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余压监控在建筑加压送风系统中的应用

2021-01-26 [140]

  摘 要:从风量、风管和风口的设计、防烟部位正压控制方式等角度,分析了加压送风系统设计中需要注意的几点问题:风量的确定需合理有据;楼梯间风管和风口的设计需考虑均匀送风要求,前室风口设计确保不同楼层前室风口开启时风机运行工况稳定;每个防烟部位独立设置加压送风支管和电动旁通泄压阀门,可实现防烟部位正压独立控制。

  关键词:加压送风;防烟部位;正压控制

  0 引言

  随着建筑形态、高度、功能的发展多样化,机械加压送风系统作为消防系统中的防烟设施,广泛应用于各类建筑,尤其是民用建筑中。《建筑防火设计规范GB 50016-2006》(简称《建规》),《高层民用建筑设计防火规范 GB 50045-95(2005 版)》(简称《高规》)对加压送风系统的设置部位和计算方法均有较详尽要求。截止目前,《建筑防火设计规范 GB 50016-2014》仅明确了设置部位,未明确的部分仍参照《建规》或《高规》执行。加压送风系统设计应当符合规范要求的同时,遵循安全适用、经济合理的原则。为此,本文探讨加压送风系统设计过程中需要注意的几点问题,供设计参考。

  1 关于加压送风量的思考

  不同项目,规范明确的计算公式中涉及的楼层数、疏散门宽度等变量各不相同,若图省事直接按查表值确定加压送风量,当计算值大于查表值时,加压送风量将不满足压差或门洞风速的要求。

  有些项目根据建筑平面布置,仅需对单个前室加压送风。例如:情况 1)地下 1 层商业的疏散楼梯不到地下 2 层及以下;情况 2)地上前室可自然排烟,地下前室无自然排烟条件且地下仅有 1 层。此时,同时开启门的数量按 n=2(系统服务楼层数<20 层)或 n=3(20层≤系统服务楼层数<32 层) 取值还是按 n=1 取值?计算值与查表值比较后偏小是否需要直接套用查表值作为终值?由于规范对此问题没有详尽说明,设计人员本着“从严无错”的原则,通常是按 n=2 或 3 取值。本文认为,可按 n=1 取值,并与查表值的 1/2 或 1/3比较后取大值。理由如下:

  1)规范所列查表值是基于 n=2 或 3且同时开启 2或 3个风口计算的,即每层前室的送风量满足该层前室的门(n=1)开启时门洞风速的要求。

  2)对单个前室独立设置加压送风风机,改变的只是系统的设置形式,不变的是防烟部位的土建条件。若不加区别一味从严,门洞风速将是规范要求的 2 或3 倍,造成风机选型过大。当门关闭时可漏风的缝隙仍仅1层,泄压或旁通风量变大,造成余压阀或压差旁通管道和电动阀门尺寸均过大,不经济。

  3)对于同一层同一个防火分区的土建条件一致的两个前室,若一个是前述假设的情况1或情况2,另一个上下层对应位置都有前室且共用一套加压送风系统,从严将使得两处前室的加压送风量不一样:前者的送风量比后者大,但后者前室的门在人员疏散时开启的复杂性比前者高,送风量相对却小,不合理。

  2 关于加压送风风道和风口的思考

  《建筑机电工程抗震设计规范 GB 50981-2014》规定:“排烟风道、排烟用补风风道、加压送风和事故通风风道的选用应符合下列规定:1)8 度及8度以下地区的多层建筑,宜采用镀锌钢板或钢板制作;2)高层建筑及9 度地区的建筑应采用热镀锌钢板或钢板制作”。从抗震角度来看,钢板风道优于土建风道。除此之外,土建风道还因漏风量大、井壁粗糙度的光滑平整度不可控影响水力计算的准确度、若有梁系穿越管井局部阻力也大等客观原因,不宜作为风道的材质。因此,加压送风风道建议应采用土建竖井内衬钢板风管的形式。

  根据伯努利方程,加压送风风口的送风量 L0 计算公式可表达为:

