建筑排烟系统设计问答两则

建筑排烟系统设计问答两则
问题1
GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》（以下简称《烟标》）第4.5.2条规定：”补风系统应直接从室外引入空气，且补风量不应小于排烟量的50%”。某高度小于6 m的房间，1个防火分区，分为2个防烟分区，防烟分区1面积200 m2、排烟量15 000 m3/h，防烟分区2面积450 m2、排烟量27 000 m3/h。根据《烟标》第4.6.4条、第4.5.2条等条文，有：1） 排烟风机风量为（27 000+15 000）m3/h×1.2=50 400 m3/h；2） 补风风机风量为50 400 m3/h×50%=25 200 m3/h；3） 补风风机风量25 200 m3/h>15 000 m3/h，即使是25 200 m3/h÷1.2=21 000 m3/h，也大于15 000 m3/h，即补风量大于防烟分区1的排烟量。而GB 50016—2006《建筑设计防火规范》第9.4.4条条文说明指出：“当一个设置了机械排烟系统的场所，自然补风不能满足要求时，应同时设置补风系统（包括机械进风和自然进风），且进风量不小于排烟量的50%，以便系统组织气流，使烟气尽快并畅通地被排除。但补风量也不能过大，据有关资料介绍，一般不宜超过80%”。那么：1） 当采用自然补风时，按哪个风量计算可开启外窗面积。2） 当采用机械补风时，如何解释补风风机风量大于排烟分区风量的问题？
 

解答
查阅一些相关资料，都没找到现成的具体答案。下面先结合问题所举工程案例，谈谈对《烟标》中2个有关条文的认识。

首先是关于第4.6.4条。将此条文第1款的规定应用于本案例（防烟分区1，2的排烟量分别为Q1=15 000 m3/h，Q2=27 000 m3/h），得出系统的计算排烟量Qj=Q1+Q2=42 000 m3/h（此处尚无需计入系统漏风、风机出力偏差等。下同）。根据《烟标》第5.2.4条，“当火灾确认后，担负两个及以上防烟分区的排烟系统，应仅打开着火防烟分区的排烟阀或排烟口，其他防烟分区的排烟阀或排烟口应呈关闭状态”。这样一来，本例中，如果：

1） 防烟分区1发生火灾，（第4.6.3条）规定的分区排烟量Q1为15 000 m3/h，而排烟系统一旦投入运行，排烟量Qj为42 000 m3/h，远大于Q1。防烟分区1内的排烟口规格是按Q1确定的，于是排烟口风速（第4.4.12条）或单个排烟口的最大允许排烟量（第 4.6.14条）势必大大超标，进而发生严重吸穿，大幅度“降低了实际排烟量”（第4.6.14 条条文说明），其后果是烟气层快速下降，危及人员安全疏散。可见按《烟标》第4.6.4条第1款实施，貌似非常安全保守，其实可能是适得其反。

2） 防烟分区2发生火灾，情形与以上类似，仅危害程度稍低而已。

3） 防烟分区1，2同时发生火灾，系统设计理论上成立，但此种情形已经超出了现行各防火规范、标准所遵循的“单点火灾”的基本设防原则，系统控制（第5.2.4条）也不支持。

看来，《烟标》第4.6.4条第1款的规定与第4.4.12条、第4.6.14条、第5.2.4条等的规定未能协调一致。

其次是关于第4.5.2条。补风量Qb是按Qb≥50%Q1（或Q2）还是按Qb≥50%Qj确定？个人理解是前者。因为如果后者即Qb≥50%Qj成立，那么，如前所述：

1） 防烟分区1发生火灾，Qj=42 000 m3/h，Qb≥50%Qj=21 000 m3/h>Q1，违反了补风量小于排烟量的基本规定。如果补风口恰好位于防烟分区1，结果必然是该分区出现正压，驱使烟气蔓延至建筑的其他部位或区域，这就违背了排烟系统设置的初衷，完全不可取。

2） 防烟分区2发生火灾，Qj=42 000 m3/h，按Qb≥50%Qj计算，Qb也只有在（50%～64.3%）Qj的范围内小于Q2，可以接受。但如Qb≥65%Qj，情况将同防烟分区1。

