楼梯间及前室加压送风系统余压动态控制方法
王翔1 梁以文2
1 上海中房建筑设计有限公司 2 上海瑞能德系统有限公司
摘 要：通过对加压送风系统开关门状态等引起风量差异原因的分析，说明对消防前室加压和10层以下的楼梯间加压系统设置余压控制措施是必要的。提出对目前设计手册中泄压阀选用计算公式的修正。已完成的工程实例参考了香港地区加压系统余压控制的做法。结论是使用压差探测开关+电动旁通阀应用于消防前室加压系统及使用泄压阀应用于10层以下的楼梯间加压系统是有效的，也更经济。
关键词：楼梯间 前室 动态 余压 泄压阀 旁通阀 压差传感器
The Dynamic Positive Pressure Control of Pressurization
Supply System for Staircase and Antechamber
Wang Xiang1, Raymond Leung2 1 Shanghai ZF Architectural Design Co., Ltd 2 Shanghai Randa Engineering & Service Co.
Abstract: By means of analyzing the imparity of airflow between door opening and closing mode, it is necessary to control the positive pressure of antechambers and smoke-proof staircases(less than 10 floors). Modifying the formula of calculation the dimension of pressure relief damper in the handbook. Using some practical experience from Hong Kong in one project. Present the conclusion that it is effective and economical to use differential pressure detector and by-pass damper to control the positive pressure of an antechambers pressurization supply system, to use pressure relief damper to control the positive pressure of a smoke-proof staircases pressurization supply system.
Keywords: staircase, antechamber, dynamics state, positive pressure, pressure relief damper, by-pass damper, differential pressure sensors
收稿日期：2010-12-10 作者简介：王翔（1966~），男，本科，高工；上海市中华路1600号黄浦中心19楼（200021）；021-63855600-3306；E-mail: wangx@shzf.com.cn
1 引言
关于楼梯间及前室等区域的余压值控制，有关文献的叙述如下：
1）文献[1]中3.3.6条：当系统的余压超过最大压力差时，应设置余压调节阀或采用变速风机等措施。
2）文献[2]中4.10.10条：加压送风系统的余压值超过规定数值较多时，宜设置泄压阀或旁通阀等装置。
2 对机械加压送风系统进行压力控制的必要性
加压送风系统的控制区域超压是十分危险的，这在各种规范的条文说明中均有叙述（文献[3]中9.3.3，文献[4]中8.3.8等）。所以对于楼梯间及前室等区域进行余压控制是必要的。
3 引起区域超压的原因
加压送风系统余压值超过规定数值的情况有很多种，但基本可以分为动态和静态二种超压工况。动态超压工况是指运行工况不同可能引起的区域超压。静态超压工况是指设计方或采购方选用设备富裕量太大引起的区域超压，可以通过调试（如使用手动风量调节阀一次性调节等）来解决超压，不是本文探讨的范畴。
3.1 空气在送风管（井）中流动引起压力损失的影响
设计人员一般选取加压风管的送风阻力约3 Pa/m，对于一个（合用）前室加压送风系统，按文献[1]只对火灾层前室加压时，假如风机设在屋顶，为保证其对底层前室送风加压使房间余压达到25 Pa，该风机风压需满足克服管路阻力的风压及余压（25 Pa）之和，如果对于10层建筑，顶层与底层前室的高度差为30 m，这时对顶层前室送风加压时就可能达到25＋3×30=115 Pa，就引起了前室超压。当按文献[3]、[4]对火灾层及上下层前室加压时，结果是类似的，这一点在文献[5]中也有叙述。
3.2 开关门状态的影响
