1.引言
隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，高層建筑在北京、廣州、上海以及全國一些大中城市像雨后春筍一樣的勃起。我國城市建筑正朝大型化、高層化、多功能化的方向發(fā)展。在這樣的建筑中，火災(zāi)所帶來的危害和嚴(yán)重后果是以往那種小型、低層、單一化的建筑根本無法比擬的。
國內(nèi)外大量火災(zāi)實例統(tǒng)計數(shù)字表明，因火災(zāi)而傷亡的人群中，大多數(shù)是煙害所致。火災(zāi)中受煙害直接致死的約占1/3～2/3，因火燒死的約占1/3～1/2，而且火燒死中也是多數(shù)受煙毒暈倒而后燒死，這足以說明火災(zāi)產(chǎn)生的危害是何等嚴(yán)重。為了確保國家和人民財產(chǎn)與生命安全，建筑防火設(shè)計已經(jīng)成為建筑設(shè)計中不可分割的有機組成部分，在建筑防火設(shè)計中，防排煙工程的設(shè)計也具有非常重要的意義。在這其中，有關(guān)自然排煙與機械排煙的適用性研究也非常必要。
2.煙氣的產(chǎn)生及蔓延
有燃燒或熱解作用所產(chǎn)生的懸浮在氣相中的可見的固體和液體微粒稱為煙或煙粒子，含有煙粒子的氣體稱為煙氣，火災(zāi)過程中所產(chǎn)生的煙氣稱為火災(zāi)煙氣，所以，火災(zāi)煙氣是火災(zāi)時所產(chǎn)生的氣體和懸浮在其中的煙粒子的總稱，由此可以得出，煙氣是燃燒和熱解產(chǎn)物的混合物。
火災(zāi)煙氣的危害性主要表現(xiàn)在毒害性、減光性和恐怖性三方面。火災(zāi)煙氣的毒害性首先使受災(zāi)人員或撲救人員直接中毒或窒息死亡，其次是使受災(zāi)人員或撲救人員因缺氧或一氧化碳中毒暈倒后而被火燒死，火災(zāi)煙氣的減光性和恐怖性的危害在于妨礙疏散和撲救，造成火場混亂。
為了進一步研究防排煙工程，了解火災(zāi)煙氣的蔓延過程是十分必要地，經(jīng)過大量的實驗證明，火災(zāi)煙氣在建筑物內(nèi)的蔓延也不是雜亂無序的，相反呈現(xiàn)下列規(guī)律：①煙氣在著火房間內(nèi)向上升騰過程中，遇到頂棚后向四周水平擴散并受到周圍建筑圍護體的阻擋和冷卻，有沿墻向下流動的趨勢，煙氣不斷產(chǎn)生，上部煙層逐漸增厚，到達門窗開口以下時，通過開啟的門窗洞口向室外和走廊擴散。如此時門窗關(guān)閉，煙層將繼續(xù)增厚，至室內(nèi)溫度升高到一定值（一般為200～300℃）時，門窗上的玻璃破裂，煙氣從門窗的缺口處向室外和走廊擴散。②煙氣在走廊內(nèi)流動時，從房間內(nèi)流向走廊內(nèi)的煙氣，開始附貼在天棚下流動，流動的速度一般為每秒0.5～0.8米，由于受到冷卻和空氣混合，煙層逐漸變厚。火災(zāi)實驗表明，在火勢旺盛階段，煙氣從室內(nèi)流出后呈層流狀態(tài)沿走廊的天棚流動，并且煙層厚度經(jīng)過20米至30米距離也不會變化。但在流動過程中，煙層如受到梁和其他突出物的阻礙，以及受到室外空氣進入或通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流的干擾，其層流的距離將會縮短而形成紊流狀態(tài)。③煙氣沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井流動時，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外時，氣流將通過建筑物中和面以下的各層外墻進入，由于室內(nèi)外空氣容量的不同而產(chǎn)生浮力。這種現(xiàn)象就是建筑物的煙囪效應(yīng)。這一現(xiàn)象平時對建筑物內(nèi)空氣的流動起著重要的作用。在火災(zāi)時，由于燃燒放出的大量熱量，室內(nèi)溫度快速升高，建筑物的煙囪效應(yīng)更加顯著，使火災(zāi)的蔓延更加迅速，垂直向上的速度約3～4米/秒，火災(zāi)的危害性更加嚴(yán)重。
3.防排煙
