火灾发生之后,会产生大量火灾烟气。为了保证人员安全疏散和消防队员的快速扑救,许多火灾危险性大的重要建筑都需设置固定防排烟设施。GB 50045—95《高层民用建筑设计防火规范》(2005年版) ^[1]的第8章和GB 50016—2006《建筑设计防火规范》 ^[2]的第9章对需要防烟和排烟的部位及一些设计参数作出了规定,建筑的防排烟设计都是根据这些规定进行。这两部规范只规定了防排烟设计的基本内容,不能满足现代建筑对安全的需求。

　　 GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》 ^[3](以下简称《防排烟标准》)自2006年立项以来,借鉴了国内外许多相关成果。从《防排烟标准》具体条文分析来看,主要参考的是上海市DGJ 08-88—2006《建筑防排烟技术规程》 ^[4],同时参考了GB 50045—95《高层民用建筑设计防火规范》(2005年版)和GB 50016—2006《建筑设计防火规范》的一些规定。另外还参考了英、美、日等国家的相关规范 ^[5,6]。《防排烟标准》于2018年8月1日正式实施,对防烟、排烟系统的设计、施工、验收及维护管理进行了详细规定。《防排烟标准》是我国第一部专门针对防排烟系统设计的国家标准,填补了我国没有专门的防排烟设计标准的空白。标准颁布以来,引起了相关学者、设计院和施工单位的广泛关注和探讨 ^[7,8,9,10]。

　　 《防排烟标准》对防烟和排烟设计提出了一些新的理念和做法,特别是对排烟设计,不同于以前规范规定的面积法和换气次数法,而是基于火羽流的概念,采用羽流法来计算排烟量。但是,笔者通过对《防排烟标准》第4.6节“排烟系统设计计算”的分析,发现若干条文规定存在一些有争议的地方,通过查阅资料,对标准中若干条文提出如下见解和建议。

　　 排烟量的计算在排烟设计时非常重要。对于自然排烟,需根据自然排烟量计算自然排烟口的尺寸;对于机械排烟,需根据机械排烟量选择风机。《防排烟标准》第4.6.3条规定,建筑空间净高小于或等于6 m的场所,不需要计算自然排烟量,可以按照面积法计算自然排烟口的面积,即自然排烟窗(口)的有效面积不小于排烟场所房间建筑面积的2%。对于除中庭外的公共建筑、工业建筑中空间净高大于6 m的场所,其每个防烟分区排烟量应根据场所内的热释放速率及标准的规定计算确定,且不应小于表1中的数值。表1中的排烟量,既是自然排烟量,也是机械排烟量。

　　 火灾烟气生成量用以下公式计算:

　　 $\begin{array}{l}{\rm M}{}_{\text{p}}=\{\begin{array}{cc}0.071Q{}_{\text{c}}^{\frac{1}{3}}{\rm Z}{}^{\frac{5}{3}}+0.0018Q{}_{\text{c}}\hfill & ({\rm Z}>{\rm Z}{}_{\text{l}})\hfill \\ 0.032Q{}_{\text{c}}^{\frac{3}{5}}{\rm Z}\hfill & ({\rm Z}\le {\rm Z}{}_1)\hfill \end{array}(1)\\ {\rm Z}{}_1=0.166Q{}_{\text{c}}^{\frac{2}{5}}(2)\\ \text{Δ}{\rm T}={\rm T}-{\rm T}{}_0=\frac{{\rm K}Q{}_{\text{c}}}{{\rm M}{}_{\text{p}}c{}_p}(3)\\ V=\frac{{\rm M}{}_{\text{p}}{\rm T}}{\rho {}_0{\rm T}{}_0}(4)\end{array}$

　　 式(1)～(4)中 M_p为轴对称烟羽流的质量流量,kg/s;Q_c为热释放速率的对流部分,kW,一般取值为0.7Q,其中Q为热释放速率;Z为燃料面到烟气层底部的高度,m;Z₁为火焰极限高度,m;ΔT为烟气层平均温度与环境温度之差,K;T为火灾烟气层的平均热力学温度,K;T₀为环境的热力学温度,K;K为烟气中对流放热量因子,采用机械排烟时取1.0,采用自然排烟时取0.5;c_p为空气的比定压热容,一般取1.01 kJ/(kg·K);V为排烟量,m³/s;ρ₀为环境温度下的气体密度,kg/m³。

