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1、建筑火灾烟气控制浅谈摘要：本文首先对建筑火灾烟气流动过程进行了分析,介绍了着火房间内外的压力分布情况,着火房间门窗开启时的气体流动情况以及烟囱效应,进而分析烟气的质量生成率、温度及分布情况、风和建筑通风系统对烟气流动的影响情况，最后对提出了烟气控制的几种方式，并分析比较。关键词：建筑火灾，烟气流动，烟气控制1建筑火灾烟气流动的分析建筑物内烟气的流动在不同燃烧阶段表现是不同的。在火灾发生初期，烟气由于其温度高且密度小，便会伴随着火焰向上升腾，遇到顶棚后，则转为水平方向的层流流动。试验研究表明，这种层流状态可保持40-50m。烟气沿着顶棚流动时，如遇到梁或者挡烟垂壁就会反向流动，并逐渐在顶棚聚集，
2、直到烟气的厚度超过挡烟物体时，就会绕过挡烟物体流到其他的空间。此阶段，烟气扩撒速度约为0.3m/s。轰然发生前，烟气扩散速度约为0.5-0.8m/s，此时烟气层厚度已充满走廊高度的一半。轰燃发生时，烟气的喷出速度可达每秒数十米。当然，烟气在垂直方向上的流动也是很迅速的。实验证明，烟气在垂直方向上的流动速度要比水平方向流动速度快很多，一般可达3-5m/s。烟气的流动通常遵循由压力高的地方向压力低的地方流动这个基本规律，倘若房间内为负压，那么烟气就会通过通风口进入室内。1.1着火房间内外压力分布着火房间内外压力分布如图1所示。阴影区域为着火房间内外的隔墙，阴影区域右侧为着火房间，左侧为室外，相应的
3、气体温度分别为tn，tw，相应的密度分别为n，w，房间高度，即从地面到顶棚的垂直距离为H0。下面是以地面为基准面，来分析垂直方向上着火房间内外的压力分布情况。图1 着火房间内外压力分布令着火房间内外地面上的静压力分别为P1n，P1w，则距地面垂直距离为h处的室内外的静压力分别为室内 P=P1-ngh 室外 P=P1-wgh 地面上室内外的压力差为 P1=P1n-P1w距地面h处的室内外压差为 Ph=P1+w-ngh顶棚上的室内外压差为 P2=P1+w-ngH研究结果证明，在垂直于地面的某一高度位置上，必然会出现室内外压力相等的情况，即室内外压力差为0，通过该位置的水平面就是该着火房间的中性面(
4、层)，令中性面距地面的高度为h1，则有： Ph1=P1+w-ngh1=0当火灾发生时，室内的温度必然会高于室外的温度，即tntw，所以(n-w)0。因此，就会得到:1在中性层以下，即hh1Ph=P1+w-nghP1+w-ngh1Phh1Ph=P1+w-nghP1+w-ngh1Ph0由此可见，在中性面以下时，室外空气的压力始终比着火房间内气体的压力高，这样空气就会由室外流入室内；而在中性面以上时，室外空气的压力始终比着火房间内气体的压力低，这样烟气就会从室内流向室外。1.2着火房间门窗开启时的气流流动当着火房间通向其他非着火区域的门窗开启时，由于着火房间内外气体存在温差，再加上门窗自身高度的影响
5、，就会形成显著的热压效应，中性层就会在门窗的某一高度上出现。下面对着火房间开一个窗的情况进行分析。如图2所示，着火房间外墙有一窗孔开启，窗孔高度为Hc，宽度为Bc。，室内外气体温度分别为tn，tw，中性层N到窗孔上、下沿的垂直距离分别为h2，h1。在中性层以上距中性层垂直距离h处，室内外压力差为:Ph=w-ngh从h处向上取微元高dh，所构成的微元开口面积为dA=BCdh，根据流体力学原理，可知图2窗口中性层及压力分布从该微元面积排出气体的质量流量为dM2=2nPhdA=Bc2nw-nghdh则中性层至窗口上源开口面积所排出气体总质量流量为M2=0h2dM2=0h2Bc2nw-nghdh =2
