1、问题的提出及分析
近些年来，在各类大、中型建筑设计中，消防系统成为不可或缺的重要组成部分，如何让这些消防系统在关键时刻能发挥作用，取决于系统设计的合理性和施工质量的可靠性。
排烟系统的水力计算不同于通风空调系统的水力计算，一是排烟口的开启随各防烟分区烟感信号动作，而通风空调系统的送、排风口是同时开启的；二是排烟风机的风量并不是系统内所有排烟量的叠加，是考虑了一个排烟系统负担多个防烟分区，系统庞大、漏风率高的因素，按最大防烟分区排烟量及漏风率确定的，而通风空调系统的总风量则是各送、排风口风量的总和。因此，应重视排烟系统的水力计算。
工程中对于消防排烟风机的选用，只是要求能在280 ℃的环境中连续工作30 min，对于风机类型并没有特殊要求，消防排烟风机通常选用耐高温的离心式或轴流式风机。不同类型风机的特性曲线有平滑型、驼峰型、马鞍型、陡降型，当风量变化时，管道阻力特性的变化会引起风机工作点的位移，如果不考虑风机类型及特性曲线，风机工作点可能会落在驼峰型、马鞍型曲线的不稳定工作区，发生风机喘振，导致风机损坏；或者使工作点在性能曲线上右移，导致电功率增高，有可能造成离心风机电动机过载损毁。由于不同防烟分区的排烟口在火警时是单独开启的，设计时风管为低压系统，但可能某一工况下，压头增高过多，风管系统转为中压甚至高压系统，而施工时如果没有考察中、高压系统风管密封措施，可能导致漏风率过高。选用具有什么特性曲线的风机，将直接影响到排烟系统是否能够正常运行。
2、排烟系统水力计算分析
设计排烟系统时，通常根据防火规范要求的防烟分区面积的上、下限来确定防烟分区，下限如大于50 m2的无窗房间、长度大于20 m的内走道，上限如一个防烟分区不宜大于500 m2的大空间区域。由一个排烟系统负担多个防烟分区是惯常的做法，受限于吊顶内净高，排烟量及排烟风管管径不能过大，工程师们通常会将防烟分区划分到合适的区间，使排烟量限制在一个容易布置管道系统的范围内。
现行防火规范以及图集对于排烟部位、排烟量的确定、排烟口的设置都有较为详细的叙述，但是关于排烟风管的水力计算并无明确做法，只规定了排烟管道、排烟口的风速限值。GB 50016—2006《建筑设计防火规范》规定，排烟风机风量应为最大防烟分区面积乘以120 m3/（m2·h）；DGJ 08-88—2006《建筑防排烟技术规程》规定，对于500 m2 以下的房间，排烟风机风量为最大防烟分区排烟量（面积乘以60 m3/（m2·h））加风管漏风量以及其他防烟分区排烟口及风阀的漏风量之和。本文排烟风机排烟量按照《建筑防排烟技术规程》的相关条文考虑。
排烟系统的漏风量主要来自风管、风口及风阀的缝隙，除了与缝隙的长度、气密性有关外，还与缝隙两侧的压差有关。GB 50738—2011《通风与空调工程施工规范》规定，低压系统的风管单位面积漏风量QL≤0.1056p0.65，排烟系统的漏风量QM按照中压系统考虑，QM≤0.0352p0.65，其中p为工作压力，确定漏风量的前提是要得到管道系统的工作压力。
排烟系统不同防烟分区排烟口单独开启的工况下，排烟风机排烟量与各防烟分区的排烟量没有直接关联，所以设计排烟管道系统时，应考虑在不同工况下，排烟风机的排烟量随管道阻力的变化而变化。
以图1排烟系统为例进行分析。该系统包含3个防烟分区，面积分别为200，100，50 m2，最大防烟分区排烟量为12 000 m3/h，最小防烟分区排烟量为3 000 m3/h，以风管最大流速20 m/s、排烟口最大流速10 m/s，计算该排烟系统管径及系统总阻力。每个分支风管设置280 ℃排烟阀及多叶对开风量调节阀，总风管设置280 ℃排烟阀。
图1 排烟系统示意图
图1a中排烟系统1将最大的防烟分区设置在最远端，当最远端或最近端排烟口开启时，排烟系统的水力计算结果见表1（局部阻力计算有少量简化）。表1中工况1-1为最远端防烟分区（200m2）排烟口开启，不考虑漏风量以及考虑漏风率10%；工况1-2为最近端防烟分区（50m2）排烟口开启，不考虑漏风量。由工况1-1风量为12 000 m3/h时的阻力pt，根据《通风与空调工程施工规范》计算，漏风量为4.72 m3/（m2·h）；根据风管表面积，允许漏风量为475 m3/h，在风机选型时可以忽略不计。在设计中，通常将排烟系统风量附加10%~20%，在上述案例中，漏风量为1200 m3/h，可以看出，2种计算方法结果差异很大。另外，当风速增加至17 m/s，风管全压几乎相差1倍，风机选型是完全不同的。
