邱相武

(中国建筑科学研究院有限公司，北京100013)

火灾产生的烟气是建筑火灾中人员伤亡的主要因素，不加控制或控制不当将导致严重后果。防烟楼梯间是火灾中人员逃生避免烟气侵害的生命通道。对采用机械加压送风的防烟楼梯间，加压送风量应满足设计要求，风量太小，不能有效阻挡烟气侵入，风量太大，会导致疏散门开启阻力过大，影响人员有效疏散。因此GB51251-2017《建筑防排烟系统技术标准》[1]对机械加压送风防烟系统的加压送风量计算和防烟楼梯间余压做了明确规定。影响加压送风楼梯间风量和风压的因素有土建风道密闭性能、疏散门缝隙、风机性能等。土建风道漏风量可通过土建风道施工控制解决，疏散门缝隙漏风量可通过风量详细计算确定。影响所选风机性能主要参数是加压送风机的风量和风压，而风压的计算要通过对风道的正确水力计算来确定。

GB51251-2017《建筑防排烟系统技术标准》[1]和《实用采暖空调设计手册》[2](以下简称《手册》)中对楼梯间加压送风系统的风量计算均作出了比较详细的说明，设计过程中比较容易把握。但对楼梯间正压送风管道水力计算没有给出具体算法，实际设计工作中设计人员会根据个人理解采用不同算法，常见的有2种算法：

(1)假设管道流量为管道进口流量不变，进行沿程阻力计算，将该沿程阻力损失作为正压送风管道阻力损失。

(2)将送风口看做分流三通，各风口流速相同，直管段局部阻力按分流三通直管段，分段计算管道阻力，将各段阻力和作为管道阻力损失。

这2种算法理论上与正压送风管道的孔口出流是有差异的，有时会产生较大误差。本文从分析楼梯间正压送风管道内空气流动物理过程入手，介绍带等面积孔口的等断面近似均匀送风管道的算法，并将几种计算方法结果进行对比，供设计人员参考。

1 正压送风管道流动特点分析

防烟楼梯间的正压送风风道一般为土建混凝土风道，2～3层设置一个送风口，一端与加压送风机相连，另一端封闭。其特点是风量大，送风断面尺寸较大。送风口尺寸与风道界面相对尺寸较小。为简化问题做假设：

(1)用断面平均风速和平均静压代替该断面的流速和静压。

(2)流量系数、沿程阻力系数和局部阻力系数看做常数。

(3)疏散口出流仅是由于风道中静压作用的结果。

如图1所示的正压送风风道，管道断面为A,当量直径为d，长度为L。孔口数为n,单个孔口面积为σ。管道进口流速为ω0。从管道末端向进口逆流方向，将孔口编号。在每个孔口前面取一个断面。第i号孔口的岀流速度为式(1)。

图1 正压送风风道

(1)

图2 孔口与流速变化关系

2 带等面积孔口的等断面近似均匀送风管道孔口流速和风道压降[3]

在图1所示的正压送风管道中，对1断面和i断面列能量方程式，并认为流动阻力是由沿程阻力和流过孔口的直通阻力组成(式2)。

(2)

式中：pi为管道在1断面处的空气静压，(Pa)；ω1，ωi，ωk，ωk+1为管道在第1，i，k，k+1断面处的流速，(m/s)；λ为沿程阻力系数；l0为相邻孔口之间的距离,(m)；d为管道直径(或当量直径)，(m)；τ为流过孔口的直通阻力相当于突然扩大阻力的倍数，根据理论和实验研究，τ=0.4。

(3)

(4)

(5)

根据连续性方程式Aω0=nσvc,式中vc为孔口的平均出流速度。可得式(6)：

(6)

将式(6)代入式(5)可得式(7)。

vi=

(7)

将根号展开成级数，可得式(8)。

(8)

(9)

式(9)中未知值为第1号孔口的出流速度。

(10)

(11)

将i=n和式(10)代入(9)式，可得式(12)。

(12)

(13)

(14)

管道进口处孔口流速的不均匀系数为式(15)。

(15)

(16)

(17)

E0即为管道断面1～断面n的阻力损失。式中：K为管道的总阻力系数。

(18)

3 沿程阻力摩擦系数计算

通风与空调工程中风道内空气流动一般在紊流过渡区和阻力平方区，沿程摩擦阻力系数可按柯列勃洛克-怀特公式计算：

(19)

式中:λ为沿程阻力系数；K为管道绝对粗糙度，mm;D为圆形管道直径或矩形管道当量直径，mm；Re为雷诺数。

(20)

4 计算实例

某民用住宅，地上20层，层高3m，楼梯间加压送风，隔层设置加压送风口，计算加压送风风机压力。

该楼梯间加压送风量取G=25000m3/h，混凝土风道尺寸取a×b=1200mm×500mm,风道长度L=60m,孔口数n=10,流量系数μ=0.65,最大不均匀系数rmax=0.05，混凝土风道粗糙度K=3mm,空气动力粘度ν=1.57×10-5。

4.1 正压送风口面积计算

管道末端孔口出流速度的不均匀性系数为:

(100-1)-0.4×5.5-0.6×20/2.46-400/3/2.462)

4.2 正压送风管道进口断面全压计算

将K代入式(17)可得：

4.3 计算结果对比

在上述计算条件下，按管道全程风量25 000m3/h计算的沿程阻力：λ=0.029，整个管段沿程阻力：0.029×60×1.2×11.572/(2×0.706)=198 Pa。计算结果与3节中计算结果很接近。但当风道尺寸改变为a×b=900 mm×500 mm,风道内风速为=15.4 m/s时，其他条件不变，用带等面积孔口的等断面近似均匀送风管道计算的管道阻力损失为318 Pa；而用全程风速为15.4 m/s计算的沿程阻力计算结果为378 Pa，计算结果要大60 Pa。

将送风口假设成分流三通，各风口流速相同，直管段局部阻力按分流三通直管段，分段计算管道阻力，将各段阻力和作为管道阻力损失。管道进口流量25 000m3/h，风管尺寸为a×b=900mm×500mm时，管道阻力计算结果为158Pa(计算过程略)，计算结果明显偏小。

5 结论

(1)通过对防烟楼梯间正压送风风道内空气流动物理过程和风道特点分析，将该流动过程简化为带等面积孔口近似均匀送风。

(3)计算过程很容易通过Excel表实现，方便设计人员参考使用。