公共建筑中庭機(jī)械排煙系統(tǒng)探討
公共建筑中庭是每個(gè)建筑設(shè)計(jì)師傾注心血的重點(diǎn)，是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)的重要形式之一。它以建筑內(nèi)部共享空間作為核心，創(chuàng)造了或富麗堂皇，或高大氣派的美妙空間，但在同時(shí)也存在了內(nèi)部不易進(jìn)行防排煙、防火分隔，容易形成巨大的“煙囪效應(yīng)”等特點(diǎn)。如果中庭煙氣得不到合理有效的控制，會(huì)快速蔓延到建筑物的其他部位，危及人員生命安全，而且不利消防救援的展開，極易造成重大損失。
近年來(lái)，不管是多層還是高層公共建筑中設(shè)計(jì)中庭的形式越來(lái)越多，中庭面積和高度也是在加大，中庭采用自然排煙一般很難實(shí)現(xiàn)。但國(guó)內(nèi)中庭排煙系統(tǒng)的排煙量國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2006第9.4.5條中中庭排煙系統(tǒng)的排煙量以及《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第9.4.5條中庭排煙系統(tǒng)的排煙量均系參考國(guó)外資料、按中庭的體積計(jì)算確定的。(規(guī)范條文說(shuō)明：據(jù)國(guó)外資料介紹：1.對(duì)容積不超過(guò)600000ft3的室內(nèi)中庭包括與其相連的同一防煙區(qū)各樓層的容積排煙量不得小于每小時(shí)6次換氣量。2.對(duì)容積大于600000ft3的室內(nèi)中庭包括與其相連的同一防煙區(qū)各樓層的容積排煙量不得小于每小時(shí)4次換氣量。)筆者學(xué)習(xí)和參考了一些有關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算理念，同時(shí)結(jié)合自己多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中庭機(jī)械排煙量的實(shí)用計(jì)算法作如下闡述。
1. 常規(guī)的中庭機(jī)械排煙量的計(jì)算方法
我國(guó)現(xiàn)行的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《建規(guī)》)GB50016-2006第9.4.5條及高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)第9.4.5條中庭排煙系統(tǒng)的排煙量的規(guī)定如下：“中庭體積小于17000m3時(shí)，其排煙量按其體積的6次/h換氣計(jì)算;中庭體積大于17000m3時(shí)，其排煙量按其體積的4次/h換氣計(jì)算，但最小排煙量不應(yīng)小于102000 m3/h”。按規(guī)范中庭體積越大，空間的蓄煙能力越大，其排煙速率的要求就越低。
按照規(guī)范，中庭傳統(tǒng)的機(jī)械排煙量設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要是參照了國(guó)外的換氣次數(shù)法。從計(jì)算方法上看，主要是通過(guò)排煙對(duì)煙氣濃度起到稀釋作用，方法簡(jiǎn)便快捷。但是在工程實(shí)踐中存在著不足之處：(1)計(jì)算時(shí)單純以中庭體積作為唯一的計(jì)算基礎(chǔ)，未考慮到具體的建筑特性。與中庭煙氣控制有關(guān)的建筑特性主要有中庭的面積、長(zhǎng)寬比、體形系數(shù)、通透率、開敞系數(shù)等，這些因素對(duì)中庭建筑火災(zāi)時(shí)煙氣的流動(dòng)均有影響，顯然，僅僅考慮中庭的體積容量是不合理的。(2)沒有考慮到火災(zāi)荷載的影響。不同功能中庭中不同的固定火災(zāi)荷載(如門、窗等)、活動(dòng)火災(zāi)荷載(如可以移動(dòng)的桌椅、沙發(fā)等)和臨時(shí)火災(zāi)荷載(主要指建筑的使用者臨時(shí)安置在此的可燃物等)的布置方式和荷載量的大小，也會(huì)對(duì)火災(zāi)和煙氣流動(dòng)產(chǎn)生影響。