文献[3]、[4]规定，加压送风量的计算分别按压差法和风速法计算出的风量，取其中大值作为系统的计算风量，实际上二种计算方法分别代表了关门保持压力和开门保持风速二种状态，文献[2]、[5]均将二者之差作为超压泄压阀的选取依据。表1及表2分别按文献[4]对消防电梯前室和楼梯间的二种状态风量计算加以比较（计算公式取自文献[2]中4.10.3条）。
表1 消防电梯前室的机械加压送风量比较
系统 负担 层数 5 10 15 20 25 30
疏散门尺寸
电梯门尺寸
LY压差法 计算风量 （m3/h） 3424 3424 3424 5136 5136 5136
LV风速法 计算风量 （m3/h） 17741 17741 17741 26611 26611 26611
LY/LV （%） 19% 19% 19% 19% 19% 19%
备注
（长m×宽m） （长m×宽m） 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6
2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6
2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
对火灾层及其上层加压 对火灾层及其上层加压 对火灾层及其上层加压 对火灾层及其上下层加压 对火灾层及其上下层加压 对火灾层及其上下层加压
注：△P 取25Pa，门洞平均风速取0.7m/s，漏风附加率b=0.1，背压系数a取1，疏散门缝宽度取0.004m，电梯门缝宽度取0.006m。
表2 楼梯间的机械加压送风量比较
系统 负担 层数 5 10 15 20 25 30
疏散门尺寸 （长m×宽m） 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6
2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
LY压差法 计算风量 （m3/h） 4842 9684 14526 19368 24210 29052
LV风速法 计算风量 （m3/h） 25344 25344 25344 38016 38016 38016
LY/LV （%） 19% 38% 57% 51% 64% 76%
备注
开启门数取2 开启门数取2 开启门数取2 开启门数取3 开启门数取3 开启门数取3
注：△P取50Pa，门洞平均风速取0.7m/s，漏风附加率b=0.1，背压系数a=0.7，疏散门缝宽度取0.004m，电梯门缝宽度取0.006m，前室不加压。
从上表可以得出“对于加压的消防电梯前室和总层数小于10层的楼梯间，其关门与开门风量比值均小于50%，如不采取动态泄压措施，仅凭加压系统手动调试根本无法实现二种状态的均满足在设计值范围内”的结论。
4 几种余压动态控制方法应用的比较 4.1 每层设置泄压阀
根据文献[2]，设置泄压阀（工程上常采用可设定压差值的余压阀）且在穿防火墙处设置70℃防火阀，泄压阀板开启面积计算公式为：
F=(LV-LY)/(3600*6.41) （1）
式中：LV为加压送风量，m3/h，文献[3]、[4]利用风速法计算得出；LY为利用压差法计算得出的加压送风量，m3/h。
表3及表4是按表2及表3工况利用式（1）计算所得的泄压阀面积结果。
表3 前室泄压阀面积
消防电梯前室加压系统负担层数
泄压阀面积（m2）
5 0.62
10 0.62
20 0.93
30 0.93
表4 楼梯间泄压阀面积
楼梯间加压系统负担层数 泄压阀面积（m2）
5 0.89
10 0.68
20 0.81
30 0.39
笔者认为，利用式（1）简单地推算泄压阀的面积是偏大的，系统可能会由于漏风过大而无法达到规定的过门风速。原因如下：
对于消防前室加压系统,未开启前室风口的层面，常闭风口均在漏风（风量L漏计算见文献[1]中公式5.1.1-4），泄压阀计算风量应改为：LV-LY-L漏。所以此时式（1）应修正为：
F=(LV-LY-L漏)/(3600*6.41)
=(LV-LY-0.083*3600*F风*(N-X)) /(3600*6.41)
=(LV-LY-299* F风*(N-X) )/ 23076 （2）
式中：N为系统承担的楼层数；X为开启的前室加压风口数量（取2或3）；F风为前室加压风口面积。
对于楼梯间加压系统，由于楼梯间与前室隔墙上的泄压阀只有在走廊与前室的门打开时才会开启，对于前述门未打开的层面，未打开的泄压阀会通过缝隙漏风，当楼层较多时，LY应当计入泄压阀缝隙的压差风量（风量L漏计算可参考文献[1]中公式5.1.1-4）才更准确。因此此时式（1）应修正为：
F=(LV-LY-L漏)/(3600*6.41)
=(LV-LY-0.083*3600*F *(N-X)) /(3600*6.41)
=(LV-LY-299* F *(N-X) )/ 23076 （3）
