哈尔滨市某高层建筑楼梯间加压安装试验

哈尔滨市某高层建筑楼梯间加压安装试验

高层建筑起火时，人员安全分散和救援一直是国内外的研究主题。火灾现场大量的调查资料表明,火灾中多数死亡人员是因火灾产生的烟气致死,因此,在建筑中应用可靠的技术,形成一条无烟的安全通道是人们所致力的研究方向。目前,越来越多国家的防火规范,如美国、英国、法国、比利时和澳大利亚新南威尔士的法规,以及我国的《高层民用建筑设计防火规范》GB5004595(以下简称《高规》)都规定在疏散楼梯间和消防电梯前室中设置机械加压送风的防烟设施。世界各国每年都投入巨资用于高层建筑防排烟设施的建造与维护,我国每年用于高层建筑防排烟设施的投资数以亿计,但是如此巨大的投入能否保证火灾时防排烟设施有效、可靠地运行,仍是个未知数。人们对于加压送风系统设计数据的可靠性,加压送风系统的实际运行效果,防排烟系统设计、运行和管理中存在的问题以及它们所产生的后果,心中无数。为了了解上述问题,对位于哈尔滨市中心的一座高层建筑进行了试验测定。试验所提供的大量数据,让我们真实地了解了目前国内在高层建筑防排烟系统设计、施工、验收、产品质量等方面存在的一些问题。试验结果表明,并不是在高层建筑中设置了防排烟设施就一定能起到保证人员安全疏散的作用,不合理的设计可能会给安全带来严重隐患,超过需求的加压送风量,甚至可能对人员的安全逃生起阻碍作用。1本建筑标准层的设计试验建筑是一座集四星级酒店和写字楼为一体的综合性建筑,地上32层,地下3层,建筑面积43000m2,建筑1～6层为裙房,7～14层为宾馆客房,15～30层为商务写字间,31,32层为设备机房。图1为该建筑标准层平面示意图。由图1可以看出,建筑内筒设两个防烟楼梯间,1#楼梯间连接独立前室,2#楼梯间与消防电梯合用前室,两个前室的面积均为9m2左右,楼梯间与前室的防火门尺寸均为1m×2m。建筑内设1#楼梯间、1#前室、2#楼梯间和2#合用前室4个独立的机械加压送风系统,走廊设机械排烟系统。各加压系统的设计送风量分别为:1#,2#楼梯间均为44050m3/h,1#前室和2#合用前室均为36700m3/h,走廊排烟风量为34560m3/h。各系统的设计风机全压均在1860～2300Pa之间。加压送风口均采用常闭式百叶风口,楼梯间每3层设1个,前室每层设1个。2测量模表的编制测试内容包括加压送风机风量、排烟风机风量、送风口风速、楼梯间及前室正压值、防火门开启时的门洞风速、系统的阻力损失、室内外空气温度等参数。压力测量仪表采用皮托管和斜管微压计,微压计选用测量范围为10～700Pa和0～1000Pa的斜管微压计,用于测定楼梯间与前室、前室与走廊之间的压差值及风机的风量与全压;采用测量范围为0.05～30m/s的热球风速仪测量门洞风速和加压送风口风速。在风机出口的水平直风管上,选择气流较稳定的断面测定系统风量、全压。测定风量、全压、门洞风速和加压送风口风速等参数时,均在测定断面上划分若干个等面积方块,进行多点测定,然后取各点的平均值作为测定值。3试验设计及试验方案本次试验的目的:一方面,了解并发现目前国内在防排烟系统设计及运行中存在的问题;另一方面,研究楼梯间与前室的正压值、门洞风速等参数与系统的加压送风量之间的关系。为改进加压送风系统设计,并为今后《高规》的修订提供依据。在试验前了解到,本建筑防排烟设施基本齐全,排烟与加压竖井施工质量良好,未发现明显漏风情况,该建筑高度为100m左右,介于高层与超高层之间,是一座可以进行防排烟试验和测定的较典型建筑,在国内外文献中尚未见到类似这种建筑防排烟系统试验的详细报道。