可见，这里通用的原则依然是补风量应当按1个防烟分区的排烟量计算确定，即第4.5.2条中的排烟量应当理解为1个（通常是最大的那个）防烟分区的排烟量。

有了上面的认识，再来讨论所提出的2个问题。

1） 当采用自然补风时，按哪个风量计算可开启外门窗洞口面积？

补风量应按较大的防烟分区2的要求确定，即按Qb≥27 000 m3/h×50%=13 500 m3/h计算可开启外门窗洞口面积。至于计算风速，按《烟标》第4.5.6条规定的“自然补风口的风速不宜大于3 m/s”计算。本例中无论哪个防烟分区发生火灾，哪怕门窗洞口面积对应的风量相对于Qj小了一点，但补风量少一点，或多或少地限制了本来（按第4.6.4条第1款计算）就过大的Qj。少一些吸穿，对于排烟系统的运行效果其实只会有好处，更何况同时还避免了着火分区出现正压可能导致的恶果。

2） 当采用机械补风时，如何解释补风风机风量大于排烟分区风量的问题？

补风量大于排烟量是原则性的错误，原因已在前面对《烟标》第4.6.4条、第4.5.2条2个条文的论述中作了说明。

实际上，英美的一些有关标准、手册中都列有补风系统设计的一般原则及/或详尽要求，仅因具体语境不同，各自的侧重点也不一样。若就机械补风系统的应用而言，似乎也只有英国标准BS 7346-4：2003 Components for smoke and heat control systems—Part 4：Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems， employing steady-state design fires—Code of practice充分意识到了其中可能存在的问题，在其第4.3节“自然与机械通风设施的组合应用”中有如下内容：

“自然通风设备和机械通风设备不宜同时用于同一储烟仓的排烟或同一储烟仓的补风。排烟系统宜由以下组合方式构成：① 自然排烟系统和自然补风系统；② 自然排烟系统和机械补风系统；③ 机械排烟系统和自然补风系统；④ 机械排烟系统和机械补风系统（推-拉系统）。不宜按组合方式②和④进行设计，除非提供了充分的工程系统的详细描述，表明系统在设计条件下如何工作。”

这个建议应该说是相当客观、稳妥的。回到本例，为做到既合规又基本合理，可考虑采用以下方式。

方式1：2个防烟分区仍（按惯例）合用1个机械排烟系统；机械补风系统也合用，但补风机采用双速风机，其低速工况基于Q1，高速工况基于Q2。相应地，系统的控制方式需按此要求设置。

方式2：2个防烟分区分设独立的机械排烟系统；机械补风系统可分可合，如合并设置，可按方式1配置，也可按Q2计算补风量，即Qb≥27 000 m3/h×50%=13 500 m3/h，相对于防烟分区1，Qb=13 500 m3/h=90%Q1，也还比较合理（美国标准NFPA 92 Standard for smoke control systems和Handbook of smoke control engineering都建议设计补风量取排烟量的85%～95%）。

方式3：采用自然补风，如前面讨论的问题1）中所述。

3种方式中，如仅就补风系统设计而言，首推方式3，次选方式2，再次为方式1。当然，排烟与补风的系统组合应用须根据工程的具体条件分析确定。

 

问题2
设计中的一个一类高层公共建筑，裙房为大型商业，中庭贯穿地下2层至地上4层，总高39.2 m，各层平面有局部变化。中庭按火灾热释放速率4 MW计算，满足储烟仓烟层与周围空气温差为15 ℃所对应的清晰高度z=22.5 m，排烟量为58万m3/h。现考虑地下1层至地上4层中庭周边均设挡烟垂壁下降到底，此时清晰高度z=6.6 m，对应的排烟量为11.5万m3/h，烟气平均温差为98 ℃。如取z=6.6 m，因各楼层及屋面中庭开洞有变化，会导致部分回廊划入中庭防烟分区，此部分回廊同时处在储烟仓烟层之内，是否满足疏散要求？
 

解答

这个中庭不算特别高大，但已深入地下，空间关系比较复杂，暖通设计宜在准确把握建筑防火设计意图尤其是防火分隔布局的基础上，树立清晰合理的排烟系统设计目标。

1） 关于建筑防火设计。地上各楼层（地下层局部稍有不同，不详述）在建筑防火设计方面最大的特点是：中庭的防火分隔不是采用常见的、现行国家相关标准认可的围着中庭洞口周边设置的方式，而是紧贴中庭回廊外围商铺面向中庭的围护结构设置的。这里，中庭（包括回廊，以下同）与周围场所已经按GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第5.3.2条进行了防火分隔，形成了一个独立的防火单元。

