張 進(jìn)

（廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510060）

0 引言

民用建筑中機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)作為一種重要的防止煙氣進(jìn)入疏散樓梯間、前室等空間的方法，在消防系統(tǒng)中起著重要的作用。

《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 51251—2017》［1］第5.1.4 條對機(jī)械加壓系統(tǒng)提出了設(shè)置相應(yīng)風(fēng)壓調(diào)節(jié)措施的要求。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《〈建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)〉圖示》15K606 及《防排煙及暖通防火設(shè)計(jì)審查與安裝》20K607 中均對旁通管泄壓方式進(jìn)行了示意，但目前相關(guān)規(guī)范和圖集并未對旁通管泄壓方式的旁通管尺寸提供相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則［2-3］。

本文通過對泄壓閥全關(guān)和全開的2種工況的風(fēng)管水力計(jì)算以確定旁通泄壓管道的尺寸，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，目前的常規(guī)設(shè)計(jì)模式下旁通風(fēng)管的尺寸較大，實(shí)施難度較大且需要占用較大的空間，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出一種更為靈活的余壓控制方法以彌補(bǔ)該劣勢。

1 加壓送風(fēng)系統(tǒng)泄壓風(fēng)量計(jì)算

1.1 前室不送風(fēng)，封閉樓梯間、防煙樓梯間加壓送風(fēng)時(shí)的泄壓風(fēng)量計(jì)算

以一個(gè)設(shè)置了一扇2.0 m×1.6 m 的雙扇防火門的高層住宅防煙樓梯間為例，無外窗，樓層數(shù)為24層，單個(gè)電動(dòng)加壓送風(fēng)閥的尺寸為2 000 mm×400 mm，樓梯間高度為75 m。

按照風(fēng)速法和壓差法分別計(jì)算其加壓送風(fēng)量。

風(fēng)速法加壓送風(fēng)量［1］為：

根據(jù)文獻(xiàn)［1］第3.4.2 條表3.4.2-3 的計(jì)算風(fēng)量應(yīng)為45 800 m3/h，故最終計(jì)算加壓風(fēng)量應(yīng)為Lj=45 800 m3/h。

壓差法計(jì)算加壓送風(fēng)量［1］為：

疏散門的最大允許壓力差常規(guī)按下式［2］計(jì)算：

其中：P為疏散門的最大允許壓力差（Pa）；Am為門的面積（m2），本項(xiàng)目取1.6；dm為門的把手到門閂的距離（m），本項(xiàng)目取0.10 m；M為閉門器的開啟力矩（N·m），根據(jù)《防火門閉門器：GA 93—2004》的要求，單扇門的寬度為0.8 m，閉門器開啟力矩約為25 N·m；F′為門的總推力（N），一般取110 N；Fdc為門把手處克服閉門器所需的力（N）；Wm為單扇門的寬度（m），本項(xiàng)目取0.8 m。

代入數(shù)值得：

1.2 其他形式機(jī)械加壓系統(tǒng)的泄壓風(fēng)量

按照第1.1 節(jié)的設(shè)定，其他形式機(jī)械加壓系統(tǒng)的泄壓風(fēng)量［2］統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1 可知，風(fēng)速法和壓差法計(jì)算的加壓送風(fēng)量差距巨大，通過簡單的旁通管泄壓不能確定是否能夠滿足泄壓風(fēng)量的要求，須通過風(fēng)管水力計(jì)算確定［4］。

表1 其他形式機(jī)械加壓系統(tǒng)泄壓風(fēng)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Pressure Relief Air Volume of Other Forms of Mechanical Pressurization System

2 旁通泄壓管道的尺寸計(jì)算

本文僅對樓梯間機(jī)械加壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。防煙樓梯的相關(guān)參數(shù)同第1.1 節(jié)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算加壓送風(fēng)量為45 800 m3/h，考慮系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)1.20 后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)加壓送風(fēng)量為54 960 m3/h，以此進(jìn)行風(fēng)管水力計(jì)算，本機(jī)械加壓系統(tǒng)的系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 加壓系統(tǒng)（旁通泄壓管直接連接室外泄壓）Fig.1 Pressurization System（Bypass Pressure Relief Pipe Directly Connected to Outdoor Pressure Relief）

常規(guī)加壓送風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)管風(fēng)速取值為12～18 m/s，為保證樓梯間的門洞風(fēng)速工況下的加壓風(fēng)管水力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 保證樓梯間的門洞風(fēng)速工況下的水力計(jì)算Tab.2 Hydraulic Calculation under the Condition of Ensuring the Wind Speed of the Door Opening of the Staircase

相關(guān)典型局部阻力系數(shù)參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》［5］的內(nèi)容取值，其中進(jìn)風(fēng)防雨百葉取2.30，矩形風(fēng)管平行式多葉閥全開取0.52，天圓地方取0.69，起始端分流三通取0.03，末端分流三通取0.40，加壓送風(fēng)口取2.60。

