排烟排风共用系统的设计

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简介： 讨论排烟排风共用系统的水力计算，推导出不同于《高层民用建筑设计防火规范》的排烟量计算等式，指出初调试风量的重要性。
关键字：排烟系统 排风系统 排烟量 风机特性

1 概述 

　　排烟系统作为火灾初期人员疏散及救援的必要手段，对保障人们生命安全起了非常重要的作用，因此，排烟系统在火灾时能否良好运行有着重要意义。对于平时必须通风的场合，将排风和排烟系统合用，既节省了投资，又提高了排烟系统运行的可靠性，避免了日常的试运行检查。是较有实用价值的一种形式。

　　排烟排风共用系统的设计，基本上应遵循排烟系统的设计原则，要点如下列所示。

1.1 风机宜优先采用离心式风机，公安部四川消防科研所对4-72型普通离心风机进行了280℃排气温度运行实验，结果证明离心风机在耐热性能、变形等方面优于轴流风机。若采用轴流风机，应采用专用的高温排烟风机。

1.2 风机入口处设280℃防火阀。

1.3 对于每个防烟分区，单台风机排烟量不小于7200m³/h。

1.4 风管材料采用非燃烧体制作，风管壁厚满足排烟风管厚度的要求。

1.5 排烟风速：金属风管不大于20m/s混凝土风道不大于15m/s，排烟口不大于10m/s。

1.6 排烟口应采用常开型，排烟口位置沿走道方向距附近安全出口边缘之间的最小水平距离不应小于1.5m。

2 共用系统的水力计算 

　　排烟排风共用系统的风管水力计算，应对排烟、排风量进行校核计算。按照排烟系统的设置有以下模式：

　　A. 排烟系统为一个防烟分区服务，且该防烟分区为一个房间。

　　B. 排烟系统为一个防烟分区服务，但该防烟分区由不同房间组成。

　　C. 排烟系统为两个以上防烟分区共用，排烟时只打开着火区排烟口，其它防烟分区排烟口关闭。

　　D. 排烟系统为两个以上防烟分区共用，排烟时打开着火区及另一区排烟口，其它排烟口通过消防控制中心电信号关闭。工程上作法一般可分为两种：

　　D₁：垂直方向上，打开着火区及相邻上一层的排烟口进行排烟。

　　D₂：水平方向上，打开着火区及走道排烟口进行排烟。

　　对于模式A、C，管路水力计算应先选取排烟量进行计算，然后根据计算出来的管路校核风机在低速下运行的风量（宜按风机运行曲线与管路特性曲线相交点的风量）是否满足排风量的要求。模式C还须校核最有利环路风口排烟风速≤10m/s。

　　对于模式B、D，先推出一个等式来讨论管路计算。

3 等式的推导及讨论 

3.1 前提条件：初调试时共用系统是以排风量作为调试量的。调试完毕之后，管路的阻力系数就确定了，在系统阻力系数恒定的情况下，风量变化的规律就是本文要讨论的内容。

3.2 等式的推导采用以下管路，管路干管起止点分别为a₀、a_n，支管1起止点分别为a₁、b₁，支管2起止点分别为a₂、b₂，依此类推。

　　对于以上管路假设各支路初始流量为Q₀、Q₁、Q₂……Q_n

　　当风机转变为高速运行时，其流量为Q₀^‘、Q₁^‘、Q₂^‘……Q_n^‘ 

　　先取末端2个支管进行计算：

　　在管路实际运行中，支路之间必然存在压力平衡，

　　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-从点（a_n-1）到点（a_n）的阻力
　　　　　H_n-支管（n）的阻力
　　　　　S_n-1--支管（n-1）的阻力系数
　　　　　Sa_n-1－a_n--从点a_n-1到a_n的管路阻力系数
　　　　　Q _n-1--支管（n-1）的流量
　　　　　Q _n--支管n的流量

