湿式造纸联合厂房排烟系统设计

随着我国经济的快速发展，所暴露出的生产生活安全问题也日益突出。各类火灾事故频发，损失巨大，而火灾事故中产生的烟气，其遮光性、毒性和高温是造成火灾人员伤亡的最主要因素[1]。因此国家现行的《建筑设计防火规范》（2018年版）GB50016—2014（以下简称建规）在建筑防烟、排烟系统设计中必须严格执行。由于建规只是对建筑防烟排烟系统设计提出原则性规定和做法，为完善建筑防烟、排烟系统设计各方面具体细节，国家最新颁布了《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251—2017（以下简称标准），并规定自2018年8月1日起实施。自标准实施以来，截至目前尚未有根据标准设计完成并投产运行的湿式造纸联合厂房。本文对目前正在设计的某一湿式造纸联合厂房结合建规、标准要求，就如何依厂房自身设计来设置排烟系统进行了分析。

1湿式造纸联合厂房建筑特征

造纸行业近年来发展迅速，为增加产能，纸机逐步向高车速大幅宽方向发展，湿式造纸联合厂房的建筑长度和高度也随之增大，目前现代化大型纸机的厂房长度通常为300～500m，高度24～30m。而排烟系统设计的基本依据是建筑的火灾危险性类别。在设计排烟系统之前，湿式造纸联合厂房的建筑特征必须明确。本文中所提到的湿式造纸联合厂房针对的一般都是中、大型或者特大型造纸项目。造纸项目生产能力的计算以复卷后的产量为依据。造纸产能的划分如表1所示[2]。

湿式造纸联合厂房主跨一般为二层，厂房外墙、屋面保温，基本不设或少设外窗，厂房高度大于24m但要≤30m。厂房一层与二层之间有吊物孔，吊物孔设盖板，平时密封。

根据《制浆造纸厂设计规范》GB51092—2015的规定，造纸车间的火灾危险性分类为丙类。根据建规3.3.1注3的规定：一、二级耐火等级的湿式造纸联合厂房，当纸机烘缸罩内设置自动灭火系统，完成工段设置有效灭火设施保护时，厂房每个防火分区的最大允许建筑面积可按工艺要求确定[3]。实际项目中纸机烘缸罩内由纸机厂家设有自动灭火系统，且完成工段设有灭火设施保护装置，因此湿式造纸联合厂房的防火分区面积根据工艺要求确定。一般湿式造纸联合厂房划分为两个防火分区，一层为一个防火分区，二层为一个防火分区。

根据建规第8.5.2规定，厂房或仓库的下列场所或部位应设置排烟设施：人员或可燃物较多的丙类生产场所，丙类厂房内建筑面积大于300m2且经常有人停留或可燃物较多的地上房间。但湿式造纸联合厂房一层一般为各种槽罐、浆泵和纸机，可燃物极少（仅有占地面积几个平方米的小润滑油站，湿式造纸联合厂房一层的建筑面积一般为上万平米左右），人员极少且不停留，不符合建规8.5.2第1条设置排烟设施的条件。另外根据建规第3.1.2条“当生产过程中使用或产生易燃、可燃物的量较少，不足以构成爆炸或火灾危险时，可按实际情况确定；当符合下列条件时，可按火灾危险性较小的部分确定：火灾危险性较大的生产部分占本层或本防火分区建筑面积的比例小于5%”及其条文说明，湿式造纸联合厂房一层的火灾危险性为戊类，一层车间可以看做是整个丙类湿式造纸联合厂房的戊类生产场所。建规对戊类生产场所没有排烟要求，因此，湿式造纸联合厂房一层不设排烟系统。厂房二层根据标准的要求设置排烟系统。

2湿式造纸联合厂房排烟量计算

本文以山西某年产30万t石膏板护面纸及包装纸工程为例，对湿式造纸联合厂房排烟系统进行分析。该湿式造纸联合厂房长度301.5m，主跨宽度30m，主跨屋面为双T板坡屋面，造纸联合厂房一层净空高度7.5m，二层净空高度约19.5m。根据防排烟标准的规定进行排烟量的计算。

