超高中庭排烟设计探讨
摘要 通过对超高层办公楼及中庭火灾时排烟量的计算和烟气流向分析，认为30m以上的超高中庭仍需要进行消防排烟处理，确定了中庭排烟方式及排烟所需面积，排烟窗位置和控制方法。
中庭排烟的主要任务：一是在火灾时能及时排除烟气，保证人员在较好的能见度下进行安全疏散，使消防人员获得更有效的安全工作环境，把人员，建筑物及设备的损失降到最低限度；二是及时排除办公层火灾时涌入中庭的烟气，防止烟气层化，减少非着火层工作人员对火灾的恐惧感，防止由于恐慌而造成不必要损失。结合上海交银金融大厦项目就中庭烟气来源于自身的裙房层和办公层这一观点进行阐述。
交银大厦地面以上一层至五层为裙房（主要为营业，计算机房，餐饮）；裙房以上为南北两幢办公塔楼（楼高分别是190m和230m）。南北办公楼中间由163m高中庭相连。办公楼和中庭的东西外墙均为玻璃幕墙，中庭的南北向与办公楼之间由玻璃幕墙隔开，（幕墙上设一扇可开启窗）根据消防规定中庭和办公楼均须作消防排烟处理。
一、办公层火灾时对中庭的影响
火灾发生时如何确保火灾区的人员在洁静的环境下有秩序地疏散到安全区，便成为消防排烟设计的主要课题。保证人员疏散所必需的安全高度的确定对排烟量有很大影响，控制此高度实际上就是控制烟气量。笔都根据规范和国外某些计算方法结合交银大厦项目进行了计算，通过比较寻求最佳的设计方案。
1．按防烟分区单位面积风量计算烟气量
《高规》8.4.2.2条指出"提供两个或两个以上的防烟分区排烟时，应按最大防烟分区面积，每平方米不小于120m3/h计
算。"按此标准，本排风系统排烟量为
L=Ｆ×q=600×120=72000m3/h
(办公层面积600m2)；相当于42次/时换气。这样大的风量，无论采用土建风道（最大风速小于15m/s）还是金属风道（最大风速小于20m/s）都将占用大块的办公面积。
2． 按换气次数计算烟气量
《技术规程》4.2.2.4指出"没有喷淋的大空间办公室按6次/时计算。但不应小于30000 m3/h。"实际计算烟量L=600×2.8×6=10080m3/h。
3． 按火情法计算烟气量
本项目计算采用《准则》《技术规程》现代建筑排烟所推荐的计算方法结合办公层的使用特点，设定了有关数据，经计算，烟气量为42500 m3/h，相当于25次/时换气。
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)
=11.76 m3/s=42344 m3/h
n=42344/(600×2.8)=25.2次/h
式中：M----烟气质量流量，kg/s；
P----火灾周长，m；
Y----烟层底高，m，办公层Y=2.5m，裙房Y=2.5m；
θ----烟气与周围环境的温差，℃；
Q----热量释放，MW（kW）；办公层Q=1.5MW；裙房Q=2.5MW
V----烟气体积流量 m3/s；
T0----环境温度T0=20℃（20+273=293K）
P0----环境空气密度kg/ m3, n=换气次数（次/h）。
上述计算说明，简单地用6次/时换气次数和120 m3/h的方法来确定消防排烟量，计算值差异太大，对该项目而言，是不恰当的。因为在烟气热量释放值确定后，排烟量主要取决于烟气上升到烟层底的高度，与楼面位置或空间是无关的。结合本项目特点，采用了计算方法2和计算方法3相结合的方式，确定了防排烟系统的设计。
从经济效果考虑，确定办公层机械排烟系统的排烟量按6次/时换气计算，这样，当办公层出现小型火灾时就能投入使用，既减少了占用办公面积的矛盾，又 能满足人员疏散要求，最大限度地减少火灾引起的经济损失。当办公层出现1～1.5MW热释放量时，仅用6次/时换气的排烟系统是无法排出全部烟气的，此时烟层会急剧下降，烟温将提高，甚至会出现烟雾淹没疏散通道的情形，给办公人员逃生带来极大困难。同时，如果烟温不断升高到600℃时，将会引起爆燃现象，这无疑又会扩大火势，后果不堪设想。但是由于喷淋装置的及投入（一般不会超过5min）及围护结构的吸热作用（约吸收1/3），使烟温又所降低。有资料介绍，当烟温比周围空气温度高100℃时，和此烟直接接触的6mm厚玻璃就会破碎。另外玻璃的特性决定了它在急剧加热时，再受喷淋水的喷洒后，也会发生爆裂破碎。这时烟雾将会以5～15kg/s的速度涌入中庭（经计算，烟层厚度约620mm）。办公层大量烟雾的涌出可保证办公层人员的及时疏散，但大量的烟气排放任务却转嫁给了中庭。
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----流动烟层厚度，m；
M----烟气质量流量，kg/s；
W----开口宽度，W=8.4m；
P----火灾周长，m,裙房P=12 m；
h----开口自地凸起的净高，m，h=2.4 m；
c----开口排放有效系数cd=0.65。
二、中庭烟气量计算
1．按换气次数法计算
《高规》的8.4.2.3指出："中庭体积大于17000m3时，其排烟量按体积的4次/h换气计算，但最小排烟量不应小于102000 m3/h，本中庭排烟量L=42000 m3×4次/h=168000 m3/h。"
2．按火情法计算
与中庭相连的裙房部分大部分作为营业厅使用，其热量释放值很难确定。本计算考虑了带喷淋的宾馆的公共区域的释放热量为Q=2.5mW计算，排烟量约52580 m3/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=52580 m3/h
