1.前言

    目前我国尚没有一套比较完善、科学的法规来管理排烟系统的设计。现行的《高层民用建筑设计防火规范》（以下简称《高规》）中有关排烟系统的规定较粗糙、不全面，仅提出指令性要求，无法满足实际需要。因此深入开展高层建筑内烟气流动和烟气控制研究，提出合理的排烟设计方案和切实可行的烟气控制措施，是尽快完善我国现行的消防技术法规的当务之急。

    2.火灾烟气

    2.1烟气的组成及其危害

    燃烧学对烟的定义，是由燃烧或热解作用产生的悬浮于大气中可见的固体或液体微粒和高温气体。火灾烟气由三类物质组成：燃烧物质释放出的高温蒸气和有毒气体；被分解和凝聚的未燃物质；被火焰加热而带入上升气流中的大量空气。烟是上述三类物质充分混合而成的混合物，具有窒息性、毒害性、灼热性、蔽光性、恐怖性等危害。火灾烟气是阻碍疏散逃生、影响抢险救援、导致人员伤亡、造成经济损失的主要原因。

    2.2烟气流动蔓延规律

    烟气流动过程：火灾过程中产生的高温烟气上升到火焰上方形成烟羽流，烟羽流在上升过程中不断卷吸周围的空气，在浮力、膨胀力、对流和烟囱效应的作用下上升到顶棚，在顶棚形成顶棚射流沿顶棚表面向四周水平扩张（通常烟的水平扩散速度为0.5～1.5m/s，垂直上升速度3～4m/s，而火灾状态下，人的疏散速度仅为1m/s）。随着温度的升高，烟气流动速度加快，与周围空气的混合作用减弱，当火势发展到一定程度，会形成一种热风压即火风压，火风压的出现会改变原有空气流动方向，产生逆流，从而加剧火势蔓延。在高层建筑中，由于各种通风系统造成的压力差、高温造成气体密度差、烟囱效应以及室外风向、风力、风速的影响，其烟气流动规律有许多不确定性和复杂性。

    2.3烟气控制方法

    高层民用建筑中采用的烟气控制方法一般有：抑烟法：安装自动喷水灭火系统、喷洒化学消烟药剂，从而减少烟气产生；隔烟法：设置挡烟垂壁或防火卷帘，从而封闭产烟区域；阻烟法：设置加压送风系统或空气幕，阻止烟气进入相邻空间；排烟法：设置排烟设施，置换、稀释烟气。其中排烟法是最有效的主动控烟方式。目前，通常采取的排烟方式有两种：一是自然排烟，二是机械排烟。

    3.自然排烟的特点及存在问题

    3.1自然排烟的特点

    自然排烟由于结构简单，经费投入低，能兼顾采光，且维护方便等原因，是目前高层民用建筑排烟方式的主流（约占所有高层建筑的60%）。高层民用建筑内采用自然排烟方式的形式主要有侧拉窗（占93%）、平开窗（由于抗风能力弱和安全性能差，仅占1%）、上翻窗（占6%）。

    3.2自然排烟的存在问题

    3.2.1开窗净面积不足影响排烟效果。侧拉窗可开启净面积占整窗面积百分比为45%；平开窗可开启净面积占整窗面积百分比为90%（但高层民用建筑内极少采用）；上翻窗可开启净面积占整窗面积百分比为30%。

从建筑结构和平面布局来说，高层民用建筑采用自然排烟方式符合现行规范的难度极大。就拿高层公共建筑合用前室来说，若选用侧拉窗，则整窗面积应达6.67㎡左右。目前，绝大部分设置自然排烟的高层建筑存在可开启外窗净面积不足的现象。虽然火灾中可打碎玻璃扩大排烟面积，但实际案例中高空玻璃坠落伤人和无人轻易击碎玻璃等原因，较难实现。
    3.2.2自然排烟效果不稳定。自然排烟窗受多种因素影响其排烟效果，如设置方位、高度、角度以及室外风向、风力等。如果在风力的迎风面，则无法起到排烟作用，反而是灌烟。而且在高空，风向随时而变，无法控制，只有设置不同朝向的可开启排烟窗，才能确保排烟效果，但此种设置方式极难采用，仅能设置于阳台或凹廊。

