中庭排煙設計管理論文

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摘要通過對超高層辦公樓及中庭火災時排煙量的計算和煙氣流向分析，認為30m以上的超高中庭仍需要進行消防排煙處理，確定了中庭排煙方式及排煙所需面積，排煙窗位置和控制方法。

關鍵詞超高中庭排煙熱量釋放著火層煙氣量煙溫煙勢流速自控排煙窗

中庭排煙的主要任務：一是在火災時能及時排除煙氣，保證人員在較好的能見度下進行安全疏散，使消防人員獲得更有效的安全工作環境，把人員，建筑物及設備的損失降到最低限度；二是及時排除辦公層火災時涌入中庭的煙氣，防止煙氣層化，減少非著火層工作人員對火災的恐懼感，防止由于恐慌而造成不必要損失。結合上海交銀金融大廈項目就中庭煙氣來源于自身的裙房層和辦公層這一觀點進行闡述。

交銀大廈地面以上一層至五層為裙房（主要為營業，計算機房，餐飲）；裙房以上為南北兩幢辦公塔樓（樓高分別是190m和230m）。南北辦公樓中間由163m高中庭相連。辦公樓和中庭的東西外墻均為玻璃幕墻，中庭的南北向與辦公樓之間由玻璃幕墻隔開，（幕墻上設一扇可開啟窗）根據消防規定中庭和辦公樓均須作消防排煙處理。

一、辦公層火災時對中庭的影響

火災發生時如何確?；馂膮^的人員在潔靜的環境下有秩序地疏散到安全區，便成為消防排煙設計的主要課題。保證人員疏散所必需的安全高度的確定對排煙量有很大影響，控制此高度實際上就是控制煙氣量。筆都根據規范和國外某些計算方法結合交銀大廈項目進行了計算，通過比較尋求最佳的設計方案。

1．按防煙分區單位面積風量計算煙氣量

《高規》8.4.2.2條指出"提供兩個或兩個以上的防煙分區排煙時，應按最大防煙分區面積，每平方米不小于120m3/h計

算。"按此標準，本排風系統排煙量為

L=F×q=600×120=72000m3/h

(辦公層面積600m2)；相當于42次/時換氣。這樣大的風量，無論采用土建風道（最大風速小于15m/s）還是金屬風道（最大風速小于20m/s）都將占用大塊的辦公面積。

2．按換氣次數計算煙氣量

《技術規程》4.2.2.4指出"沒有噴淋的大空間辦公室按6次/時計算。但不應小于30000m3/h。"實際計算煙量L=600×2.8×6=10080m3/h。

3．按火情法計算煙氣量

本項目計算采用《準則》《技術規程》現代建筑排煙所推薦的計算方法結合辦公層的使用特點，設定了有關數據，經計算，煙氣量為42500m3/h，相當于25次/時換氣。

M=0.19×P×Y×3/2=0.19×12×2.5×3/2×9.01kg/s

θ=Q/(M×C)=1500×(9.01×1)=166℃

V=（M×T）/（P0×T0）

=[M×（θ+T0）]/（P0×T0）

=[9.01×(166+293)]/(1.2×293)

=11.76m3/s=42344m3/h

n=42344/(600×2.8)=25.2次/h

式中：M----煙氣質量流量，kg/s；

P----火災周長，m；

Y----煙層底高，m，辦公層Y=2.5m，裙房Y=2.5m；

θ----煙氣與周圍環境的溫差，℃；

Q----熱量釋放，MW（kW）；辦公層Q=1.5MW；裙房Q=2.5MW

V----煙氣體積流量m3/s；

T0----環境溫度T0=20℃（20+273=293K）

P0----環境空氣密度kg/m3,n=換氣次數（次/h）。

上述計算說明，簡單地用6次/時換氣次數和120m3/h的方法來確定消防排煙量，計算值差異太大，對該項目而言，是不恰當的。因為在煙氣熱量釋放值確定后，排煙量主要取決于煙氣上升到煙層底的高度，與樓面位置或空間是無關的。結合本項目特點，采用了計算方法2和計算方法3相結合的方式，確定了防排煙系統的設計。

