消防工程-建筑火灾中的烟气控制

建筑物内一旦发生火灾，热烟气将从火区向四处蔓延，迅速充满楼梯井及电梯井，阻断和封闭疏散通道，危及生命财产安全。目前，人们已经认识到火灾烟气是造成人员伤亡的主要因素。上世纪六十年代后期，采用加压的方法来阻止烟气进入楼梯井的设想开始引起人们的重视．随之产生了对起火楼层送风或排烟、而对相邻楼层加压的设想，并且这一设想很快在建筑通风系统中付诸实施。“烟气控制”即是指以风机形成的风压来阻止火灾过程中的烟气蔓延。目前，世界上许多发达国家都开展了烟气控制方面的研究，包括现场测试、全尺寸火灾实验模拟和计算机模拟。许多建筑都已采用了相应的烟气控制系统，对其余大部分建筑也在烟气控制方面进行了改进。根据美国测试与材料学会（AmericanSocietyforTestingandMaterials，ASTM）和国际消防协会（NationalFireProtectionAssociation,NFPA）对烟气的定义，这里所说的烟气，包括悬浮的固相和液相颗粒以及材料热解燃烧过程中产生的气相物质。本节将着重讨论建筑火灾中烟气控制的原则和方法、及其设计中的有关问题。一、烟气管理与烟气控制二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制一、烟气管理和烟气控制所谓“烟气管理”，包括所有能够抑制热烟气蔓延、保障火区人员生命安全和减少火灾损失的方法。比较成熟和传统的方法是，同时或单独在建筑的适当位置设置挡烟物、排烟孔或排烟井。挡烟物所能起到的挡烟效果依赖于其密闭性及其两边的压差。穿越墙或地板管道周围的缝隙、墙和地板交接处的缝隙以及门窗的缝隙常常使建筑物的密闭性能降低，从而削弱挡烟物的挡烟效果。挡烟物两边的压差则受烟囱效应、浮力、外部风强弱及供暖、通风和空调系统的影响。排烟孔和排烟井的功效则取决于它们距离火区的远近、烟气的浮力和其它一些驱动力。若烟气被水喷淋冷却，则排烟孔和排烟井的功效会大大下降。需要指出的是，由于建筑内的电梯井结构的特殊性，起火后大量的热烟气经电梯井向上蔓延，客观上起到了排烟井的作用，造成建筑起火后电梯失去的疏散功能，助长烟气和火势的扩展和蔓延。因此专门设计的排烟井应该保证在除着火楼层以外的其他区域基本上无烟气泄漏，从而防止烟气向其他楼层蔓延造成火势扩大。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制所谓“烟气控制”，则是将传统上用于烟气管理的挡烟物(墙、地板、门等)与机械风机产生的气流和压差共同使用，从而达到控制烟气流动的目的。下面结合图5-11来说明挡烟物两边形成的压差对烟气蔓延的抑制作用。图中的挡烟物为挡烟门。挡烟门的高压一侧既可是避难场所，又可是疏散通道，起火区的烟气处于低压一侧。两端的压差可有效地阻止热烟气通过门缝和其它结构缝隙的渗入避难场所或疏散通道。图5-11挡烟物两边形成的压差对热烟气抑制作用示意图一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制如果人员逃生过程中不慎使挡烟门处于敞开状态，高压区的空气将通过敞开的挡烟门流入起火区。此时挡烟门能否起到阻止热烟气向避难场所或疏散通道蔓延的作用就取决于高压区的空气流速。如果高压区的空气流速较低，热烟气将借助对流作用经挡烟门的上部进入避难场所或疏散通道，如图5-12所示。如果空气流速足够大，热烟气的侵入也可避免，如图5-13所示，此时所需的高压区的空气流速的大小就取决于火区的热释放速率，有关问题将在下面详细讨论。图5-12空气流速较低时热烟气图5-13空气流速足够大时热烟气侵入高压区的示图被限制在起火区的示意图一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制由于烟气控制需要依靠风机产生的空气流动和压差，因此，与传统的烟气管理的方法相比。