湿式造纸联合厂房二层为一个防火分区，净空高度约19.5m，根据标准空间净高大于9m时，防烟分区之间可不设置挡烟垂壁[1]。因此，车间二层划分为6个防烟分区，且每个防烟分区的面积<2000m2，长边长度≤60m。6个防烟分区之间不设挡烟设施。各防烟分区的划分如表2所示。

湿式造纸联合厂房二层主跨车间是一个高大空间，中间没有分隔，烟羽流质量流量的计算可参照轴对称型烟羽流方法。根据标准规定，火灾热释放速率取值有查表和按照公式计算两种方法。按照公式计算火灾热释放速率时，首先要明确设计的火灾规模，设计的火灾规模取决于燃烧材料性质、时间等因素和自动灭火设施的设置情况。但从生产实际情况来看，着火时的火灾规模无法提前判断，由什么材料引起的燃烧、燃烧持续的时间等都无法提前判断，且公式中的火灾增长时间也无法确定，因此火灾热释放速率按照标准中表4.6.7取值。湿式造纸联合厂房二层车间内只在完成工段设有自动喷水灭火系统，完成工段属于防烟分区6的一部分。但二层有6个防烟分区且净空高度为19.5m，大于标准第4.6.7条条文说明中采用自动喷水灭火系统时允许最大净空高度12～18m的要求，因此应按无喷淋场所对待。查标准中表4.6.7可知，二层车间火灾达到稳态时的热释放速率取8MW。若湿式造纸联合厂房二层整个车间设有自动喷水灭火系统，且净空高度≤18m，则热释放速率按照有喷淋时的取值，查标准中表4.6.7，热释放速率取2.5MW，车间二层最小清晰高度为3.55m。根据标准规定，自然排烟和机械排烟储烟仓的最小厚度不同，但都不应小于500mm。保守计算，储烟仓的厚度取空间净高的20%，即3.9m。储烟仓底部距车间二层地面的高度为15.6m，大于最小清晰高度3.55m。湿式造纸联合厂房整体为高温、高湿的车间，车间二层局部相对湿度约80%。压榨部和网部向车间散发大量的湿气，前干燥部和后干燥部采用密闭气罩，罩内设有自动灭火系统，仅完成部暂存的成品纸可能会引起火灾，因此假设燃料面的高度为0，即燃料面到烟层底部的高度为15.6m。由此计算出烟羽流质量流量为132.9kg/s。采用自然排烟时，烟层平均温度与环境温度差为20.9℃，每个防烟分区的排烟量为427008m3/h。采用机械排烟时，烟层平均温度与环境温度差为41.7℃，每个防烟分区的排烟量为455378m3/h。

3自然排烟系统

上述计算自然排烟量为427008m3/h。根据标准规定，按照公式计算出的排烟量不应小于标准表4.6.3中的数值。查标准表4.6.3，对于工业建筑中空间净高>9m的场所，无喷淋的排烟量为21.1×104m3/h，设计值还需考虑1.2倍的系数，即排烟量为25.32×104m3/h。根据公式计算出的自然排烟量大于此数值，理论上应该按照计算值确定防烟分区的排烟量。湿式造纸联合厂房由于车间内散发大量的高温、高湿气体，车间自身需要设置通风，一般在屋顶设置屋顶排风机进行机械排风或者在屋顶设置自然通风器进行自然通风。两种通风方式均占用屋面面积，因此根据实际情况，湿式造纸联合厂房的自然排烟系统最好选择设置自然排烟侧窗。根据标准计算的自然排烟窗（口）截面积与排烟系统吸入口最低点之下烟气层厚度有关，此烟气层厚度与设置的自然排烟侧窗高度有关，为方便计算，自然排烟侧窗的面积根据标准4.6.3规定的自然排烟窗处风速计算。查标准表4.6.3，对应的自然排烟侧窗风速为1.01m/s。根据计算出的自然排烟量427008m3/h，得出每个防烟分区所需的自然排烟侧窗面积为117.5m2，据此得出的自然排烟窗面积为有效面积。