调查中还了解到1#楼梯间和1#前室的加压系统同时运行时,楼梯间与前室的正压值过大,以致防火门难以开启,因此正式试验时,1#前室加压系统不再运行。根据上述试验目的,设计了本次试验方案,包括以下内容:a)不调节风量,分别测定1#楼梯间、1#前室、2#楼梯间、2#合用前室的正压值,以便了解原设计系统运行时的实际送风量以及楼梯间和前室的正压状况。b)调节风量,使楼梯间与前室正压值达到或接近《高规》规定的数值,分别对1#楼梯间、前室和2#楼梯间、合用前室进行如下测定:防火门全部关闭时的正压值;各种不同开门工况下的门洞风速。试验测定反复进行了多次,试验期间室外气温范围为18.5～22.7℃,室内温度范围为21.9～25.4℃,因此可以认为本次试验是在无热压影响下进行的。4试验结果及分析，楼梯中心和前室的正压值4.1不调整送风性能测试4.1.1楼梯间和前室的正压值对比1#楼梯间连接独立前室。原设计1#楼梯间与1#前室均设有独立的加压送风系统,由于两个系统同时运行时正压值过大,因此试验时,只开1#楼梯间加压系统。不调节风量,在加压送风量为46240m3/h(即设计状态下的系统的实际运行风量)、各层防火门全关闭的情况下,测定15,16,17三个楼层楼梯间与前室的正压值。测定得到楼梯间与前室之间平均压差为185Pa,前室与走廊平均压差为125Pa。若假设走廊正压值为0,在1#前室加压送风系统不运行的情况下,楼梯间的正压值仍高达300Pa以上,前室的正压值达100Pa以上,这说明本楼设计的加压送风系统的风量明显偏大,由于正压值过大,单靠一个人的力量很难推开前室和楼梯间的防火门。试验结果还表明,通过对楼梯间加压送风间接加压前室是可行的。4.1.2现有的集输系统不完善,增加了集供性测定时,先运行2#楼梯间的加压送风系统,不调节风量,实测楼梯间送风量为41340m3/h,在各层防火门全关闭时,测得部分楼层楼梯间的平均正压值为75Pa,合用前室的平均正压值为18Pa(假定走廊正压值为0)。与1#楼梯间测定结果比较,2#楼梯间与合用前室的正压值都大大降低,其主要原因,一方面是合用前室加压送风系统未运行,合用前室中的送风口有明显的泄漏;另一方面,测定过程中,2#楼梯间与合用前室中人员出入较频繁,且消防电梯作为后勤人员工作电梯经常运行,致使门关闭不严,风量流失较严重。同时还可看出,只要楼梯间加压送风量足够,合用前室不送风也可满足其正压要求。当同时打开2#楼梯间与合用前室加压送风系统时,前室的正压值立即升高。在楼梯间与合用前室的送风量分别为43340m3/h和34110m3/h、各层防火门关闭的情况下,开启15,16,17三个楼层的合用前室送风口,测得这3个楼层的正压值见表1,其中楼梯间与合用前室之间的压差为负值,说明由于合用前室的加压送风量过大,使得合用前室的正压值超过楼梯间,部分气流从合用前室倒流入楼梯间。若假设走廊正压值为0,则楼梯间和合用前室的平均正压值分别为223Pa和254Pa,均远远大于《高规》规定的正压值。试验中发现,由于合用前室正压值过大,致使消防电梯门无法关闭,消防电梯不能正常运行,同时,走廊通向合用前室的门靠单人的力量无法开启。4.2调整通风条件试验4.2.1未调节风力时的层楼梯间和前室正压值在1#前室加压送风系统不运行的情况下,调节1#楼梯间加压送风量,当风量调至32720m3/h时,测得25,28,29层等部分楼层楼梯间、前室的平均正压值分别为161Pa与62Pa。继续调节风量,当风量为28450m3/h时,测得部分楼层的正压值如表2所示。