作为独立的防火单元，火灾时中庭与周围场所由防火卷帘、防火门等防火构件全面分隔，在规定的耐火极限范围内，火灾和大量的烟气理论上不能在中庭与周围场所之间自由蔓延。这样一来，回廊已经不是“商店建筑的回廊”（《烟标》第4.1.3条），“部分回廊划入中庭防烟分区”自然也就不是什么问题了。这里，商铺的疏散门是开设在商铺背向中庭一侧的疏散通道上的，回廊（其自身没有使用功能，没有可燃物，也没有人员经常停留）在建筑防火设计中不作疏散用，并与中庭空间一体排烟，故没有必要、也不应当设挡烟垂壁。

2） 关于系统设计目标。基于上述条件，该中庭排烟系统的设计目标为：在排除中庭火灾所产生的烟气和热量的同时，降低中庭内部空气压力，避免烟气通过建筑分隔构件的缝隙、孔洞泄漏进入周边场所并妨碍人员安全疏散或损害财物。需要说明的是，这样的系统方式实际上并不新奇，其中的排烟大家都已经习以为常，至于减压，对围合空间排风则其中的空气压力自然会下降，BS 7346将其专门称为“中庭减压”，本例即属BS 7346所谓“机械减压与排烟的组合系统”。

循此设计目标，本设计不适用《烟标》第4.1.3条第3款、第5款及第4.6.5条。从问题中可以看出，设计目标虽然还比较模糊，但设计单独考虑中庭火灾工况，并按轴对称型烟羽流估算排烟量等，思路大致是对的。

3） 关于计算细节。有2点值得注意：

① 分析计算中反复使用的“清晰高度z”在概念上不够准确。根据《烟标》第4.6.11条，z为燃料面到烟层底部的高度，轴对称型烟羽流的质量流量计算与烟层底部高度z而不是清晰高度Hq相关。《烟标》第4.6.11条规定，储烟仓底部距地面的高度应大于安全疏散所需的最小清晰高度，最小清晰高度应按本标准第4.6.9条的规定计算确定。也就是说，z>Hq。大多少呢？“计算确定”。Hq取值比计算值大不是更好吗？有条件大一点也没错，但太大就没有必要了。美国标准NFPA 204 Standard for smoke and heat venting建议：当设计烟层厚度d超过空间净高H的20%时，Hq-d不宜小于3 m。BS 5588-7：1997 Fire precautions in the design， construction and use of buildings—Part 7：Code of practice for the incorporation of atria in buildings建议：如果中庭回廊是疏散通道并且是开放的，应设置排烟系统，使烟气限制在最顶层回廊或廊桥上方不少于3 m的高度。可酌情参考。

② 中庭洞口变化的影响。这个问题切中要害，按理说应该在设计中考虑，但现行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》和《烟标》都没有涵盖，所以怎么处理都缺乏依据。NFPA 92第5.9节（“断面变化和形状复杂的空间”）中规定：当大容积空间的横断面不规整时，排烟系统的设计分析应考虑横断面随高度的变化。该标准推荐的分析方法有：比例模型；CFD模型；区域模型自适应；边界分析。并且建议，如果没有比例模型、场模型或区域模型自适应的分析，宜考虑进行敏感性分析。


4） 问题之外的问题。未提及的其他技术问题也宜审慎处理，例如：

① 起火点的位置。该中庭洞口有限而中庭防火单元在各楼层所涵盖范围较大，“中庭地面”在这里不能单纯理解为地下2层地板。宜考虑着火点在其他楼层（特别是最底层）的火灾场景，并参照《烟标》第4.6.4条第2款规定的原则确定系统的（最大）排烟量。

② 火灾热释放速率及烟羽流的类型。中庭等高大空间的排烟设计通常不考虑喷淋的作用，热释放速率一概按4 MW计取。但对于发生在各楼层中庭洞口之外而又在中庭防火单元范围之内（净高均小于8 m）的火灾，应考虑喷淋的作用，并按《烟标》表4.6.7中的“有喷淋”的“走道”选取火灾热释放速率。在此情形下，烟羽流为阳台溢出型。

③ 补风系统的设置。为了满足《烟标》第4.5节各条文的相关规定，设计从地下2层补风有困难。建议考虑转换利用地下2层的通风空调系统，或者充分估算中庭上部高大空间周边各种缝隙、洞口的渗漏进风，合理确定补风系统风量，并宜取下限。

④ 烟控系统之间的关系。实施防火分隔后，中庭排烟系统与周围场所的排烟系统设置无直接关联，但中庭防火单元如与楼梯间、防烟前室、避难走道等设有加压送风系统的部位相邻，宜考虑这些部位因中庭减压所产生的压差叠加及其正面和负面的效应（详情可参见NFPA 92中的“系统组合”一节），并采取必要且适当的泄压措施。