烟气控制有以下三个优点：(1)烟气控制对挡烟物密闭性的依赖性较小，设计中允许在挡烟物上存在—些合理的开口和缝隙；(2)与被动的烟气管理相比，烟气控制系统受烟囱效应、浮力作用和外部风作用而失效的可能性更小。若无烟气控制，则这些驱动力将使烟气蔓延到任何存在开口和缝隙的地方。而烟气控制系统所产生的气流和压差可以有效地克服这些驱动力。(3)通过空气流的有效运用，烟气控制系统能够有效阻止烟气经过敞开的挡烟门侵入被保护区。尤其是在遇紧急疏散过程中，挡烟门常会被打开（如图5-12、5-13），甚至在整个火灾过程中挡烟门一直处于敞开状态，若无烟气控制，则烟气很容易穿过这些挡烟门而四处蔓延。由此可见烟气控制时应着重强调两个基本原则，即：(1)利用流速是够大的空气流可有效地阻止建筑火灾中的烟气蔓延(2)在挡烟物两边形成一定的压差，可起到控制烟气蔓延的作用。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制在挡烟物两边形成一定的压差称之为加压。加压的结果是使空气在门缝和建筑结构缝隙中正向流动，从而阻止热烟气通过这些缝隙逆向蔓延。因此，从严格的物理观点来看，上述第二个原则是第一个原则的特例。实际上，分别考虑这两个原则对于烟气控制的设计是十分有利的。这是因为对有较大开口的挡烟物而言，在设计计算和验收试验过程中，空气流速都是很容易控制的物理量。而当挡烟物只有很小的缝隙时，在实际过程中要想确定缝隙中的空气流速是十分困难的，在这种情况下选择压差作为烟气控制的设计参数则相当方便。因此在不同情况下，对上述两个原则应作单独考虑。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制(一)空气气流从理论上而言，合理利用空气气流能够有效地阻止烟气向任何空间蔓延。目前，采用气流来控制烟气运动的方法被普遍用于门口和走廊。Thomas提出了阻止烟气侵入走廊所需临界气流速度的经验公式：(5-45)式中，Vk为阻止烟气侵入走廊所需的临气流速度(m/s)；E为走廊中的能量进入速率(W)；W为走廊宽度(m)；ρ为上游空气密度(kg/m3)；c为下游气体比热(kJ/kgK)；T为下游烟和空气混合气绝对温度(K)；g为重力常数；系数K＝1。考虑到距火区较远处物性参数在流动截面上的分布近似均匀，ρ=1.3kg/m3，c=1.005kJ/kgK、T=27oC，则临界气流速度为：(5-46)系数Kv取0.0292。公式适用于火区在走廊以及烟气通过敞开的门、透气窗和其它开口进入走廊的情况。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式31W/k)cTgE(KV31W/vk)E(KV第四节建筑火灾中的烟气控制但是，它不适用于水喷淋作用下的火灾情况，因为这时上游空气和下游气体之间的温差很小。图5-14给出了方程(5-46)的图解。图5-14临界气流速度与走廊宽度和能量进入速率的关系一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制例如；当1.22m宽的走廊中烟气能量进入速率为150kW时，可得到临界气流速度约为1.45m/s。而在同样走廊宽度的情况下，若烟气能量进入速率增至2.1MW，则得到临界气流速度约为3.50m/s。一般要求的气流速度越高，烟气控制系统设计的难度就越大，造价也越高。许多工程设计者认为，如果要求流经门的气流速度保持在1.5m/s以上，则相应烟气控制系统的造价就会难以承受。有关烟气控制系统中设计合理的气流速度的问题将在后面进一步讨论。尽管空气气流的运用能够控制烟气蔓延，但这并不是最基本的方法，因为它需要大量的空气才能发挥效用。这里所谓“最基本的方法”，指通过在门、隔墙以及其它建筑构件两边产生压差来控制烟气蔓延。