1.前言
目前我國尚沒有一套比較完善、科學(xué)的法規(guī)來管理排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)行的《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱《高規(guī)》)中有關(guān)排煙系統(tǒng)的規(guī)定較粗糙、不全面，僅提出指令性要求，無法滿足實(shí)際需要。因此深入開展高層建筑內(nèi)煙氣流動和煙氣控制研究，提出合理的排煙設(shè)計(jì)方案和切實(shí)可行的煙氣控制措施，是盡快完善我國現(xiàn)行的消防技術(shù)法規(guī)的當(dāng)務(wù)之急。
2.火災(zāi)煙氣
2.1煙氣的組成及其危害
燃燒學(xué)對煙的定義，是由燃燒或熱解作用產(chǎn)生的懸浮于大氣中可見的固體或液體微粒和高溫氣體。火災(zāi)煙氣由三類物質(zhì)組成：燃燒物質(zhì)釋放出的高溫蒸氣和有毒氣體;被分解和凝聚的未燃物質(zhì);被火焰加熱而帶入上升氣流中的大量空氣。煙是上述三類物質(zhì)充分混合而成的混合物，具有窒息性、毒害性、灼熱性、蔽光性、恐怖性等危害。火災(zāi)煙氣是阻礙疏散逃生、影響搶險救援、導(dǎo)致人員傷亡、造成經(jīng)濟(jì)損失的主要原因。
2.2煙氣流動蔓延規(guī)律
煙氣流動過程：火災(zāi)過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馍仙交鹧嫔戏叫纬蔁熡鹆鳎瑹熡鹆髟谏仙^程中不斷卷吸周圍的空氣，在浮力、膨脹力、對流和煙囪效應(yīng)的作用下上升到頂棚，在頂棚形成頂棚射流沿頂棚表面向四周水平擴(kuò)張(通常煙的水平擴(kuò)散速度為0.5～1.5m/s，垂直上升速度3～4m/s，而火災(zāi)狀態(tài)下，人的疏散速度僅為1m/s)。隨著溫度的升高，煙氣流動速度加快，與周圍空氣的混合作用減弱，當(dāng)火勢發(fā)展到一定程度，會形成一種熱風(fēng)壓即火風(fēng)壓，火風(fēng)壓的出現(xiàn)會改變原有空氣流動方向，產(chǎn)生逆流，從而加劇火勢蔓延。在高層建筑中，由于各種通風(fēng)系統(tǒng)造成的壓力差、高溫造成氣體密度差、煙囪效應(yīng)以及室外風(fēng)向、風(fēng)力、風(fēng)速的影響，其煙氣流動規(guī)律有許多不確定性和復(fù)雜性。
2.3煙氣控制方法
高層民用建筑中采用的煙氣控制方法一般有：抑煙法：安裝自動噴水滅火系統(tǒng)、噴灑化學(xué)消煙藥劑，從而減少煙氣產(chǎn)生;隔煙法：設(shè)置擋煙垂壁或防火卷簾，從而封閉產(chǎn)煙區(qū)域;阻煙法：設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)或空氣幕，阻止煙氣進(jìn)入相鄰空間;排煙法：設(shè)置排煙設(shè)施，置換、稀釋煙氣。其中排煙法是最有效的主動控?zé)煼绞健Ｄ壳埃ǔ２扇〉呐艧煼绞接袃煞N：一是自然排煙，二是機(jī)械排煙。
3.自然排煙的特點(diǎn)及存在問題
3.1自然排煙的特點(diǎn)
自然排煙由于結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)費(fèi)投入低，能兼顧采光，且維護(hù)方便等原因，是目前高層民用建筑排煙方式的主流(約占所有高層建筑的60%)。高層民用建筑內(nèi)采用自然排煙方式的形式主要有側(cè)拉窗(占93%)、平開窗(由于抗風(fēng)能力弱和安全性能差，僅占1%)、上翻窗(占6%)。
3.2自然排煙的存在問題
3.2.1開窗凈面積不足影響排煙效果。側(cè)拉窗可開啟凈面積占整窗面積百分比為45%;平開窗可開啟凈面積占整窗面積百分比為90%(但高層民用建筑內(nèi)極少采用);上翻窗可開啟凈面積占整窗面積百分比為30%。從建筑結(jié)構(gòu)和平面布局來說，高層民用建筑采用自然排煙方式符合現(xiàn)行規(guī)范的難度極大。就拿高層公共建筑合用前室來說，若選用側(cè)拉窗，則整窗面積應(yīng)達(dá)6.67㎡左右。目前，絕大部分設(shè)置自然排煙的高層建筑存在可開啟外窗凈面積不足的現(xiàn)象。雖然火災(zāi)中可打碎玻璃擴(kuò)大排煙面積，但實(shí)際案例中高空玻璃墜落傷人和無人輕易擊碎玻璃等原因，較難實(shí)現(xiàn)。
