侠侣情仇单田芳:对防排烟系统的思考及介绍

作者：李晓刚 杨洪磊 苏金明
摘要：本文介绍了防排烟系统火警时在楼宇中的重要性，重点对正压送风系统进行了较详尽的讨论，同时在理论上，就火警时烟气的运动相象进行了浅释，并辅以实际应用的例子，意在提醒对这一系统给予足够的重视。
关键词：烟囱效应、浮升力、风压、膨胀力
导言：当发生火灾时,许多人都没有真正认识到这样一个事实：烟气是火灾中，对生命的主要杀手。物质燃烧时，会消耗大量的氧并产生大量炽热的烟气，其成分对人体危害很大。烟气可以在火源处，非常快的在建筑中蔓延，对生命和财产安全构成威胁。烟气会充满楼梯间、走道、前室等，阻碍人员的疏散和消防队员的扑救。防排烟系统将会减少烟气的侵害，从而对生命和财产起到保护作用。
防排烟系统就是利用有效的方法改变某一区域的空气压力，从而对烟气的运动进行控制。在这里将对防排烟系统在高层建筑中的应用进行讨论。
首先分析一下烟气的运动原因
*烟囱效应
*浮升力
*膨胀力
*风压
*空调系统
烟囱效应  当建筑物室外温度低于室内温度时，建筑物内的空气会向上运动。这一现象在楼梯间、电梯井、管井中更容易发现，特别对于冬季的高层建筑尤为明显，这一现象对于只有一层的建筑同样存在。相反当室外温度高于市内温度时，建筑物内的空气就会向下运动，这一现象称为逆烟囱效应。因此在这一现象的影响下，当发生火灾时，烟气可以从着火点扩散到很远的地方。如果火灾发生在建筑的中性面以下，烟气会进入上层；当发生在中性面以上，烟气只能进入更高的上层。
浮升力  火灾时高温烟气有向上的浮升力，使烟气产生运动，并随着烟气密度的减少而减少，浮升力的大小与着火点周围的空气温度有关。
膨胀力 与浮升力相近，火灾中随着热能的释放，会使周围空气体积快速膨胀，推动烟气向四周运动、弥漫。
风压  室外风对建筑物内烟气的运动也有明显的影响，特别是当建筑物的门窗敞开时，当敞开的窗在下风面时，负压会使室内的烟气排到室外，这有利于避免烟气在建筑物内扩散；然而当敞开的窗在迎风面时，外部正的风压会使室内的烟气快速扩散到整个楼道，并进入其它楼层，风压可以毫不费力的支配建筑物内空气的运动。
空调系统  在防排烟系统启动前要关闭空调系统，这时因为烟气会借助空调系统的送、回风管道在建筑屋内蔓延。虽然在火灾初期人们可以通过烟气在空调系统的传播，闻到焦糊的气味，提示有异常火情的出现，但是随着火势的加大，空调系统会将烟气带到建筑的每一个角落，危及生命安全，同时空调系统还会将新鲜空气带入着火区，加重火情。
烟气扩散的管理  要利于建筑物内人员的疏散，利于消防队员的扑救，利于对财产的保护。使用挡烟垂壁、隔墙、排烟口及排烟竖井等传统的方法对烟气的扩散进行管理。
挡烟垂壁  用在没有明显压差的烟气通道上，它可以有效减少烟气的扩散。
排烟口及排烟竖井  因为浮升力的作用，附近的烟气会通过排烟口排出室外，但当附近有水喷淋作用时，因浮升力的减弱，会减少烟气的排出。
随着机戒防排烟在建筑物中的应用，很好的克服了传统方式的不足。防排烟系统通过风机改变不同区域，空气压力的变化，从而管理烟气及其它有毒气体的运动。
烟气运动的控制
基本概念：无论采用何种方法，烟气运动的控制都是通过改变界面空气压力来实现的。我们不能通过关闭门窗等简单的方法来限制烟气的扩散，因为即使这样做了，烟气应可通过门窗缝隙及其它孔洞从着火点向外扩散，并通过烟囱效应扩散到其它楼层。图1所示烟气是如何在建筑物中扩散的。
图1烟气的扩散