　　 在《防排烟标准》第2.1节术语中,有个非常重要的概念——储烟仓。储烟仓是位于建筑空间顶部,由挡烟垂壁、梁或隔墙等形成的用于蓄积火灾烟气的空间。《防排烟标准》还进一步指出,储烟仓高度即设计烟层高度。即空间净高减去储烟仓的厚度为设计烟层高度。

　　 《防排烟标准》第4.6.2条规定:当采用自然排烟方式时,储烟仓的厚度不应小于空间净高的20%,且不应小于500 mm;当采用机械排烟方式时,不应小于空间净高的10%,且不应小于500 mm。可见,当空间净高大于6 m时,采用不同的排烟方式,其储烟仓的厚度不同,相应的火灾烟气设计高度不同。另一方面,不同排烟方式的对流放热量因子不同,则火灾烟气的温升不同,导致自然排烟和机械排烟的排烟量也会不同。

　　 对于表1中的排烟量,经过核算,可知设计烟层高度用的是90%的空间净高,即机械排烟时的10%储烟仓厚度,并没有考虑自然排烟方式下储烟仓的厚度不应小于空间净高的20%,也没有考虑对流放热量因子的不同,以至于同样火灾场景下的自然排烟量和机械排烟量用的是同一数值。因此,表1中的排烟量仅适用于机械排烟量,不适用于自然排烟量。显然,《防排烟标准》对同一火灾场景不同的排烟方式采用同一种排烟量,不满足科学性和精准性的要求。

　　 根据《防排烟标准》规定的不同场所火灾热释放速率和自然排烟方式下的储烟仓厚度,利用式(1)～(4),可得到不同场所不同空间净高下的自然排烟量,如表2所示。计算中储烟仓的厚度为空间净高的20%,火灾烟气的对流放热量因子取0.5。

　　 比较表1和表2可知,空间净高大于6 m时,计算得到的机械排烟量比自然排烟量要大。比如办公场所,空间净高9 m、有喷淋时,每个防烟分区的机械排烟量不应小于8.7万m³/h,每个防烟分区的自然排烟量不应小于6.9万m³/h,机械排烟量比自然排烟量高26%。因此,建议《防排烟标准》修订时,应考虑区分自然排烟量与机械排烟量的不同。

　　 在自然排烟设计中,自然排烟速度是一个重要参数,它决定了排烟口的尺寸。《防排烟标准》第4.6.3条给出了不同场所顶部和侧窗的自然排烟口速度,如表3所示。

　　 从表3可知,《防排烟标准》规定的自然排烟口速度只考虑了不同场所热释放速率的大小和自然排烟口的位置因素,并没有考虑热烟气温度和厚度的不同对自然排烟速度的影响。

　　 我们可以理论分析一下自然排烟的原理。为了分析方便,本文只介绍顶部自然排烟口速度。设有水平自然排烟口的建筑顶部气体流动如图1所示。冷空气从房间底部开口流入室内,而热烟气通过房间顶部的水平开口排出。在工业库房中,这样的排烟设计经常遇到,底部的门为补气口,自然排烟口水平安装在库房的顶部。

　　 假设建筑房间的高度为H,烟气层厚度为h_s,热烟气的温度为T_s、密度为ρ_s,环境温度为T₀、密度为ρ₀。则顶部排烟口处的内外压差Δp为 ^[11]

　　 $\text{Δ}p=(\rho {}_0-\rho {}_{\text{s}})gh{}_{\text{s}}(5)$

　　 式中 g为自由落体加速度,m/s²。

　　 其中,火灾烟气的密度公式为 ^[12]

　　 $\rho {}_{\text{s}}=\frac{353}{{\rm T}{}_{\text{s}}}(6)$

　　 根据伯努利定理,烟气通过排烟口的速度为

　　 $u=C{}_{\text{d}}\sqrt{\frac{2\text{Δ}p}{\rho {}_{\text{s}}}}(7)$

　　 式中 u为排烟速度,m/s;C_d为流通系数,与排烟口局部阻力有关,对于相对尺度(其面积与所处着火房间顶部面积之比)较小的排烟窗取0.61,对于相对尺度较大的排烟口取1.0 ^[11],在本文中取0.61。

　　 根据不同场所的空间净高、储烟仓厚度和火源功率,可以计算出烟气层温度、密度等参数,进而可以计算出不同净高空间的顶部自然排烟口速度,如表4所示。此处自然排烟口速度是理想状况,没有考虑排烟空间补风通路的阻力。