3.2.2自然排煙效果不穩(wěn)定。自然排煙窗受多種因素影響其排煙效果，如設(shè)置方位、高度、角度以及室外風(fēng)向、風(fēng)力等。如果在風(fēng)力的迎風(fēng)面，則無法起到排煙作用，反而是灌煙。而且在高空，風(fēng)向隨時而變，無法控制，只有設(shè)置不同朝向的可開啟排煙窗，才能確保排煙效果，但此種設(shè)置方式極難采用，僅能設(shè)置于陽臺或凹廊。
3.2.3自然排煙窗無法及時開啟。《高規(guī)》第8.2.4條規(guī)定：“排煙窗宜設(shè)置在上方，并應(yīng)有方便開啟的裝置”。高層建筑內(nèi)自然排煙窗靠人員手動開啟是不現(xiàn)實(shí)的，雖然可以設(shè)置傳動裝置，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動、遠(yuǎn)程手動、自動打開，但其傳動機(jī)構(gòu)、聯(lián)動裝置的造價極為高昂，而且對于廣泛采用的側(cè)拉窗而言，目前國內(nèi)尚無廠家生產(chǎn)，無法實(shí)現(xiàn)。因此高層民用建筑內(nèi)排煙窗均未設(shè)置傳動開啟裝置，甚至作為火災(zāi)排煙用的天窗、高位窗亦不設(shè)傳動開啟裝置。
4.機(jī)械排煙的特點(diǎn)及存在問題
4.1機(jī)械排煙的特點(diǎn)
機(jī)械排煙由于排煙效果好，可靈活布置，且不受室外環(huán)境的限制，具有較大的可靠性和穩(wěn)定性，在高層民用建筑中廣泛采用(占所有高層建筑的40%)。但其自身缺點(diǎn)是在火災(zāi)猛烈發(fā)展階段排煙效果可能大大降低。
4.2機(jī)械排煙的存在問題
4.2.1排煙量的計(jì)算具有盲目性和可變性。排煙量是設(shè)計(jì)排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。排煙量過小，將直接影響排煙效果，而排煙量過大，必然帶來新風(fēng)涌入，對火勢起到推波助瀾的作用，反使火勢蔓延速度加快，因此合理確定排煙量極其重要。《高規(guī)》8.4.2條關(guān)于排煙量的確定過于簡單，是按理想火災(zāi)確定，與實(shí)際有一定距離，而其它排煙量的計(jì)算公式很多(相關(guān)資料顯示約20余種，各公式均對應(yīng)于特定的研究背景，且影響排煙量計(jì)算的因素太復(fù)雜，談不上哪條公式最合理)，至今尚未統(tǒng)一。對同一條件的工程，因選擇不同的計(jì)算公式，則結(jié)果差別很大;即使選擇同一計(jì)算公式，若選擇不同的假設(shè)參數(shù)，結(jié)果差別仍很大。
4.2.2風(fēng)速的確定不具備科學(xué)性。《高規(guī)》第8.1.5條僅對不同材質(zhì)的管道提出風(fēng)速要求：“對金屬管道風(fēng)速不應(yīng)大于20m/s，非金屬管道風(fēng)速不應(yīng)大于15m/s，排煙口風(fēng)速不應(yīng)大于10m/s”，卻未提出最低風(fēng)速。在實(shí)際排煙效果中，排煙系統(tǒng)的風(fēng)速與煙管道橫截面、材質(zhì)和送風(fēng)口的大小直接相關(guān)，合理、正確地確定風(fēng)速是機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。排煙口的風(fēng)速不宜過大，否則會卷吸大量的空氣，降低排煙效果，但也不能過小，否則卷吸不到高溫?zé)煔庵写罅康母邷責(zé)熈?具備一定的質(zhì)量和體積)，不具備相應(yīng)風(fēng)速的排煙僅能起到排風(fēng)效果。