上述计算仅仅是基于这样一个理念，即烟气形成后，可以在空间内形成一个稳定的储烟仓，并且烟层的底部离开发烟点不高于12m的范围，这是对人员疏散提出的基本条件。而目前的中庭排烟主要任务是在火灾发生时及时排除积存的烟气。这不仅可以防止火灾秧及另一幢办公楼（二楼间距12m），同时对稳定其他办公层工作人员的情绪起到了很大作用。另外，我们面对的是一个42000m3容积的超高中庭，超过了在前面所选用的公式和有关国内外消防排烟设计计算中所涵盖的范围。
诸如烟气在上升中由于周围冷空气渗入，出现烟气层化现象的计算高度；烟层平均限制在深度30m，是否会出现烟气层化现象；排烟窗如何配合等问题都有待于解决。为此，考虑了其中一部分计算，验证其过程，英之杰工程设备和英国COLT国际集团根据我们提供的有关数据采用CFD模型作了烟气流动计算和实体流体状态模型试验。试验设定火灾发生在14层、30层时，夏季室外温度35℃，冬季-4℃，中庭底部空气温度25℃，分别就冬季和夏季的模拟研究提供了试验结果和有关图示，并且做了专项说明，解决了设计院所不能解决的某些问题。模拟试验同时也证明了本设计对中庭排烟设计说明的可行性。故最后经与建筑协商，在7、12、19、25、32、38层设置排烟窗共72个。（见附图2）
裙房及塔楼中庭自然排烟平面图（附图一）
三、模拟研究结果
1．夏季火源在30层 排烟装置在接受火警信号30s后打开。随着火势的发展以及排烟装置的开启，堆积作用开始产生，使烟气保持在高于着火层 的上方，中庭的下部被补充空气冷却，在10min后通过排烟装置的流量分别为：
楼层 |
38 |
32 |
25 |
19 |
12 |
7 |
|
流量m3/s |
-31.7 |
-14.9 |
-12.2 |
+20.6 |
+20.6 |
+23.0 |
注意：正值代表送进，负值表示排除。
2． 夏季火源在14层 排烟装置在接受火警信号30s后打开。随着火势的发展以及排烟装置的开启，使烟气保持在高于着火层的上方，20min后中庭的气体构成基本稳定，通过排烟装置的流量分别为：
楼层 |
38 |
32 |
25 |
19 |
12 |
7 |
|
流动率（m3/s） |
-34.4 |
-26.4 |
-12.9 |
+11.2 |
+29.3 |
+31.1 |
注意：正值代表送进，负值表示排除。
3．冬季火源在30层 排烟装置在接受火警信号30s打开。随着火势的发展以及排烟装置的开启，堆积作用开始产生，使烟气保持在高于着火层的上方，中庭的下部被补充空气冷却，10min后通过排烟装置的流量分别为：
楼层 |
38 |
32 |
25 |
19 |
12 |
7 |
|
流动率（m3/s） |
-39.4 |
-18.0 |
-9.8 |
+18.1 |
+22.9 |
+23.4 |
注意：正值代表送进，负值表示排除。
4． 冬季火源在14层 排烟装置在接受火警信号30s后打开，使烟气保持在高于着火层的上方，在20min后中庭的气体构成基本稳定，通过排烟装置的流量分别为：
楼层 |
38 |
32 |
25 |
19 |
12 |
7 |
|
流动率（m3/s） |
-42.9 |
-33.1 |
-16.6 |
+15.9 |
+37.0 |
+37.1 |
注意：正值代表送进，负值表示排除。
由COLT排烟工程公司提供的方案被试验验证为完全有效并且能够产生合理的堆积效应，室外空气被有组织地引入，因而烟层能够一直维持在着火层的上方，而在上部被排烟系统排除。
四、中庭排烟窗在具体设计上的考虑
在设计中，同时考虑了平时自然通风对中庭空气温度梯度的影响，模拟试验图示表明，当中庭无通风时，中庭上部空气温度约达50℃。
为确保办公室50 m3新风量除了利用卫生间排风外，部分空调风将通过可开启窗进入中庭。这样既满足了新风进风量又利用空调风降低中庭内空气温度。平时利用自控排烟窗进行自然通风，降低中庭上部空气温度与办公层之间的温差，节省能源。
中庭排烟窗分别设置在东西玻璃墙的7、12、19、25、32、38层，人工开窗是不可能的，因此采用了自动控制并与大楼BA系统相联，并对排烟窗的自控提出了额外的要求。
1．排烟作必须上开，上开角度不小于50℃，以防止风的倒灌和便于窗扇的开关。
2．根据室外风向、风压、空气温度自动调节窗的开关，保证排烟效果。
3．设置自动防雨装置，在突然下雨时能自动关闭，防止雨水淋入中庭，影响正常工作。
4．窗扇应备有独立的电源，防止火灾时突然停电，同时又应具备在停电时保证窗扇的自动开启和关闭。
5．窗扇为常闭型，只在受到温度作用后，依据控制要求30s打开。
不可否认，自然排烟窗由于配置了较完善的自动控制，其价格昂贵，每一扇窗的自控装置价格高，窗扇数越多、造价越
高，因此在选择排烟窗时，应在满足排烟面积前提上，尽量配合建筑，尽量放大排烟窗单扇面积，减少排烟窗数量，力求降低造价。
参考文献
1 中庭建筑烟雾控制设计手段，《英国》消防研究站；
2 封闭购物中心中的烟雾控制设计准则，《英国》消防研究站；
3 《交银》烟气流动计算机实体流体状态模拟分析及设计说明，英之杰工程设备（现上海科维贸易有限公司）英国COLT国际集团；
4 现代建筑排烟，天津：天津科学技术出版社；
5 民用建筑防排烟技术规程，上海市工程建设规程；
6 高层民用建筑设计防火规范，中华人民共和国国家标准