按照6个防烟分区中的长边长度最大（长边长度60m）的一个防烟分区来设置自然排烟窗，需设置宽2m、高2m的自然排烟窗30个，即该防烟分区沿湿式造纸联合厂房的两个外墙需各设置15个宽2m、高2m的自然排烟窗。但其他5个防烟分区的长边长度都较小，若为建筑外立面美观着想，最好设置相同规格的自然排烟窗，但这5个防烟分区设置的宽2m、高2m的自然排烟窗面积不能满足排烟要求。如果为满足排烟要求，这5个防烟分区需根据各自的长边长度设置不同规格的排烟窗，建筑外立面较乱。且自然排烟窗的面积是根据开窗有效面积系数为1计算的，实际需设置的自然排烟窗面积大于117.5m2。根据标准第4.3.7条的要求，设置自然排烟系统的湿式造纸联合厂房还需在屋面上增设可溶性采光带（窗），由于湿式造纸联合厂房采用的是预应力钢筋混凝土屋面板，其可溶性采光带的面积不应小于楼地面面积的10%[1]。

4机械排烟系统

根据标准计算得出的该湿式造纸联合厂房机械排烟量为455378m3/h。由于该湿式造纸联合厂房的屋面采用的是预应力双T板钢筋混凝土屋面板，因此屋顶通风机在屋面的开孔大小受到限制，按照开孔尺寸选定的屋顶轴流通风机的排风量为44000m3/h，每个防烟分区需要设置11台屋顶立式排烟风机，不接风管。6个防烟分区一共需设置66台屋顶立式排烟风机。

根据标准的规定排烟风机应设置在专用机房内。标准中解释此要求主要是为了保证排烟风机在排烟工作条件下能正常连续运行30min，防止风机直接被火焰威胁，并保证排烟风机的电机能够有效散热和方便维修。据此要求，湿式造纸联合厂房屋面需设66个排烟专用机房，且根据标准的规定设置机械排烟时，仍需在外墙或屋顶设置固定窗。固定窗设置在顶层区域或者外墙，其要求也不同。根据要求也可采用可溶性采光带（窗）替代固定窗，可溶性采光带（窗）面积不应小于楼地面面积的10%[1]。即使排烟风机不设置在屋面，设置在辅跨也需要设专用机房，且此种做法排烟风机需要接排烟管道，但就目前车间内辅跨房间的布置和厂房内各专业的管道、电缆桥架的布置情况，此种方案实施起来更加困难。

5两种排烟系统分析

若根据上述两种排烟方式计算出的排烟量来设置自然排烟窗或者屋顶立式排烟风机，则对目前的湿式造纸联合厂房的建筑结构形式及工艺生产产生重大影响。湿式造纸联合厂房由于造纸工艺自身的特点，是高温高湿的密闭厂房。厂房的围护结构按照防结露设计，保温外墙的传热系数一般为0.3～0.5W/（m2·K）[4]。而目前国内的排烟窗和采光带的保温性能一般较差，现有排烟窗即使在保温效果较好的情况下其传热系数也才可能达到2.1～2.7W/（m2·K），在北方其内表面温度大大低于车间露点温度。若按照自然排烟设置大量的自然排烟窗，则在北方冬季窗户严重结露，并大量淌水，甚至结冰[5]，不仅降低围护结构使用寿命，还会引发断纸的可能性，影响工艺生产。对于设置机械排烟系统的北方造纸厂冬季面临同样问题。若按照机械排烟设置屋顶立式排烟风机，根据标准要求排烟风机设置专用机房，则需在屋面设排烟专用机房，机房过多、过重，对于现有广泛使用大跨度轻钢结构或预制混凝土屋面的造纸厂来说，屋面结构从技术上无法做到，但若改为现浇屋面，需要在车间中间增加排柱，但工艺生产条件不允许在车间中间设柱子。若在车间地面或楼面设排烟风机专用机房，则需布置大量大截面竖向主风管和屋面下大量排烟风管，将会改变车间整体建筑和工艺布局，严重影响车间合理使用。

