若干自然排烟系统设计要点探究

若干自然排烟系统设计要点探究

吕建树

江苏浩森建筑设计有限 公司

摘要　通过分析外墙面开口中性面高度在风压作用下的变化，透析风压对自然排烟的影响；结合建筑消防设计中若干自然排烟窗的设置场景，探究自然排烟系统设计要点，合理设置自然排烟窗，提高建筑抗御烟气侵害的效能。

关键词　烟气 防烟分区 中性面 风压 自然排烟

1 烟气的产生及危害

1.1烟气是可燃物质燃烧或热分解时产生的气状物，主要由CO、CO₂、NO_X、SO₂、NH₃、未燃气体及水蒸气、各种微小的固体颗粒和液滴混合而成。室内各种可燃材料(如生活家具、办公用品、房间装饰、电气设备、生产材料等)，在人为纵火、疏忽大意、设备或线路故障等偶发因素诱导下发生失控燃烧产生大量的烟与热。

1.2火灾烟气对人体具有极大的危害，主要体现为以下五方面：高温、烟毒性、减光性、缺氧、心理恐怖性。1)、高温烟气对人员的伤害主要体现在对人体呼吸系统及皮肤的直接作用，高温烟气被人体吸入肺部会使呼吸道和肺部被灼伤，血压急剧下降，毛细管遭到破坏，从而破坏整个血液循环系统。2)、烟气中的CO是对人体威胁较大的有害成分，它能与血液中的血红蛋白结合成一氧化碳血红蛋白；一氧化碳血红蛋白会阻碍血液中氧分子的输送，随着一氧化碳血红蛋白增加还会造成脑部中枢神经严重缺氧，使人体失去部分身体机能甚至失去知觉不能及时逃离火情。3)、烟气中存在大量不透光烟气粒子，对可见光有很强的遮挡性；当烟气弥漫时，能见度大大降低，不利于疏散人员迅速找到疏散通道和安全出口，也大大增加了消防人员扑救难度。4)、燃烧消耗大量的氧气并产生大量有毒和无毒的气体，使空气中的氧浓度大大降低；缺氧会导致人体的呼吸系统功能受到严重影响，破坏身体神经及运动功能，严重缺氧时人体还会出现四肢无力，智力混乱、无法辨清方向甚至昏迷几乎失去逃生能力。5)、烟气以上四个危害会使人产生恐怖感，使人惊慌失措不能正常理智地思考逃生；伴随着烟气的高温及各种感观刺激甚至采取不顾一切的异常行动造成疏散混乱、相互踩踏等次生伤害。

2 烟气的流动及防控

2.1烟气在建筑物内的流动，在火灾不同燃烧阶段有所差异;火灾初期，炽热的烟气比重小，烟气卷带着火舌向上升腾，遇到顶棚，烟气转化为水平方向扩散，这时水平方向上的扩散呈层流状态流动，这种层流扩散可保持40～50m。烟气在贴顶棚向四周扩散时，如果遇到梁或其它突出顶棚的遮挡物(如挡烟垂壁)，烟气受阻，烟气会倒折回来并在空间上空聚集加厚烟层，直至烟层流厚度超过梁高或遮挡物时，烟气继续扩散到其它空间。

2.2排烟系统主要是对火灾初期的烟气的流动扩散进行分隔防控及排除，利用楼板、隔墙、门、结构梁柱、挡烟垂壁等分隔体形成不同的防烟分区，根据防烟分区建筑构造条件设置自然或机械排烟措施，使火灾烟气及大量热量有组织排放以创造有利的疏散及扑救条件。防烟分区及排烟措施的合理设置能有效控制烟气的流动范围、烟气聚集高度及排烟流向，其设置应尽可能地使烟气不在重要的安全疏散路径及安全出口上聚集；烟气有组织排放能控制烟气流动在一定时间内保持在一定的高度以上，为各种疏散指示提供更好的可视性，保障人员疏散和消防救援路径的清晰；合理的排烟口布置，可以诱导排烟流向，尽可能避免烟气流动与人员疏散同向，避免烟气对正在疏散的人员造成持续性伤害。

3 若干自然排烟系统设计要点

3.1外墙面开口处压力分布及风压对中性面高度的影响：

假设室外处于无风状态，如图1中实线所示，室内外高度为h处压力为：

　　　　　　　　　　　　　P_hn +ρ_n g h = P_n　　　(式1)

