余壓監控在建筑加壓送風系統中的應用

　　摘 要：從風量、風管和風口的設計、防煙部位正壓控制方式等角度，分析了加壓送風系統設計中需要注意的幾點問題：風量的確定需合理有據；樓梯間風管和風口的設計需考慮均勻送風要求，前室風口設計確保不同樓層前室風口開啟時風機運行工況穩定；每個防煙部位獨立設置加壓送風支管和電動旁通泄壓閥門，可實現防煙部位正壓獨立控制。

　　關鍵詞：加壓送風；防煙部位；正壓控制

　　0 引言

　　隨著建筑形態、高度、功能的發展多樣化，機械加壓送風系統作為消防系統中的防煙設施，廣泛應用于各類建筑，尤其是民用建筑中。《建筑防火設計規范GB 50016-2006》（簡稱《建規》），《高層民用建筑設計防火規范 GB 50045-95（2005 版）》（簡稱《高規》）對加壓送風系統的設置部位和計算方法均有較詳盡要求。截止目前，《建筑防火設計規范 GB 50016-2014》僅明確了設置部位，未明確的部分仍參照《建規》或《高規》執行。加壓送風系統設計應當符合規范要求的同時，遵循安全適用、經濟合理的原則。為此，本文探討加壓送風系統設計過程中需要注意的幾點問題，供設計參考。

　　1 關于加壓送風量的思考

　　不同項目，規范明確的計算公式中涉及的樓層數、疏散門寬度等變量各不相同，若圖省事直接按查表值確定加壓送風量，當計算值大于查表值時，加壓送風量將不滿足壓差或門洞風速的要求。

　　有些項目根據建筑平面布置，僅需對單個前室加壓送風。例如：情況 1）地下 1 層商業的疏散樓梯不到地下 2 層及以下；情況 2）地上前室可自然排煙，地下前室無自然排煙條件且地下僅有 1 層。此時，同時開啟門的數量按 n=2（系統服務樓層數＜20 層）或 n=3（20層≤系統服務樓層數＜32 層） 取值還是按 n=1 取值？計算值與查表值比較后偏小是否需要直接套用查表值作為終值？由于規范對此問題沒有詳盡說明，設計人員本著“從嚴無錯”的原則，通常是按 n=2 或 3 取值。本文認為，可按 n=1 取值，并與查表值的 1/2 或 1/3比較后取大值。理由如下：

　　1）規范所列查表值是基于 n=2 或 3且同時開啟 2或 3個風口計算的，即每層前室的送風量滿足該層前室的門（n=1）開啟時門洞風速的要求。

　　2）對單個前室獨立設置加壓送風風機，改變的只是系統的設置形式，不變的是防煙部位的土建條件。若不加區別一味從嚴，門洞風速將是規范要求的 2 或3 倍，造成風機選型過大。當門關閉時可漏風的縫隙仍僅1層，泄壓或旁通風量變大，造成余壓閥或壓差旁通管道和電動閥門尺寸均過大，不經濟。

　　3）對于同一層同一個防火分區的土建條件一致的兩個前室，若一個是前述假設的情況1或情況2，另一個上下層對應位置都有前室且共用一套加壓送風系統，從嚴將使得兩處前室的加壓送風量不一樣：前者的送風量比后者大，但后者前室的門在人員疏散時開啟的復雜性比前者高，送風量相對卻小，不合理。

　　2 關于加壓送風風道和風口的思考

　　《建筑機電工程抗震設計規范 GB 50981-2014》規定：“排煙風道、排煙用補風風道、加壓送風和事故通風風道的選用應符合下列規定:1）8 度及8度以下地區的多層建筑，宜采用鍍鋅鋼板或鋼板制作；2）高層建筑及9 度地區的建筑應采用熱鍍鋅鋼板或鋼板制作”。從抗震角度來看，鋼板風道優于土建風道。除此之外，土建風道還因漏風量大、井壁粗糙度的光滑平整度不可控影響水力計算的準確度、若有梁系穿越管井局部阻力也大等客觀原因，不宜作為風道的材質。因此，加壓送風風道建議應采用土建豎井內襯鋼板風管的形式。