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制(二)加压通过建筑结构缝隙、门缝以及其它流动路径的空气体积流率正比于这些路径两端压差的n次方。对于几何形状固定的流动路径，理论上n在0.5～1.0的范围内。对于除极窄的狭缝以外的所有流动路径，均可取n=0.5。于是，空气的体积流量(m3/s)可表示成：(5-47)式中，A为流动面积(m2)，通常等于流动路径的截面积；∆P为流动路径两端的压差(Pa)；ρ为流动空气的密度；C为流动系数，它取决于流动路径的几何形状及流动的湍流度等，其值通常在0.6~0.7的范围内。若C取0.65，ρ取1.2kg/m3，则上述方程可表示为：(5-48)式中系数Kf=0.839。也可利用图5-15来确定空气体积流率。例如关闭的门周围缝隙的面积为0.01m2，两边压差为2.5Pa时空气体积流量约为0.013m3/s。当压差增至75Pa时空气体积流量增至0.073m3/s。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式2/1)2(PCAW2/1PAKWf第四节建筑火灾中的烟气控制图5-15空气的体积流量与压差和缝隙面积关系图在烟气控制系统的现场测试中，隔墙或关闭的门两边的压差常有5Pa范围内的波动，这通常被认为是风的影响。另外供暖、通和空调系统以及其它原因也可能引起这种波动。压差的波动及其引起的烟气运动尚是目前有待研究的课题之一。从克服压差波动、烟囱效应、烟气浮力以及外部风影响的角度而言，烟气控制系统所能提供的压差应该足够大，然而在门等敞开的情况下，这是难以做到的。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式第四节建筑火灾中的烟气控制(三)空气净化本节中所讨论的烟气控制系统一般是基于前述的两个基本原则。在理想情况下，门只是在人员疏散时期内短暂敞开，那么就可以通过向被保护的区域供入新鲜空气达到稀释和净化空气的目的。然而实际上，火灾中的疏散门总是处于开启状态，因此通过提供足够强的空气流来阻止烟气经过敞开的门进入被保护区域的目的很难实现。假设有一个由挡烟墙和可自动关闭的门与火区隔离的房间，当所有的门关闭时无烟气进入该房间。如果房间的一扇或多扇门窗处于敞开状态，而又没有足够强的空气流时，来自火区的烟气则会进入该房间。为了便于分析，假设整个房间中烟气浓度分布均匀。在所有的门又重新关闭一段时间以后，这时房间中污染物的浓度可表示成：(5-49)式中C、C0分别为初始和t时刻污染物浓度，可根据所考虑的污染物不同采用任何合适的单位，但必须一致。α为净化速率，其含义为每分钟内空气的变化。t为门关闭后的时间(min)。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式)(0tEXPCC第四节建筑火灾中的烟气控制根据一系列测试和已有的人体对烟气的耐受极限，对火灾环境中最大烟浓度的估算表明其比人体所能承受的极限烟浓度约大100倍，因此，单从火灾环境烟气浓度的角度来看，理论上的安全区域内环境烟浓度不应超过火区附近烟浓度的1%。很明显，用新鲜空气来稀释烟气同时也将减少环境气体中有毒烟气组分的浓度。烟气的毒性是一个更为复杂的问题，目前尚无有关的数据和结论能够从烟气毒性的角度来说明需要如何稀释烟气才能确保安全的环境。方程(5-49)可改求得净化速率为：(5-50)例如：敞开门后房间中污染物的浓度达到下着火房间的20%，随即将门关闭，要求6min后房间中污染物的浓度降至着火房间的l%，由方程(5-50)可求得这种情况下该房间所需的空气净化速率约为0.5/min。一、烟气管理与烟气控制*二、烟气控制系统设计计算问题三、烟气控制系统设计参数四、建筑中烟控的主要方式)ln()1(0CCt第四节建筑火灾中的烟气控制实际上，污染物浓度在整个房间中均匀分布是不可能的。由于浮力作用，很可能在顶蓬附近污染