　　以下各式中符号下标表示方法与此同理。

　　同样对于高速运行下有：

　　S_n-1Q _n-1^‘2= Sa_n-1－b_n Q _n^‘2 　　　　（2）

　　由（1）（2）得

　　Q _n-1^‘/ Q _n-1= Q _n^‘/ Q _n　　　　（3）

　　对于管路中任一支管K，等式的证明先采取一种处理方法。就是将k至（n-1）之间支路全部折合成支路（n-1），整个系统视为只有（k+2）个支路。由于式（3）的证明依据是管路之间的压力平衡，所以这种处理并不影响式（3）的正确性，即此时：

　　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^‘）

　　以下证明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）

　　同样

　　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　　　　（6）

　　等式（6）中的K为管路中任一支管，故有

　　Q ₁^‘/ Q ₁= Q ₂^‘/ Q ₂ =…… = Q _n^‘/ Q _n …　　　　（7）

　　这就是针对多支路共用系统变档运行下的风量校核计算等式。

　　
　　　　　　　　　　a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 b　　　　　　　　

　　该式表明，当系统总风量变化时，各风口风量变化是等比的。但对于系统中有几个支路关闭的情况，有必要另作分析。仍以开始推导等式的管路为例，当某个支路k关闭时，必然对干管在a_k处的三通阻力产生影响，此时干管的S值产生变化，等式失去成立的理论依据，但分析可以发现，三通的阻力主要是支流的阻力，而直通的阻力较小，所以支路关闭对干管的阻力影响可以忽略。该等式仍可应用于工程上的计算，当然为了进一步降低关闭支路的影响，有必要对三通的做法进行研究。对三通及变径的两种做法（如上图）进行分析，做法b的三通直流阻力受支路关断的影响要比a大，所以不宜采用。

3.3 以上推导了作为应用于排烟排风共用系统的一个分析计算等式，具体应用于模式B、D中时，作以下讨论：

　　3.3.1模式B：假设该防烟分区为两房间组成，其面积分别为A₁、A₂，且A₁＞A₂，排风换气次数分别为n₁、n₂，单位面积排烟量分别为x₁、x₂。按等式（7）有：

　　h n₁ A₁/x₁A₁= h n₂ A₂/x₂A₂　　（x₁ ，x₂≥60m³/m².h）

　　式中：h-房间的高度

　　即n₁/x₁=n₂/x₂　　　　（8）

　　如果n₁不等于n₂，就会引起实际运行中排风（烟）量与设计不符。这也与最初调试运行是以哪个量作为调试量有关，如果调试时以排风量作为调试量：

　　当n₁＞n₂时排风量调试达到设计要求，由式（8）则x₁＞x₂，所以排烟时房间1排烟量为x₁A₁＞x₂A₁≥60 A₁即排烟量大于60 A₁，因而系统的最小排烟量应按60 n₁ A₁/ n₂ +60 A₂计算。

　　同理n₁＜n₂时系统最小排烟量应按60 A₁+60 n₂ A₂/ n₁计算。

　　以上分析可以推广到多个房间组成的防烟分区。并得到以下结论：对同一防烟分区中的不同房间，设其中排风换气次数最小的房间面积为A₁，换气次数为n₁，则系统最小排烟量应按下式计算：

　　G=60A₁+60A₂n₂/n₁+60A₃n₃/n₁+…　　　　（9）

　　3.3.2模式D：由于系统担负两个以上防烟分区，规范规定总排烟量按最大分区面积乘以120m³/m² h计算，设最大防烟分区面积为A_max。

　　3.3.2.1模式D₁：工程上一般为内走廊排烟排风共用系统，各层内走廊排风换气次数一般相等。按式（8）有x₁=x₂，系统总排烟量按120A_max计算，由120 A_max=x₁A₁+x₂A₂=x₁(A₁+A₂)＜x₁2A_max，即x₁＞60，故任何一个防烟分区排烟量都有富余。排烟量按A_max计算就可以符合要求。

　　3.3.2.2模式D₂：

　　（1）设着火区为最大防烟分区，面积为A₁= A_max，走道面积为A₂，A₁、A₂排风换气次数不等。由式（8）n₁/x₁=n₂/x₂，令n₁=yn₂，则x₁=yx₂，总排烟量为