可以看出,若以走廊的正压值为0计,则楼梯间与前室的平均正压值分别为54Pa和25Pa,基本达到《高规》要求的数值,而此时加压风量只有未调节时的60%左右。表中显示各楼层的正压值有明显的波动,其原因是由于现场测定过程中常有人出入,有的楼层门关闭不严所致。4.2.2楼梯间和联用前室的加压风力分别将2#楼梯间与合用前室风量调至23020m3/h和11790m3/h,开启15,16,17三个楼层合用前室的送风口,在各楼层门关闭的情况下,测定部分楼层的正压值,如表3所示。可以看出,楼梯间与合用前室正压值都大于《高规》规定值,说明楼梯间和合用前室的加压风量还有向下调节的余地。此外,除了送风口开启的各楼层的合用前室正压值较大外,其他楼层合用前室正压值也偏大,这是由于其他楼层的送风口关闭不严所致。5开启不同层门时的门风速机械加压送风的作用,除了要使楼梯间和前室保持一定的正压值外,还要保证当火灾楼层防火门开启时,门洞处达到一定的风速,以防止烟气侵入前室和楼梯间。《高规》条文说明中推荐门洞断面风速v=0.7～1.2m/s。试验中,对1#楼梯间和2#楼梯间进行了楼梯间门与前室门开启时的门洞风速测定。试验表明,仅开启1层楼梯间门和前室门时,门洞风速一般接近或超过2.0m/s,同时开启2层和3层门时,门洞风速减小。对于同时开启3层门情况,做了几种不同开门工况试验,表4为1#楼梯间在建筑上、中、下不同部位,同时开启连续的3层门试验时的门洞风速测定结果。表4中的数值明显表现出中间大、两头小的特征,表明同时开启建筑中部的连续3层门时,门洞风速最大,平均风速达1.0m/s;开启建筑底部或顶部3层门时,门洞风速明显减小。其原因主要是中间楼层开门时,气流可以同时从上、下得到补充,而建筑上部和下部楼层开门时,气流只能从一个方向补充。同时还应说明的是,由于测定过程中,有的楼层门关闭不严,加上建筑首层和顶层的防火门分别朝大厅和屋顶方向开启,在楼梯间和前室的正压作用下,首层和顶层防火门关不上,造成较大的气流泄漏,这不仅对建筑上、下楼层门洞风速影响较大,而且对全楼都有影响,如果没有上述因素影响,门洞风速还可提高。6在加压送风系统中分析的一些问题6.1开启门时的门风速《高规》8.3.2条规定:“高层建筑防烟楼梯间及其前室、合用前室和消防电梯间前室的机械加压送风量应由计算确定,或按表8.3.2-1至表8.3.2-4的规定确定。当计算值和本表不一致时,应按两者中较大值确定。”笔者参照《高规》条文说明中推荐的基本计算公式,即分别按保持疏散通道需要一定正压值和开启着火层防火门时门洞风速要求,计算加压送风量,计算公式如下:L1=0.827AΔp1m×1.25×3600(1)L2=Fvn×3600(2)L1=0.827AΔp1m×1.25×3600(1)L2=Fvn×3600(2)式(1)中L1为加压送风量,m3/h;A为总有效漏风面积,m2;Δp为压差,Pa;m为指数,取m=2。式(2)中L2为加压送风量,m3/h;F为开启门的断面积,m2;v为门开启时的门洞风速,m/s;n为同时开启门的数量。将计算结果与《高规》推荐风量及试验测得风量对照列于表5。表中“按门洞风速”一栏计算中,1#,2#楼梯间的门洞风速取0.7m/s;单独开启合用前室的门洞风速,《高规》条文说明中未作解释,笔者参照英国、法国的法规规定及《供暖通风设计手册》中的推荐值,取0.5m/s;同时开门数量取3。门缝宽度取2mm,消防电梯门缝宽度取4mm。“《高规》表值风量”系按《高规》表8.3.2中的数值乘以0.75。由表5可见:a)本建筑原设计的各加压系统的实测风量都大大高于《高规》规定值。