建筑火灾烟气控制浅谈

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，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，相应的气体温度分别为t n，t w，相应的密度分别为ρn，ρw，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
室外
地面上室内外的压力差为
距地面h处的室内外压差为
顶棚上的室内外压差为
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(层)，令中性面距地面
的高度为h1，则有：
当火灾发生时，室内的温度必然会高于室外的温度，即t n>t w，所以(ρn-ρw)>0。

因此，就会得到:
1在中性层以下，即h<h1
<
2在中性面以上，即h>h1
>
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，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t n，t w，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:
从h处向上取微元高dh，所构成的微元开口面积为dA=B C dh，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
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==2/3
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=2/3
1.3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：
当Z>Z f M p=0.071Q c1/3Z5/3+0.0018 Q c
当Z<Z f M p=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Q c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，即看上去好像是烟气从阳台溢出一样。

其烟气质量生成率可表示为:
M p=0.41(QW2)1/3(Z b+0.3H)[1+0.063(Z b0.3H)/W]
5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:
M P=0.68(A W H W1/2)(Z W+а)5/3+1.59A W H W1/2
2.2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: V K=K(gE/WρCT)1/3
根据伯努利方程，通过门缝等泄露的空气量：
Q=CA
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，它只能将烟气引入楼梯间或前室，再通过外窗排除。

火灾强度越大，效果越好，但危险性也随之增高。

火灾现场前室或楼梯间门口的尸体就可以证明。

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，它只能将烟气引入楼梯间或前室，再通过外窗排除。

火灾强度越大，效果越好，但危险性也随之增高。

火灾现场前室或楼梯间门口的尸体就可以证明。

采用自然排烟时，自然排烟的效果受高温烟气和与周围冷空气的温差、排烟口和进风口之间的高差、室外风力和风向以及高层建筑热压作用等诸多因素的影响。

当排烟口位于建筑的迎风面时，其排烟量的大小受室外风的作用力的影响；当室外风的作用力小于烟气的浮力时，排烟量会减少；当室外风的作用力等于烟气的浮力时，烟气就不会排出；而当室外风的作用力大于烟气的浮力时，室外风就会从排烟口进入建筑物内，从而加剧建筑物内的烟气流动，造成自然排烟失败。

当着火区域位于建筑中性面以下时，采用可开启的外窗进行自然排烟就会形成负压，对室内的烟气有抽吸作用，在楼梯间和电梯井就会形成烟囱效应，使烟气和火势在楼梯间、前室进一步蔓延，也会导致自然排烟失败。

现在许多建筑为了外立面的美观而采用向上开启的外窗，而这种外窗只能向上开启15度，很难达到规范中对排烟房间可开启外窗面积不小于房间面积2%的要求。

1自然排烟的优缺点：
自然排烟由于其存在着结构简单、投资费用少，无需动力设备、运行维修费用少等优点。

而且对于顶棚开设排烟口的建筑，自然排烟效果也相对较好，因此，被许多建筑广泛采用。

但是，由于其排烟效果受诸多因素的影响，所以排烟的效果不稳定，对建筑物自身的结构也有特殊的要求，并且火灾可以通过排烟口进行蔓延，使损失扩大，所以，在进行防排烟设计时，应慎重选择。

2自然排烟的原理
由图可知，在火灾发生时，上升的烟气在顶棚下会形成水平流动的顶棚射流，此时，烟气流动力和浮力相等
图4自然排烟时烟气流动状态
3自然排烟口及排烟设计
自然排烟口的而积，一般可取为地板面积的1/50。

排烟口应设置在距顶棚800mm之内。

排烟口的平面位置应遵守以下规定一是每个防烟分区的面积按500m2划分;二是防烟分区内任何位置到排烟口水平距离都要小于30m。

当利用防烟楼梯间前室，消防电梯前室和合用前室的可开启的外窗进行自然排烟时，一般应满足相关规定。

3.3机械排烟方式
机械排烟是利用排烟风机将着火区域的烟气强制排除，它是由挡烟壁、排烟口、防火排烟阀门、排烟风机和排烟出口组成。

它可以克服自然排烟方式的诸多缺陷，将烟气顺利的排出。

在进行机械排烟时，为了保证其排烟效果，一定要保持有一定量的新鲜空气进入着火区域。

因此，按新鲜空气进入的方式可将机械排烟系统分为两种，即机械排烟自然进风系统和机械排烟机械送风系统。

机械排烟机械进风系统是利用设置在屋顶的排烟风机，通过排烟口和排烟竖井将烟气排出室外，于此同时，由室外送风机通过送风竖井和送风口向建筑物内补充室外的新鲜空气（送风量小于排风量，但应大于50%的排烟量）。

而机械自然进风系统则是通过室外的风产生的风压作用来补充室外新鲜空气的。

为了保证机械排烟系统在火灾发生时的排烟效果，在设计时需要充分考虑系统的划分、分区的确定、排烟口的位置以及风道的设计等问题。

机械排烟系统大多用于大型商场或地下建筑，将烟气从建筑物的顶部排烟口或排烟风管排出室外。

1机械排烟方式的优缺点
机械排烟方式可以克服自然排烟方式受室外环境和高层建筑热压作用的影响，排烟效果相对稳定。

但是，在火灾的全面发展阶段，机械排烟方式的排烟效果就会降低，排烟风机和排烟风管也需要耐的住高温，因此，初期投资和运行维修费用就会相对较高。

2机械排烟方式的设计标准
防烟楼梯间前室、消防电梯前室以及合用前室的机械排烟设计应符合相关规定。

3.4密闭防烟
对于面积较小，密闭性好，楼板采用耐火性较好材料，并且采用防火门的房间，就可以利用关闭防火门的方式，使着火区域与周围环境隔绝，使火灾因缺氧而熄灭。

3.5几种方式的比较
这几种烟气控制方式都可以达到楼梯间内无烟，保证人员安全疏散的目的，但是几种方式的作用机理是不同的。

自然排烟与机械排烟都是着眼于及时排出进入楼梯间前室的烟气而加压送风则是着眼于将烟气阻挡在前室外面，以确保楼梯间处于无烟状态。

从烟气的流向和人员疏散方向来看，排烟方式和加压送风方式也有所不同。

采用自然排烟和机械排烟方式时，烟气流向与人员疏散方向是相同的，而采用加压送风方式时，烟气流向与人员疏散方向则是相反的。

压差关系方面，当在前室采用自然排烟或机械排烟时，一前室的压力既低于走道内的压力，也低于楼梯间的压力。

当对前室及楼梯间加压送风时，楼梯间压力既高于前室的压力，也高于走道的压力。

由于两种方式压差关系相反，因此，在同一设计中，这两种防排烟方式不宜同时采用。

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