【HVAC】消防排烟系统设计及风机选型的问题分析

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。

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 m ² 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 m ² 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 m ³ / （ m ² · h ）； DGJ 08 - 88 — 2006 《建筑防排烟技术规程》规定，对于 500 m ² 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 m ³ / （ m ² · 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 Q _L ≤ 0.1056 p ^0.65 ，排烟系统的漏风量 Q _M 按照中压系统考虑， Q _M ≤ 0.0352 p ^0.65 ，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 m ² ，最大防烟分区排烟量为 12 000 m ³ /h ，最小防烟分区排烟量为 3 000 m ³ /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（ 200m ² ）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（ 50m ² ）排烟口开启，不考虑漏风量。由工况 1-1 风量为 12 000 m ³ /h 时的阻力 p _t ，根据《通风与空调工程施工规范》计算，漏风量为 4.72 m ³ / （ m ² · h ）；根据风管表面积，允许漏风量为 475 m ³ /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 m ³ /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 m ³ /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 3 000 m ³ /h ， 风压为 167 Pa ）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 m ³ /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 m ² ）排烟口开启，不考虑漏风量；工况 2-2 为最远端防烟分区（ 50 m ² ）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 m ³ /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。

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 m ³ /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 m ³ /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 m ³ /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