摘要
摘要
排烟房间排烟和补风的质量流量相等，但温度不相等，且温度相差越大，排烟和补风的体积流量相差越大。目前工程实践中补风量普遍按照规范下限取排烟体积流量的50%进行设计，与排烟温度没有关系。根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》要求，高大空间（净高大于6 m）的烟层平均温度需要计算确定，并且可以通过改变储烟仓深度进行调整。通过计算可知，在不同组合工况下可以得到不同的排烟温度，此时补风占排烟体积流量的比例为45%~81%。
关键词
机械排烟系统；烟气平均温度；排烟量；补风量；热释放速率
作者
王伟良，张 昕，徐稳龙
（中国建筑设计研究院有限公司）
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根据空气流动的原理，设置机械排烟系统的场所必须要有补风才能排出烟气。在一个地下房间内，为排除某污染源散发的污染物，通常安装一套排风系统。由于没有相应的进风通道，致使房间负压过大，排风系统风量减小，这类情况实际上经常发生。因此，为保证排风或排烟系统的有效性，需对风量平衡进行校核。风量平衡时因进、排风空气温度不同，应采用质量流量表示，只有当温度相差不大时，进、排风的密度近似相等，才可以采用体积流量表示。美国国家消防协会NFPA出版的排烟设计指南中第4.6.2条明确指出，进行机械补风系统设计时，其质量流量（mass flow rate）不应大于机械排烟系统的质量流量，但并未给出补风与排风质量流量的定量关系。补风与排风质量流量的差值越大，房间的负压程度越高。一般房间的负压保持在5~10 Pa为宜，工程上为简化计算，通常规定补风按照排风质量流量的80%~90%确定。
GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》（以下简称《防排烟标准》）中第4.6.3条规定：对于空间净高大于6 m的场所，排烟系统设计时应根据火灾热释放速率分别计算烟羽流的质量流量和烟气温度，并结合烟气在不同温度下的密度，得到排烟系统的体积流量。而对于机械排烟的补风系统，却依然沿袭以往规范的做法，规定补风量不应小于排烟体积流量的50%。工程设计时，本着满足规范并尽量节省成本的原则，设计人员一般直接取下限（即50%）进行设计。这样就会存在如下问题：当烟气温度较低时，送、排风密度相差较小，导致补风与排风质量流量相差较大，房间负压程度过高，从而机械排烟系统的实际排烟量大打折扣；而当烟气温度较高时，可能导致房间负压不足，使得烟气外溢至非着火区。
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《防排烟标准》是我国第一部专门针对防排烟系统设计的国家标准，特别是排烟设计部分，不再简单沿用以往规范推荐的面积法或换气次数法，而是采用烟羽流法，为烟气平均温度及排烟量的计算提供了一套完整并且相对科学的计算方法，以轴对称型烟羽流为例，烟羽流质量流量 M ρ 用式（1）~（3）计算，烟气平均温度 T 用式（4）计算，排烟体积流量 V 用式（5）计算。
式（1）~（5）中 Q c 为热释放速率的对流部分，kW； Z 为燃料面到烟层底部的高度，m； Z 1 为火焰极限高度，m； Q 为火灾热释放速率，kW； T 0 为环境的热力学温度，取293.15 K； K 为烟气中对流放热量因子，当采用机械排烟时，取 K =1.0，当采用自然排烟时，取 K =0.5； c p 为空气的比定压热容，取1.01 kJ/(kg·K)； ρ 0 为环境温度下的空气密度，取1.2 kg/m 3 。
由式（1）~（5）可知，对于机械排烟，烟气平均温度及排烟的体积流量均与热释放速率 Q 及燃料面到烟层底部的高度 Z 相关， Z 又取决于储烟仓的设计方式，因此烟气的设计温度是可以通过调整储烟仓厚度进行改变的。关于这一点，《防排烟标准》第4.6.8条的条文解释进行了通俗的说明：清晰高度越高，即挡烟垂壁设置的深度越浅或其下沿离着火楼层地面高度越大，烟气行程越长，卷吸冷空气就越多，烟量也势必越大，但烟温反而越低。
