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摘要：目前，消防技术标准对自然排烟的技术要求通常只涉及排烟方式、排烟口面积、排烟量、补风量，没有考虑建筑所处自然环境对排烟效果的多种影响因素，如环境温度、湿度、风向、风压等，导致实际使用效果与理论设计间存在一定差异。
关键词：环境温度；大空间建筑；自然排烟；影响
1自然排烟的原理
燃烧产生的热使室内气体的温度和密度发生变化，形成压力差，温度差和压力差的存在是烟气流动的根本原因。自然排烟主要依靠浮力和压力差的作用实现，利用火灾产生的热烟气流的浮力和外部风力作用通过建筑物的对外开口把烟气排至室外。即：自然排烟方式实质上是热烟气和冷空气的对流运动。热烟气层在着火空间上部形成，下部为冷空气层，在一定高度上存在内外压力相等的中性层。在中性层上方着火房间压力大于室外压力，如果在中性层以上区域有通风口，则热烟气由着火房间流向室外；在中性层下方着火房间压力小于室外压力，如果在中性层以下区域有通风口，则室外冷空气将向着火房间补充。若通过排烟口排出的烟气质量流量等于或大于进入烟气层的质量流量就可以避免烟气层下降，以此达到排烟的目的。
2外界温度对自然排烟的影响
温度差和压力差的存在是烟气流动的根本原因。自然排烟方式实质上是依靠热浮力造成气体流动将热烟气排出，烟气和空气之间的温度差越大，烟气和空气的密度差就越大，所引起的热压作用就越大，自然排烟的效果越好。通常，普通层高的建筑火灾的室内温度可达几百度，可不考虑环境温度的影响。但由于大空间火灾引起的温升并不高，有必要考虑环境温度对大空间自然排烟效果的影响。环境温度是一个不确定因素，因季节、地区不同而有很大差异，并且火灾时烟气温度也是随时间变化而变化的。环境温度过高时，会阻碍烟气的上升，南方的夏季这种现象尤其明显，顶部排烟口的效率大大降低，故仅设置顶部的水平排烟口并不可靠，还应在侧墙的适合高度上设置竖直排烟窗，以加强自然排烟的可靠性。
3大空间建筑自然排烟过程影响因素分析
造成建筑内烟气流动的主要因素有：燃烧加热所产生的浮力和膨胀力、建筑物内外温差产生的浮力、外部风产生的压力差和建筑物内的空气控制系统产生的压力差。即烟气流动的驱动力可以总结为热压作用和风压作用。与热压作用大小有关的因素包括着火空间室内温度、空间高度、环境温度，而风压作用的大小则取决于室外风速和建筑地况。
大空间建筑的室内温度在外部太阳辐射、室内大量的灯光散热、室内空气对流等因素作用下分布并不均匀，上下温差常常在10℃以上，由于屋顶温度较高会在其顶棚下方形成具有一定厚度的热空气层即顶部热滞留区域；南方地区的大空间建筑尤其是夏天，这种热空气层的温度可达到50℃以上。如果顶部热空气不能被迅速排走，那么，火灾早期的烟气就不能顺利上升，可能在某一高度中止，导致在建筑物内比预期高度低的某一点形成烟气层，即发生烟气的过早分层。这种现象看起来就像烟气上升遇到屏障一样，即热障效应。
当大空间内存在热分层现象时，火灾烟气只有先破坏这种热环境才能顺利向上运动。如果火灾功率比较大，产生的热量比较多，那么热分层环境只是延迟了自然排烟的进行；而如果火灾功率较小，对自然排烟来说就非常不利了。另一方面，现代的大空间建筑中通常使用的是与报警系统联动的自动排烟窗，热分层环境造成火灾烟气早期上升的延迟必然会使报警延迟，从而推迟自动排烟窗的动作。
4风作用对自然排烟的影响