　　 比较表3和表4可知,对于不同空间净高的场所,其顶部自然排烟口速度不同。如对于商店、展览厅,在有喷淋的情况下,空间净高6.0 m时顶部自然排烟口速度为1.37 m/s,空间净高9.0 m时顶部自然排烟口速度为1.27 m/s,二者相差8%。

　　 计算得到的自然排烟口速度比《防排烟标准》规定值要大。比如办公场所,无喷淋时,空间净高6.0 m时顶部自然排烟口速度为1.62 m/s,《防排烟标准》规定值为1.32 m/s,二者相差23%。

　　 为了使烟气有效排出,自然排烟口的面积大小至关重要。如果使烟气层保持在一定高度,则自然排烟量需等于烟气生成量,即

　　 ${\rm M}{}_{\text{e}}={\rm M}{}_{\text{p}}(8)$

　　 式中 M_e为自然排烟量,kg/s。

　　 自然排烟量的计算公式为

　　 $\begin{array}{l}{\rm M}{}_{\text{e}}=A{}_{\text{v}}u\rho {}_{\text{s}}=A{}_{\text{v}}\rho {}_{\text{s}}C{}_{\text{d}}\sqrt{\frac{2\text{Δ}p}{\rho {}_{\text{s}}}}=\\ A{}_{\text{v}}C{}_{\text{d}}\sqrt{2g\rho {}_{\text{s}}(\rho {}_0-\rho {}_{\text{s}})h{}_{\text{s}}}(9)\end{array}$

　　 式中 A_v为自然排烟口面积,m²。

　　 根据式(1)可知:

　　 ${\rm M}{}_{\text{p}}=0.071Q{}_{\text{c}}^{\frac{1}{3}}({\rm H}-h{}_{\text{s}}){}^{\frac{5}{3}}+0.0018Q{}_{\text{c}}(10)$

　　 根据式(8)～(10),可以得到自然排烟口的面积:

　　 $A{}_{\text{v}}=\frac{0.071Q{}_{\text{c}}^{\frac{1}{3}}({\rm H}-h{}_{\text{s}}){}^{\frac{5}{3}}+0.0018Q{}_{\text{c}}}{C{}_{\text{d}}\sqrt{2g\rho {}_{\text{s}}(\rho {}_0-\rho {}_{\text{s}})h{}_{\text{s}}}}(11)$

　　 根据不同场所的热释放速率、空间净高和储烟仓厚度,可以计算得到不同工况下的顶部自然排烟口面积,如表5所示。

　　 根据《防排烟标准》第4.6.3条规定的排烟量和顶部排烟口速度,可以计算得到不同工况下顶部自然排烟口面积的规范规定值,如表6所示。

　　 比较表5和表6可知,对于不同空间净高的场所,其顶部自然排烟口面积规范规定值和计算值有不小的差别。如对于商店、展览厅,在有喷淋的情况下,空间净高6.0 m时顶部自然排烟口面积的规范规定值为19.84 m²,而计算值为12.00 m²,二者相差65%。

　　 控制烟气在走道中的流动,可以有效防止烟气在建筑内蔓延扩散,减少火灾烟气造成的人员伤亡。为了防止发生抽吸现象,提高机械排烟口的排烟效率,《防排烟标准》第4.6.14条规定了机械排烟系统中单个排烟口的最大允许排烟量,计算公式为

　　 $V{}_{\max }=4.16\gamma d{}_{\text{b}}^{\frac{5}{2}}(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{{\rm T}-{\rm T}{}_0}{{\rm T}{}_0}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^{\frac{1}{2}}(12)$

　　 式中 V_max为单个排烟口最大允许排烟量,m³/s;γ为排烟位置系数,当排烟口中心点到最近墙体的距离≥2倍排烟口当量直径时取1.0,当风口中心点到最近墙体的距离<2倍排烟口当量直径时取0.5,当排烟口位于墙体上时取0.5;d_b为排烟系统吸入口最低点之下烟气层厚度,m。

　　 《防排烟标准》第4.4.12条规定:排烟口宜设置在顶棚或靠近顶棚的墙面上;排烟口应设在储烟仓内,但走道、室内空间净高不大于3 m的区域,其排烟口可设置在其净空高度的1/2以上。同时,第4.6.9条规定,走道、室内空间净高不大于3 m的区域,其最小清晰高度不宜小于其净高的1/2。第4.6.7条规定了设置喷淋的走道热释放速率为1.5 MW。