　　G=x₁A₁+x₂A₂=yx₂A₁+x₂A₂=x₂（yA₁+A₂）（10）

　　（x₁ ，x₂≥60m³/m².h）

　　此值与2x₂A₁比较，当y＞2－A₂ / A₁ 时

　　G =x2（yA₁+A₂）＞x₂ [（2-A₂/ A₁）A₁+ A₂]= x2（2A₁）≥120 A₁=120 A_max。

　　综合以上分析计算，有：

　　当n₁/ n₂=y＞2-A₂/ A₁时系统最小排烟量G＞120 A_max，可见排烟量与排风换气次数有关。具体排烟量的值应按式（10）计算。

　　当n₁/ n₂=y≤2-A₂/ A₁时系统最小排烟量按120 A_max计算即可。

　　（2）走道面积为最大防烟分区面积，即A₂=A_max。由式（8）n₁/x₁=n₂/x₂，得x₂= n₂ x₁/ n₁，只要n₂ / n₁＜1，总排烟量就是

　　G= x₁A₁+x₂A₂= x₁（A₁+ A₂n₂ / n₁）＜2x₁A₂=120 A_max

　　所以系统总排烟量按120A_max计算是足够的。工程上走道换气次数要求并不很严格，设计中可令其小于等于其他防烟分区的换气次数，排烟量按120 A_max计算就行了。

4 结论及建议 

　　针对设计人员在计算排烟量时普遍采用60（120）m³/m².h作为计算依据的问题，本文提出以下结论： 

　　4.1 排烟排风共用系统在两种工况下运行时，其末端风量变化规律遵循式（7）。

　　4.2 在各防烟分区排风换气次数要求严格而且换气次数不等的前提下，最小排烟量就不能按规范提供的最低数值计算。而应根据系统设置情况分别按式（9）、（10）计算。对排风的换气次数要求，设计中应具体情况具体处理。

　　4.3 系统应按设计风量调试。

　　4.4 建议在设计图纸上标出各末端风量大小，作为调试依据。

　　4.5 设计人员往往忽略规范条文中对排烟量的计算只是规定一个下限，而在计算时直接采用规范中的下限数据，这样就容易导致错误。

5 工程实例 

　　下图为某医院地下室的一个防火分区，该防火分区由图中标出

　　面积的三个库房和走道组成，层高为4.2m。现设置排烟排风共用系统，系统设置概况为：各个库房和走道均单独作为一个防烟分区，每个防烟分区各设一个常开型排烟口，平时排风，火灾发生时，风机转为高速运行，着火区及走道排烟口执行排烟功能，而其他排烟口由消防控制中心关闭。下面按两种情况给出系统的设计计算过程。

5.1 库房与走道要求的排风换气次数均为4次/时，即n₁=n₄=4。

　　（1）系统总排烟量

　　由模式D₁的讨论：

　　G=A₁×120=306×120=36720m³/h

　　（2）各个排烟口排烟量

　　G_i=xA_i=A_iG/（A_i+A₄）（a）

　　G_4i=G-G_i　　　　（b）

　　式中下标4i表示走道与i区排烟口共同排烟时走道的排烟量。

　　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是一个随A_i增加而递增的函数，且函数K值随A_i增加而减小。G_i的曲线如下图。

　　各排烟口排烟量按式（a）（b）计算的结果如下：

　　G₁=26010m³/h　　G₄₁=10710m³/h

　　G₂=24544m³/h　　G₄₂=12176m³/h

　　G₃=24349m³/h　　G₄₃=12371m³/h

　　（3）各排烟口排风量

　　G₁^‘=hnA₁=5141m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=4267m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=4166m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=2117m³/h

　　总排风量为15751 m³/h。

　　（4）排烟口尺寸：设计中通常采用同一规格的风口，式（a^‘）、（a^‘‘）及其结论可作为风口计算依据。

　　各库房排烟口按最大面积库房的排烟量计算风口尺寸。

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

　　式中F为风口有效通风面积，v为排烟口风速。

　　走道排烟口按面积最小的库房排烟时走道的排烟量计算风口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12371/（10×3600）=0.34m²