　　根據伯努利方程，加壓送風風口的送風量 L0 計算公式可表達為：

　　式中：ζ 為風口阻力系數，為風管旁通阻力系數、風口閥門阻力系數和裝飾百葉阻力系數之和；F 為風口面積；Pj 為風管旁通處靜壓；ρ為空氣密度。

　　作用于樓梯間的加壓送風系統，假如管井內的加壓送風管沿程尺寸不變，隨著空氣從沿途的送風口送出，風管內風量不斷減少。由式（1）可知，等截面風道的送風口的風量沿途隨靜壓變大而變大，造成送風量的不均衡。當樓層數和送風口較多時，特別是達到 32層且層高較大時，問題尤其突出。受風量檢測手段、人員調試水平、風閥調節流量特性等因素影響，僅靠調節閥并不能解決風量不平衡的問題。為實現均勻送風，風口尺寸不變時應確保風道上每個風口的靜壓相等，首端風口與末端風口的動壓差等于風管全長的壓力損失。對于鍍鋅鋼板風管等內表面比較光滑的風管而言，因流速下降而產生的靜壓復得往往大于風管的沿程阻力損失，因此沿風道長度方向，斷面應向著末端方向逐漸地縮小。

　　作用于前室的加壓送風系統，風道的壓降差隨風道總長度而變化，離風機近的風口開啟時送風量大，離風機遠的風口開啟時送風量小。當系統服務樓層較多，這兩種工況下同一個系統的風機的實際送風量相差很多。例如，某32 層高、層高3 m 的住宅建筑，合用前室加壓送風量 22000m³/h，主風管尺寸 1000 mm×400 mm，近端和遠端風口的風道壓降差約 370 Pa左右。若選用 HL3-2A-8.5A 型號的混流風機，僅200 Pa 的全壓變化將會使風機的風量從 17000 m³/h 變化到 29000 m³h，差別 12000 m³/h 之大。由式（1）可知，在送風主管無法變徑的情況下，可以通過調整風口面積實現近端與遠端風口送風量的一致，等效于不同樓層風口開啟時管路特性曲線差別不大，風機運行工況點可相對穩定。若忽略沿程常閉閥門漏風量對管路阻力特性的影響且風管旁通阻力系數為定值（約 2.37 左右[1），] 以風機位于系統上部為例，i 層和 i+1 層的風量比為：

　　定義 ΔP=Pji+1-Pji 為 i~i+1 層之間的沿程阻力損失（pm 為主管比模阻，H 為層高），可推算出 i+1 層風口的面積與 i 層風口的面積比為：

　　當加壓送風量、i 層風口尺寸和相鄰樓層風口之間的距離已知后，式（3）中 Fi、Pji 和 ΔP 均為已知量，遂可計算出 i+1 層風口尺寸。可以遠端可開啟風口作為基準風口逐層計算，每個風口的風量為加壓送風總量的 1/2 或 1/3。當同時打開 i 和 i+1 層風口時，式（3）中的 ΔP 為 i+2~i 層的阻力損失與 i+2~i+1 層的阻力損失之差；同時打開 i、i+1 和 i+2 層風口時，式（3）中的ΔP 為 i+3~i 層的阻力損失與 i+3~i+1 層的阻力損失之差。前述例子中，當送風口百葉面積 70%，出風口面風速5 m/s 時，遠端風口風管內靜壓約為 136 Pa，近端風口面積約是遠端的54%。

　　3 關于防煙部位正壓控制方式的思考

　　在加壓送風主管上設置一個受安裝在防煙部位的壓差傳感器控制的電動旁通泄壓閥門，來實現防煙部位正壓控制，適用于只對一部樓梯進行加壓送風，或前室進行加壓送風且著火時只開1層加壓送風風口的情況。對于地上地下樓梯間合用加壓送風系統、剪刀樓梯間合用加壓送風系統、以及著火時同時打開 2層或 3 層前室加壓送風口的系統，則不適用。例如，當第2層合用前室防火門開啟而第 3 層合用前室防火門關閉時，為確保第 2 層合用前室的門洞風速，需要第2層的壓差傳感器控制電動旁通泄壓閥門往關閉的行程動作，而第3層合用前室因門未開啟會出現超壓現象，需要第3 層的壓差傳感器控制電動旁通泄壓閥門往打開的行程動作，而電動旁通泄壓閥門同時只能根據一個信號來動作，滿足第 2 層要求的同時將不能滿足第3層的要求，反之亦然，正壓控制系統因顧此失彼而控制失效。不過，將此方式稍加改進，可擴展其適用范圍。如圖 1 所示，改進后的方式增加了加壓送風支管和設置在支管旁通管上的電動旁通泄壓閥門。

