機(jī)械排煙系統(tǒng)煙層平均溫度對(duì)抗爆建筑房間凈高的影響分析

吳鴻

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 研究背景

GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《煙標(biāo)》）中明確了排煙量的計(jì)算準(zhǔn)則，當(dāng)房間凈高≤6 m 時(shí)，根據(jù)房間面積計(jì)算出房間的排煙量；當(dāng)房間凈高＞6 m 時(shí)，根據(jù)表4.6.3 查出房間計(jì)算排煙量，依據(jù)儲(chǔ)煙倉(cāng)高度、排煙口最大排煙量及排煙口風(fēng)速≤10 m/s 等條件計(jì)算出排煙口數(shù)量。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，一些設(shè)計(jì)師通常只顧及排煙口最大排煙量和排煙風(fēng)速的選取，忽略了計(jì)算排煙量時(shí)，房間的凈高、設(shè)計(jì)清晰高度、燃料面到煙層底部的高度等參數(shù)對(duì)煙層平均溫度的影響，《煙標(biāo)》2.1.14 明確規(guī)定發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)排煙管道內(nèi)煙氣溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，排煙防火閥應(yīng)關(guān)閉，若在計(jì)算系統(tǒng)排煙量過(guò)程中忽略了煙層平均溫度＞280 ℃這個(gè)因素，不利于排煙系統(tǒng)的運(yùn)行，嚴(yán)重影響排煙效果，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)對(duì)煙層平均溫度的控制是很有必要的。

2 抗爆建筑中排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

在抗爆建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了防止室外爆炸產(chǎn)生的沖擊波影響建筑室內(nèi)人員及建筑物的損壞對(duì)全場(chǎng)安全產(chǎn)生影響，在抗爆建筑中設(shè)置外窗時(shí)選用固定抗爆防護(hù)窗[1]，窗戶不能開(kāi)啟，在抗爆建筑設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到＞50 m2且經(jīng)常有人的房間，如工程師站、操作間、交接班室等房間，根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版）中8.5.4 的要求，地上無(wú)窗房間，當(dāng)一個(gè)房間建筑面積＞50 m2且經(jīng)常有人時(shí)，應(yīng)設(shè)置排煙系統(tǒng)。對(duì)于抗爆建筑，要實(shí)現(xiàn)自然排煙顯然是不現(xiàn)實(shí)的，此類(lèi)建筑通?？紤]采用機(jī)械排煙系統(tǒng)。

根據(jù)《煙標(biāo)》4.6，排煙計(jì)算主要公式有：

在抗爆建筑設(shè)計(jì)中，房間高度經(jīng)常＞3 m，因此，本文清晰高度以房間凈高＞3 m 來(lái)計(jì)算，其房間最小清晰高度應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中，Hq為最小清晰高度，m；H′為取排煙空間的建筑凈高，m。

在工業(yè)建筑中，機(jī)柜間、控制室等抗爆建筑用于輔助工藝生產(chǎn)，一般可定義為廠房，且根據(jù)GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，操作間、工程師站等含有電氣設(shè)備的房間不允許采用水噴淋系統(tǒng)，因此，該類(lèi)房間火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率統(tǒng)一按8 MW 考慮。

在排煙系統(tǒng)中，軸對(duì)稱煙羽流為常見(jiàn)形式，因此，本文分析煙層平均溫度時(shí)只考慮軸對(duì)稱煙羽流形式，其計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

當(dāng)Z＞Z1時(shí)：

當(dāng)Z≤Z1時(shí)：

式中，MP為煙羽流質(zhì)量流量，kg/s；Qc為熱釋放速率的對(duì)流部分，一般取值為0.7 kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m，取值應(yīng)大于或等于最小清晰高度與燃料面高度之差；Z1為火焰極限高度，m。

根據(jù)房間的火災(zāi)釋放速率，并結(jié)合公式（4）可計(jì)算出火焰極限高度為Z1=5.241 m。從火焰極限高度可以看出，當(dāng)Z＞5.241 m 時(shí)，煙羽流質(zhì)量流量應(yīng)按照公式（2）取值；當(dāng)Z＜5.241 m 時(shí)，煙羽流質(zhì)量流量應(yīng)按照公式（3）取值。

煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差應(yīng)按式（5）計(jì)算：

式中，ΔT為煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差，K；K為煙氣中對(duì)流放熱量因子，由于本文分析對(duì)象為機(jī)械排煙，故取值K=1.0；CP為空氣的定壓比熱，一般取1.01 kJ/（kg·K）。

根據(jù)以上公式及計(jì)算結(jié)果，公式（5）可簡(jiǎn)化為：

每個(gè)防煙分區(qū)排煙量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中，V為排煙量，m3/s；T為煙層的平均絕對(duì)溫度，K；ρ0為環(huán)境溫度下的氣體密度，kg/m3；T0為環(huán)境的絕對(duì)溫度，K。通常，T0=293.15 K，ρ=1.2 kg/m3。

