某大型物流倉庫工程位于深圳市, 分三期建設, 一期為已建成的為A倉 (圖1中左上側) , 二期則是本次設計的B倉 (圖1中左下側) 。B倉由相鄰的B1和B2棟建筑組成, 總建筑面積為147716.71m2, 地上共3層, 總高22.70m, 屬于丙類倉庫。

圖1 某物流倉庫效果圖  下載原圖

本建筑屬于倉庫 (廠房) 建筑, 防排煙設計需按照《建筑設計防火規范》[1] (GB50016-2006) (以下簡稱《建規》) 進行。其中9.1.3條第2點規定:占地面積大于1000 m2的丙類倉庫應設置排煙設施。根據此要求, 本次設計的B倉需進行排煙。

該工程的一期A倉是在06年新版《建規》頒布前設計施工的, 之前的《建規》對丙類倉庫的防排煙沒有具體要求, 所以A倉在設計施工時并沒有設置防排煙設施。這是導致業主要求B倉在設計施工時不采用常規的機械排煙方式的主要原因, 另外還有一個也很重要原因是:如果B倉采用機械排煙方式, 將無形中增加建筑層高, 而機械排煙系統本身的造價較高, 綜上等等, 本項目決定采用自然排煙方式。

根據《建規》規定的防排煙設計要求, 綜合考慮業主的設計施工要求, 最終確定對本倉庫采用自然排煙的方式。自然排煙的設置需滿足《建規》中9.2.2條第4點:“其他場所, 自然排煙口的凈面積宜取該場所建筑面積的2%～5%”和9.2.4:“作為自然排煙的窗口宜設置在房間的外墻上方或屋頂上, 并應有方便開啟的裝置。自然排煙口距該防煙分區最遠點的水平距離不應超過30m?！?

針對以上自然排煙的設計要求, 對B倉的建筑布置進行了仔細分析。對于自然排煙口距防煙分區最遠點的水平距離不應超過30m的要求, 將倉庫內的每個防火分區分為兩個區域:

(1) 離外墻水平距離不超30m的區域, 如圖2、圖3中的A區域。

(2) 離外墻水平距離超過30m的區域, 如圖2、圖3中的B區域。

圖2 B1棟一層平面示意圖  下載原圖

圖3 B2棟一層平面示意圖  下載原圖

對于A區域, 可以在外墻開的高側窗實現滿足自然排煙要求;對于B區域, 離可開啟外窗的距離大于30m, 采用外窗自然排煙肯定是不可行的, 通過比較分析, 筆者認為在該區域設立自然排煙井直通屋頂排出是可行的, 相對于設在外墻上的外窗自然排煙口, 自然排煙井上開設的排煙口具有優勢, 因為對于同樣的開口面積, 自然排煙井存在煙囪效應, 其排煙口的內外壓差比外窗排煙時窗內外的壓差大, 這就會使采用自然排煙井的排煙效果好于外墻排煙窗 (下面的理論計算也證明了這一點) 。為順利實現自然排煙并且滿足規范設計要求, 首先, 必須確保自然排煙井上的開口面積滿足不低于所負擔排煙區域面積2%的要求, 另外所開設排煙口到B區域最遠距離不超過30m。具體布置位置見圖2中所示。

B棟倉庫是多層倉庫, 每層獨立的倉庫都存在離外墻水平距離超過30m的B區域, 對于1、2、3層的自然排煙井和排煙口設置有以下兩種方式:

(1) 1、2、3層的自然排煙口共接一個排煙井到屋頂, 為保證各層的防火分區相對防火獨立, 自然排煙口必須設置排煙閥, 必須配置消防聯動。

(2) 1、2、3層的自然排煙口分別通過相互獨立的排煙井到屋頂, 每層的自然排煙各自獨立, 互不影響, 也不需設置排煙閥, 自然排煙口采用普通百葉即可。

通過比較分析, 由于自然排煙口的面積必須不低于其負擔排煙區域面積的2%, 從而使自然排煙口的面積較大, 每個防火分區的自然排煙口面積都達到了8～16m2, 在如此大的風口上設置排煙閥有一定難度, 且設置消防聯動也存在一定的安全隱患, 并且增加了建設成本。最終決定采用第二種方式, 設置簡單, 各防火分區排煙獨立, 互不影響, 沒有消防聯動, 安全可靠。

以一層的某個自然排煙井作為計算模型, 簡化如圖4所示。

圖4 排煙豎井示意圖  下載原圖

自然排煙口負擔的排煙區域面積為S=550m2。

排煙井截面尺寸:a×b=2.2m×1.9m, 當量直徑。排煙井出風百葉底高H1=27m, 出風百葉面積S1=6.4m2;排煙井進風百葉底高H2=4m, 進風百葉面積S2=15.6m2, 則進口與出口高度差h=H1-H2=23m。