圖1 正壓控制原理圖

　　該方式應用于加壓送風系統負擔＜20 層的前室時，設置 2 個加壓送風支管，2i 層和 2i+1 層前室的加壓送風風口分別開設在加壓送風支管 1 和 2 上，2i 層和 2i+1 層前室各設一組壓差傳感器。i 為整數。任一支管上同時只會有一個風口開啟。如圖 2 所示。

　　該方式應用于地上地下樓梯間合用加壓送風系統時，設置 2 個加壓送風支管，地上地下樓梯間的加壓送風風口分別開設在加壓送風支管 1 和 2 上，地上地下樓梯間各一個壓差傳感器。如圖 2 所示。

圖2 應用于＜20層的前室和地下地上樓梯間的系統圖

　　該方式應用于加壓送風系統負擔 20~32 層的前室時，設置 3 個加壓送風支管，3i 層、3i+1 層和 3i+2 層前室的加壓送風風口分別開設在加壓送風支管 1、2 和 3上，3i 層、3i+1 層和 3i+2 層前室各設一組壓差傳感器。i 為整數。任一支管上同時只會有一個風口開啟。如圖3 所示。

圖3 應用于20-32層前室的系統圖

　　該方式應用于剪刀樓梯間合用加壓送風系統時，設置2個加壓送風支管，其中一部樓梯間的加壓送風風口開設在加壓送風支管 1 上，另一部樓梯間的加壓送風風口開設在加壓送風支管 2上，剪刀樓梯的每部樓梯各設一個壓差傳感器。如圖4 所示。

圖4 應用于剪刀樓梯間的系統圖

　　改進后的控制過程是，當任一防煙部位超壓時，位于該防煙部位的壓差傳感器控制對應該防煙部位的加壓送風支管旁通管上的電動旁通泄壓閥門開啟，泄除多余的風量。當該防煙部位失壓時，壓差傳感器控制電動旁通泄壓閥門關閉，確保門洞風速達標，阻擋煙氣侵入。每個正壓送風支管管徑和其旁通管管徑的計算，對應的風量是該支管負擔的防煙部位的門開啟和關閉時的不同風量。在設計工況下，總管路特性曲線界于防煙部位門均關閉且所有支管上的電動旁通泄壓閥門全開與防煙部位門同時開啟且所有支管上的電動旁通泄壓閥門全關之間。這種方式既能獨立控制防煙部位的正壓，又可節省風機等設備投資，同時解決了余壓閥不適用情況下的正壓控制問題。

　　4 安科瑞余壓監控系統及產品選型

　　4.1系統簡介

　　針對各類機械加壓送風系統的應用特點，安科瑞電氣股份有限公司研發了余壓監控系統，是集工業計算機技術、通訊、抗電磁干擾、數字傳感技術及消防二總線于一體的智能化系統。采用高靈敏度壓力信號傳感器，24小時實時自動巡檢并采集監控區域壓力變化等工作狀態，對超壓故障發出報警信號并記錄，當防煙樓梯間或前室余壓值達到超壓監控值時，余壓探測器發出報警信號，余壓控制器打開加壓風機風管上的旁通閥泄壓；余壓回落到正常區間值后，余壓探測器發出信號，余壓控制器關閉旁通閥，通過控制旁通閥的開啟，來保持余壓值穩定在規范要求的區間值內，系統具有實時性、數字化、智能化，自動化連續監控的特點。余壓監控系統結構圖見圖5。

　　余壓監控系統由余壓監控器（主機）、余壓控制器、余壓探測器、風閥執行器、系統監控軟件等部分或全部設備組成滿足并高于GB51251《建筑防煙排煙系統技術標準》、GB50016《建筑設計防火規范》和GB50098《人民防空工程設計防火規范》等相關國家標準中的功能需求。