從式（3）和式（6）中可以看出，燃料面到煙層底部的高度Z和煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差成反比關(guān)系，從對(duì)燃料面到煙層底部的高度的定義來(lái)看，Z的取值與房間最小清晰高度有一定的關(guān)系，假設(shè)燃料面高度為Hr，即Z≥H′-Hr，清晰高度越高，燃料面到煙層底部的高度Z越大，兩者均同增或同減，本文均按照燃料面高度為零考慮。

《煙標(biāo)》4.6.8 規(guī)定，當(dāng)儲(chǔ)煙倉(cāng)的煙層與周?chē)諝鉁夭睿?5 ℃時(shí)，應(yīng)通過(guò)降低排煙口的位置等措施重新調(diào)整排煙設(shè)計(jì)，即規(guī)定煙層平均溫度和周?chē)諝鉁囟炔畹南孪拗担的值應(yīng)＞15 ℃，但是并沒(méi)有規(guī)定煙層平均溫度和周?chē)諝鉁囟炔畹纳舷拗?，根?jù)《煙標(biāo)》5.5.5 中要求，280 ℃時(shí)排煙防火閥應(yīng)自行關(guān)閉，并應(yīng)連鎖關(guān)閉排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)，從上述規(guī)定可以看出，煙氣溫度280 ℃為排煙系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)，如果在排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)忽略對(duì)煙層平均溫度的控制，將導(dǎo)致煙氣無(wú)法有效排出，通常在設(shè)計(jì)排煙系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境溫度取20 ℃，從公式（8）中可以推出，在機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，煙層平均溫度與環(huán)境溫度的最大差值應(yīng)按照≤260 ℃的限制計(jì)算。

3 案例分析

基于上述公式推導(dǎo)，選取抗爆建筑中工程師站作為排煙場(chǎng)所，且房間無(wú)噴淋系統(tǒng)，對(duì)抗爆建筑而言，房間凈高一般為3～6 m，計(jì)算出房間最小清晰高度為1.9～2.2 m，按最小清晰高度取值，即燃料面到煙層底部的高度均小于火焰極限高度，因此，燃料面到煙層底部的高度可按照公式（3）計(jì)算，燃料面的高度Hr設(shè)定為0，通過(guò)不同工況分析出煙層平均溫度和房間凈高之間的關(guān)系。

工況一：（1）房間高度為變量，且房間高度按每隔0.1 m 遞增；（2）儲(chǔ)煙倉(cāng)高度不變（按照房間凈高值取最小儲(chǔ)煙倉(cāng)高度）；（3）設(shè)計(jì)清晰高度（取最小值）；煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT變化見(jiàn)表1。

工況二：（1）以房間高度為定量（選取房間凈高為4.5 m）；（2）儲(chǔ)煙倉(cāng)高度從最小高度按每隔0.2 m 遞增（直到最大儲(chǔ)煙倉(cāng)高度）；（3）設(shè)計(jì)清晰高度（取最小值）；煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT變化見(jiàn)表2。

表2 工況二計(jì)算結(jié)果

從表1 可以看出，隨著房間凈高的遞增，煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值有減小的趨勢(shì)，當(dāng)房間凈高增加到4.3 m 的時(shí)候，煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值＜260 ℃，即滿足排煙系統(tǒng)運(yùn)行條件。

表1 工況一計(jì)算結(jié)果

從表2 可以看出，當(dāng)房間高度一定時(shí)，隨著儲(chǔ)煙倉(cāng)厚度的增加（等同于清晰高度的減少），煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT有增大的趨勢(shì)，即儲(chǔ)煙倉(cāng)厚度在最小時(shí)（清晰高度最大時(shí)），煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT為最小。從上述內(nèi)容可以看出房間高度一定時(shí)，清晰高度的增加有利于煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT的減小，但清晰高度增加的限值，即為房間凈高和最小儲(chǔ)煙倉(cāng)高度之差。

綜上所述，在抗爆建筑中，當(dāng)房間不能做噴淋系統(tǒng)且房間需做機(jī)械排煙系統(tǒng)時(shí)，房間的凈高至少需4.3 m。如果房間凈高不滿足4.3 m 要求，煙氣層溫度將會(huì)＞280 ℃，影響排煙系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）在抗爆建筑中，當(dāng)房間不能做噴淋系統(tǒng)時(shí)，且房間需要做機(jī)械排煙時(shí)，在設(shè)計(jì)前期應(yīng)考慮到房間凈高，保證房間凈高≥4.3 m，以免后期調(diào)整困難。

2）當(dāng)抗爆建筑中房間凈高不能滿足＞4.3 m 要求時(shí)，可通過(guò)調(diào)整操作間、工程師站等房間面積來(lái)避免排煙系統(tǒng)設(shè)置。

3）本文只列舉了在無(wú)噴淋情況下，熱釋放速率為8.0 MW的一種情況，在其他熱釋放速率下，均可通過(guò)本文計(jì)算方法計(jì)算出不同熱釋放速率下房間最小凈高要求。