另外，采用固定的換氣次數(shù)法，對(duì)于大空間中庭，計(jì)算的排煙量過(guò)大，在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn);而對(duì)于中等體積中庭，其計(jì)算值往往又偏小。
2. 采用性能化方法確定排煙量
性能化設(shè)計(jì)是建立在火災(zāi)安全工程學(xué)基礎(chǔ)上的一中新的防火設(shè)計(jì)方法。它運(yùn)用火災(zāi)安全工程學(xué)的原理，依據(jù)具體的建筑物火災(zāi)發(fā)展特性來(lái)決定其防火的需要，依據(jù)建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)中庭排煙量進(jìn)行量化計(jì)算。筆者主要采用雙區(qū)模型來(lái)分析中庭機(jī)械排煙。在中庭火災(zāi)模型中，中庭被分成上層的熱煙氣層和下層的冷空氣層，上下層之間通過(guò)煙羽進(jìn)行。當(dāng)煙氣到達(dá)頂棚后，開始水平擴(kuò)散，碰到障礙物后，煙氣開始下降。隨著煙羽繼續(xù)向煙氣層供氣，煙氣層不斷增加，并不斷下降。此時(shí)的煙氣層屬于非穩(wěn)定煙氣層。如排煙系統(tǒng)運(yùn)行，排煙的質(zhì)量速率和煙羽供給的質(zhì)量速率相等時(shí)，煙氣層高度為穩(wěn)定煙氣層高度。在工程實(shí)際中，人們關(guān)心的是主要參數(shù)的平均效應(yīng)。此時(shí)，煙氣界面保持在某個(gè)位置，煙氣層的溫度也維持在某個(gè)溫度。
由于在各類火災(zāi)中，對(duì)人員危害最大的是煙氣。煙氣對(duì)人的危害主要體現(xiàn)在它的毒性和遮光性上。為了讓人員快速疏散，應(yīng)采取控制措施使煙氣層保持在一定高度，不對(duì)人體構(gòu)成威脅。例如：美國(guó)國(guó)家建筑管理規(guī)規(guī)范(BOCA)規(guī)定：煙氣控制系統(tǒng)維持煙氣層界面保持在1.8米以上的時(shí)間不少于20min。目前比較有代表性的中庭煙氣控制性能計(jì)算法有：NFPA 92B《商場(chǎng)、中庭與大空間的煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》等。國(guó)內(nèi)也有個(gè)別城市采納了性能化計(jì)算方法，并給出了火災(zāi)煙氣速查表。
中庭機(jī)械排煙的工程設(shè)計(jì)性能化計(jì)算法主要參數(shù)：火源功率，煙氣層高度、溫度，排煙量以及排煙分布等。主要計(jì)算步驟如下：
2.1. 火源功率設(shè)定
火源是火災(zāi)的的起因，通常用熱釋放率(HRR)來(lái)描述火源的大小，它也是防排煙設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)火源的釋熱狀態(tài)以及火災(zāi)場(chǎng)景的不同，又可以分為穩(wěn)態(tài)火源和非穩(wěn)態(tài)火源兩種。具體工程設(shè)計(jì)師，往往不能確定放熱量實(shí)際資料。在缺乏放熱量設(shè)計(jì)資料的情況下，可假定火源為穩(wěn)態(tài)火源。這樣使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以更加可靠。
2.1穩(wěn)態(tài)火源
穩(wěn)態(tài)火源的熱釋放率可采用式(1)計(jì)算：
Q=mhc (1)
式中Q為穩(wěn)態(tài)熱釋放率，KW;m為燃料的質(zhì)量燃燒速率，Kg/s;hc為燃料的燃燒熱值，KJ/Kg.
