1.引言
隨著我國現代化建設的飛速發展，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、多功能化的方向發展。在這樣的建筑中，火災所帶來的危害和嚴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。
國內外大量火災實例統計數字表明，因火災而傷亡的人群中，大多數是煙害所致。火災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受煙毒暈倒而后燒死，這足以說明火災產生的危害是何等嚴重。為了確保國家和人民財產與生命安全，建筑防火設計已經成為建筑設計中不可分割的有機組成部分，在建筑防火設計中，防排煙工程的設計也具有非常重要的意義。在這其中，有關自然排煙與機械排煙的適用性研究也非常必要。
2.煙氣的產生及蔓延
有燃燒或熱解作用所產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，火災過程中所產生的煙氣稱為火災煙氣，所以，火災煙氣是火災時所產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物的混合物。
火災煙氣的危害性主要表現在毒害性、減光性和恐怖性三方面。火災煙氣的毒害性首先使受災人員或撲救人員直接中毒或窒息死亡，其次是使受災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，了解火災煙氣的蔓延過程是十分必要地，經過大量的實驗證明，火災煙氣在建筑物內的蔓延也不是雜亂無序的，相反呈現下列規律：①煙氣在著火房間內向上升騰過程中，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。如此時門窗關閉，煙層將繼續增厚，至室內溫度升高到一定值（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煙氣在走廊內流動時，從房間內流向走廊內的煙氣，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。火災實驗表明，在火勢旺盛階段，煙氣從室內流出后呈層流狀態沿走廊的天棚流動，并且煙層厚度經過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空調系統氣流的干擾，其層流的距離將會縮短而形成紊流狀態。③煙氣沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井流動時，當室內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，由于室內外空氣容量的不同而產生浮力。這種現象就是建筑物的煙囪效應。這一現象平時對建筑物內空氣的流動起著重要的作用。在火災時，由于燃燒放出的大量熱量，室內溫度快速升高，建筑物的煙囪效應更加顯著，使火災的蔓延更加迅速，垂直向上的速度約3～4米/秒，火災的危害性更加嚴重。
3.防排煙
所謂防排煙就是將火災過程中產生的煙氣，在著火房間和著火房間所在的防煙區內就地加以排出，防止煙氣擴散到疏散通道和其它防煙分區中去，確保疏散和撲救用的防煙樓梯和消防電梯間內無煙，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：全面通風排煙方式、機械送風正壓防煙方式、機械負壓排煙方式。
4.自然排煙的適用性
自然排煙是利用火災產生的熱流的浮力和外部風力通過建筑物的對外開口把煙氣排至室外的排煙方式，其實質上就是熱煙氣與室外冷空氣的對流運動，其動力是火災加熱室內空氣產生的熱壓和室外的風壓。
自然排煙的方式有兩種：①豎井排煙。其原理是依靠室內火災時產生的熱壓和室外空氣的風壓形成“煙囪效應”排煙。不需要能源，設備簡單；但豎井需要兩個（排煙口和進風口）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備，不需要能源，適用性廣，可與建筑物原有構造結合；其缺點是因受室外風向、風速和建筑本身的密封性或熱壓作用的影響，排煙效果不太穩定。
自然排煙形成的條件，一是存在著室內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力引起的風壓作用。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，所產生的浮力作用越大，排煙效果就越好。②排煙口和進風口之間的高度差。高度差越大，所產生的浮力越大，排煙效果越好。所以，提高排煙口的位置和降低進風口的位置是提高排煙效果的有效措施。③室外自然風力。當排煙口位于下風向時，排煙是順風的，由于室外風力的吸引作用，有利于自然排煙，風速越高越有利；相反，當排煙口位于上風向時，排煙是逆風的，由于室外風力的阻擋作用，不利于自然排煙，風速越高越不利，當風速大到一定值時，自然排煙失效，該風速值稱為臨界風速。風速進一步擴大，將出現煙氣倒灌現象。④高層建筑的熱壓作用。高層建筑中室內外溫差引起的熱壓作用，在不同的季節是不同的。在冬季采暖期間，產生的是正熱壓作用，上部樓層排氣，下部樓層進風。當下部樓層發生火災時，在火災初期，煙氣將被進風帶人走道、樓梯間，蔓延擴散到上部各樓層，而在夏季空調期間，產生的是反熱壓作用，上部樓層進風，下部樓層排氣。當火災發生在上部樓層時，火災初期，煙氣將被進風帶人走道、樓梯間，蔓延擴散到下部各樓層。
在上述四個影響因素中，有三個是不穩定的：①室外風向和風速隨季節變化；②火災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變化。這就導致自然排煙效果不穩定。
自然排煙方式的優點是：結構簡單，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定外，還有對建筑物的結構有特殊要求，存在火災通過排煙口向緊鄰上層蔓延的危險性等。因此，考慮我國的消防設備現狀和經濟實力，一些具有重大影響的高層建筑除了采用設備簡單、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備強制送風（或排煙）的手段來排除煙氣的方式。送風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或排煙作用，據此，機械排煙又具體分為三種方式。①全面通風排煙方式：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，控制送風量略小于排煙量，使著火房間保持負壓，以防止煙氣從著火房間漏出的排煙方式；②機械送風正壓防煙方式：用送風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，著火房間的煙氣經專設的排煙口或外窗以自然排煙的方式排出；③機械負壓排煙方式：用排煙風機把著火房間內的煙氣通過排煙口排至室外的方式。
隨著社會的發展，現行的防排煙系統有必要加以改進。如現在隨處可見的大型超市賣場，面積動輒就達上萬甚至數萬平方米，人員集中，可燃物多，一旦發生火災極易造成群死群傷。類似場所的排煙系統更顯重要。要求其每層可開啟外窗面積不小于各層建筑面積的2%或者結合有風管的空氣調節系統設置機械排煙系統。即場所內最遠點距最近的外窗長度超過30米，則必須設置機械排煙系統。還有一些工業開發區內出現了占地面積較大的通用廠房和物流倉庫，一旦發生火災，如高溫煙氣得不到及時排放，很難撲救，包括一些鋼結構建筑，還有坍塌危險。類似建筑如規定其沿建筑物外墻靠近頂部處設置一圈可開啟外窗，則高溫煙氣就能及時排出，有利于撲救，使損失減少到最低。實踐證明設置高窗的鋼結構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向、風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采用機械加壓送風的防排煙方式。由于機械防排煙系統平時處于不運行狀態，應考慮一個啟動方式的問題，對機械防排煙系統的自動啟動方式應加以明確，用火災自動報警系統或其他裝置去自動啟動。隨著自動化技術的不斷發展，有必要要求擔負排煙功能的可開啟外窗應有自動開啟功能，如采用易熔金屬或與其他裝置、系統聯動等。
6.結論
在目前的技術條件下，各種防、排煙方式都有其各自的優點以及局限性，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。在現代建筑設計中，各種排煙方式并不是簡單的單一應用，是多種方式的綜合應用，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合，這種綜合性應用的結果將比采用單一方式的效果更好。