為保證樓梯間的風(fēng)壓工況下，樓梯間最大加壓計(jì)算風(fēng)量為17 749 m3/h，考慮漏風(fēng)系數(shù)1.20 后，保證風(fēng)壓工況下主系統(tǒng)設(shè)計(jì)加壓風(fēng)量為21 298 m3/h 的加壓風(fēng)管水力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 保證樓梯間的風(fēng)壓工況下的水力計(jì)算Tab.3 Hydraulic Calculation under the Condition of Ensuring the Wind Pressure of the Staircase

由于樓梯間保持40～81 Pa的正壓，泄壓旁通管的管道阻力應(yīng)等于泄壓閥設(shè)置c點(diǎn)下游的管道阻力再加上樓梯間的正壓值（約為355～395 Pa），在泄壓閥全開的情況下，可通過水力計(jì)算軟件推算出在旁通管道尺寸為1 000 mm×1 500 mm 時(shí)，旁通管道的阻力可滿足要求，旁通管道的水力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4 可見，旁通管道尺寸須達(dá)到1 000 mm×1 500 mm 以上的尺寸方可滿足要求，該尺寸已經(jīng)為風(fēng)管尺寸1 000 mm×900 mm的截面面積的1.67倍以上。

表4 保證樓梯間的風(fēng)壓工況下的旁通管道水力計(jì)算Tab.4 Hydraulic Calculation of Bypass Pipeline under the Condition of Ensuring the Wind Pressure of Staircase

上述內(nèi)容僅為理論計(jì)算結(jié)果，但是由于機(jī)械加壓風(fēng)機(jī)的在選型計(jì)算時(shí)按照門洞風(fēng)速工況選型，故由于泄壓閥的開啟，造成加壓系統(tǒng)管道阻力曲線調(diào)整后，和某品牌風(fēng)機(jī)曲線相交如圖2?所示。

其中A 點(diǎn)為滿足風(fēng)速工況下的工況點(diǎn)（風(fēng)量55 100 CMH，風(fēng)壓約650 Pa），B 點(diǎn)為滿足風(fēng)壓工況下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)（風(fēng)量67 820 CMH，風(fēng)壓約381 Pa）。

由圖2?可知，風(fēng)管總風(fēng)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)風(fēng)量，增幅達(dá)到23%，進(jìn)入到樓梯間的風(fēng)量進(jìn)一步增加，并使得樓梯間余壓值仍然超過疏散門的最大允許壓力差81 Pa 要求，從而引起旁通管道及其風(fēng)閥的尺寸進(jìn)一步加大。經(jīng)過耦合計(jì)算，在風(fēng)機(jī)性能曲線確定的前提下，當(dāng)風(fēng)量在65 000 CMH，旁通管道的尺寸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整為1 000 mm×1 950 mm 的截面尺寸時(shí)，系統(tǒng)主管路風(fēng)壓為391 Pa，滿足風(fēng)壓工況要求。

由于樓梯間保持40～81 Pa的正壓，風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到431～472 Pa 時(shí)可滿足風(fēng)壓工況需求。結(jié)合風(fēng)機(jī)性能曲線以及風(fēng)管阻力計(jì)算的曲線調(diào)整，滿足風(fēng)壓工況時(shí)，管道阻力曲線與風(fēng)機(jī)曲線相交如圖2?所示。

圖2 加壓風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.2 Performance Curve of Pressurized Fan

其中A 點(diǎn)為滿足風(fēng)速工況下的工況點(diǎn)（風(fēng)量55 100 CMH，風(fēng)壓約650 Pa），C 點(diǎn)為滿足風(fēng)壓工況下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)（風(fēng)量65 000 CMH，風(fēng)壓約460 Pa），此時(shí)旁通管道尺寸為主風(fēng)管尺寸1 000 mm×900 mm 的截面面積的2.16 倍以上。同時(shí)由于市場上風(fēng)壓曲線特性各不相同，旁通管道尺寸無法在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確計(jì)算，可能造成后期消防驗(yàn)收、安全使用的隱患。

3 余壓控制系統(tǒng)建議

結(jié)合上一節(jié)的分析，在常規(guī)的設(shè)計(jì)方法下［6～7］，管道風(fēng)速設(shè)計(jì)值較高（12～18 m/s），旁通管道泄壓方法有如下缺點(diǎn)：①旁通管道尺寸較大，理論值大約至少為風(fēng)管尺寸的2.16 倍以上，給機(jī)房的管道布置造成極大困難；②由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線性能造成的管道風(fēng)量增加，造成防煙區(qū)域的余壓值調(diào)試難度極大［8］；