图2所示通过改变界面的空气压力来限制烟气扩散。
首先通过停止向着火区域送风的空调系统运行，开启该区域排烟来降低压力，同时启动周边区域的送风，形成正压区达到防止烟气扩散的目的。
我们认为正压送风和机械排烟相结合的方式是高层建筑应该首选的方案。对避难层、楼梯间及电梯前室采用正压送风方式，而对于走道、中庭及可燃物较多而又无窗的独立区域采用机械排烟的方式。
为了使用正压送风限制烟气扩散，必须划分防烟分区，一层或几层可以划分为一个独立区域，或者一层也可分成几个区域，不同区域的排烟阀应是独立的，并有密闭的门窗隔离。当有火警时通过给外围区域送风形成正压，来防止烟气扩散。如果是非专用系统，需要有精细的设计方案，来实现防排烟。
关于疏散楼梯间（前室）具有独立的送风系统，火警时通过正压，阻止烟气进入。在每一层都有防火门与走道分割，对于高层建筑，火警时人员只能通过这一通道撤离，所以防排烟的作用特别重要。必须要有足够的压力阻止烟气侵入，然而压力过大，又会使向外开启的疏散门难以打开，压力过小又不能阻止烟气侵入见图3

图3 压力过大或过小时的结果
一个理想的正压送风系统，既要使楼梯间有足够的压力，使烟气不能进入，又不能压力过大，见图4所示

图4 楼梯间多设备配合正压送风
确保门可以打开的压力表1
闭门器压力
（lbf）
不同宽度门所受压力
32in
36in
40in
44in
48in
6
0.45
0.40
0.37
0.34
0.31
8
0.41
0.37
0.34
0.31
0.28
10
0.37
0.34
0.30
0.28
0.26
12
0.34
0.30
0.27
0.25
0.23
14
0.30
0.27
0.24
0.22
0.21
表1  通过门的不同压力
楼梯间的正压送风控制  可分成两种模式，变速电机和恒速电机，见下图5所示，正压风机安装在顶部，恒速送风模式只是简单的接通电机，送风量不会因开关门而有所变化，当开关门过多时，将会影响正压效果。如图5A。该模式没有通向外部的泄气阀。变速模式可以调整因开关门所产生的压力变化，并有泄气阀通向室外，以避免压力过大。见图5B

图5 恒、变速正压送风
有几种方法可以补偿压力的变化，压力可以通过电机速度的变化进行调整，通过管道将正压送向楼梯间，并维持一定的正压，也可通过旁路阀，控制送风量。当达到设计压力时，旁路阀打开，以避免压力过大。
当送风机安装在地面时，其旁路阀的工作方式，如图6所示，其动作由压力传感器发出。也有案例用一层楼梯间的门，调整压力，该门可电动开闭，因为安保的缘故，通常为锁定状态，出现火情时由防排烟系统优先控制。用门调整存在一些问题，外部不同的风压可能会制约过量压力的外泄。还可设计一个排风口，当有过量压力时，通过专用风机，由排风口将过剩压力泄掉。

图6 旁路压力控制系统
有关电梯  在火警时如果能确保电梯的安全,将会给行动不便的人提供一种简单的撤离方法,然而大多数电梯都不具备防烟防火功能,不能用做疏散方案。电梯的排烟系统用于防止烟气通过电梯井进入其它楼层，对这一系统应给予极大的关注，电梯井如同天然的烟囱，会使烟气方便的进入其它楼层，因为电梯门并非完全密封，它应是防排烟系统的重要组成部分。显而易见的解决方法就是给电梯井加压送风，如图7所示：