6、/3Bc2nw-ngh232同理，也可以求出流入中性层至窗口下元之间开口面积气体的总流量M1=2/3Bc2nw-ngh2321.3烟囱效应不论是否发生火灾，烟囱效应都会对建筑物内的空气流动产生影响，火灾发生时，会产生大量的热量，使室内气体温度升高，这样就会加剧烟囱效应的作用。当建筑物内部的气体温度比外界空气温度高时，由于浮力的作用的存在，在建筑物内的各种竖直通道中，如楼梯间、电梯间、管道井等，就会产生一股向上气流，这种现象就被称为正向烟囱效应。建筑物内外温差较大或建筑物较高时、正向烟囱效应就比较显著。另外，单层的建筑物中也会产生正向烟囱效应。当建筑物内部的气体温度比外界空气温度低时，在建筑物的
7、各种竖井通道中，就会产生一股向下气流，这种现象就是反向烟囱效应。一般夏季的反向烟囱效应比较显著。对于竖井靠外墙布置、密封性较好建筑，如果外界环境的气温比较低，就会出现靠外墙布置的竖井中的温度比建筑物内部其他部位的温度低的情况，此时，竖井中也会出现下降的气流。正、反烟囱效应作用下高层建筑中各部分的气流情况如图3所示。图3正、反烟囱效应作用下的气候状况a正向烟囱效应 b反向烟囱效应2 影响烟气流动的基本要素2.1烟气的质量生成率着火后，火灾产生烟气在浮力作用下不断上升，撞击到顶棚后，形成顶棚射流，顶棚射流在水平方向蔓延，在遇到周围墙壁后倒折回来并逐渐聚集形成烟层，随着烟气的聚集，烟层就开始下降，烟
8、层的下降速率取决于羽流中烟气的生成速率，也就是烟气的质量生成率。烟气卷吸羽流的空气量远大于燃烧产生烟气的量，由此可以看出，烟气主要是由卷吸进羽流的空气组成的，所以在计算烟气质量生成率的时候就可以忽略燃烧产生烟气的量。这样，烟气的质量生成率就近似等于羽流在上升至烟气层之前的空气质量卷吸速率。空气的质量卷吸速率是由烟羽流的形状决定的。羽流的形状包括轴对称羽流、墙羽流、角羽流、烟台溢羽流和窗羽流。下面介绍不同形状羽流的烟气质量生成率。1轴对称羽流如果火灾发生在房间的中心位置就会产生轴对称羽流，它可以沿整个羽流高度从各个方向卷吸周围的空气，直到羽流被烟层淹没为止。轴对称羽流的烟气质量生成率可以表示为：
9、当ZZf Mp=0.071Qc1/3Z5/3+0.0018 Qc当ZZf Mp=0.032Q3/5Z由此可以看出烟气的质量生成率取决于火灾放热量的对流值Qc和燃料到烟层底部的高度Z。2墙羽流火灾发生在靠墙的位置就会产生墙羽流，它只在羽流周长一半的区域内卷吸空气。从外形上看，墙羽流只有轴对称羽流的一半，因此，墙羽流的烟气质量生成率可视为相应轴对称羽流的一半。3角羽流如果火灾发生在90度的墙角就会产生角羽流。它也与轴对称羽流相似，其烟气的质量生成率可视为相应轴对称羽流的1/4。4阳台溢羽流烟气在到达顶棚之前，在阳台或其他障碍物下面流动并绕过它们到达顶棚，这种烟气流动被称为阳台溢羽流，即看上去好像是
10、烟气从阳台溢出一样。其烟气质量生成率可表示为:Mp=0.41(QW2)1/3(Zb+0.3H)1+0.063(Zb0.3H)/W5窗羽流从墙的开口(比如门或窗向)敞开大空间流动的羽流被称为窗羽流。其烟气质量生成率可表示为:MP=0.68(AWHW1/2)(ZW+)5/3+1.59AWHW1/22.2温度及其分布情况烟气的浮力作用是影响建筑火灾烟气流动的主要因素，它是由高温烟气与周围冷空气产生温度差而引起的密度差引起的，烟囱效应就是山烟气的浮力作用的结果。因此，在发生火灾时，建筑物内的温度及其分布对烟气的流动起着至关重要的作用。随着着火区域温度的不断升高，空气的体积也迅速膨胀，由温度升高而引起的
