排煙排風共用系統(tǒng)的設計

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

1 概述 

　　排煙系統(tǒng)作為火災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)在火災時能否良好運行有著重要意義。對于平時必須通風的場合，將排風和排煙系統(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。

　　排煙排風共用系統(tǒng)的設計，基本上應遵循排煙系統(tǒng)的設計原則，要點如下列所示。

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

1.2 風機入口處設280℃防火閥。

1.3 對于每個防煙分區(qū)，單臺風機排煙量不小于7200m³/h。

1.4 風管材料采用非燃燒體制作，風管壁厚滿足排煙風管厚度的要求。

1.5 排煙風速：金屬風管不大于20m/s混凝土風道不大于15m/s，排煙口不大于10m/s。

1.6 排煙口應采用常開型，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小于1.5m。

2 共用系統(tǒng)的水力計算 

　　排煙排風共用系統(tǒng)的風管水力計算，應對排煙、排風量進行校核計算。按照排煙系統(tǒng)的設置有以下模式：

　　A. 排煙系統(tǒng)為一個防煙分區(qū)服務，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，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行排煙。

　　D₂：水平方向上，打開著火區(qū)及走道排煙口進行排煙。

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

　　對于模式B、D，先推出一個等式來討論管路計算。

3 等式的推導及討論 

3.1 前提條件：初調(diào)試時共用系統(tǒng)是以排風量作為調(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。

　　對于以上管路假設各支路初始流量為Q₀、Q₁、Q₂……Q_n

　　當風機轉(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 　　　?。?）

　　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　　　　（3^‘）

　　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 …　　　?。?）

　　這就是針對多支路共用系統(tǒng)變檔運行下的風量校核計算等式。

　　
　　　　　　　　　　a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 b　　　　　　　　

　　該式表明，當系統(tǒng)總風量變化時，各風口風量變化是等比的。但對于系統(tǒng)中有幾個支路關閉的情況，有必要另作分析。仍以開始推導等式的管路為例，當某個支路k關閉時，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，所以支路關閉對干管的阻力影響可以忽略。該等式仍可應用于工程上的計算，當然為了進一步降低關閉支路的影響，有必要對三通的做法進行研究。對三通及變徑的兩種做法（如上圖）進行分析，做法b的三通直流阻力受支路關斷的影響要比a大，所以不宜采用。

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

　　3.3.1模式B：假設該防煙分區(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（煙）量與設計不符。這也與最初調(diào)試運行是以哪個量作為調(diào)試量有關，如果調(diào)試時以排風量作為調(diào)試量：

　　當n₁＞n₂時排風量調(diào)試達到設計要求，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)的最小排煙量應按60 n₁ A₁/ n₂ +60 A₂計算。

　　同理n₁＜n₂時系統(tǒng)最小排煙量應按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，設其中排風換氣次數(shù)最小的房間面積為A₁，換氣次數(shù)為n₁，則系統(tǒng)最小排煙量應按下式計算：

　　G=60A₁+60A₂n₂/n₁+60A₃n₃/n₁+…　　　?。?）

　　3.3.2模式D：由于系統(tǒng)擔負兩個以上防煙分區(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)走廊排煙排風共用系統(tǒng)，各層內(nèi)走廊排風換氣次數(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：

　　（1）設著火區(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，可見排煙量與排風換氣次數(shù)有關。具體排煙量的值應按式（10）計算。

　　當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)要求并不很嚴格，設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 排煙排風共用系統(tǒng)在兩種工況下運行時，其末端風量變化規(guī)律遵循式（7）。

　　4.2 在各防煙分區(qū)排風換氣次數(shù)要求嚴格而且換氣次數(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。而應根據(jù)系統(tǒng)設置情況分別按式（9）、（10）計算。對排風的換氣次數(shù)要求，設計中應具體情況具體處理。

　　4.3 系統(tǒng)應按設計風量調(diào)試。

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

　　4.5 設計人員往往忽略規(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)由圖中標出

　　面積的三個庫房和走道組成，層高為4.2m。現(xiàn)設置排煙排風共用系統(tǒng)，系統(tǒng)設置概況為：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)各設一個常開型排煙口，平時排風，火災發(fā)生時，風機轉(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閉。下面按兩種情況給出系統(tǒng)的設計計算過程。

5.1 庫房與走道要求的排風換氣次數(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　　　　（a^‘‘）

　　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

　?。?）各排煙口排風量

　　G₁^‘=hnA₁=5141m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=4267m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=4166m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=2117m³/h

　　總排風量為15751 m³/h。

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

　　各庫房排煙口按最大面積庫房的排煙量計算風口尺寸。

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

　　式中F為風口有效通風面積，v為排煙口風速。

　　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口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12371/（10×3600）=0.34m²

　?。?）按排煙量進行管道水力計算，求出管道總阻力。

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

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

　　（1）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

　?。?）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

　?。?）各排煙口排風量

　　G₁^‘=hnA₁=6426m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=5334m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=5208m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=1588m³/h

　　總排風量為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口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12856/（10×3600）=0.36m²

　?。?）按排煙量進行管道水力計算，求出管道總阻力。

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

6 遺留問題 

6.1 高規(guī)中規(guī)定排煙系統(tǒng)承擔兩個或兩個以上防煙分區(qū)時，排煙

　　量應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。

　?。?）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系。或是著火區(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瑑烧咧g有著密切關系。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)試時的風量將決定排煙量是否滿足要求，但實際應用中不可能使每個排煙口風量調(diào)到與設計值相符，這就有一個調(diào)試風量誤差范圍的問題。如何根據(jù)不同的工程設定一個合理的誤差范圍是一個值得研究的問題。

　　謹以此文獻給先師嚴治軍先生。

7 參考文獻 

1GB50045-95 高層民用建筑設計防火規(guī)范
2 陸耀慶，主編。實用供熱空調(diào)設計手冊。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993。
3 蔣永琨，編著。高層建筑和地下工程防火設計問答。北京：中國建筑科學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)學校：重慶建筑大學城建學院供熱通風與空調(diào)專業(yè)，學位：學士，工作單位：中元國際工程設計研究院（原機械工業(yè)部設計研究院）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