表1 工况1-1，1-2计算结果
根据工况1-1最不利环路参数（风量为13 200 m3/h，风压为414 Pa）选择了风机F1，使管路工作点A落在风机曲线稳定工作区的高效区。当工况变化为其他防烟分区排烟口单独开启时，管路的特性曲线会变化，但是由于风机已经选定，所以工况1-2的工作点设计参数（风量为3 000m3/h，风压为167Pa）是落不到风机特性曲线上的。那么当最小防烟分区排烟口开启时，工作点会落在风机曲线的何处应进行试算。在系统调试时，如果分别按照不同的防烟分区的设计排烟量进行调试，即分别开启风量为12 000，6000，3 000 m3/h的排烟口，调节手动风量调节阀，使排烟口风量接近设计风量，调试效果取决于风机性能曲线是否能符合管路的特性曲线，两组曲线是否有交点。
图1b中排烟系统2改变最大防烟分区的位置在最近端，最小防烟分区在最远端。分别计算设计工况排烟风管参数（局部阻力计算有少量简化）。计算结果见表2。表2中工况2-1为最近端防烟分区（200 m2）排烟口开启，不考虑漏风量；工况2-2为最远端防烟分区（50 m2）排烟口开启，不考虑漏风量。
表2 工况2-1，2-2计算结果
根据工况2-1计算最大防烟分区的风量、风道阻力（工作点A），选择风机，风机特性曲线见图2a；又根据工况2-2计算最远端防烟分区风量、风道阻力（工作点A’），选择风机，风机特性曲线见图2b，由图2风机性能曲线及管道工作点可见，按照最大防烟分区工况点A选择的风机基本能涵盖从3 000~12 000 m3/h各个工况点风量，按照最远端防烟分区工况点A’选择的风机则不能涵盖大部分工作点。
图2 工况2-1，2-2选型风机特性曲线
实际工程防烟分区的划分较为复杂，建议先以最大防烟分区的排烟量及位置为准计算排烟口至风机出口的风道总阻力，作为排烟风机选型参数，确定风机后再核算其他防烟分区工作点，当其他防烟分区工作点落在风机性能曲线外侧时，表明该防烟分区排烟量达不到设计要求，这时应增大风机选型参数中压头，重新选择风机，再行核算其他防烟分区工作点，直到所有工作点均落在所选风机性能曲线上或者曲线内侧。
3、排烟风机选型对排烟系统的影响
在上述案例中，不同工况下，防烟分区面积及排烟量从最小到最大增大了4倍，风机厂家给出的性能曲线通常只显示了稳定的工作区域，不同风机厂商的产品特性曲线有所不同。如某风机厂家给出的稳定工作区域的风量范围为：后弯叶式离心风机40%~85% ；前弯叶式离心风机30%~80% ；轴流式风机65%~95% 。显然上述风量范围不能满足案例要求，防烟分区面积比最大只能达到2.67。虽然不同品牌风机风量范围不同，但是对于一个排烟系统包含多个防烟分区的情况，各防烟分区面积、排烟量差异越小，越能保证各设计工况点落于风机稳定工作区。
仍以图1a排烟系统1为例，以最大防烟分区排烟量乘以1.1的漏风量系数作为总风量来进行排烟风机选型及系统水力计算，以工况1-1工作点A的参数（风量为13 200 m3/h，风压为414 Pa），根据风机厂家提供的消防专用风机分类，选择单向进风型消防风机F1及箱式风机F2，风机F1的性能曲线如图3a所示，接近马鞍型；F2的特性曲线接近驼峰型（见图3b）。由性能曲线查得，F1，F2左侧的工况点B的风量约为3 500 m3/h，B点左侧为不稳定工作区。
图3 工况1-1选用不同型号风机的特性曲线
当其他较小的防烟分区排烟口单独开启时，排烟口风量对应的排烟支风管总阻力显然是不符合风机特性曲线的，在这种情况下，要么通过调节对开风量调节阀开启角度改变支风管的局部阻力系数，增加压头，使风管总阻力符合风机性能曲线的工作点全压；要么不调节支风道阻力，通过试算，在风机性能曲线上寻找到符合计算结果的工作点，但是排烟支管风速可能超过限值，排烟量则不符合设计工况，风管系统有可能由低压系统变为中高压系统。表3，4分为选用风机F1，F2情况下，调试或不调试风管系统的计算结果。
表3 排烟系统水力计算结果（调试支风管风阀）
表4 排烟系统水力计算结果（不调试支风管风阀）