圖5 余壓系統監控結構圖

　　設計說明：

　　①　余壓監控器（主機）與余壓控制器之間是485通訊，連接方式為手拉手連接，線型NH-RVSP 2*1.5mm2，通訊距離為500米；

　　②　主機支持2路RS485通訊回路，每條回路可連接32個余壓控制器；

　　③　余壓控制器與余壓探測器之間為二總線通訊，通訊距離500m， 線型NH-RVSP2*2.5mm2；

　　④　一只余壓控制器可帶120個余壓探測器。

　　4.2 產品型號及功能

　　4.2.1 ARPM100/B3余壓監控器

產品特點：

　　?滿足國家標準GB51251-2017《建筑防煙排煙系統技術標準》；

　　?與余壓控制器、余壓探測器、風閥執行器等配接，靈活構建大容量疏散通道余壓監控系統；

　　?可通過余壓控制器監控疏散通道余壓變化，適應現代建筑復雜多變的要求；

　　?抗干擾能力強，可以長距離供電；

　　?提供2條RS485通訊回路，每條回路可連接32個余壓控制器。

　　4.2.2 ARPM-S余壓探測器

產品特性：

　　?電源：15～28VDC（二總線）

　　?工作電流： ＜4mA

　　?測量范圍： -1000Pa~1000Pa

　　?通訊方式： 二總線

　　?尺寸：86mm*86mm*20mm

　　?安裝孔距：60mm

　　?安裝方式：86盒安裝

　　?工作溫度：-20℃-70℃

　　?儲存溫度：-40℃-85℃

　　LED顯示：

　　?運行指示燈：當設備正在處于通訊狀態時，運行指示燈閃爍。

　　?故障指示燈：當設備自校準失敗時，故障指示燈點亮。

　　?報警指示燈：當探測器檢測到余壓差值超出設定值時，報警指示燈點亮。

　　?安裝接線

　　LALB高壓低壓

　　二總線氣嘴

　　本模塊采用通用于86盒安裝方式，水平安裝孔距為60mm。探測器的工作電源為15～28VDC，請保證接線末端的電壓符合工作電源的范圍。使用橡膠軟管與低壓氣嘴相連，軟管另一端接到低壓區。（設備若安裝在低壓側，則用橡膠軟管與高壓氣嘴相連，軟管另一端接到高壓區。）

　　4.2.3 ARPM-C余壓控制器

產品特性：

　　?工作電源：  AC 220V  50Hz

　　?功耗： 待機狀態＜3W，動作狀態＜10W

　　?執行輸出：24V（接執行器）

　　?開關量輸入：2路

　　?開關量輸出：1路繼電器輸出

　　?通訊：1路二總線、1路RS485

　　?通訊距離：500m

　　?安裝方式：導軌式安裝

　　?工作溫度范圍： -20℃～60℃

　　?儲存溫度范圍：-30℃～80℃

　　?環境濕度：相對濕度≤90%，不結露

　　?防護等級： IP30

　　?產品符合：GB16806-2006

　　?外形尺寸

4.2.4 ARPM-DC24V風閥執行器

產品特點：

　　?滿足國家標準GB51251《建筑防煙系統技術標準》及GB 50016《建筑設計防火規范》等相關國家標準中的工能要求

　　?接收余壓控制器命令，控制調節旁通泄壓閥的開、閉角度

　　?可選擇旋轉角度，轉接頭，設置獨立的運行時間，具有手動控制按鈕

　　?采用DC24V工作電壓確保系統穩定和人身安全

　　4.3 產品選型

　　型號功能配置

　　ARPM100/B3ARPM100系列余壓監控器，壁掛式安裝，7英寸彩屏顯示，485通訊，聲光報警，防護等級IP30，可連接64個余壓控制器

　　ARPM-C余壓控制器，導軌式安裝，1.7英寸點陣顯示屏，上行485通訊，下行二總線通訊，每個控制器可連接120個余壓探測器，1路繼電器輸出功能，聲光報警，防護等級IP30

　　ARPM-S/1余壓探測器，采用86殼安裝，采用二總線的方式供電和通訊，工作電壓：DC24V，工作量程：-1000Pa-1000Pa，響應時間：1S-50S，可設置，光報警

　　ARPM-S/2ARPM-S/2余壓探測器副面板為余壓探測器附件，與探測器配套使用；通過穿墻軟管與探測器連接；與探測器分別采集墻體兩側的空氣壓力。

　　ARPM-DC24V風閥執行器，工作電壓：DC24V，防護等級：IP65，位置：機械指示；旋轉角度：90°，功率：工作功率7W，待機功率0.5W

　　5 結論

　　1）風量的確定需合理有據，不可因規范未明確而咬文嚼字一味從嚴，“嚴格”不代表“正確”。

　　2）樓梯間加壓送風風管沿程改變管徑有利均勻送風，前室加壓送風口沿程改變風口面積有利于不同樓層前室加壓送風風量的一致和風機運行工況的穩定。

　　3）采用每個防煙部位獨立設置加壓送風支管和電動旁通泄壓閥門的方式，可以滿足合用加壓送風系統、獨立控制正壓的要求。