所謂防排煙就是將火災(zāi)過程中產(chǎn)生的煙氣，在著火房間和著火房間所在的防煙區(qū)內(nèi)就地加以排出，防止煙氣擴散到疏散通道和其它防煙分區(qū)中去，確保疏散和撲救用的防煙樓梯和消防電梯間內(nèi)無煙，使著火層人員可以安全疏散，同時也可以給搶救工作創(chuàng)造有利條件。
防排煙的主要部位：房間、走道、防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室、防煙樓梯及消防電梯間合用前室。
排煙方式總體可分為自然排煙方式和機械排煙方式，而機械排煙方式又分為三種不同的方式：全面通風(fēng)排煙方式、機械送風(fēng)正壓防煙方式、機械負(fù)壓排煙方式。
4.自然排煙的適用性
自然排煙是利用火災(zāi)產(chǎn)生的熱流的浮力和外部風(fēng)力通過建筑物的對外開口把煙氣排至室外的排煙方式，其實質(zhì)上就是熱煙氣與室外冷空氣的對流運動，其動力是火災(zāi)加熱室內(nèi)空氣產(chǎn)生的熱壓和室外的風(fēng)壓。
自然排煙的方式有兩種：①豎井排煙。其原理是依靠室內(nèi)火災(zāi)時產(chǎn)生的熱壓和室外空氣的風(fēng)壓形成“煙囪效應(yīng)”排煙。不需要能源，設(shè)備簡單；但豎井需要兩個（排煙口和進風(fēng)口）較大的截面積（否則排煙效果不佳），占用建筑面積較多；排煙效果不均勻；適用性有局限。②利用建筑的陽臺、凹廊或在外墻上設(shè)置便于開啟的外窗進行無組織的排煙。這種排煙方式不需要專門設(shè)備，不需要能源，適用性廣，可與建筑物原有構(gòu)造結(jié)合；其缺點是因受室外風(fēng)向、風(fēng)速和建筑本身的密封性或熱壓作用的影響，排煙效果不太穩(wěn)定。
自然排煙形成的條件，一是存在著室內(nèi)外氣體溫度差和孔口高度差引起的浮力作用，即熱壓作用；二是存在著由室外風(fēng)力引起的風(fēng)壓作用。這兩個條件同時或單獨存在都可以形成自然排煙。基于這一工作原理，影響自然排煙效果的因素有如下四個：①煙氣和空氣之間的溫度差。溫度差越大，煙氣和空氣間的容重差越大，所產(chǎn)生的浮力作用越大，排煙效果就越好。②排煙口和進風(fēng)口之間的高度差。高度差越大，所產(chǎn)生的浮力越大，排煙效果越好。所以，提高排煙口的位置和降低進風(fēng)口的位置是提高排煙效果的有效措施。③室外自然風(fēng)力。當(dāng)排煙口位于下風(fēng)向時，排煙是順風(fēng)的，由于室外風(fēng)力的吸引作用，有利于自然排煙，風(fēng)速越高越有利；相反，當(dāng)排煙口位于上風(fēng)向時，排煙是逆風(fēng)的，由于室外風(fēng)力的阻擋作用，不利于自然排煙，風(fēng)速越高越不利，當(dāng)風(fēng)速大到一定值時，自然排煙失效，該風(fēng)速值稱為臨界風(fēng)速。風(fēng)速進一步擴大，將出現(xiàn)煙氣倒灌現(xiàn)象。④高層建筑的熱壓作用。高層建筑中室內(nèi)外溫差引起的熱壓作用，在不同的季節(jié)是不同的。在冬季采暖期間，產(chǎn)生的是正熱壓作用，上部樓層排氣，下部樓層進風(fēng)。當(dāng)下部樓層發(fā)生火災(zāi)時，在火災(zāi)初期，煙氣將被進風(fēng)帶人走道、樓梯間，蔓延擴散到上部各樓層，而在夏季空調(diào)期間，產(chǎn)生的是反熱壓作用，上部樓層進風(fēng)，下部樓層排氣。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在上部樓層時，火災(zāi)初期，煙氣將被進風(fēng)帶人走道、樓梯間，蔓延擴散到下部各樓層。
在上述四個影響因素中，有三個是不穩(wěn)定的：①室外風(fēng)向和風(fēng)速隨季節(jié)變化；②火災(zāi)期間煙氣的溫度隨時間變化；③高層建筑的熱壓作用隨季節(jié)變化。這就導(dǎo)致自然排煙效果不穩(wěn)定。