從經濟效果考慮，確定辦公層機械排煙系統的排煙量按6次/時換氣計算，這樣，當辦公層出現小型火災時就能投入使用，既減少了占用辦公面積的矛盾，又能滿足人員疏散要求，最大限度地減少火災引起的經濟損失。當辦公層出現1～1.5MW熱釋放量時，僅用6次/時換氣的排煙系統是無法排出全部煙氣的，此時煙層會急劇下降，煙溫將提高，甚至會出現煙霧淹沒疏散通道的情形，給辦公人員逃生帶來極大困難。同時，如果煙溫不斷升高到600℃時，將會引起爆燃現象，這無疑又會擴大火勢，后果不堪設想。但是由于噴淋裝置的及投入（一般不會超過5min）及圍護結構的吸熱作用（約吸收1/3），使煙溫又所降低。有資料介紹，當煙溫比周圍空氣溫度高100℃時，和此煙直接接觸的6mm厚玻璃就會破碎。另外玻璃的特性決定了它在急劇加熱時，再受噴淋水的噴灑后，也會發生爆裂破碎。這時煙霧將會以5～15kg/s的速度涌入中庭（經計算，煙層厚度約620mm）。辦公層大量煙霧的涌出可保證辦公層人員的及時疏散，但大量的煙氣排放任務卻轉嫁給了中庭。

M=（0.19×P×W×h×3/2）/[W×3/2+(0.19×P/2)×3/2÷0.65]×3/2

=（0.19×12×8.4×2.4×3/2）/[8.4×3/2+(0.19×12/2)×3/2÷0.65]×3/2

=4.5kg/s

D=[M/(2×W)]×3/2÷cd

=[4.5/(2×8.4)]×3/2×0.65

=0.62m

式中：D----流動煙層厚度，m；

M----煙氣質量流量，kg/s；

W----開口寬度，W=8.4m；

P----火災周長，m,裙房P=12m；

h----開口自地凸起的凈高，m，h=2.4m；

c----開口排放有效系數cd=0.65。

二、中庭煙氣量計算

1．按換氣次數法計算

《高規》的8.4.2.3指出："中庭體積大于17000m3時，其排煙量按體積的4次/h換氣計算，但最小排煙量不應小于102000m3/h，本中庭排煙量L=42000m3×4次/h=168000m3/h。"

2．按火情法計算

與中庭相連的裙房部分大部分作為營業廳使用，其熱量釋放值很難確定。本計算考慮了帶噴淋的賓館的公共區域的釋放熱量為Q=2.5mW計算，排煙量約52580m3/h。

M=0.19×P×Y×3/2=0.19×12×3/2

=9.01kg/s

θ=Q/(M×C)=2500×(9.01×1)=277℃

V=[M（θ+T0）]/（P0×T0）

=[9.01×(277+293)]/(1.2×293)

=14.6m3/s=52580m3/h

上述計算僅僅是基于這樣一個理念，即煙氣形成后，可以在空間內形成一個穩定的儲煙倉，并且煙層的底部離開發煙點不高于12m的范圍，這是對人員疏散提出的基本條件。而目前的中庭排煙主要任務是在火災發生時及時排除積存的煙氣。這不僅可以防止火災秧及另一幢辦公樓（二樓間距12m），同時對穩定其他辦公層工作人員的情緒起到了很大作用。另外，我們面對的是一個42000m3容積的超高中庭，超過了在前面所選用的公式和有關國內外消防排煙設計計算中所涵蓋的范圍。

諸如煙氣在上升中由于周圍冷空氣滲入，出現煙氣層化現象的計算高度；煙層平均限制在深度30m，是否會出現煙氣層化現象；排煙窗如何配合等問題都有待于解決。為此，考慮了其中一部分計算，驗證其過程，英之杰工程設備和英國COLT國際集團根據我們提供的有關數據采用CFD模型作了煙氣流動計算和實體流體狀態模型試驗。試驗設定火災發生在14層、30層時，夏季室外溫度35℃，冬季-4℃，中庭底部空氣溫度25℃，分別就冬季和夏季的模擬研究提供了試驗結果和有關圖示，并且做了專項說明，解決了設計院所不能解決的某些問題。模擬試驗同時也證明了本設計對中庭排煙設計說明的可行性。故最后經與建筑協商，在7、12、19、25、32、38層設置排煙窗共72個。（見附圖2）三、模擬研究結果

