浅析建筑排烟简易设计计算的应用

张 涛

（晋中市公安消防支队，山西 晋中 030600）

1 概述

火灾发生后，因烟气而造成的人员死亡远大于因热辐射、火焰或建筑物倒塌而造成的，而且火灾蔓延主要是通过热烟气扩散实现。据有关资料统计数字表明，因火灾而伤亡者中，大多数是烟害所致。火灾中受烟害直接致死的约占1/3～2/3，因火烧死的约占1/3～1/2，而且火烧死中也是多数先受烟毒晕倒而后烧死。人们越来越深刻地认识到，通过提供一套有效的排烟系统，可以保障人身的安全，减少烟气扩散而导致的火势蔓延。但问题是对于低层建筑，特别是对于低层工业建筑人们对建筑物防排烟设施的重视程度仍远远不够。我国现行的《建筑设计防火规范》第9.1.3条规定，下列场所应设置排烟设施：①丙类厂房中建筑面积大于300 m2的地上房间；人员、可燃物较多的丙类厂房或高度大于32 m的高层厂房中长度大于20 m的内走道；任一层建筑面积大于5 000 m2的丁类厂房；②占地面积大于1 000 m2的丙类仓库……。可以看出，《规范》虽然明确规定了需要设置排烟设施的场所，但是如何设置排烟设施，在哪些具体部位设置；对于厂房或仓库等特殊建筑，生产区、仓储区与内走道之间没有严格的区分限制，排烟设施究竟应在哪些部位设置而没有一个统一明确规定。

为此，笔者参阅一些相关技术资料，提出一套简单易于操作的排烟设计计算理论。

2 建筑排烟简易设计

2.1 确定预期火灾的大小

火灾中产生的烟气数量取决于火势的大小。但是人们不可能简单设计一个排烟系统来适应任何大小的火灾。设计的火灾模型不可能简单认为是可能发生的最大的火灾，因为最大火势往往出现在轰燃后，燃及整个防火场所或防火区内的极盛期，设计的排烟系统也不是专门针对这类火灾的。

通常情况下，一种实际和理论上更合理的方法是假设火势在不断变大。计算可简化为选择设定时间的火势大小（例如：可以参照火灾发现时间或人员疏散时间）或选择轰燃即将发生前的火势。如需根据实际情况设定时间，需根据人们所共知T形火来决定火灾的大小。在此可以参照美国国家标准局对一系列的火灾试验基础上分析得出的下列简式来初步估算各种火灾大小：

Q=at2

式中：Q：火灾释放的热量，kW；

a：火灾增长常数；

t：燃烧时间，s。

火灾增长常数随材料的状况和火灾房间布局而变化。表1给出了4种基本类型的火灾增长常数。

表1 T型火概况

假设这种火灾是在圆形范围内，热量释放为500 kW/m2时，那么火灾的区域为：Q/500

如果仅主要考虑人身安全，t为保证安全撤离所必需的时间，如果排烟系统设计以消防人员进入火灾现场的，t为消防队反应的时间。

2.2 计算烟气体积和温度

烟气生成量与火势的大小和烟气上升的高度的关系为：

式中：Ce=0.188在吊顶离火较高的大空间量；

Ce＝0.210在吊顶离火较低的大空间量；

Ce＝0.337在具有通风口的小房间里；

M：烟气的流量，kg/s；

P：火灾周长，m；

Y：到烟气层底的高度，m。

2.3 烟气与周围环境的温差

θ=Q/M℃

式中，Q：设计的火势大小，kW。

2.4 需排出的烟气的体积为

式中：V：须排出的烟气体积；

T0：环境温度，通常为 20℃（293 K）。

T=θ+T0

式中：ρ0：环境大气密度，kg/m3

通过上式，在计算烟气温度时，通常假设火灾产生的热量Q的1/3是被建筑物本身吸收的，其余2/3的能量是使烟气温度上升的。

另外，在设计时应充分考虑火场烟气温度过高，正常情况下θ的值大于200℃人们疏散逃生是较困难的，因此当计算所得θ值高于200℃时，需要重新设计排烟系统，或者在排烟区域内安装自动喷水灭火系统以降低烟气的温度。

2.5 确定排烟点数目

我国《建筑设计防火规范》第9.2.4规定，自然排烟口距该防烟分区最远点的水平距离不应超过30 m（因为大于这个距离将会使烟气过于冷却而与烟气层下的空气混合在一起）。第9.1.6条还规定机械加压送风管道、排烟管道和补风管道内的风速应符合下列规定：采用金属管道时，不宜大于20 m/s，采用非金属管道时，不宜大于15 m/s。除此之外，从每个排烟口的临界排烟速度应为：

式中：V：临界排烟速度，m3/s；

d：从排烟点到烟气层底的距离，m；

T0：周围环境温度，K；

Tc：烟气温度，K；

θ：烟气与周围环境的温差（Tc-T0）℃。

图1 物品仓库的结构图

2.6 设计实例

以一丙Ⅱ类物品仓库为例简要说明设计计算程序，见图1。一多层仓库，每层是一个20×15 m的防火分区，耐火极限为2 h，二部楼梯，通向楼梯间的门高度1.8 m,底板到吊顶的高度为3.2 m。

确定火灾大小：对丙类仓库，火灾蔓延较为迅速，人们对火灾的响应时间为300 s。

对照表1，a取 0.047，

Q=0.047 t2＝0.047×3 002＝4 230 kW

烟气流量M=0.19PY3/2=0.19×10.3×23/2=5.5 kg/s

假设1/3的热量被建筑结构吸收，则有效热量为4 230×2/3＝2 820 kW

θ＝Q/M=2 820/5.5=513℃

T0=20 ℃，ρ0T0=354.5

确定排烟点数量：d=3.2（吊顶高度）-2＝1.2×m

临界排烟速度

排烟管道的布置见图1，排烟口到最远点不超过30 m，考虑送风，排烟速度＝12.5 m3/s。

假设自然送风使用自动开启低层进风的方法，最大进风速度为5 m/s，最小送风面积

3 结论

低层建筑，尤其是工业建筑，《规范》对这类场所排烟设施的要求不是很明确，人们在对该类型场所进行设计时所能参照的依据也不是很多。因此通过上述实例的分析，希望可以对其设计思路带来启发，同时也希望国家有关防排烟设计的专业规范能尽快出台，逐步规范防排烟的设计、安装、施工。