式中：N为系统承担的楼层数；X为开启的门数量（取2或3）；F为泄压阀面积。可化简为：
F=(LV-LY)/(23076+299*( N-X)) （4）
表5，6为分别利用式（2）、（4）计算的泄压阀面积，可以看出，阀门的面积有所减少。
表5 按式（2）计算泄压阀面积
消防电梯前室加压系统负担层数 按式（2）计算泄压阀面积（m2）
5 0.61
10 0.59
20 0.86
30 0.82
表6 按式（4）计算泄压阀面积
楼梯间加压系统负担层数
5
10 0.61
20 0.66
30 0.29
按式（4）计算泄压阀面积（m2） 0.86
经济性方面，按风阀价格约1000元/m2计算，每个消防前室或每层每个楼梯间造价约
1600元~600元之间（余压阀及防火阀各一个，风阀截面积0.8~0.3 m2）。
4.2 设置旁通阀及压差传感器控制系统
该方法是在加压风机出口处设一个电动旁通阀泄压，通过设置压差传感器对系统动态控制。其控制目标为压差（即区域余压），不需考虑热压，管道阻力，开关门各种复杂因素，且无安装尺寸方面的困难。缺点是会引起投资增加（包括压力传感器，控制线缆及其线槽，控制器，电动旁通泄压阀等），也有控制系统产生故障的可能性。该系统在香港地区有较多的应用，但在国内目前的设计手册（如文献[5]等）中均没有较详细的叙述。
对于楼梯间，由于余压控制区域为一个空间且上下贯通，可根据楼层的多少在竖向设置几个压差传感器（探头一侧设于楼梯间，另一侧设于走廊，压差设定值为50Pa），当系统控制区域超压时，系统压力控制器（可采用数个AI输入，一个AO输出的DDC）根据实际压差值与设定值的差异调节旁通泄压阀，以保证楼梯间正压为设定值。
对于消防电梯前室或合用前室，由于余压控制区域为多个上下不贯通的空间（每层前室），需要在每层前室设压差传感器（探头一侧设于前室，另一侧设于走廊，压差设定值为25Pa），当系统控制区域超压时，系统控制器根据实际压差值与设定值的差异调节旁通阀，以保证前室正压为设定值。由于前室设压差传感器造价偏高，近年来工程上逐步使用压差探测开关（Differential pressure detector）来代替，该装置结构简单，仅输出开关二种状态，图1为其功能图。压差开关给予三位讯号，即高于设定值10%时，触点1-3闭合，低于设定值10%时触点1-2闭合，即可带动旁通风门驱动器带动风门正转或反转，当压差处于设定值+/-10%内，处于控制死区，旁通风门驱动器停留在原位。
1-2连接为压差降低状态（关旁通阀）；1-3连接为压差增大状态（开旁通阀）
图1 压差探测开关功能图
使用压差探测开关的好处是每层二根信号线均可并接后接至加压风机处的控制器，由于控制信号为开关量，电动旁通泄压阀只要选开关型，这样造价就大大降低了（开关型电动风阀比调节型便宜，压差传感器价格约为压差探测开关的3~5倍，敷设的信号线也减少了），控制器功能也更简单，只要设置一个继电器来控制旁通泄压阀的开关就行了。使用这种方法必须注意的问题是所选用的旁通风门驱动器开关行程时间尽量大，最理想是如旁通风门驱动器转动60秒后，前室压差应有10%改变。按经验，选用的旁通风门驱动器一般行程时间为120秒，即有效行程范围为50%，正常工况下旁通风门约停留在30%~80%开度，对于风管系统来说近似处于连续调节的状态，就不会出现突然开大或关小引起大的压力波动而失控。
4.3 设置变速风机及压力传感器控制系统
如文献[1]中3.3.6条所述：“当系统的余压超过最大压力差时，应设置余压调节阀或采用变速风机等措施”。设置变速风机也是压力控制的方法之一，但这种方法在具体工程实例中较少看到。笔者认为该措施由于也要使用压差传感器控制系统来调节风机变速，所以造价必然比设置旁通阀的方法大。
另外值得指出的是，依据文献[6]中13.9.6条“消防设备的控制回路不得采用变频调速器作为控制装置”，其原因是电气专业设计人员认为变频装置线路复杂，应用于消防系统有安全隐患。该方法事实上已无法应用在设计中，本专业最新出版的设计技术措施（文献[2]）中也未推荐该方法，所以本文不准备就该方法进行讨论。
5 工程实践案例及数据 5.1 工程案例
笔者设计的某高层建筑位于上海，总建筑面积约8万m2。地上35层、地下3层，高度约150m。该工程由香港某机电工程公司承包完成其中的机电安装部分，目前已经竣工。
该项目5~35层塔楼（办公区）设置楼梯间加压系统及合用前室加压系统，竖向按1~15层和16~35层分别划分系统，防烟楼梯间每隔2层设常开百叶风口，前室每层设常闭送风口。火灾发生时，由消防中心启动加压风机（其出口设电动旁通调节风阀）对楼梯间及合用前室进行加压送风，楼梯间保持50Pa；前室保持正压25Pa。
5.2 余压控制系统
5.2.1 合用前室加压系统压差控制