4.2.3排煙口的設(shè)置具有隨意性。《高規(guī)》8.4.4條和8.4.5條簡單地規(guī)定了排煙口的設(shè)置位置和保護(hù)距離，但對排煙口的有效面積、相互間距、設(shè)置數(shù)量等未作任何明確規(guī)定，以致設(shè)計(jì)人員隨意設(shè)置的排煙口存在較多問題，主要表現(xiàn)為：1.排煙口直接設(shè)置未經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)致有效開口面積過大或過小，直接影響排煙效果;2.排煙口設(shè)置數(shù)量過多，導(dǎo)致末端排煙口風(fēng)速偏低;3.排煙口相互間距過近，各排煙口抽吸的煙氣流相互干擾;4.排煙口相互間距過遠(yuǎn)，導(dǎo)致局部單個排煙口排煙量過大，抽吸周圍空氣而吸不到遠(yuǎn)處的煙氣;5.排煙口與疏散出口一致，影響疏散;6.中庭排煙口未按2至3層設(shè)排煙口或分段設(shè)置，無法有效排除煙氣層化現(xiàn)象。“層化”現(xiàn)象：由于建筑空間較高，熱煙氣在上升流動過程中遇冷，部分煙氣不再豎向上升，呈倒塔形而半途改變方向并停留在水平方向，并隨著溫度的下降再次下降。
4.2.4合用系統(tǒng)缺乏合理性。《高規(guī)》雖不提倡機(jī)械排煙系統(tǒng)與通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)合用，但亦未明令禁止，僅在8.4.10條規(guī)定“合用系統(tǒng)必須采取可靠的防火安全措施，并應(yīng)符合排煙系統(tǒng)要求”。在實(shí)際應(yīng)用中，由于需節(jié)約投資、利用空間等原因，機(jī)械排煙系統(tǒng)與通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)合用的現(xiàn)象普遍存在。但通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)的運(yùn)行原理差異，使合用系統(tǒng)完全符合排煙系統(tǒng)要求很難實(shí)現(xiàn)。主要表現(xiàn)為：1.空調(diào)系統(tǒng)多采用上送下回的運(yùn)行方式，而排煙系統(tǒng)卻采用上排的運(yùn)行方式;2.通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)口平時均為常開式風(fēng)口，而排煙口卻要求平時常閉，災(zāi)時常開式風(fēng)口不能及時關(guān)閉;3.合用系統(tǒng)中要求煙氣不能通過空調(diào)器、過濾器、加熱器等其它設(shè)備，這就需要增設(shè)大量的旁通管、自動切換閥、自控防火閥，從而增大了漏風(fēng)量和阻力;4.地下部分與地上部分共用排煙系統(tǒng)和中庭部分與周邊區(qū)域共用排煙系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)極為不合理，也缺乏理論依據(jù)，但《高規(guī)》中卻未禁止。
5.排煙系統(tǒng)問題的處理對策
現(xiàn)階段排煙系統(tǒng)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不完全，排煙技術(shù)的應(yīng)用存在著較多不盡人意的地方。在高層民用建筑排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)從以下幾方面解決實(shí)際問題：
5.1正確選用排煙方式
正確的排煙方式是高層民用建筑安全性能的重要保障。筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為排煙系統(tǒng)的選用要素為：自然排煙優(yōu)于機(jī)械排煙，空間排煙首選機(jī)械排煙，自然排煙避讓高層排煙。現(xiàn)將自然排煙、機(jī)械排煙的性能、特點(diǎn)、適用范圍等綜合列于表一中，作為《高規(guī)》非強(qiáng)制性要求排煙方式前提的選用參考依據(jù)。
5.2合理確定排煙數(shù)據(jù)
《高規(guī)》關(guān)于“排煙口風(fēng)速不宜大于10m/s”，“最小排煙量不應(yīng)小于7200m3/h”等的規(guī)定給人形成風(fēng)速愈小愈好，排煙量愈大愈好的誤導(dǎo)，這不但造成投資浪費(fèi)，而且還會造成火勢蔓延。設(shè)計(jì)人員因根據(jù)建筑物的特性、構(gòu)造、可燃荷載、環(huán)境等綜合因素合理確定排煙量、風(fēng)速等排煙系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)的范圍，此范圍的上限和下限，應(yīng)嚴(yán)格借鑒公安消防研究部門研究測試結(jié)果，嚴(yán)格校核漏風(fēng)量和風(fēng)力損失等，做到經(jīng)濟(jì)合理。