在此标准未颁布实施之前，屋顶立式排烟风机经常用于湿式造纸联合厂房进行机械排烟，直接露天布置，不设置专用机房。这是因为安装在室外的屋顶立式排烟风机本身就是为露天使用专门设计的，其电气防护等级、绝缘等级都较高，机械部分的材料、构造、防腐等均按露天条件设计、制作。仅从防排烟标准的条文解释中理解，屋顶立式排烟风机完全能够满足在排烟工作条件下连续运行30min，且不受火焰威胁，并能保证电机有效散热。而且造纸车间的屋顶立式排烟风机一般都是排烟和平时通风使用。作为平时通风用的屋顶立式排烟风机由于工艺条件的要求，需要全年运行，风机运行的可靠性更高。经与有关消防部门沟通，同意湿式造纸联合厂房的屋顶立式排烟风机可不设置专用机房，直接露天布置。

由此考虑计算出的单个防烟分区的自然排烟量427008m3/h，机械排烟量455378m3/h是否合理。此处的排烟量是根据标准规定的最小储烟仓厚度3.9m计算的，实际湿式造纸联合厂房二层的净空高度19.5m，因此，储烟仓的厚度可以加大，储烟仓底部距二层楼板的高度大于最小清晰高度3.55m即可，但标准规定，按照公式计算出的排烟量不应小于表4.6.3中的数值，所以储烟仓的厚度不能无限加大。湿式造纸联合厂房单个防烟分区的排烟量按照标准表4.6.3查取，即25.32×104m3/h。由此计算出的自然排烟系统每个防烟分区需设置的自然排烟窗有效面积约70m2，需设置宽2m、高2m的自然排烟窗18个。机械排烟系统每个防烟分区需要设置6台屋顶立式排烟风机，单台排烟量44000m3/h。根据防烟分区排烟量25.32×104m3/h倒推储烟仓的高度，得出自然排烟系统储烟仓的厚度为8.86m，机械排烟系统储烟仓的厚度为9.82m，满足标准要求的储烟仓厚度不应小于空间净高的20%，且不应小于500mm的要求。自然排烟系统储烟仓底部距二层地面高度为10.64m，机械排烟系统储烟仓底部距二层地面高度为9.68m。

湿式造纸联合厂房设置排烟系统，不管是采用自然排烟还是机械排烟，都需设置补风系统，补风系统根据标准的要求设置即可。

6结论

《建筑防烟排烟系统技术标准》的颁布和实施对防排烟设计起到了很好的指导作用。但对于湿式造纸联合厂房排烟系统的设计和实施也带来了以下问题并给出建议。

6.1设置自然排烟系统，屋顶或侧墙设置的自然排烟窗和可溶性采光带，大大增加了北方造纸厂冬季结露的可能性，严重影响厂房围护结构、梁、柱等的使用寿命。

6.2设置机械排烟系统，若根据防排烟标准要求设置专用机房，则需改变现有湿式造纸联合厂房的建筑结构形式。且侧墙或屋顶设置的固定窗或可溶性采光带，对于北方造纸厂同样带来结露问题。

6.3就目前来看，对于北方的湿式造纸联合厂房，尽量不采用自然排烟系统。但是随着现代科技的飞速发展，不排除未来有保温性能好的自然排烟窗和可溶性采光带的出现。湿式造纸联合厂房采用机械排烟系统时，采用屋顶立式排烟风机，但不设排烟机房，考虑到湿式造纸联合厂房生产工艺的要求，不设侧墙的固定窗或者屋顶的可溶性采光带。对于不设侧墙的固定窗或者屋顶的可溶性采光带的问题，还需与项目所在地的消防部门沟通，力争不设。