在每层前室安装有压差探测开关（选型为QBM81-3），当前室压力（与内走道的相对压差）超过设定的压力值（如25Pa）时，发出触点信号至旁通阀控制器，开大旁通风阀（开关型电动阀执行器选型为GCA321.1E）泄压，若前室压力（与内走道的相对压差）小于设定的压力值（如25Pa）时， 关小旁通风阀以增大压力。控制前室内压力在消防要求范围内。 5.2.2 楼梯间加压系统压差控制
每7层楼梯间安装有1个压差传感器（选型为QBM66-201），中高区（16~35层）楼梯间竖向每个系统共3个，当楼梯间平均压力（与内走道的相对压差）超过设定的压力值（如50Pa）时，发出连续信号（DC0~10V）至旁通调节风阀（执行器选型为GBB161.1E）控制器（选型为RWD68/CN），开大旁通调节风阀泄压，若楼梯间平均压力（与内走道的相对压差）小于设定的压力值（如50Pa）时， 关小旁通调节风阀保持压力，控制楼梯间内平均压力在消防要求范围内。 5.2.3 测试数据
表7为机电承包商提供的防烟系统调试开通报告中关于楼梯间1及其合用前室的数据。
表7 楼梯间1及其合用前室调试数据
34F
余压（Pa） 过门风速（m/s）
34F 28F 28F 24F 24F 18F 18F
楼梯间 合用前室 楼梯间 合用前室 楼梯间 合用前室 楼梯间 合用前室 65 1.1
30 1.3
64 1.0
28 1.3
60 0.9
27 1.2
55 0.8
26 1.2
5.2.4 系统造价
楼梯间1加压系统（SPF-RF-01）造价（包括压差传感器，控制设备，布线及线槽）约2.3万元，合用前室加压系统（VPF-RF-01）造价（包括压差探测开关，控制设备，布线及线槽）约2.6万元。 5.2.5 有关问题探讨
1）以一个负担20层的加压系统为例分析经济性及实用性。采用旁通阀及压差传感器控制系统（以下简称方法1），楼梯间系统造价为1150元/层，前室系统造价为1300元/层。采用每层设泄压阀的方法（以下简称方法2），按表5、6中的计算面积，得出楼梯间系统造价为1320元/层，前室系统造价为1720元/层。可以看出对于楼梯间系统，方法2在造价上略大于方法1，但不存在电气故障的可能性，是值得推荐的方法；对于前室系统，方法2造价上明显大，而且风阀尺寸大，往往难以安装，所以方法1更值得推荐。
2）采用旁通阀及压差传感器控制系统时的控制精度比较。该工程34F前室与18F前室余压相差比率为（30-26）/26=15%，而楼梯间加压系统34F与18F处的余压相差比率为（65-55）/55=18%，说明采用压差探测开关及开关型电动旁通阀控制前室的余压是可行的，控制精度并不比采用压差传感器及调节型电动旁通阀差。
3）楼梯间加压系统采用动态余压控制的必要性。如表2所显示，在系统承担层数在15层以上时，关门与开门状态风量之比已大于50%，是否设置动态余压控制系统笔者认为可以采用“宜”的推荐方法，但对于系统承担层数较小时，开关门状态风量差异大，如不采取措施，肯定会出现超压情况。在本工程案例中地下室的2个疏散楼梯间（B3F~1F，前室未加压）在设计时从经济性考虑未设动态余压控制措施，承包商反映调试时如使过门风速达标（0.7m/s），就会超压，如关小风管上的手动调节阀，其风量就无法满足过门风速的要求。设计回访中，我们确实看到在满足过门风速状态时，楼梯间与前室之间的门需要2个成年男子用力才能打开的超压情况。这个事实也印证了本文3.2节结尾的结论：对于加压系统承担总层数小于10层的楼梯间，应采取泄压措施。
4）在目前的国家防火设计规范仍无动态余压控制措施的规定，会使现实设计中的余压控制做法随意，而业主也会因规范无规定、增加投资等因素将其取消。而如一些设计手册不管系统负担层数多少，只关注加压的最小控制风量（负担19层的系统风量与负担2层的系统风量要求是一样的）。通过表2可以看出负担层数越少，开关门工况风量差异越大，造成超压的可能性就越大，这样就造成了安全系统的不安全隐患。
5）目前的火灾自动报警规范是98年的版本，未将余压控制（设旁通阀及压差传感器控制系统时）作为火灾报警系统的一个常规子项系统，值得设计人员关注。
6 结论
1）国家防火设计规范应予以条文说明指出余压控制的推荐做法，使设计人员有据可依，设计手册中只关注加压系统最小风量有一定隐患。
2）对于加压的消防电梯前室和总层数小于10层的楼梯间，其关门与开门风量比值均小于50%，应采取动态泄压措施。措施一般采用每层设泄压阀和采用旁通阀及压差传感器控制系统二种方法。
3）从经济性和工程可行性看，每层设泄压阀的方法较适合于小于10层的楼梯间加压系统，而对于消防前室加压系统推荐采用压差探测开关及开关型电动旁通阀（行程时间不小于
120 s）的控制方法。
4）专业技术措施和设计手册中有关每层设泄压阀的风阀面积选型公式计算结果偏大，楼层较多时可能由于漏风过量使过门风速无法达标，建议按本文公式（2）、（4）进行修正。
5）动态余压控制系统如采用旁通阀及压差传感器方法时，应归入火灾报警系统中。
参考文献
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