　　　　　　　　　　　　　P_hw +ρ_w g h = P_w　　　(式2)

式中：　P_n ― 室内地面处的压力(Pa)

P_w ―　室外相对应于室内地面高度处的压力(Pa)　

　　　　P_hn ― 室内距地面h高度处的压力(Pa)

P_hw ―　室外相对应于距室内地面h高度处的压力(Pa)

ρ_n ― 室内气体的密度(kg/m³)

ρ_w ― 室外气体的密度(kg/m³)

g　― 重力加速度(m/s²)

h ― 距室内地面高度(m)

在离室内地面高度为h处的室外内的压力差为：

　　　　　　　ΔＰ_h　＝　P_hw - P_hn

＝　(P_w - P_n ) - (ρ_w -ρ_n) g h (式3)

式中：　ΔＰ_h ― 距室内地面h处的压差(Pa)

在外墙开口的中性面处，ΔＰ_h = 0，中性面离地面基准高度H_n(m)为：

H_n = (式4)

式中：　H_n― 室外无风状太下，中性面离室内地面基准高度(m)

　　考虑室外有风的情况，如图1中虚线所示，室内外高度为h处压力为：

　　　　　　　ΔＰ　＝　ΔＰ_h-Ｐ_f　　

　　　　　　　　　　＝　(P_w - P_n ) - (ρ_w -ρ_n) g h ＋ k (式5)

式中：　ΔＰ― 室外风压作用下， 距室内地面h处的压差(Pa)

　　　　　　　Ｐ_f　＝ k 　为室外风压(Pa)

k　― 风压系数，(与外墙所面对的气流方向有关，由实验确定)

v　― 计算高度处的风速(m/s)

同理，在风压作用下，新的中性面离室内基准面高度H_n’处ΔＰ＝0即：

　　　　　　　H_n’ = ＋　k

　　　　　　　　　　= 　H_n ＋　k 　　　　　　　　(式6)

外墙面开口的中性面因为风压作用产生的高差偏移ΔＨ：

　　　　　　　ΔH = 　H_n’　-　H_n　=　k 　　　　　(式7)

由实验确定风压系数k与建筑物外墙面对的气流方向有关，如图2所示：

　　由式7及图2可得出如下结果：相对于无风情况下开口处压力分布的中性面(图1中的实线)，当外墙开口处于迎风面时，风压系数为正值，ΔH为正值，即中性面上升(图1－a中虚线)；当外墙开口处于背风面时，风压系数为负值，ΔH为负值，即中性面下降(图1－b中虚线)；

　　3.2《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017　4.3.3条：自然排烟窗(口)应设置在排烟区域的顶部或外墙，并应符合下列规定：1)、当设置在外墙上时，自然排烟窗(口)应在储烟仓以内；2)、自然排烟窗(口)的开启形式应有利于火灾烟气的排出；

　　建筑设计建造过程中，在按上述第1）条要求设置排烟窗(口)时，常忽略了储烟仓以下窗(口)的作用；图3-c所示，外墙开窗(口)在中性面以上部分为有效排烟高度，为保证外窗(口)足够的有效排烟高度，在储烟仓以下应配设一定高度的外窗(口)；特别当房间仅设一个外窗时，应着重考虑中性面对有效排烟高度的影响。

自然排烟窗(口)开启形式对火灾烟气的影响比较大，窗扇本身构造对烟气排放的影响不可轻视。图3-d所示，采用上悬窗时，其开口面积在高度上从下往上呈减小形态，中性面以上为有效排烟高度，其排烟面积反而减小，大大降低了排烟过流面积，达不到预定的排烟要求；采用下悬窗时，其开口面积在高度上从下往上呈增大形态，相比于上悬窗上部排烟过流面积更大，更有利于烟气的排出；在建筑施工图设计时，应尽量采用能保证排烟过流面积的外窗形式，并优先考虑窗扇对外窗洞口遮挡小的开窗形式(如平开窗)。

3.3《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017　4.6.3.3条：当公共建筑仅需在走道或回廊设置排烟时，其机械排烟量不应小于13000m³/h,或在走道两端(侧)均设置面积不小于2m²的自然排烟窗(口)且两侧自然排烟窗(口)的距离不应小于走道长度的2/3。