其中,1#楼梯间系统(在1#前室加压系统不运行的情况下)约高出50%,2#楼梯间系统与2#合用前室系统则分别高出一倍以上。由于设计风量过大,而且楼梯间与前室都没有采取泄压措施,导致楼梯间与前室门靠单人力量无法打开,消防电梯门不能关闭,电梯无法正常运行,一旦发生火灾,人员将难以逃生,其后果不堪设想。可见,加压送风系统如果设计不当,将会造成严重的安全隐患。b)1#楼梯间的试验结果表明,当楼梯间加压送风量调节为28450m3/h时,楼梯间与前室的正压值(见表2),以及同时开启3层门时的门洞风速值(见表4)已能满足《高规》的要求,试验风量与《高规》推荐的表值风量接近,但大于计算风量值。c)表5中,调节风量后,2#合用前室的加压送风量测定值为11790m3/h。由于大多数前室的加压送风口均关闭不严,存在严重的漏风情况,因此该测定值并不表示所开启的3层合用前室送风口的总风量。为此又对合用前室送风口的风量进行了测定,实测开启3层合用前室送风口的平均送风量约为600m3/h(由于送风口风速只有0.3～0.4m/s,从风口到测点风速有衰减,实际送风量应大于此值)。表面上,这一数值小于表5中按25Pa正压值计算的合用前室送风量(810m3/h),但如果加上从楼梯间加压送风系统进入前室的风量290m3/h(按25Pa计算),其数值大于理论计算值。此时,测定的合用前室的正压值高于25Pa(见表3)。如果以合用前室每层加压送风量为810m3/h计,其换气次数为30h-1;而以《高规》表值上限值计算合用前室送风量,则换气次数为204h-1。说明《高规》规定的合用前室的送风量明显偏大。6.2实测结果和讨论本建筑原设计的加压送风系统所选择的通风机的全压值均在2kPa左右,为了了解加压送风系统真实的阻力损失,试验中对其进行了测定。由于风机进出口处没有安装直管段,如果直接在风机进出口测定全压值,误差势必很大,因此,采用以下方法测定:在通风机出口后向上抬起的直管上选择气流稳定的断面,测定该断面的全压值,此值即为该断面以后风管系统(包括楼梯间与前室的正压值)的阻力损失;对于该断面之前的风管阻力损失,则根据实测的系统风量,通过计算获得。该建筑各系统风机进出口段的风管阻力构件比较简单,在系统总阻力中所占的比重不大,因此,通过此法确定的系统阻力损失应比在风机进出口直接测定更为准确。1#楼梯间和2#合用前室系统原设计风量、风压与试验测定结果列于表6。实测与计算结果表明,本建筑原设计的加压送风系统所选择的通风机的风量、风压均远远超过需要的数值,表明设计者未对风管系统做详细的水力计算。表6中“未调节风量测定值”一栏反映了原设计系统的实际运行效果。从中可以看出,设计所选用的通风机的风量和风压都未达到产品的性能值,其中尤以2#合用前室系统的风机问题更大,实测的阻力损失只有风机给定全压值的1/3左右,根据风机的特性,实测的风量本应大大高于设计风量,可是实测风量反而更小了,说明风机产品质量存在较大问题。图2,3表示了设计选用的T472No.10c风机的特性曲线、系统管路特性曲线、原设计系统的水力工况状态点O、风机应达到的工作点P,以及实测的未调节风量时和调节风量后的系统实际工作点M和N。从图中可以看出,两个系统实际运行达不到预定的性能值,其中2#合用前室加压系统相差更大。图中所显示的调节风量后的工作点才是该系统设计应选择的工作点,如果按此选择通风机,其转速和电机功率都将大大降低,对于1#楼梯间加压系统,将分别从原设计的1300r/min和37kW降为830r/min和11kW;对于2#合用前室加压系统,其转速和功率将分别从1170r/min和30kW降为630r/min和1.5kW,只需选择T472No.8c风机即可。