同時排煙的兩個防煙分區(qū)是各自獨立的，彼此之間不存在著火的因果關(guān)系。那就不存在模式D的作法，因為某一區(qū)著火時，系統(tǒng)對其排煙的同時還要預(yù)留給另一未知的防煙分區(qū)排煙。

　?。?）同時排煙的兩個防煙分區(qū)是有聯(lián)系的。兩者在排煙的需求上有著因果關(guān)系?；蚴侵饏^(qū)的煙氣竄到其他區(qū)，或是著火區(qū)火苗引起其他區(qū)著火?？傊?，兩者之間有著密切關(guān)系。那么，模式D₁的作法是比較合理的。因為在垂直方向上，不論是煙氣還是火苗，造成相鄰上一層產(chǎn)生煙氣的可能性最大。對于模式D₂，著火區(qū)在水平方向上引起其相鄰區(qū)產(chǎn)生煙氣的情況有兩種。一種是著火區(qū)與相鄰防煙分區(qū)之間有圍護(hù)隔斷（如墻體）。這種情況下火苗一般很難迅速引起相鄰區(qū)著火。如果考慮煙氣竄到相鄰區(qū)，則可能性最大的就是走道。另一種情況是著火區(qū)與相鄰防煙分區(qū)之間沒有圍護(hù)隔斷。這種情況下不論是火苗還是煙氣，都可能造成相鄰區(qū)產(chǎn)生煙氣，而且不會只是一個區(qū)產(chǎn)生煙氣，相鄰的幾個區(qū)都有同等的可能產(chǎn)生煙氣。如果是這樣，排煙量按最大分區(qū)面積乘以120m³/m²h就可能不夠了，而且具體計算公式也很難確定。

6.2 從本文討論可以看出，調(diào)試時的風(fēng)量將決定排煙量是否滿足要求，但實際應(yīng)用中不可能使每個排煙口風(fēng)量調(diào)到與設(shè)計值相符，這就有一個調(diào)試風(fēng)量誤差范圍的問題。如何根據(jù)不同的工程設(shè)定一個合理的誤差范圍是一個值得研究的問題。

　　謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給先師嚴(yán)治軍先生。

7 參考文獻(xiàn) 

1GB50045-95 高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范
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3 蔣永琨，編著。高層建筑和地下工程防火設(shè)計問答。北京：中國建筑科學(xué)研究院科技資料交流部出版，1994。

作者簡介：
　　姓名：黃中，性別：男，出生日期：1974年3月6日，畢業(yè)學(xué)校：重慶建筑大學(xué)城建學(xué)院供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)，學(xué)位：學(xué)士，工作單位：中元國際工程設(shè)計研究院（原機械工業(yè)部設(shè)計研究院）IPPR ENGINEERING INTERNATIONAL，通訊地址：北京市西三環(huán)北路5號，郵編：100089，職稱：工程師，電話：68732424