1．夏季火源在30層排煙裝置在接受火警信號30s后打開。隨著火勢的發展以及排煙裝置的開啟，堆積作用開始產生，使煙氣保持在高于著火層的上方，中庭的下部被補充空氣冷卻，在10min后通過排煙裝置的流量分別為：樓層38322519127

流量m3/s-31.7-14.9-12.2+20.6+20.6+23.0

注意：正值代表送進，負值表示排除。

2．夏季火源在14層排煙裝置在接受火警信號30s后打開。隨著火勢的發展以及排煙裝置的開啟，使煙氣保持在高于著火層的上方，20min后中庭的氣體構成基本穩定，通過排煙裝置的流量分別為：

樓層38322519127

流動率（m3/s）-34.4-26.4-12.9+11.2+29.3+31.1

注意：正值代表送進，負值表示排除。

3．冬季火源在30層排煙裝置在接受火警信號30s打開。隨著火勢的發展以及排煙裝置的開啟，堆積作用開始產生，使煙氣保持在高于著火層的上方，中庭的下部被補充空氣冷卻，10min后通過排煙裝置的流量分別為：

樓層38322519127

流動率（m3/s）-39.4-18.0-9.8+18.1+22.9+23.4

注意：正值代表送進，負值表示排除。

4．冬季火源在14層排煙裝置在接受火警信號30s后打開，使煙氣保持在高于著火層的上方，在20min后中庭的氣體構成基本穩定，通過排煙裝置的流量分別為：

樓層38322519127

流動率（m3/s）-42.9-33.1-16.6+15.9+37.0+37.1

注意：正值代表送進，負值表示排除。

由COLT排煙工程公司提供的方案被試驗驗證為完全有效并且能夠產生合理的堆積效應，室外空氣被有組織地引入，因而煙層能夠一直維持在著火層的上方，而在上部被排煙系統排除。

四、中庭排煙窗在具體設計上的考慮

在設計中，同時考慮了平時自然通風對中庭空氣溫度梯度的影響，模擬試驗圖示表明，當中庭無通風時，中庭上部空氣溫度約達50℃。

為確保辦公室50m3新風量除了利用衛生間排風外，部分空調風將通過可開啟窗進入中庭。這樣既滿足了新風進風量又利用空調風降低中庭內空氣溫度。平時利用自控排煙窗進行自然通風，降低中庭上部空氣溫度與辦公層之間的溫差，節省能源。

中庭排煙窗分別設置在東西玻璃墻的7、12、19、25、32、38層，人工開窗是不可能的，因此采用了自動控制并與大樓BA系統相聯，并對排煙窗的自控提出了額外的要求。

1．排煙作必須上開，上開角度不小于50℃，以防止風的倒灌和便于窗扇的開關。

2．根據室外風向、風壓、空氣溫度自動調節窗的開關，保證排煙效果。

3．設置自動防雨裝置，在突然下雨時能自動關閉，防止雨水淋入中庭，影響正常工作。

4．窗扇應備有獨立的電源，防止火災時突然停電，同時又應具備在停電時保證窗扇的自動開啟和關閉。

5．窗扇為常閉型，只在受到溫度作用后，依據控制要求30s打開。

不可否認，自然排煙窗由于配置了較完善的自動控制，其價格昂貴，每一扇窗的自控裝置價格高，窗扇數越多、造價越

高，因此在選擇排煙窗時，應在滿足排煙面積前提上，盡量配合建筑，盡量放大排煙窗單扇面積，減少排煙窗數量，力求降低造價。

參考文獻

1中庭建筑煙霧控制設計手段，《英國》消防研究站；

2封閉購物中心中的煙霧控制設計準則，《英國》消防研究站；

3《交銀》煙氣流動計算機實體流體狀態模擬分析及設計說明，英之杰工程設備（現上?？凭S貿易有限公司）英國COLT國際集團；

4現代建筑排煙，天津：天津科學技術出版社；

5民用建筑防排煙技術規程，上海市工程建設規程；

6高層民用建筑設計防火規范，中華人民共和國國家標準。