  式中:ζ 为风口阻力系数,为风管旁通阻力系数、风口阀门阻力系数和装饰百叶阻力系数之和;F 为风口面积;Pj 为风管旁通处静压;ρ为空气密度。

  作用于楼梯间的加压送风系统,假如管井内的加压送风管沿程尺寸不变,随着空气从沿途的送风口送出,风管内风量不断减少。由式(1)可知,等截面风道的送风口的风量沿途随静压变大而变大,造成送风量的不均衡。当楼层数和送风口较多时,特别是达到 32层且层高较大时,问题尤其突出。受风量检测手段、人员调试水平、风阀调节流量特性等因素影响,仅靠调节阀并不能解决风量不平衡的问题。为实现均匀送风,风口尺寸不变时应确保风道上每个风口的静压相等,首端风口与末端风口的动压差等于风管全长的压力损失。对于镀锌钢板风管等内表面比较光滑的风管而言,因流速下降而产生的静压复得往往大于风管的沿程阻力损失,因此沿风道长度方向,断面应向着末端方向逐渐地缩小。

  作用于前室的加压送风系统,风道的压降差随风道总长度而变化,离风机近的风口开启时送风量大,离风机远的风口开启时送风量小。当系统服务楼层较多,这两种工况下同一个系统的风机的实际送风量相差很多。例如,某32 层高、层高3 m 的住宅建筑,合用前室加压送风量 22000m³/h,主风管尺寸 1000 mm×400 mm,近端和远端风口的风道压降差约 370 Pa左右。若选用 HL3-2A-8.5A 型号的混流风机,仅200 Pa 的全压变化将会使风机的风量从 17000 m³/h 变化到 29000 m³h,差别 12000 m³/h 之大。由式(1)可知,在送风主管无法变径的情况下,可以通过调整风口面积实现近端与远端风口送风量的一致,等效于不同楼层风口开启时管路特性曲线差别不大,风机运行工况点可相对稳定。若忽略沿程常闭阀门漏风量对管路阻力特性的影响且风管旁通阻力系数为定值(约 2.37 左右[1),] 以风机位于系统上部为例,i 层和 i+1 层的风量比为:

  定义 ΔP=Pji+1-Pji 为 i~i+1 层之间的沿程阻力损失(pm 为主管比模阻,H 为层高),可推算出 i+1 层风口的面积与 i 层风口的面积比为:

  当加压送风量、i 层风口尺寸和相邻楼层风口之间的距离已知后,式(3)中 Fi、Pji 和 ΔP 均为已知量,遂可计算出 i+1 层风口尺寸。可以远端可开启风口作为基准风口逐层计算,每个风口的风量为加压送风总量的 1/2 或 1/3。当同时打开 i 和 i+1 层风口时,式(3)中的 ΔP 为 i+2~i 层的阻力损失与 i+2~i+1 层的阻力损失之差;同时打开 i、i+1 和 i+2 层风口时,式(3)中的ΔP 为 i+3~i 层的阻力损失与 i+3~i+1 层的阻力损失之差。前述例子中,当送风口百叶面积 70%,出风口面风速5 m/s 时,远端风口风管内静压约为 136 Pa,近端风口面积约是远端的54%。

  3 关于防烟部位正压控制方式的思考

  在加压送风主管上设置一个受安装在防烟部位的压差传感器控制的电动旁通泄压阀门,来实现防烟部位正压控制,适用于只对一部楼梯进行加压送风,或前室进行加压送风且着火时只开1层加压送风风口的情况。对于地上地下楼梯间合用加压送风系统、剪刀楼梯间合用加压送风系统、以及着火时同时打开 2层或 3 层前室加压送风口的系统,则不适用。例如,当第2层合用前室防火门开启而第 3 层合用前室防火门关闭时,为确保第 2 层合用前室的门洞风速,需要第2层的压差传感器控制电动旁通泄压阀门往关闭的行程动作,而第3层合用前室因门未开启会出现超压现象,需要第3 层的压差传感器控制电动旁通泄压阀门往打开的行程动作,而电动旁通泄压阀门同时只能根据一个信号来动作,满足第 2 层要求的同时将不能满足第3层的要求,反之亦然,正压控制系统因顾此失彼而控制失效。不过,将此方式稍加改进,可扩展其适用范围。如图 1 所示,改进后的方式增加了加压送风支管和设置在支管旁通管上的电动旁通泄压阀门。