    3.2.3自然排烟窗无法及时开启。《高规》第8.2.4条规定：“排烟窗宜设置在上方，并应有方便开启的装置”。高层建筑内自然排烟窗靠人员手动开启是不现实的，虽然可以设置传动装置，实现联动、远程手动、自动打开，但其传动机构、联动装置的造价极为高昂，而且对于广泛采用的侧拉窗而言，目前国内尚无厂家生产，无法实现。因此高层民用建筑内排烟窗均未设置传动开启装置，甚至作为火灾排烟用的天窗、高位窗亦不设传动开启装置。

    4.机械排烟的特点及存在问题

    4.1机械排烟的特点

    机械排烟由于排烟效果好，可灵活布置，且不受室外环境的限制，具有较大的可靠性和稳定性，在高层民用建筑中广泛采用（占所有高层建筑的40%）。但其自身缺点是在火灾猛烈发展阶段排烟效果可能大大降低。

    4.2机械排烟的存在问题

    4.2.1排烟量的计算具有盲目性和可变性。排烟量是设计排烟系统的关键数据。排烟量过小，将直接影响排烟效果，而排烟量过大，必然带来新风涌入，对火势起到推波助澜的作用，反使火势蔓延速度加快，因此合理确定排烟量极其重要。《高规》8.4.2条关于排烟量的确定过于简单，是按理想火灾确定，与实际有一定距离，而其它排烟量的计算公式很多（相关资料显示约20余种，各公式均对应于特定的研究背景，且影响排烟量计算的因素太复杂，谈不上哪条公式最合理），至今尚未统一。对同一条件的工程，因选择不同的计算公式，则结果差别很大；即使选择同一计算公式，若选择不同的假设参数，结果差别仍很大。

    4.2.2风速的确定不具备科学性。《高规》第8.1.5条仅对不同材质的管道提出风速要求：“对金属管道风速不应大于20m/s，非金属管道风速不应大于15m/s，排烟口风速不应大于10m/s”，却未提出最低风速。在实际排烟效果中，排烟系统的风速与烟管道横截面、材质和送风口的大小直接相关，合理、正确地确定风速是机械排烟系统设计的前提。排烟口的风速不宜过大，否则会卷吸大量的空气，降低排烟效果，但也不能过小，否则卷吸不到高温烟气中大量的高温烟粒（具备一定的质量和体积），不具备相应风速的排烟仅能起到排风效果。

    4.2.3排烟口的设置具有随意性。《高规》8.4.4条和8.4.5条简单地规定了排烟口的设置位置和保护距离，但对排烟口的有效面积、相互间距、设置数量等未作任何明确规定，以致设计人员随意设置的排烟口存在较多问题，主要表现为：1.排烟口直接设置未经计算，导致有效开口面积过大或过小，直接影响排烟效果；
2.排烟口设置数量过多，导致末端排烟口风速偏低；3.排烟口相互间距过近，各排烟口抽吸的烟气流相互干扰；4.排烟口相互间距过远，导致局部单个排烟口排烟量过大，抽吸周围空气而吸不到远处的烟气；5.排烟口与疏散出口一致，影响疏散；6.中庭排烟口未按2至3层设排烟口或分段设置，无法有效排除烟气层化现象。“层化”现象：由于建筑空间较高，热烟气在上升流动过程中遇冷，部分烟气不再竖向上升，呈倒塔形而半途改变方向并停留在水平方向，并随着温度的下降再次下降。
    4.2.4合用系统缺乏合理性。《高规》虽不提倡机械排烟系统与通风、空调系统合用，但亦未明令禁止，仅在8.4.10条规定“合用系统必须采取可靠的防火安全措施，并应符合排烟系统要求”。在实际应用中，由于需节约投资、利用空间等原因，机械排烟系统与通风、空调系统合用的现象普遍存在。但通风、空调系统和排烟系统的运行原理差异，使合用系统完全符合排烟系统要求很难实现。主要表现为：1.空调系统多采用上送下回的运行方式，而排烟系统却采用上排的运行方式；2.通风、空调系统的风口平时均为常开式风口，而排烟口却要求平时常闭，灾时常开式风口不能及时关闭；3.合用系统中要求烟气不能通过空调器、过滤器、加热器等其它设备，这就需要增设大量的旁通管、自动切换阀、自控防火阀，从而增大了漏风量和阻力；4.地下部分与地上部分共用排烟系统和中庭部分与周边区域共用排烟系统，这种设计极为不合理，也缺乏理论依据，但《高规》中却未禁止。