风的作用分为外部环境风和内部通风口的补风作用。环境风可以在建筑物的周围产生风压，排烟口处的风压可以干扰建筑物内部的烟气流动，且这种影响要超过以上所提及的各种影响，尤其是在高风速地区。现代大空间建筑往往高达20～40m。高大空间火灾烟气的温升并不是很高，更容易受到外部影响因素的影响，应考虑室外风场对高大空间自然排烟的影响及限制范围。风向、风力、风速等因素都是不可控制的，风对建筑设计的影响较其他因素更加难以预测，通常借助物理尺寸模型，即风洞实验，模拟实际的风力现象。研究表明，建筑物的迎风面受正风压作用，背风面、侧面及屋顶受负风压作用，且迎风面的风压系数随高度的增加而增大。但在建筑物高度的4／5处左右会出现一个滞点，在该滞点处为风压值最大，达到该滞点后，风压随高度增加而减小。在正压作用下，外墙面开口的中性层位置相比无风时升高，排烟口的排烟效率会大大降低，故不建议在正压面设置排烟口，在负压面和顶棚设置排烟口是最有利的。但某些地区风向具有多变性，建议在建筑物四周均匀设置排烟窗，并结合顶棚水平排烟口一起使用。为了能达到设计的排烟效果，建筑物底部需设置适宜的补风口，以方便补充大量的新鲜空气，达到动态平衡的目的。研究表明，当上部热烟气层温度高于环境温度400K时，进风与排烟面积比为1时排烟流量可达到预定流量的80％；面积比为2时可达到90％。当上部热烟气层温度相对较低时，如高于环境温度200K时，进风与排烟面积比为l时可达到预定排烟流量的70％；面积比为2时可达到90％。在实际应用中，补风口的应用面积会由于堵塞而远小于设计面积，为了保证补风效果，可以设置机械送风系统，且保证与排烟系统联动启动。
5建筑结构对自然排烟的影响
大空间建筑的内部空问大多可达几十米，区域使用功能统一，四周不再有楼层，而是多层的固定看台或座位。其穹顶多使用钢结构和玻璃以加强采光效果，且安装中央空调等大型设备进行内部空间温度调节，这使大空间的自然排烟与普通建筑的自然排烟效果大为不同。正常情况下，体育馆的曲面顶棚下部空间不加分隔，随着火灾的进行，烟气逐渐在此区域内聚集。这部分空间为非人员活动区域，若排烟口设在顶棚有利于排烟。但由于上述结构的影响，会使顶部空气温度过高，对于处于南方地区的大空间建筑来说，尤其是夏天，顶部温度可达到50℃以上。如果顶部热空气不能及时地排走就会影响早期烟气的上升，导致烟气上升到某一高度后像遇到了顶棚一样像四周扩散，伴随火灾烟气的不断堆积，形成逐渐加厚的烟气层。这一现象将大大降低顶棚自然排烟的效率，故GB50045—95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》限制了中庭使用自然排烟窗的高度，也是出于排烟效果的考虑。
另一方面，高大空间建筑顶部通常为穹形，且无分隔物，适合蓄烟之用。一旦发生火灾，可燃物上方的火羽流垂直上升碰到顶棚，热烟气由垂直运动改为水平运动，并沿顶棚下部向四周蔓延，逐渐填充整个穹形区域。当烟气在此区域聚集相当厚度的热烟气层时，排烟口处内外压差也随之增大，使排烟更加稳定可靠。
结束语：
控制自然排烟的影响因素，设计合理的排烟口高度，可以实现火灾时人员的安全疏散。在外界环境温度很高的情况下，应该控制好大空间建筑物上部区域的温度，以防止温度过高影响排烟效率。考虑到外界风的作用，尽量将排烟口设置在顶棚，并在建筑物四周的适宜高度处均匀设置竖直排烟口。为了防止建筑物下部的补风口被堵塞，不能供应足够的新鲜空气，应适当增大补风口的面积，使自然排烟的效率达到最大化。
参考文献：
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