以上重新选择的风机性能参数均已包含了选择风机时,其风量、风压应考虑的安全系数。表6中显示,2#合用前室系统的阻力损失较1#楼梯间系统小得多,其原因除前者风量小于后者外,更重要的是两个系统设计的加压竖井尺寸相差很多,前者竖井断面积为1.28m2(1.6m×0.8m),后者则不到前者的一半,只有0.6m2(1.0m×0.6m),说明原系统竖井设计不合理。以上分析是根据所测定建筑加压送风系统的具体情况作出的,目的是剖析目前防排烟系统设计中存在的问题。每个工程设计都应根据该工程的实际情况进行详细计算。6.3多方现有系统不作修改试验表明,按《高规》规定的加压送风量对合用前室进行加压,在只开启3层合用前室风口的情况下,必然使合用前室的正压值过大,如果合用前室内未设泄压装置,一旦发生火灾,就会给人员逃生和救援工作带来困难,因此笔者认为,采用开启3层合用前室风口的方式是不足取的。如果在合用前室设置常开加压风口,火灾时对全部合用前室进行加压,应该更为安全。合用前室是否可以不设加压送风系统,只对其楼梯间加压呢?笔者认为这种可能性是有的。从试验结果可以看出,通过楼梯间对合用前室间接加压,只要送风量恰当,合用前室可以达到要求的正压值。同时当楼梯间与合用前室门均开启时,其门洞风速也可以达到要求值。不过,如果出现楼梯间门未开启,只有合用前室门开启的情况,走廊的烟气是否有可能瞬间侵入合用前室?对于这个问题,笔者是这样考虑的:a)当合用前室门开启时,楼梯间门仍然关闭,且楼梯间仍在加压送风,因此仍有阻挡烟气扩散的作用;b)走廊一般都设机械排烟系统,走廊处于负压状态,从而在一定程度上,阻止了烟气向合用前室流动;c)合用前室门与楼梯间门之间只有不到3m的距离,当疏散人员打开合用前室门后,大约只需1～2s时间就会接着开启楼梯间门,这时楼梯间的加压气流就会进入合用前室,并抑制烟气侵入;d)合用前室门与楼梯间门开启只是瞬间的情况,即使有烟气侵入也是少量的;e)国外的法规也有规定合用前室不加压的,如美国NFPA92A法规就规定只对楼梯间加压。根据上述分析,笔者认为,合用前室不加压是可行的。6.4加压系统存在严重超压现象我国《高规》条文中,没有关于加压部位超压应采取预防措施的规定。《高规》的条文说明中,对此有如下解释:“通过几个已建工程实例进行的加压送风测试表明:这种超压现象很少发生,……又考虑到我国目前生产、安装的防火门的实际情况,依靠从门缝泄压不会有困难,因此对设置余压阀等限压装置可以不予考虑。”由于每幢建筑在设计、施工、管理和防火门质量等方面存在较大差异,目前,确实有不少高层建筑的加压送风系统存在较严重的漏风问题,致使加压部位达不到要求的正压值。但是也有不少建筑的楼梯间和前室防火门的密闭性较好,当加压部位的防火门完全关闭时,有可能会产生超压现象。值得注意的是,在加压系统设计中,有的设计者是按估算法来确定加压系统的阻力,其估算值带有很大的随意性,致使加压风机选择不当,加压风量、风压偏离要求值较大,造成加压部位严重超压。上述情况,在本次测定中也得到了证实。鉴于上述原因,建议在《高规》条文中,对于防止加压部位超压问题,应作出一些具体规定。设置余压阀是解决超压问题的常见做法,有关余压阀的质量、设置位置及维护管理等问题亦必须重视,否则,由于余压阀的漏风,又会造成加压系统的失败。笔者认为,采用压差法,控制风机的风量调节阀或转速,是解决加压部位超压的一种有效途径。6.5