為了能夠保證防煙區(qū)域（樓梯間、前室）的余壓值快速達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)［9～10］，快速泄壓并減少送入防煙區(qū)域（樓梯間、前室）的送風(fēng)量，本文提出一種新型加壓系統(tǒng)余壓控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 一種新型加壓系統(tǒng)余壓控制系統(tǒng)Fig.3 Residual Pressure Control System of a New Pressurization System

其主要控制邏輯為：①風(fēng)機(jī)出口旁通風(fēng)管下游處的電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥B 以及泄壓口的比例積分調(diào)節(jié)閥A 根據(jù)測壓信號調(diào)整；②當(dāng)超壓時(shí)，調(diào)節(jié)閥A 調(diào)大開度，調(diào)節(jié)閥B 調(diào)小開度，直至防煙區(qū)域內(nèi)壓力低于設(shè)定壓力范圍上限；③當(dāng)樓梯間內(nèi)壓力低于設(shè)定壓力，調(diào)節(jié)閥B 開度調(diào)大至全開，調(diào)節(jié)閥A 調(diào)小開度至全關(guān)，直至防煙區(qū)域內(nèi)的壓力高于設(shè)定壓力范圍下限；增加比例積分調(diào)節(jié)閥后為滿足風(fēng)速要求的系統(tǒng)壓力計(jì)算原理同1.1節(jié)表2，在本節(jié)不再重新計(jì)算。為保證樓梯間的風(fēng)壓，在超壓工況下，電動(dòng)比例積分閥B開度減小，按照矩形風(fēng)管平行式多葉閥開度52°時(shí)，局部阻力系數(shù)約為13.00［2］，此工況下的加壓風(fēng)管主干管水力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 保證樓梯間的風(fēng)壓工況下的水力計(jì)算-增加電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥Tab.5 Hydraulic Calculation under the Condition of Ensuring the Wind Pressure of the Staircase - Adding Electric Proportional Integral Regulating Valve

由于樓梯間保持最大81 Pa 的正壓，考慮樓梯間余壓后，主風(fēng)管計(jì)算壓力約為734 Pa，與滿足風(fēng)速工況下的739 Pa 相近，消防加壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量均可滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)旁通風(fēng)管的水力計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 保證樓梯間的風(fēng)壓工況下的旁通管道水力計(jì)算Tab.6 Hydraulic Calculation of Bypass Pipeline under the Condition of Ensuring the Wind Pressure of Staircase

此時(shí)，旁通風(fēng)管的矩形風(fēng)管平行式多葉閥開度為0°，局部阻力系數(shù)約為0.52［2］。旁通管道的尺寸為1 000 mm×900 mm，約為主風(fēng)管尺寸（1 000 mm×900 mm）的1.0倍。

通過上述計(jì)算結(jié)果可見，通過增加加壓風(fēng)機(jī)出口旁通管下游處的電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥，不僅可以在風(fēng)速控制工況和風(fēng)壓控制工況下，保證加壓送風(fēng)系統(tǒng)的整體風(fēng)壓、風(fēng)量及加壓風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，而且還可以大大減小旁通管道的尺寸，節(jié)省施工安裝空間，安全性和經(jīng)濟(jì)性得到了大幅提高。

4 小結(jié)及建議

本文通過對常規(guī)余壓旁通泄壓系統(tǒng)的2種工況的風(fēng)管水力計(jì)算對比，并建議一種新的余壓控制方法的理論計(jì)算研究，得出以下結(jié)論：

⑴風(fēng)速法和壓差法計(jì)算的送風(fēng)量差距巨大，風(fēng)速法計(jì)算風(fēng)量是風(fēng)壓法計(jì)算風(fēng)量的10倍以上，最大計(jì)算泄壓風(fēng)量可達(dá)到44 163 m3/h；

⑵常規(guī)余壓控制系統(tǒng)的旁通管道尺寸較大，理論值大約至少為風(fēng)管尺寸的1.67 倍以上，而考慮風(fēng)機(jī)性能曲線變化后，旁通管道尺寸約為風(fēng)管尺寸的2.16倍以上，給機(jī)房的管道布置造成極大困難；

⑶由于風(fēng)管阻力特性曲線變化和風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線性能造成的管道風(fēng)量增加，造成防煙區(qū)域的余壓值調(diào)試難度極大，所以通過簡單的旁通管泄壓很難滿足泄壓風(fēng)量的要求；

⑷采用余壓控制系統(tǒng)，通過增加加壓風(fēng)機(jī)出口旁通管下游處的電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥，可以保證加壓送風(fēng)系統(tǒng)的整體風(fēng)壓、風(fēng)量及加壓風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)；

⑸由于旁通管、主風(fēng)管尺寸和風(fēng)速對風(fēng)壓控制有重要影響，建議在相關(guān)圖集修編時(shí)，對相關(guān)管道尺寸、風(fēng)速的設(shè)計(jì)提出更詳細(xì)的要求。