也可根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接設(shè)定火災(zāi)熱釋放率，如下表1：
表1 各類場(chǎng)所的火災(zāi)模型熱釋放率
| 場(chǎng) 所 | 熱釋放率Q/MW |
|
設(shè)有噴淋的商場(chǎng) 設(shè)有噴淋的辦公室、客房 設(shè)有噴淋的公共場(chǎng)所 設(shè)有噴淋的汽車庫(kù) 設(shè)有噴淋的超市、倉(cāng)庫(kù) 設(shè)有噴淋的中庭 無(wú)噴淋的辦公室、客房 無(wú)噴淋的汽車庫(kù) 無(wú)噴淋的中庭 無(wú)噴淋的公共場(chǎng)所 無(wú)噴淋的超市、倉(cāng)庫(kù) |
5 1.5 2.5 1.5 4 1 6 3 4 8 20 |
注：設(shè)有快速相應(yīng)噴頭的場(chǎng)所可按本表數(shù)據(jù)減小40%
2.2煙氣層高度
2.2.1NFPA 92B預(yù)測(cè)公式
筆者借鑒國(guó)外已在工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用的研究成果，即采納NFPA 92B中有關(guān)公式(均指中庭底部發(fā)生火災(zāi)時(shí))進(jìn)行估算：
穩(wěn)態(tài)火源
Z/H=1.11-0.28ln(tQ1/3 H2/3/A) (2)
式中: Z(m)為煙氣層界面距地面的高度; H(m)為中庭的高度;A(m2)為中庭的水平截面面積
注： 當(dāng)0.9≤A/H2≤14,且Z/H>0.2時(shí)，上式適用，上式基于煙氣層溫度高于74℃來(lái)預(yù)測(cè)煙氣層下降的。
2.2.2設(shè)計(jì)煙氣層高度
設(shè)計(jì)煙氣層高度可參考美國(guó)國(guó)家建筑管理規(guī)范(BOCA)，確定為1.8米。
2.3排煙量計(jì)算
綜上所述，中庭機(jī)械排煙系統(tǒng)開啟后煙氣會(huì)形成穩(wěn)定的“凈”層高度，對(duì)于穩(wěn)定的煙氣層，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，理論上排煙系統(tǒng)的排煙量與煙氣的產(chǎn)生量相等。下面介紹一下最具代表的軸對(duì)稱型煙羽，其煙氣質(zhì)量流量計(jì)算：
mp=0.071Qc1/3z5/3+0.0018 Qc, 當(dāng)Z>Zf
mp=0.0054QcZ/L 當(dāng)Z≤Zf
式中Qc(KW)為熱流釋放率的對(duì)流部分;Zf(m)為連續(xù)火焰極限高度
當(dāng)然，在工程實(shí)際問題中，人們描述煙氣時(shí)往往更喜歡用體積流量而不是質(zhì)量流量。計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)煙氣密度和溫度，將質(zhì)量速率轉(zhuǎn)換為體積速率：
Ve= mp Ts/ρ0T0
式中Ve(m3/s)煙氣產(chǎn)生體積流速;ρ0取20℃時(shí)空氣密度，1.202Kg/ m3;T0為環(huán)境溫度;Ts為煙氣溫度
2.4煙氣層平均溫度：
可按以下公式計(jì)算：Ts= T0+Qc/ mpCp (Cp為煙氣的定壓比熱容)
綜上，中庭機(jī)械排煙量的計(jì)算確定，與火災(zāi)的熱釋放率、煙氣層控制高度有極大的關(guān)系。與常規(guī)的排煙量計(jì)算方法相比，采用性能化方法確定排煙量，將煙氣層界面保持在1.8米以上，更能有效保證人員逃生，并且能夠合理反映出火災(zāi)荷載和具體使用功能建筑特性對(duì)排煙量的要求和影響。
3.結(jié)語(yǔ)
公共建筑中庭防排煙是當(dāng)前防排煙領(lǐng)域的前沿課題之一。隨著建筑科技的發(fā)展，對(duì)于此類大空間建筑，在執(zhí)行我國(guó)現(xiàn)行防火設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)，結(jié)合具體建筑特性進(jìn)行定量分析，比采用常規(guī)方法更為合理。筆者期望在我國(guó)的節(jié)能、注重防火安全的形勢(shì)下，中庭建筑防排煙設(shè)計(jì)理念能更加合理完善。
參考文獻(xiàn)
《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2006
《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-95(2005)
《美國(guó)國(guó)家建筑管理規(guī)范》(BOCA)
NFPA . NFPA 92B
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