图1 正压控制原理图

  该方式应用于加压送风系统负担<20 层的前室时,设置 2 个加压送风支管,2i 层和 2i+1 层前室的加压送风风口分别开设在加压送风支管 1 和 2 上,2i 层和 2i+1 层前室各设一组压差传感器。i 为整数。任一支管上同时只会有一个风口开启。如图 2 所示。

  该方式应用于地上地下楼梯间合用加压送风系统时,设置 2 个加压送风支管,地上地下楼梯间的加压送风风口分别开设在加压送风支管 1 和 2 上,地上地下楼梯间各一个压差传感器。如图 2 所示。

图2 应用于<20层的前室和地下地上楼梯间的系统图

  该方式应用于加压送风系统负担 20~32 层的前室时,设置 3 个加压送风支管,3i 层、3i+1 层和 3i+2 层前室的加压送风风口分别开设在加压送风支管 1、2 和 3上,3i 层、3i+1 层和 3i+2 层前室各设一组压差传感器。i 为整数。任一支管上同时只会有一个风口开启。如图3 所示。

图3 应用于20-32层前室的系统图

  该方式应用于剪刀楼梯间合用加压送风系统时,设置2个加压送风支管,其中一部楼梯间的加压送风风口开设在加压送风支管 1 上,另一部楼梯间的加压送风风口开设在加压送风支管 2上,剪刀楼梯的每部楼梯各设一个压差传感器。如图4 所示。

图4 应用于剪刀楼梯间的系统图

  改进后的控制过程是,当任一防烟部位超压时,位于该防烟部位的压差传感器控制对应该防烟部位的加压送风支管旁通管上的电动旁通泄压阀门开启,泄除多余的风量。当该防烟部位失压时,压差传感器控制电动旁通泄压阀门关闭,确保门洞风速达标,阻挡烟气侵入。每个正压送风支管管径和其旁通管管径的计算,对应的风量是该支管负担的防烟部位的门开启和关闭时的不同风量。在设计工况下,总管路特性曲线界于防烟部位门均关闭且所有支管上的电动旁通泄压阀门全开与防烟部位门同时开启且所有支管上的电动旁通泄压阀门全关之间。这种方式既能独立控制防烟部位的正压,又可节省风机等设备投资,同时解决了余压阀不适用情况下的正压控制问题。

  4 安科瑞余压监控系统及产品选型

  4.1系统简介

  针对各类机械加压送风系统的应用特点,安科瑞电气股份有限公司研发了余压监控系统,是集工业计算机技术、通讯、抗电磁干扰、数字传感技术及消防二总线于一体的智能化系统。采用高灵敏度压力信号传感器,24小时实时自动巡检并采集监控区域压力变化等工作状态,对超压故障发出报警信号并记录,当防烟楼梯间或前室余压值达到超压监控值时,余压探测器发出报警信号,余压控制器打开加压风机风管上的旁通阀泄压;余压回落到正常区间值后,余压探测器发出信号,余压控制器关闭旁通阀,通过控制旁通阀的开启,来保持余压值稳定在规范要求的区间值内,系统具有实时性、数字化、智能化,自动化连续监控的特点。余压监控系统结构图见图5。

  余压监控系统由余压监控器(主机)、余压控制器、余压探测器、风阀执行器、系统监控软件等部分或全部设备组成满足并高于GB51251《建筑防烟排烟系统技术标准》、GB50016《建筑设计防火规范》和GB50098《人民防空工程设计防火规范》等相关国家标准中的功能需求。

图5 余压系统监控结构图

  设计说明:

  ① 余压监控器(主机)与余压控制器之间是485通讯,连接方式为手拉手连接,线型NH-RVSP 2*1.5mm2,通讯距离为500米;

  ② 主机支持2路RS485通讯回路,每条回路可连接32个余压控制器;

  ③ 余压控制器与余压探测器之间为二总线通讯,通讯距离500m, 线型NH-RVSP2*2.5mm2;