自然排煙方式的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，而且不需要外加的動力，運行維護費用也少，但是也存在不少問題，除了上文提到的排煙效果不穩(wěn)定外，還有對建筑物的結(jié)構(gòu)有特殊要求，存在火災(zāi)通過排煙口向緊鄰上層蔓延的危險性等。因此，考慮我國的消防設(shè)備現(xiàn)狀和經(jīng)濟實力，一些具有重大影響的高層建筑除了采用設(shè)備簡單、切實可行的自然排煙方式外，還有必要采用機械排煙。
5.機械排煙的適用性
機械排煙方式是用機械設(shè)備強制送風(fēng)（或排煙）的手段來排除煙氣的方式。送風(fēng)和排煙可全部借助機械力作用，也可一個借助機械力的作用，另一個則借助自然通風(fēng)或排煙作用，據(jù)此，機械排煙又具體分為三種方式。①全面通風(fēng)排煙方式：對著火房間進行機械排煙，同時對走廊、樓梯（電梯）前室和樓梯間進行機械送風(fēng)，控制送風(fēng)量略小于排煙量，使著火房間保持負(fù)壓，以防止煙氣從著火房間漏出的排煙方式；②機械送風(fēng)正壓防煙方式：用送風(fēng)機給防煙前室和樓梯間等送新鮮空氣，使這些部位的壓力比著火房間相對高些，著火房間的煙氣經(jīng)專設(shè)的排煙口或外窗以自然排煙的方式排出；③機械負(fù)壓排煙方式：用排煙風(fēng)機把著火房間內(nèi)的煙氣通過排煙口排至室外的方式。
隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)行的防排煙系統(tǒng)有必要加以改進。如現(xiàn)在隨處可見的大型超市賣場，面積動輒就達上萬甚至數(shù)萬平方米，人員集中，可燃物多，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成群死群傷。類似場所的排煙系統(tǒng)更顯重要。要求其每層可開啟外窗面積不小于各層建筑面積的2%或者結(jié)合有風(fēng)管的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置機械排煙系統(tǒng)。即場所內(nèi)最遠點距最近的外窗長度超過30米，則必須設(shè)置機械排煙系統(tǒng)。還有一些工業(yè)開發(fā)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了占地面積較大的通用廠房和物流倉庫，一旦發(fā)生火災(zāi)，如高溫?zé)煔獾貌坏郊皶r排放，很難撲救，包括一些鋼結(jié)構(gòu)建筑，還有坍塌危險。類似建筑如規(guī)定其沿建筑物外墻靠近頂部處設(shè)置一圈可開啟外窗，則高溫?zé)煔饩湍芗皶r排出，有利于撲救，使損失減少到最低。實踐證明設(shè)置高窗的鋼結(jié)構(gòu)建筑即使可燃物全部燒毀，建筑還能保持完整性，不至于坍塌。較高的高層由于受室外風(fēng)向、風(fēng)速和建筑本身的密封性或熱壓作用的影響，采用自然排煙的方式不能達到排煙的目的反而可能助長煙氣的擴散，故在50米以上的一類公共建筑和100米以上的居住建筑應(yīng)采用機械加壓送風(fēng)的防排煙方式。由于機械防排煙系統(tǒng)平時處于不運行狀態(tài)，應(yīng)考慮一個啟動方式的問題，對機械防排煙系統(tǒng)的自動啟動方式應(yīng)加以明確，用火災(zāi)自動報警系統(tǒng)或其他裝置去自動啟動。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，有必要要求擔(dān)負(fù)排煙功能的可開啟外窗應(yīng)有自動開啟功能，如采用易熔金屬或與其他裝置、系統(tǒng)聯(lián)動等。
6.結(jié)論
在目前的技術(shù)條件下，各種防、排煙方式都有其各自的優(yōu)點以及局限性，防煙、排煙兩者是一個不可分割的有機整體，是煙氣控制的兩個方面。在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，各種排煙方式并不是簡單的單一應(yīng)用，是多種方式的綜合應(yīng)用，就像簡單的自然防、排煙來說，是自然排煙和防煙垂壁兩者的結(jié)合，這種綜合性應(yīng)用的結(jié)果將比采用單一方式的效果更好。