当公共建筑仅需在走道设置排烟且采用自然排烟措施时，其自然排烟窗设置需着重考虑两点：1）、需在走道两端(侧)设置；2）、自然排烟窗(口)的距离不应小于走道长度的2/3。其中第1）点在工程设计实操中常漏考虑风压对自然排烟窗排烟效果的影响，导致自然排烟窗设置位置不合理。结合上文3.1中外墙面开口处压力分布及风压对中性面高度的影响的分析不难得出：如图4-e所示，排烟窗设在走道同侧情况，当该侧处于常年主导风向迎风面时，排烟窗的中性面在风压的作用下上移，排烟窗有效排烟高度减小，不利于烟气排出；当风速较大时，中性面上移高度更大，甚至失去排烟效果，疏散走道烟气无法排出的后果不可想像；当受建筑平面条件限制时，需校核该建筑常年主导风向，避免排烟窗同时处于迎风面，当无法避免时，建议走道采用机械排烟措施。

建筑消防设计中应充分把握”预防为主，防消结合”的要领，在建筑方案规划初期充分考虑走道排烟窗的设置条件，避免迎常年主导风向同侧设置自然排烟窗，积极创造走道两端(侧)布置自然排窗的条件，如图4-f所示。

3.4《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017　4.1.2条：同一个防烟分区应采用同一种排烟方式。4.5.4条：补风口与排烟口设置在同一空间内相邻的防烟分区时，补风口位置不限；当补风口与排烟口设置在同一防烟分区时，补风口应设在储烟仓下沿以下；补风口与排烟口水平距离不应少于5m。

某一场所需设排烟措施且需划分两个或多个防烟分区时，常出现下列三种排烟措施情况：1）、各防烟分区均采用自然排烟措施；2）、各防烟分区均采用机械排烟措施；3）、不同防烟分区分别设置了机械排烟措施和自然排烟措施。第1）、2）种情况建筑消防设计在以往的工程中已累积了丰富经验，在此不再陈述；第3）种情况涉及的场景往往比较复杂多样，其场所一般面积较大且有部分外墙；外墙所在防烟分区具有自然排烟条件，其它防烟分区则贴邻建筑内部分隔不具备自然排烟条件，自然排烟措施与机械排烟措施在同一空间不同防烟分区并存；因该场所有部分外墙，采用机械排烟的防烟分区常利用外墙的外窗作为自然补风口，这时该外墙上的外窗既需设置机械排烟系统的补风口，亦需设置自然排烟分区的自然排烟口，应充分考虑各防烟分区排烟气流组织，避自然排烟失效。

　　工程消防设计中防烟分区采用自然排烟时，因对”规范4.5.4条：当补风口与排烟口处于不同防烟分区时，补风口位置不限”的误解，常出现仅在自然排烟防烟分区储烟仓内设置自然排烟窗并作为其它机械排烟分区的补风口的消防设计方案。实际场景中因为火情发生的位置的不确定性，很可能发生在防烟分区交界处，此时烟气很可能同时侵入到相邻两个防烟分区，特别两个防烟分区分别采用了自然与机械排烟时，机械排烟系统的运行很可能使自然排烟防烟分区的自然排烟窗变成纯粹的补风口，完全失去自然排窗的功效。根据上文3.1中外墙面开口处压力分布及风压对中性面高度的影响的分析，烟气需处于外墙开窗中性面以上才能有效排除，外墙设置外窗时，可以利用此特性在储烟仓上下均设置可开启扇，中性面以上作为排烟段，中性面以下可作为各防烟分区的补风口，避免自然排烟窗失效。为避免机械排烟防烟分区机械排烟口负压对自然排烟窗的影响，建议参照4.5.4条要求，自然排烟窗与其它防烟分区的机械排烟口控制不小于5m的距离。

4 结语

外窗是建筑通风采光的必要设施，利用外窗自然排烟既经济又实施便利，已成为工程建设中应用最广范的排烟措施。设计人员应结合建筑构造特点,充分考虑风压对外窗(口)中性面高度的影响，合理设置自然排烟窗。

参考文献:

1. 中华人民共和国公安部. GB 51251-2017 建筑防烟排烟系统技术标准[S].北京：中国计华出版社，2017.

2. 中华人民共和国公安部. GB 51251-2017(2018年版) 建筑设计防火规范[S].北京：中国计华出版社，2018.

[3] 郑玉海. 中国消防手册.第三卷，消防规划·公共消防设施·建筑防火设计[M].上海：上海科学技术出版社，2006：403~405.