环境风对高层建筑火灾的影响(对中性层的影响)说课材料

环境风对高层建筑火灾的影响(对中性层的

影响)

1.引言

现在东亚已然拥有了很多摩天大楼。而最近不断增加的高层建筑火灾事故的报道已经引起了许多建筑使用者的关注，同时也让他们开始对高层建筑的火灾危险性产生忧虑。高层建筑周围强烈的环境风会影响到火灾的发展和烟气的蔓延。一系列实验的结果已经证明高层建筑周围的环境风对于空间火灾拥有两种不同的影响：一种是通过风的作用给予火焰更多更充足的氧气从而加重火灾的剧烈程度，另一种则由于风的作用造成燃烧热量的散失以及可燃气体浓度的稀释。环境风的风压也影响了外部火焰的发展（火羽从隔间区域的窗口喷出）。我们都知道这样一个经验公式模式的变化：风的速度从建筑底部开始随着建筑高度的提升而从零开始上升。在像香港这种大都市的城区，海平线以上32米的平均风速大概是3~8m/s，而其最大风速往往能达到40 m/s。在高层建筑的顶部，风速则更高。如果风速在5~20 m/s左右，风压对于建筑的压迫作用将达到15~240Pa。另一方面，由火灾引起的压强通过一间隔间的变化大概在5~15Pa左右，即大约只有10Pa。鉴于风产生的作用远大于火本身，因此可以认为是风在此间起到了主导作用。高层建筑问题中强烈的环境风能够极大的影响火势和延期的蔓延发展（比如说常规的机械排烟在这种情况下就无法比较有效的达到其工作目的）。对于火灾在强烈环境风影响下的发展现象的研究是高层建筑防火安全设计中必不可少的。

在许多国家和地区的消防安全守则或建筑条例中，环境风对于高层建筑火灾的严重影响并未被完全考虑进去。例如在台湾，无论是建筑条例还是消防安全规范中都未将环境风对高层建筑火灾的影响纳入考虑范畴。在香港的建筑条例中，环境风的影响被考虑进了高层建筑避难层的设计之中，这样有利于阻止烟气在避难层的聚集。一些实验性的和数据上的研究已经考虑过了由风致交叉自然通风保证的烟气在避难层聚集的潜在危险性。然而环境风对于烟气在着火房间内扩散的推动和抑制作用并未被考虑，因此我们需要对环境风作用于高层建筑火灾的影响进行更多更深入的研究从而完善现行的建筑条例。最近Yang等已经将环境风作用下的防排烟系统从工作效率上进行了改进，与此同时，他还对台湾建筑条例关于高层建筑防排烟系统方面的内容提出了不少改进的建议。Chow 和Li已经完成了环境风对于静态防排烟系统（假设以天花板高度为标准）工作效率影响的研究并且修正了用于计算烟气排出率及需要排烟空间大小关系的最关键的公式。但是对于提升高层建筑火灾安全性，我们还需要对应对不同火灾情况下的防排烟进行更多更细致的研究。同时，研究环境风对于高层建筑室内火灾的影响可以为火灾安全设计提供指导方案。Proch等人已经分析过了风对限定在室内的浮烟运动的影响。作为他们研究对象的发生火灾的室内空间是一个在两面相对的墙面上有两个开口的房间，其中迎风面的开口接近地面，而背风面的开口则接近天花板。他们研究的这种情形可以代表有利于风对于火灾进行更大作用的情况，即风促进了烟气的上升和火焰的想上蔓延。然而风的影响还有另外一种情况，也就是所谓的逆风情况。在逆风情况下，应风口在高出而背风口在低处，因此风的作用相对于前一种情况来看可以说是恰好相反的。在通风领域中，建筑的通过温差和环境风达成的自然通风往往受到了多的多的关注，同时今年来发现了多稳态情形（and multiple steady state behavior was found in recent years）。这些研究往往是在假设内外温差非常小而且进入室内的净热恒定不变或者独立于空气流动之外的情况下进行的。然而在室内火灾中，室内的温度通常都要远远大于室外温度，而且火灾的热释放率必定会受到空气流通的影响。因此显而易见的，许多关于环境风对于室内火灾发展影响的基本的问题需要进行更细致的探讨。本篇论文涉及到了这方面问题中的一部分并且尝试对室内火灾在逆风作用情况下的发展进行研究。

2.对烟气运动的理论考量

在高层建筑火灾中，地点、空间开口数量以及环境风风向支配着室内烟气的运动。下面将仅考虑图1中逆风作用影响下的情形。图1所示的室内空间在左墙靠近天花板以及其相对的右墙靠近地板平面的高度各有一个开口。假定环境风的风向从左水平向右。如果室内外没有温差的话空气将从高点开口流入并且从低点开口流出，即对于室内来说空气的流动是整体向下的。众所周知，如果在此室内发生火灾的话，浮力

将促使烟气和空气向上运动。因此环境风对于火灾热产生的浮力发生了逆作用。简单地说，就是可以假定室内各点温度相同并且各个开口的高度（每个开口从其顶端到底端的距离）很小以至于可以忽略不计。

在图1中，用Z代表纵坐标，它的起点（Z=0）定于低点开口高度的中点高度。设大气压强为P o并且室内Z=0高度的压强为P i0 。根据△P = P i0-P o 图1中不同点的压强可以表示如下：

高点开口附近的室外压强：（125%截图）

（1）

室内压强：

（2）

低点开口附近的室外压强：

（3）

其中V代表环境风速，h代表两个开口之间的垂直距离。XXX和XXX分别代表室内外空气密度。XXX和XXX 分别代表在高点和低点的压强系数（取值0.8和-0.2）。

两个开口的压差和通过各个开口的空气的质量流量可以表示如下：

通过高点开口：

（4）

（5）

通过低点开口：

（6）

（7）

其中m

代表质量流量，A 代表开口面积，C 代表流量系数（根据开口形式的不同取值在0.6—0.8之间）。注意在推到的过程中用到了

。 在通风控制型火灾中，可燃物的质量燃烧速率m f 是室内所有可燃物以及燃烧发散掉的m ev 的总和：m f =m fb +m ev 。可燃物的燃烧速率m fb 与流入的空气质量流量是成比例的m fb =S m T 。其中S 代表空气中燃烧质量的化学计量比，对于乙醇S ≈0.11，PMMA ≈0.12，甲醇≈0.15，木材≈0.18.根据r=m m T f ，得出r ≥S ，那么后文出现的r 的取值范围可以是r ≥0.10 。

在假定的准稳态情况下，空气的量是不足的。

（8）

假设两个开口完全相同，将式（5）和式（7）代入式（8）可得：

（9）

根据

（10）

那么

（11）

如果图1中烟气的运动趋势是向上并且假设整个房间内的温度处处相等的话，那么用（4）-（11）可以得到：

（12）

上式中r=m m B f

新鲜空气进入上述两个火灾场景的质量流量可以概括为：

（13）

其中m in 代表新鲜空气流入的质量流量，r=m m in f 。很明显可以看出Q 决定了烟气的运动。如果Q ﹥0，烟气流动趋势在图1中向下;如果Q ﹤0,则向上。因此Q=0时是室内同室外无气体交换的临界状态。那么这个临街环境风速如下：