选用不同的风机会得到不同位置的管道工作点，在风机选型过程中，虽然能够保证最大防烟分区的工况稳定，但是当其他防烟分区排烟口单独开启时，特别是在防烟分区面积相差悬殊的情况下，有可能使风机运行到不稳定工作区，或者得不到适合的工作点，例如选择风机F2，当风量为10 000~11000 m3/h时，工作点落在风机特性曲线的驼峰区，这是不稳定工作区，有可能造成风机的喘振。按照最大防烟分区确定的选型参数选择的风机，如果工作点A落在所选风机特性曲线的左段，那么当其他较小防烟分区排烟口开启时，很难在风机稳定工作区找到适合的工作点，如选择轴流风机F4（见图3d），特性曲线为陡降型。当管道系统未按照中、高压系统施工，就有可能造成风管漏风量很大，使排烟系统失效。
风机特性曲线流量范围内的最大全压与工作点A点的全压比值越相近越易于调试，全压比不应相差过多，以不超过2倍为宜，否则会使支风管风量、风速、阻力增加过多，不符合设计工况要求。由工作点A选择风机F3，根据表4以及图3c，由风机特性曲线可以看出，风机F3的全压比约为3.5，当不进行风量调节时，有2个分支管道超速（>20 m/s），风量远远大于设计风量，而进行风阀调节的话，较小的排烟支管为中压管道（1500 Pa）。当所选风机全压比为5时，较小的排烟支管为高压管道（2 000 Pa），实际上在设计时选型参数（风量为13 200 m3/h，风压为414 Pa）为低压系统参数。
排烟系统管路设计随着建筑平面布局的不同而不同，排烟系统风速增加或降低，防烟分区面积的变化以及施工调试的不恰当，都有可能导致排烟系统中某个工况点不能落在风机稳定工作区域内。例如排烟房间的面积下限为50 m2，但是对于内走道，面积有可能小于50 m2，在上述案例中，就有可能在所选风机曲线上找不到合适的工作点。针对这种情况，降低排烟系统的风速，能使最不利工况点沿风机性能曲线向右移，增加风量范围；再比如，即使几个防烟分区面积相同，但各自距离较远，各排烟工况点变为排烟量相同而管道阻力不同，如果不事先进行设计计算调节各支风管阻力平衡，距离风机较近的排烟支管阻力降低，风量增大，那么在以最远防烟分区工况点选型风机特性曲线上，其工作点一定会落在最不利选型工作点的右侧，甚至也会落在稳定工作区域以外，这时电动机功率会增大，有可能导致离心风机电动机过载损毁。
在排烟系统各排烟口分支管道处设置定风量阀，能使不同工况下的排烟口风量符合设计工况，但是应考虑高温烟气环境下定风量阀的适用性。
另外，在进行排烟系统风管设计计算时，不同介质温度下，风管阻力明显不同，例如在上述计算中，200 m2防烟分区排烟口开启的工况下：如果按照常温（20 ℃）计算，管道阻力为414 Pa；按照100 ℃考虑，管道阻力降为272 Pa；温度升至200 ℃，管道阻力为215 Pa：差异显著。风机选型时，性能曲线也应考虑温度修正，但是由于当风量相等时，压力与密度呈线性变化，管道系统特性曲线以及风机性能曲线的变化都遵循此规律，所以温度变化对风机选型的结果应没有太大影响。
在实际工程设计中，每一个排烟系统都经过试算确定，工作量较大，如果能够根据计算选型过程编制计算选型软件，将会使排烟系统设计更为便捷及准确。
4、结论
1）同一排烟系统的防烟分区面积划分不要相差太大，应进行认真的管道系统计算、合理风机选型及施工调试；应根据最大防烟分区排烟量并考虑漏风量，计算最大且最远防烟分区排烟口至风机出口的排烟系统风管总阻力，作为排烟风机选型参数，确定风机后再核算其他防烟分区工作点是否均落于所选风机特性曲线上或者曲线内侧附近。
2）由同一组选型参数能选出数十台不同型号及性能曲线的风机，不一定都适用于排烟系统，排烟系统特殊的控制方式对排烟风机的性能曲线提出了特殊的要求，首先是风机风量的变化范围应较为宽泛，能够涵盖排烟系统不同工况下的管路工作点；其次是管路的特性曲线的变化应能符合风机的性能曲线，对于有多个防烟分区面积相差悬殊的排烟系统，选型参数工作点（最大防烟分区工作点）应尽可能落在风机特性曲线的右段，且风机特性曲线中最大全压与选型工作点全压的比值不宜超过2；最好根据管路的变化特点向设备厂商提出具体要求，由具备技术资质的风机厂家协助选型，以保证排烟系统及风机能稳定运行。
全文刊登于《暖通空调》杂志2017年第7期
作者：中国建筑科学研究院嵇 馨