图7  给电梯竖井加压图
给电梯井加压，需要解决的问题是各层电梯门的漏风，以保证加压效果。现在大部分的电梯井还没有这样的设计。顶层的电梯机房因为布线的原因，常常有大的开口，即使给电梯井加压，还会存在另一个问题，就是当有烟气进入电梯井时，轿箱正在运行中，这会有活塞效应，有助于烟气进入前室或充满电梯井。例如电梯从上向下运行时，会在上部产生低压区，这样会方便烟气充满电梯井。现在对电梯井的防排烟问题还没有很好的解决方法，火灾时给电梯井加压的方式还在探索之中。电梯还不能用做火警时疏散。
防排烟系统与报警灭火系统的差异
不同的系统起不同的作用  报警灭火系统的作用是尽可能快的制约和扑灭火灾，防排烟系统受报警控制器的联动控制，在相同分区内当有一个或更多探头报警时触发防排烟系统，该系统也可手动控制。在特殊区域如空间较高的大堂也可通过手报联动。
烟气探测  火灾报警系统连接感烟感温探测器，防烟分区都将有探测器的存在，并且在火势扩大前报警，报警信号将触发防排烟系统。通常触发信号不使用手报，因为不能肯定火警时有人去按动它，它只能用做必要条件。例如手报报警时，可以给楼梯间送正压，但其它区域要等待感烟报警的触发。
设定和监视防排烟系统  当有感烟探测器报警时，防排烟系统要安预定的方式工作，并以第一个火警为依据。该系统要有最高的优先权。考虑会有不可预知的烟气存在，必需要有手动控制方式，允许消防人员通过手动启动防排烟系统。
防排烟控制柜  是一个带图示的控制盘，反映整个楼宇的防排烟系统，并可以将设备状态反馈给操作员。由状态灯及手动开关组成，图示应该包括全部建筑的防烟分区、防排烟管道及送风排烟的气流箭头。手动控制要优先于自动控制。现在国内对于图示的要求还不是很严，这一点我们认为业主单位要给予足够的重视，特别是大型建筑结构复杂，火警时值班人员难免紧张，如有明确的图示会提高疏散效率并有助扑救。
现在就以“山东世界贸易大厦”为例，就防排烟系统做一简要介绍：该大厦地上53层，地下3层，总高度163米，建筑总面积15万平方米，裙楼是具备办公、购物、高档宾馆和娱乐的多功能大型建筑。现在分三部分对其防排烟的设置及联动方案做一分析：
1.塔楼标准层
2.裙楼
3.地下独立区
1.塔楼标准层：单层面积为925平方米，共设有两个疏散通道，如图8所示：

图8 塔楼标准层平面图
正压送风部分：设置机械加压送风系统的目的，是为在建筑物发生火灾时，提供不受烟气干扰的疏散路线和避难场所。塔楼共设计八台正压送风机，分别向消防电梯前室、消防疏散前室及两个疏散步梯送风，均采用恒速风机，（转速960r/m，功率5.5KW，风量22117m3/h，全压510Pa）各层通过百叶与风井相连。火警时，送风机同时向各层前室及楼梯送风，使消防疏散前室保持正压。因楼层过高，其中四台正压风机设于塔楼的21层分别向四个部位送风；两台设于34层供西步梯及前室；两台设于东步梯及电梯前室，以此通过风井对各楼层进行分段送风，保证末端前室及步梯的风压符合要求。
塔楼排烟部分：塔楼共设计两台排烟风机（转速1450r/m，功率7.5KW，风量28000m3/h，全压420Pa），排烟口开于各层的疏散通道内，平时由板式排烟阀门将排烟竖井与各层进行隔离，火警时仅相应火警层板式排烟口打开，保证了排烟量满足要求，排烟风机与正压送风配合保证了疏散通道中烟气被控制在火源区域，保证人员在较好的能见度下进行安全疏散。
2.裙楼
裙楼共七层，平面如图所示，排烟系统除按照防烟分区2000m2的标准对其进行排烟风机设置外，因其中庭高度超过30米，需要进行单独的消防排烟处理。
《高规》的8.4.2.3指出：“中庭体积在于17000m3时，其排烟量按体积的4次/h换气计算。本中庭体积22400m3，所以排烟量为：22400m3×4次/h=89600m3/h
根据此计算中庭共设置3台7.5kw排烟风机，以满足中庭排烟需要，火警时，火警层及火警层以上各层中庭周边防火卷门同时下落，中庭排烟风机启动，扩散到中庭的烟气集中于中庭上方，由中庭排烟风机排烟。

图9 裙楼平面图
3.地下独立区
大楼地下共三层，主要的功能为停车场及设备机房和仓库。停车场设双速风机，非火警状态风机低速运行，排汽车尾气，火警状态下高速运行用于排烟。设备机房及仓库由于其中隔断较多，而且值班办公人员分散，防排烟系统平时兼做排风使用，在设置时即要考虑经营性，又要满足排烟量的要求，所以系统按如图10所示进行设置：非火警状态下，各阀门常开用于排风。
当远端（远离风机端）发生火警时，电控阀1号关闭，风机仅排远端区域的烟，而近端火警时，电控阀2号关闭，风机仅供近端区排烟。这样做的弊端在于两相临的区域同时火警时，设备排烟量不能满足需要。
以上为我们通过案例对防排烟系统的分析得出的一些心得，写出来仅供参考。
参考文献：《建筑安全放火设计手册》《消防设计手册》《烟气运动的管理》
感谢世贸中心物业本部弱电科全体人员对笔者的支持。