技术案例丨Z值及防烟分区对高大空间排烟系统的影响分析

引言

GB 51251—2017建筑防烟排烟系统技术标准( 以下简称标准) 已于2018年8月1日实施。《标准》与原《建筑设计防火规范》( 以下简称建规) 中排烟系统设计的区别比较大。如排烟量的计算和防烟分区的划分。新的《标准》排烟量计算不再像原《建规》排烟量仅按最大防烟分区的面积来进行简单的数学乘法，而是与火灾热释放速率、烟羽流的类型有关；防烟分区最大允许面积根据净高分类由原来的2类改为4类。因此按新规设计的排烟系统与原《建规》差异非常大。本文以最近设计的奥体中心游泳馆和体育馆为例来阐述新规在上述两方面带来的差异，并对《标准》第4.2. 4 条注2提出建议。

01

Z值对排烟量的影响

笔者最近设计的奥体中心内有一个1,500座的游泳馆及一个4,500座的体育馆，均为多层建筑。游泳馆及体育馆内的比赛大厅空间防火分区面积均控制在5,000㎡内。游泳馆椭圆型屋顶最高点净高30m，最高处座椅高度为6.6m。体育馆椭圆型屋顶最高点净高30m，最高处座椅高度为14m。简易剖面图如图1，图2所示。

游泳馆和体育馆烟羽流类型均为轴对称型。根据《标准》第4.6.11.1条轴对称型烟羽流质量流量的计算式可以看出烟羽流质量流量Mρ值与Qc和Z值等因素有关，特别是Z值( 燃料面到烟层底部的高度) 对烟羽流质量流量的影响非常大。

从式(1) 可以看出，对于净高、火灾时的热释放速率一定，Mρ与Z成抛物线

的关系，详见图3。从图中可以看出Z值与Mρ呈指数增长，Z值越大，Mρ越大。即烟羽流质量流量越大，排烟量越大，储烟仓厚度越小。

从式(2) 可以看出，对于净高、火灾时的热释放速率一定，Mρ与Z成正比关系线

的关系，详见图3。从图中可以看出Z值与Mρ呈线型增长，Z值越大，Mρ也越大，但增长速度明显没有式(1) 增长的快。

假设游泳馆和体育馆均在0.000发生火灾，有喷淋，轴对称型烟羽流，火灾热释放速率Q=2.5MW。根据《标准》第4.6.11条~4. 6.13条及图1和图2分别计算出游泳馆和体育馆一个防烟分区的各项值，列入表1。

从上述计算及表1中可以看出：

对于面积、净高均相等的游泳馆和体育馆，由于Z值的不同，Mρ值相差1倍有余。而按原《建规》游泳馆和体育馆的排烟量均为300,000m/h。人数少的游泳馆排烟量减少了，人数多的体育馆基本持平。人员多的体育馆，因其Z值更大，导致所需的排烟量也更大。

02

防烟分区的划分对排烟系统的影响

如前所述，按原《建规》游泳馆和体育馆空间净高大于6m，可不划分防烟分区。每个馆的排烟量均为300,000m/h。每个馆可对称设置4个风机房，每个风机房内设置1台75,000m/h 排烟风机。失火时4台排烟风机同时启动排烟。

根据《标准》第4.2.4 条规定，对于空间净高大于6m 的空间，其最大允许的防烟分区面积为2,000㎡。《标准》特别注明当空间净高大于9m时，防烟分区之间可不设置挡烟设施。此注释“可不设置挡烟设施”目前有两种理解，前期宣贯的专家学者、审图机构及消防部门都没有一个明确的意见，而两种观点排烟系统的做法及所产生的结果相差甚大。

第一种观点认为当空间净高大于9m时，不划分防烟分区。类似于原《建规》中对于净高大于6m的空间不划分防烟分区，按一个防烟分区考虑，计算一个防烟分区的排烟量；第二种观点认为当空间净高大于9m时，按每个防烟分区面积不大于2,000㎡划分防烟分区，但是不设置物理挡烟垂壁。以下以体育馆为例来说明上述两种观点排烟系统的差别及其影响。

首选按第1种观点，即将整个比赛大厅按一个防烟分区考虑，不划分防烟分区，总设计计算排烟风量为321,192m/h。因此，在四个角共设4处风机房，每处风机房设1 台风机，每台排烟风机的风量为80,298m/h。为便于比较，排烟风机风量暂均不考虑附加系数。按防烟分区内任一点与最近的排烟口之间的水平距离不大于30m布置平面，详见图4。从图中可以看出，排烟风管均匀分布于4处风机房附近。每处排烟干管的最小管径为1,250mm，2个支管最小管径为900mm。此做法对于建筑空间效果来说是可以接受的。排烟系统的控制也是可以实现的。为便于比较，此方案暂且称为方案A。

如果按第2种观点划分为4个防烟分区，根据《标准》4.6.4.1条计算，排烟风机总设计计算排烟风量仍为321,192m/h。此种观点有多种设计方案，笔者选择其中2种边界方案进行比较。

方案B以减少风机数量，节约风机成本为出发点。为了使每个防烟分区内失火时都能利用风机房的4台排烟风机，需要设置环形风管。

如果设置1 根环形风管，最大直径为1.8 m；如果设置2根环形风管，最大直径为1.25 m；4根环形风管对应的最大直径0.9 m。

失火时，4台排烟风机开启，同时联动着火防烟分区的排烟口。

平面布置示意图如图5所示。此方案虽然减少了风机数量，降低了风机及配电投资，但是网架内排烟风管尺寸太大/管道太多，严重影响比赛大厅的空间观感。

方案C按排烟风管最小/最短为原则，每个防烟分区需要设置4台风量80,298m/h的排烟风机，共计16台，平面布置示意图如图6所示。失火时，开启着火防烟分区的4台排烟风机，同时联动着火防烟分区的排烟口。

此方案排烟风机台数、风机房面积、消防供电负荷均为方案B的4倍。但无论是方案B还是方案C，都面临一个无法避免的问题，即各防烟分区之间由于没有物理挡烟垂壁，失火时烟气会飘逸到相邻防烟分区，聚集在穹顶下方。

此时消防报警系统无法判别究竟该开启哪个防烟分区的排烟风机或者排烟口。

因此按观点二的理解将大空间划分多个防烟分区还是有诸多要解决的问题。方案B和方案C，要么风管过大/过多而影响建筑空间的美感，要么增加风机及配电投资，机房面积过大。并且，对于这种高大空间，电气专业设置的光束感烟火灾探测器及给排水专业的消防水炮均是按一个整体设置的。失火时，整个空间的消防设施同时动作，而不是仅仅动作某一个假想的防烟分区内的消防设施。无论方案B和方案C以及是否有物理挡烟垂壁，消防控制系统均不能精准判断哪个防烟分区失火，无法判断开启哪个防烟分区的排烟口或者排烟风机。因此，笔者以为对于这样的高大空间不应该划分防烟分区，应该按一个防烟分区来设置机械排烟系统。

03

结语

对于净高超过9m且Z>Z1的高大空间Z值对排烟量Mρ的影响非常大，呈指数增长。且如单个功能区域建筑面积超过2,000㎡，建议按一个防烟分区考虑排烟设施比较合理，可行且可靠。