11、气体膨胀可用理想气体定律来估算。即:V2/V1=T2/T1由上式可知，着火期间着火区域的气体体积将扩大为原来的3倍，所以，将会有2/3的气体会流入建筑物的其他部分。并且迅速膨胀过程会产生很大的压力，如果不对其加以控制，烟气就会从着火层向建筑物其他部分蔓延。2.3风风力、风向、风速，建筑物的形状和规模以及建筑物附近的地形都会影响到风引起的压差的情况。简而言之，建筑物的迎风面墙壁受到向内的压力，背风面以及两侧墙壁都受到向外的压力，平顶层则受向上的压力。这些压力的共同作用使空气从迎风面流入建筑物，从背风面流出建筑物，而建筑物顶上的负压力对建筑物的垂直通风管道有抽吸作用。同时，正的水平风压力可使中性面
12、上升，负的水平风压力则使其下降。通风口和风扇的运作效果也会受到风的影响。从建筑物顶上流过的风会在平顶上形成轻微的负压，有利于烟气沿垂直的通风管道从建筑物内排出。而对于斜屋顶，风受到障碍物或其他建筑物的影响，就可能导致屋顶上的压力分布发生变化。若排风口位于迎风面，就会造成烟气逸出受阻，相反，若排风口位于背风面上，则有利于通风口烟气的逸出。由此可见，风造成的压力对迎风面上的风扇有反作用，降低了其排风能力。2.4建筑系统建筑物内的机械通风系统产生的压力也会对烟气的流动产生影响。其影响取决于送、排风的平衡情况。若建筑物内各处的送风量和排风量相等，则该系统就不会对建筑物内的烟气流动产生影响，若某一部位的
13、送风量大于排风量，就会出现增压的现象，空气就会流向其他部位。反之，在排风量大于送风量的部位，就会出现相反的现象。所以，如果建筑物内的机械通风系统按照有利于烟气排出的方式进行设计，就可以达到控制建筑物内烟气蔓延的目的。另外，建筑物内的烟控系统产生的压差也会对烟气的流动产生影响。3烟气的控制的基本方式3.1加压送风方式加压送风方式是利用加压送风机对被保护区域（如防烟楼梯间和前室）等送风，使其保持一定的正压，避免着火区域的烟气借助各种动力（诸如烟囱效应、膨胀力）等向建筑物的被保护区域蔓延。该系统是由加压送风机、风道、送风口以及风机控制柜组成，风源必须是室外不被烟气污染的风，一般情况下该系统与排烟系统
14、共同存在。加压送风方式主要有两种：1在门关闭的情况下，维持避难区域内或疏散路线上的压力高于外部压力，避免烟气通过建筑物的各种缝隙侵入（诸如建筑结构缝隙、门缝等）；2在门开启的情况下，在门断面形成一定的风速，避免烟气侵入避难区域或疏散通道。由此可见，加压送风方式可以保证避难区域或疏散通道内免受烟气危害，降低建筑物某些部位的耐火要求，便于老式建筑的防排烟系统的改造。但是，如果对送风压力控制不好就会造成避难区域或防烟楼梯间内的压力过高，导致楼梯间通向前室或走廊的门无法开启，延误建筑物内人员的疏散。为了使建筑物内人员可以安全疏散，加压送风系统在设计时应当遵循以下原则：1利用加压送风机将室外的新鲜空气均
15、匀地输送到需加压的空间内；2利用机械排烟系统或自然排烟系统，确保加压空间以外区域的烟气可以顺利地排出建筑物；3如果着火区域通向其他空间的门开启时，加压送风系统的空气流应保证在门断面处有足够的风速，以阻止烟气的扩散；4如果着火区域通向其他空间的门关闭时，应保证在门的两侧有足够的压差来防止烟气的外渗。在进行加压送风系统设计时，是通过确定加压送风量来保证被保护区域处于正压状态的。山此可知，进行加压送风系统设计的关键是确定门洞断面处的风速和泄露风量。国外对走廊或门洞有效阻止烟气运动的空气断面风速进行了研究，并给出了临界风速的经验公式: VK=K(gE/WCT)1/3根据伯努利方程，通过门缝等泄露的空气量：Q=CA2P/3.2自然排烟方式自然排烟是室内烟气和室外空气对流运动的结果，其对流运动的是室内外气体温度差所产生的热压和室外风力所形成的风压共同作用引起的。显然，自然排烟是一种被动的防排烟方式，它只能将烟