    5.排烟系统问题的处理对策

    现阶段排烟系统国家规范标准不完全，排烟技术的应用存在着较多不尽人意的地方。在高层民用建筑排烟系统的设计过程中，应从以下几方面解决实际问题：

    5.1正确选用排烟方式

    正确的排烟方式是高层民用建筑安全性能的重要保障。笔者根据多年工作经验、相关技术标准，认为排烟系统的选用要素为：自然排烟优于机械排烟，空间排烟首选机械排烟，自然排烟避让高层排烟。现将自然排烟、机械排烟的性能、特点、适用范围等综合列于表一中，作为《高规》非强制性要求排烟方式前提的选用参考依据。

    5.2合理确定排烟数据

    《高规》关于“排烟口风速不宜大于10m/s”，“最小排烟量不应小于7200m3/h”等的规定给人形成风速愈小愈好，排烟量愈大愈好的误导，这不但造成投资浪费，而且还会造成火势蔓延。设计人员因根据建筑物的特性、构造、可燃荷载、环境等综合因素合理确定排烟量、风速等排烟系统基本数据的范围，此范围的上限和下限，应严格借鉴公安消防研究部门研究测试结果，严格校核漏风量和风力损失等，做到经济合理。

    5.3精心设计排烟布置

    5.3.1自然排烟。自然排烟的设计应充分考虑排烟窗的有效开口面积，注意设置不同朝向的可开启排烟窗，对无法手动开启的排烟窗应设置机械传动装置。

    5.3.2机械排烟。机械排烟的设计主要考虑三个方面。一是合理组织烟气流动。火灾状态下，机械送风口（或新风入口）的位置与机械排烟口的位置不宜过近，同时送风的速度不宜过快，防止机械气流与火灾烟气流冲突，将火灾烟气流扰乱、稀释，确保火灾烟气流与排烟方向保持一致。
建议采用着火防烟分区机械排烟，相邻防烟分区机械送风的方式。二是严格布置排烟管道、排烟口。根据排烟量、排烟风速、风管材料、风口型式、风力损失等，认真计算出各段烟道的截面积、排烟口的开口面积、排烟口的设置位置、数量等，达到既合理又满足规范的要求。三是认真设计火灾联动控制。机械排烟系统与火灾自动报警系统的作用效果均体现在火灾初期，是有机统一的整体。因此排烟系统的联动控制极为重要，要满足排烟口手动或自动打开，直接启动排烟机；排烟防火阀打开（关闭），联锁启动（关闭）排烟机；火灾自动报警系统远程手动（多线）控制和联动（总线）控制排烟机等要求。
    5.3.3合用系统。任何合用系统必须设置安全可靠的转换措施，确保满足平时、灾时的使用需要，同时设置必要的防火安全措施满足排烟的要求。首先是转换措施。合用系统需控制的风口、阀门较多，控制程序相对复杂，一套系统、科学、完整的转换控制程序是合用系统实现技术转换的保障。其次是安全措施。合用系统设计时应注意风机和风管防火性能符合排烟的要求；排烟过程中，烟气严禁进入空调器、过滤器、加热器等无关设备或管道；火灾状态时，应解决多余风口自动关闭，相同防烟分区的排烟口同时打开等问题。第三是功能体现。合用系统的主要功能应体现为灾时排烟。设计过程中应合理组织气流分配，严格校核排烟量、风速、漏风量、风力损失等，认真设计系统的配置、风机选型，从而确保排烟效果。

    6.结束语

    在高层建筑中安装行之有效的排烟设施是安全疏散、抢险救援的需要。当前开展高层建筑火灾的试验研究，完善火灾烟气流动模型，出台专门的完整的排烟设计规范，解决防排烟设计中的实际问题，是高层建筑日益发展的必然趋势和现实需要。（作者单位：南通消防支队启东大队）

    参考文献：

    1、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95

    2、《高大空间民用建筑防火排烟设计》建设部建筑设计院

    3、《民用建筑防排烟技术规程》上海市地方技术规程