　　（5）按排烟量进行管道水力计算，求出管道总阻力。

　　（6）按总阻力、总排烟量、总排风量（考虑漏风系数）及风机特性曲线选用两档风机。

5.2 库房排风换气次数n₁= 5，走道排风换气次数n₄= 3，设着火区为A₁。

　　（1）系统总排烟量

　　由y=5/3=1.67＞2－A₄/A₁=1.59，按模式D₂的讨论

　　G=（5/3×A₁+ A₄）×60=（5/3×306+ 126）×60=38160m³/h

　　（2）各个排烟口排烟量

　　按式（a）（b）计算的结果如下：

　　G₁=27030m³/h　　G₄₁=11130m³/h

　　G₂=25507m³/h　　G₄₂=12653m³/h

　　G₃=25304m³/h　　G₄₃=12856m³/h

　　（3）各排烟口排风量

　　G₁^‘=hnA₁=6426m³/h

　　G₂^‘=hnA₂=5334m³/h

　　G₃^‘=hnA₃=5208m³/h

　　G₄^‘=hnA₄=1588m³/h

　　总排风量为18556m³/h。

　　（4）排烟口尺寸

　　各库房排烟口按最大面积库房的排烟量计算风口尺寸。

　　F₁=G₁/3600v=27030/（10×3600）=0.76m²

　　走道排烟口按面积最小的库房排烟时走道的排烟量计算风口尺寸。

　　F₂=G₄₃/3600v=12856/（10×3600）=0.36m²

　　（5）按排烟量进行管道水力计算，求出管道总阻力。

　　（6）按总阻力、总排烟量、总排风量（考虑漏风系数）及风机特性曲线选用两档风机。

6 遗留问题 

6.1 高规中规定排烟系统承担两个或两个以上防烟分区时，排烟

　　量应按不小于最大防烟分区面积乘以120 m³/m² h计算，这个计算风量考虑了两个防烟分区同时排烟所需，但并未明确同时排烟的两个防烟分区是各自独立着火，还是因为某个区着火而引起另一区着火。以下对这两种情况分别加以讨论。

　　（1）同时排烟的两个防烟分区是各自独立的，彼此之间不存在着火的因果关系。那就不存在模式D的作法，因为某一区着火时，系统对其排烟的同时还要预留给另一未知的防烟分区排烟。

　　（2）同时排烟的两个防烟分区是有联系的。两者在排烟的需求上有着因果关系。或是着火区的烟气窜到其他区，或是着火区火苗引起其他区着火。总之，两者之间有着密切关系。那么，模式D₁的作法是比较合理的。因为在垂直方向上，不论是烟气还是火苗，造成相邻上一层产生烟气的可能性最大。对于模式D₂，着火区在水平方向上引起其相邻区产生烟气的情况有两种。一种是着火区与相邻防烟分区之间有围护隔断（如墙体）。这种情况下火苗一般很难迅速引起相邻区着火。如果考虑烟气窜到相邻区，则可能性最大的就是走道。另一种情况是着火区与相邻防烟分区之间没有围护隔断。这种情况下不论是火苗还是烟气，都可能造成相邻区产生烟气，而且不会只是一个区产生烟气，相邻的几个区都有同等的可能产生烟气。如果是这样，排烟量按最大分区面积乘以120m³/m²h就可能不够了，而且具体计算公式也很难确定。

6.2 从本文讨论可以看出，调试时的风量将决定排烟量是否满足要求，但实际应用中不可能使每个排烟口风量调到与设计值相符，这就有一个调试风量误差范围的问题。如何根据不同的工程设定一个合理的误差范围是一个值得研究的问题。

　　谨以此文献给先师严治军先生。

7 参考文献 

1GB50045-95 高层民用建筑设计防火规范
2 陆耀庆，主编。实用供热空调设计手册。北京：中国建筑工业出版社，1993。
3 蒋永琨，编著。高层建筑和地下工程防火设计问答。北京：中国建筑科学研究院科技资料交流部出版，1994。

作者简介：
　　姓名：黄中，性别：男，出生日期：1974年3月6日，毕业学校：重庆建筑大学城建学院供热通风与空调专业，学位：学士，工作单位：中元国际工程设计研究院（原机械工业部设计研究院）IPPR ENGINEERING INTERNATIONAL，通讯地址：北京市西三环北路5号，邮编：100089，职称：工程师，电话：68732424