  ④ 一只余压控制器可带120个余压探测器。

  4.2 产品型号及功能

  4.2.1 ARPM100/B3余压监控器

产品特点:

  满足国家标准GB51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》;

  与余压控制器、余压探测器、风阀执行器等配接,灵活构建大容量疏散通道余压监控系统;

  可通过余压控制器监控疏散通道余压变化,适应现代建筑复杂多变的要求;

  抗干扰能力强,可以长距离供电;

  提供2条RS485通讯回路,每条回路可连接32个余压控制器。

  4.2.2 ARPM-S余压探测器

产品特性:

  电源:15~28VDC(二总线)

  工作电流: <4mA

  测量范围: -1000Pa~1000Pa

  通讯方式: 二总线

  尺寸:86mm*86mm*20mm

  安装孔距:60mm

  安装方式:86盒安装

  工作温度:-20℃-70℃

  储存温度:-40℃-85℃

  LED显示:

  运行指示灯:当设备正在处于通讯状态时,运行指示灯闪烁。

  故障指示灯:当设备自校准失败时,故障指示灯点亮。

  报警指示灯:当探测器检测到余压差值超出设定值时,报警指示灯点亮。

  安装接线

  LALB高压低压

  二总线气嘴

  本模块采用通用于86盒安装方式,水平安装孔距为60mm。探测器的工作电源为15~28VDC,请保证接线末端的电压符合工作电源的范围。使用橡胶软管与低压气嘴相连,软管另一端接到低压区。(设备若安装在低压侧,则用橡胶软管与高压气嘴相连,软管另一端接到高压区。)

  4.2.3 ARPM-C余压控制器

产品特性:

  工作电源:  AC 220V  50Hz

  功耗: 待机状态<3W,动作状态<10W

  执行输出:24V(接执行器)

  开关量输入:2路

  开关量输出:1路继电器输出

  通讯:1路二总线、1路RS485

  通讯距离:500m

  安装方式:导轨式安装

  工作温度范围: -20℃~60℃

  储存温度范围:-30℃~80℃

  环境湿度:相对湿度≤90%,不结露

  防护等级: IP30

  产品符合:GB16806-2006

  外形尺寸

4.2.4 ARPM-DC24V风阀执行器

产品特点:

  满足国家标准GB51251《建筑防烟系统技术标准》及GB 50016《建筑设计防火规范》等相关国家标准中的工能要求

  接收余压控制器命令,控制调节旁通泄压阀的开、闭角度

  可选择旋转角度,转接头,设置独立的运行时间,具有手动控制按钮

  采用DC24V工作电压确保系统稳定和人身安全

  4.3 产品选型

  型号功能配置

  ARPM100/B3ARPM100系列余压监控器,壁挂式安装,7英寸彩屏显示,485通讯,声光报警,防护等级IP30,可连接64个余压控制器

  ARPM-C余压控制器,导轨式安装,1.7英寸点阵显示屏,上行485通讯,下行二总线通讯,每个控制器可连接120个余压探测器,1路继电器输出功能,声光报警,防护等级IP30

  ARPM-S/1余压探测器,采用86壳安装,采用二总线的方式供电和通讯,工作电压:DC24V,工作量程:-1000Pa-1000Pa,响应时间:1S-50S,可设置,光报警

  ARPM-S/2ARPM-S/2余压探测器副面板为余压探测器附件,与探测器配套使用;通过穿墙软管与探测器连接;与探测器分别采集墙体两侧的空气压力。

  ARPM-DC24V风阀执行器,工作电压:DC24V,防护等级:IP65,位置:机械指示;旋转角度:90°,功率:工作功率7W,待机功率0.5W

  5 结论

  1)风量的确定需合理有据,不可因规范未明确而咬文嚼字一味从严,“严格”不代表“正确”。

  2)楼梯间加压送风风管沿程改变管径有利均匀送风,前室加压送风口沿程改变风口面积有利于不同楼层前室加压送风风量的一致和风机运行工况的稳定。

  3)采用每个防烟部位独立设置加压送风支管和电动旁通泄压阀门的方式,可以满足合用加压送风系统、独立控制正压的要求。