　　 由式(12)可知,机械排烟口的最大允许排烟量与排烟口位置、烟气层温度、排烟口下烟气层厚度等参数有关。在计算设置中,分为走道侧壁排烟和顶部排烟2种情况。针对侧壁排烟,共计算50种工况。对于顶部排烟,主要根据走道高度的不同,计算了5种工况。

　　 针对侧壁排烟,走道的高度分别为2.3、2.4、2.5、2.6、2.7 m,排烟口标高在清晰高度以上,每间隔0.1 m设置1种计算工况。计算初始条件和计算结果见表7。

　　 表7详细列出了不同高度走道的烟羽流质量流量和烟气温升。根据设置的不同排烟口的标高,计算出不同工况下的最大允许排烟量。为了使结果更直观,对5种高度走道的排烟口在不同标高时的最大允许排烟量进行画图比较,结果见图2。可以看到,走道高度对最大允许排烟量的影响很小。如当排烟口下方烟气层厚度为0.65 m时,2.3 m高走道的最大允许排烟量为3 107 m³/h,2.7 m高走道的最大允许排烟量为2 868 m³/h。

　　 排烟口下方的烟气层厚度对最大允许排烟量影响较大。当排烟口下方烟气层厚度较小时,最大允许排烟量非常小。如高度为2.3 m的走道,当排烟口下方烟气层厚度为0.25 m时,最大允许排烟量只有285 m³/h;当排烟口下方烟气层厚度为0.45 m时,最大允许排烟量也只有1 239 m³/h;但是当排烟口下方烟气层厚度为0.85 m时,最大允许排烟量可达6 076 m³/h。

　　 对于顶部排烟,共计算了5种工况,走道高度分别为2.3、2.4、2.5、2.6、2.7 m。由于排烟口设置在吊顶顶部,排烟口的标高为走道的高度,排烟口下方的烟气层厚度为走道高度和最小清晰高度之差。计算初始条件和计算结果见表8。

　　 表8详细列出了不同高度走道的烟羽流质量流量和烟气温差。根据排烟口下方最大烟气层厚度,计算出不同高度走道顶部排烟时的最大允许排烟量。可以看到,在顶部排烟时,单个排烟口的最大允许排烟量较大。如2.6 m高走道的最大允许排烟量为16 531.83 m³/h,2.7 m高走道的最大允许排烟量为17 827.96 m³/h。

　　 《防排烟标准》第4.6.3条第3款规定,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13 000 m³/h。第4.6.1条规定,排烟系统的设计风量不应小于该系统计算风量的1.2倍。可知走道机械排烟的设计风量不应小于15 600 m³/h。

　　 由表7可知,走道侧壁排烟时,单个排烟口的最大排烟量不能满足《防排烟标准》的要求。由表8可知,走道顶部排烟时,对于2.5 m高度以上的走道可满足《防排烟标准》规定的排烟量的要求。

　　 出于可行性和经济性考虑,走道1个防烟分区内排烟口数量尽量不超过2个。由此可知,单个排烟口的排烟量不应小于7 800 m³/h。对于侧壁排烟,根据表7可以得到不同高度走道排烟口的最低标高。根据走道高度,假定排烟口的上部距离吊顶0.05 m,可以计算出排烟口的最大高度。根据设计风量,假定每个排烟口的设计风速为10 m/s,可以计算出每个排烟口的设计尺寸。依据设计尺寸和排烟口的最大高度,可以推算出排烟口的宽度,如表9所示。

　　 由表9可知,排烟口的宽度最大为2.4 m,这在实际工程中不可能实现。相对比较理想的情况是:对于2.6 m高的走道,每个防烟分区内有2个机械排烟口,每个排烟口的尺寸为1.0 m(宽)×0.35 m(高);对于2.7 m高的走道,每个防烟分区内有2个机械排烟口,每个排烟口的尺寸为1.2 m(宽)×0.3 m(高)。

　　 本文利用理论分析方法,对现行《防排烟标准》存在的几个问题进行了研究。主要包括自然排烟量、顶部自然排烟口速度、顶部自然排烟口面积和走道排烟口设置等。对解释不清楚的一些概念进行了详细介绍,对一些设置参数从模型出发深入分析,根据不同条文的规定,结合实际的工程尺寸,给出了具体的取值范围。现行《防排烟标准》对这几个问题仍有一些不确定性,建议规范编制组在后续修编规范时对这些问题进行分析,完善相关规定,使其在实践中能更适用于工程实际,更好地指导工程设计。