5.3精心設(shè)計(jì)排煙布置
5.3.1自然排煙。自然排煙的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮排煙窗的有效開口面積，注意設(shè)置不同朝向的可開啟排煙窗，對無法手動開啟的排煙窗應(yīng)設(shè)置機(jī)械傳動裝置。
5.3.2機(jī)械排煙。機(jī)械排煙的設(shè)計(jì)主要考慮三個方面。一是合理組織煙氣流動。火災(zāi)狀態(tài)下，機(jī)械送風(fēng)口(或新風(fēng)入口)的位置與機(jī)械排煙口的位置不宜過近，同時送風(fēng)的速度不宜過快，防止機(jī)械氣流與火災(zāi)煙氣流沖突，將火災(zāi)煙氣流擾亂、稀釋，確保火災(zāi)煙氣流與排煙方向保持一致。建議采用著火防煙分區(qū)機(jī)械排煙，相鄰防煙分區(qū)機(jī)械送風(fēng)的方式。二是嚴(yán)格布置排煙管道、排煙口。根據(jù)排煙量、排煙風(fēng)速、風(fēng)管材料、風(fēng)口型式、風(fēng)力損失等，認(rèn)真計(jì)算出各段煙道的截面積、排煙口的開口面積、排煙口的設(shè)置位置、數(shù)量等，達(dá)到既合理又滿足規(guī)范的要求。三是認(rèn)真設(shè)計(jì)火災(zāi)聯(lián)動控制。機(jī)械排煙系統(tǒng)與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)的作用效果均體現(xiàn)在火災(zāi)初期，是有機(jī)統(tǒng)一的整體。因此排煙系統(tǒng)的聯(lián)動控制極為重要，要滿足排煙口手動或自動打開，直接啟動排煙機(jī);排煙防火閥打開(關(guān)閉)，聯(lián)鎖啟動(關(guān)閉)排煙機(jī);火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(多線)控制和聯(lián)動(總線)控制排煙機(jī)等要求。
5.3.3合用系統(tǒng)。任何合用系統(tǒng)必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換措施，確保滿足平時、災(zāi)時的使用需要，同時設(shè)置必要的防火安全措施滿足排煙的要求。首先是轉(zhuǎn)換措施。合用系統(tǒng)需控制的風(fēng)口、閥門較多，控制程序相對復(fù)雜，一套系統(tǒng)、科學(xué)、完整的轉(zhuǎn)換控制程序是合用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)換的保障。其次是安全措施。合用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意風(fēng)機(jī)和風(fēng)管防火性能符合排煙的要求;排煙過程中，煙氣嚴(yán)禁進(jìn)入空調(diào)器、過濾器、加熱器等無關(guān)設(shè)備或管道;火災(zāi)狀態(tài)時，應(yīng)解決多余風(fēng)口自動關(guān)閉，相同防煙分區(qū)的排煙口同時打開等問題。第三是功能體現(xiàn)。合用系統(tǒng)的主要功能應(yīng)體現(xiàn)為災(zāi)時排煙。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理組織氣流分配，嚴(yán)格校核排煙量、風(fēng)速、漏風(fēng)量、風(fēng)力損失等，認(rèn)真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的配置、風(fēng)機(jī)選型，從而確保排煙效果。
6.結(jié)束語
在高層建筑中安裝行之有效的排煙設(shè)施是安全疏散、搶險救援的需要。當(dāng)前開展高層建筑火災(zāi)的試驗(yàn)研究，完善火災(zāi)煙氣流動模型，出臺專門的完整的排煙設(shè)計(jì)規(guī)范，解決防排煙設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題，是高層建筑日益發(fā)展的必然趨勢和現(xiàn)實(shí)需要。(作者單位：南通消防支隊(duì)啟東大隊(duì))