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以火灾热释放速率 Q =1.5 MW（有喷淋的办公室、教室、客房、走道和有喷淋的汽车库）为例，储烟仓高度按规范取最小设计值（净高的10%且不小于500 mm），对不同房间净高下烟层平均温度、烟气质量流量、烟气体积流量、补风体积流量及补风占排烟体积流量的百分比进行计算。根据前面的介绍，补风占排风质量流量的百分比取85%，补风参数为温度20 ℃、密度1.2 kg/m 3 。计算结果如表1所示。
由表1可以看出，当烟气温度为上限280 ℃时，补风按排烟体积流量的45%进行选取就可以满足室内负压的要求，如果按照规范规定的最小值50%进行设计，室内的负压程度较低，有可能出现烟气外溢的风险。当烟气温度为33~35 ℃时，补风需占排烟体积流量的81%才能使得室内负压程度比较合理，如果还按50%进行设计，那么在门窗气密性日益改善的今天，尤其对于规范规定的需要设置补风系统的地下场所，补风不足的部分（约占排烟量的31%）很难进入房间，最终的结果是排烟风机的实际排烟量达不到设计要求的排烟量，从而导致烟气不能及时排出。
从表1还可以看出，当烟气温度为212 ℃时，满足室内负压要求的补风占排烟体积流量的百分比为51%，与规范规定的下限值50%较为接近。进一步计算可知，以往规范对补风占排烟体积流量的百分比的规定是基于烟气温度为196~254 ℃的假设进行的（按照补风占排烟质量流量的80%~90%进行核算），这与实际烟气的温度也较为吻合。以往规范没有给出排烟温度的计算方法，只能根据烟气温度的经验值计算得出体积流量百分比的大致范围（≥50%）供设计人员参考，现行的《防排烟标准》提供了高大空间烟气温度的计算方法，如果补风量仍然沿袭以往的规定并不科学。
《防排烟标准》不仅要求根据排烟温度计算排烟体积流量，还要求计算值与给定的排烟量表格值进行对比并取大值，而给定表格中的排烟量是根据最小储烟仓深度计算确定的，由前面的分析可知，最小储烟仓深度对应的排烟温度是最低的，此时按规范的下限取补风占排烟体积流量的50%，比较容易出现室内负压过大、排烟系统实际排烟量不足的情况。
通过表1不难发现，当补风占排烟质量流量的比例为85%时，不同的烟气温度下，补风占排烟体积流量的比例主要集中在50%~80%这个区间，因此建议补风取排烟体积流量的50%~80%，具体数值应根据烟气温度的计算结果确定；当然也可以参考国外的做法，在美国国家消防协会规定的基础上，给出补风占排烟质量流量的推荐比例（比如80%~90%）。
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1） 美国国家消防协会NFPA出版的排烟设计指南并没有规定补风占排烟体积流量的百分比，而是仅规定补风的质量流量不应大于排烟的质量流量，这一做法值得借鉴研究。
2） 经核算，以往建筑设计防火规范对补风占排烟体积流量的百分比不小于50%的规定，是基于烟气温度在196~254 ℃之间的假设给出的。
3） 《防排烟标准》发布后，高大空间（净高大于6 m）的烟层平均温度需要计算确定，并且可以通过改变储烟仓深度进行调整，此时建议补风取排烟体积流量的50%~80%，具体数值根据排烟温度的计算结果确定，或者在美国国家消防协会规定的基础上，给出补风占排烟质量流量的推荐比例（比如80%~90%）。
4） 《防排烟标准》发布后，个别地区出台的地方解释要求补风量按排烟体积流量的50%~100%进行设计，容易误导设计人员。排烟温度显然高于补风温度，如按体积流量的100%进行设计，则室内会出现正压，与负压排烟的基本原理相矛盾。