根據文獻[3]中的介紹:即使非常濃的煙氣, 與同溫同壓的空氣的密度相比, 差別也只有百分之幾, 可以近似地認為煙的密度與空氣的密度相同。在建筑物的防煙設計中, 煙氣流動的動力是建筑物內的氣壓差。與大氣壓相比, 氣壓差是很微小的。因此, 假設煙的密度不隨高度而變化, 而近似的將煙氣密度看做絕對溫度T的函數:ρ=353/T。對于本工程, 假設排煙時煙氣溫度280℃, 室內原始空氣溫度為20℃, 則空氣密度為ρ氣=353/293=1.204kg/m3, 煙氣密度為ρ煙=353/553=0.638kg/m3。

根據已知排煙井深度, 高度, 排煙進出口的面積以及空氣和煙氣的溫度, 密度等參數, 推算出排煙井在室內有煙氣產生時可達到的排煙量, 從而判斷排煙井能否達到預想的排煙效果。

根據流體的伯努利方程對排煙井的進出口流態可以列出以下計算式[3～5]:

排煙井頂部開口處壓差:

排煙井底部進口處壓差:

將式 (1) 、 (2) 、 (4) 代入 (3) 得:

進風口風量:

出風口風量:

進風口阻力損失:

出風口阻力損失:

式中:P1為1點靜壓, Pa;P2為2點靜壓, Pa;△P為1點和2點靜壓差, Pa;△P t為煙氣在煙井流動產生的阻力, Pa;L為煙氣流量, m3/h;F為風口凈面積, m2;ξ為局部阻力系數;K為當量絕對粗糙度, mm;△Pm為比摩阻, Pa/m;υ為流速, m/s;η為風口有效面積比。

查設計手冊[2]得出以下數據:普通單層百葉有效面積比η1=0.7, 防雨百葉有效面積比η2=0.5, 普通單層百葉局部阻力系數ξ1=1.4, 防雨百葉局部阻力系數ξ2=8。則F1=15.6×0.7=10.92m2, F2=6.4×0.5=3.6m2。

由式 (6) ～ (10) 代入數據得到:

分析式 (6) ～ (10) 要計算得到排煙井里的排煙量, 只需計算出△P1或△P2, 分析式 (11) 和 (5) , △P1和△Pt都是未知的, 對于此, 筆者采用試算法, 先假設煙氣在排煙井中的風速, 根據假設的風速算出△P t, 代入式 (5) 中得出△P1, 再根據△P1反算出煙氣在排煙井中的風速, 將此與先前假設的煙氣風速比較, 如果比假設風速低, 則調低假設風速重新試算, 如果比假設風速高, 則調高假設風速重新試算, 直到兩者基本相等。第一次試算先假設煙井里煙氣速度達到6m/s, 根據設計手冊[2]查得K=3.0mm, △Pm=0.5Pa/m, 其中局部阻力系數ξt=3.68, △P t=53.8pa, 將 (11) 代入 (5) 并代入數據得:△P1=1.38Pa, △P2=72.4Pa, υ1=1.76m/s, υ2=5.3m/s, L2=5.3×6.4×0.5=16.96 m3/s=61056 m3/h。

根據以上數據反算得出排煙井風υ0=16.96/ (2.2×1.9) =4.05m/s≤6m/s, 按照先前設定的試算原則, 調低排煙井的假設風速, 按相同的計算過程進行重新試算, 經過幾輪試算, 最終得出排煙井排煙風速為4.4m/s, 此時的排煙井排煙量為66211m3/h, 其排煙負擔區域每平米的自然排煙量可達到120m3/h, 《建規》中9.4.5條中規定機械排煙系統的最小排煙量為60 m3/ (h·m2) , 由此可以判斷采用本設計方案的自然排煙井可以取得與機械排煙相提并論的排煙效果。

自然排煙井的排煙效果完全取決于排煙井的煙囪效應, 排煙井高度越高, 煙囪效應就會越強, 排煙效果自然就會越好, 所以對于分布于1、2、3層的排煙井來說, 1、2、3層的自然排煙效果依次降低。采用上面的計算方法, 筆者對排煙效果相對最差的三樓自然排煙井也做了計算, 計算情況如下:

排煙井截面尺寸:a×b=2.9×1.4m, 當量直徑=1.88m, 排煙井出風百葉底高H1×27m, 出風百葉面積S1=3.84m2;排煙井進風百葉底高H2×19.7m, 進風百葉面積S2=10.24m2。此自然排煙口負擔的排煙區域面積為S=490m2。計算得出自然排煙井排煙風速為2.6m/s, 排煙風量為38001m3/h, 其排煙負擔每m2區域的排煙量為77.6 m3/h。

通過對以上的計算結果進行對比分析, 可得出如下結論:對于大型倉庫的防排煙系統, 采用合理的自然排煙方式不僅可以得到令人滿意的排煙效果, 還可以降低工程的建設成本, 減少消防聯動存在的安全隱患。今后在類似倉庫的防排煙設計中, 自然排煙作為一種安全可行的排煙方式, 暖通設計師應予以重視。