建筑防火性能化设计方法中烟气控制安全评估方法的研究

高晓嵘

摘 要：火灾是无穷无尽变量的组合，火灾给人类带来的危害有目共睹。在现实生活中，要想预防火灾的发生，就必须对火灾的发生原理和发展过程有全面的了解。只有采取科学、合理的防火、灭火措施，才能减少或降低火灾造成危害性。现就建筑防火性能化设计方法中烟气控制安全评估方法进行简要探讨。

关键词：建筑防火；性能化设计；烟气控制；安全评估

中图分类号：X932 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）05-0048-02

在火灾发生的不同阶段，烟气的流动状态是不同的：在火灾刚发生时，烟气的密度比较小，火焰带着烟气向上升起；在遇到屋顶的时候，顺着屋顶的方向变成水平运动，最终形成层流状的运动方向。相关实验证明，这种层流的状态可以一直保持40～50 m，当烟气水平蔓延直到碰到垂直墙壁或其他隔挡物时，会反弹回来并在上空聚集，直到烟层的厚度超过隔挡物的时候，便会向下扩散至其他区域，占据其他空间。

1 建筑火灾烟气的组成

火灾烟气的成分并非是完全一致的，它是由燃烧物自身的化学成分所决定的，并受当时燃烧条件的影响，例如燃烧时间和当时的空气条件等。一般来说，火灾烟气主要包括以下几种：①物体燃烧产生的气体，例如一氧化碳、二氧化碳、乙醛、氯气等。②悬浮在空气中的一些液态颗粒和固态颗粒。这些颗粒主要是燃烧产生的蒸汽和一些燃点较高的颗粒或燃烧后产生的灰烬和炭黑粒子组成的。

根据实际观察和物理学的规律可知，一般烟气受到房间内的压力影响而产生不同的流动规律，例如，当外界的大气压大于屋内的气压时，烟火就会从窗口、门口等地方进入屋内。促使烟气流动的动力则主要是由于室内温差造成的烟筒效应、烟气自身的浮力和膨胀力、当时的风力和通风设施的影响及电梯的活塞效应等。

2 建筑烟气控制安全评估方法

烟在垂直方向的流动速度很快。根据有关试验表明，烟气的流动速度在上升方向比水平方向上快得多，一般可达到3～5 m/s。

2.1 烟囱效应

烟囱效应产生的原因主要是因为室内外的温差：

当室内温度高于室外温度时，室内空气的密度相对较低，从而使室内的空气具有一定的浮力。另外，受高层建筑自身建筑特点的影响，在众多的竖井中，例如电梯井、楼梯井、管道井、垃圾井等，会产生非常明显的烟囱效应，气体上升的效果非常明显，尤其在发生火灾时，热度导致气体上升更加迅速，这时候由下向上的烟囱效应被称为正烟囱效应。

当室内气温远低于室外气温时，例如在夏季开空调的情况下，这时建筑物的气体是由上向下运动的，被称为逆烟囱效应。烟囱效应是建筑火灾中烟气流动的主要因素。在中性面（建筑物内外压力相等的高度）以下楼层发生火灾时，在发生正烟囱效应的情况下，火灾产生的烟气会随着空气进入到竖井当中，并随之快速上升。当升到一定位置时，会随着空气从竖井中溢出，到其他的楼层或建筑物的外部。另外，烟气还能够从楼层间的缝隙进入发生火灾的楼层上部的其他楼层，上部楼层的烟气要远多于其他的楼层。但如果楼层之间缝隙较小，那么，中性面以下的其他楼层除了火灾层之外不会有烟气。

2.2 高温烟气的浮力和膨胀力

高温烟气处于火源区附近，其密度比常温气体低得多，因而具有较大的浮力。研究表明，对于高度约为3.5 m的着火房间，其顶部壁面内外的最大压力为16 Pa。当着火房间较高时，中性面以上的高度也较大，便会产生较大的压差。如果着火房间只有一个小的墙壁开口与建筑物其他部分相连通时，高温烟气将从开口的上半部流出，外界空气将从开口下半部流进。当高温烟气的温度达到600 ℃的时候，因热胀冷缩，其自身的体积会膨胀到之前的3倍。在这种情况下，如果门窗等处于打开状态，由于室内外空气流动较多，这种压强不会很明显；但如果火灾发生在一个较为封闭的空间，并假设有充足的氧气和可燃物供其燃烧，那么高温烟气膨胀引起的压差则较大。

2.3 风力影响

风力在建筑物的周围产生压力分布，对建筑物内的烟气流动影响很大。建筑物外部的压力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和方向、建筑物的高度和几何形状等。风力影响往往可以超过其他驱动烟气运动的力。在通常情况下，朝着建筑物迎面吹来的直风会在建筑物的迎风侧面产生较高的风压，这种风压会增强建筑物内烟气向下风方向的流动速度，一般压力差的大小与风速的平方成正比。

一栋建筑与其他建筑的毗连状况、建筑本身的几何形状对其表面的风压分布有重要影响。例如，在高层建筑的下部布置有裙房时，其周围风的流动形式是相当复杂的。随着风的速度和方向的变化，裙房房顶表面的压力分布也会发生显著变化。在某种风向时，裙房可以通过房顶的通烟口来排烟，而在另一种风向时，由于室外空气压力要高于室内，则烟气不能依靠自然通风排出去，所以在设计烟气控制系统时，要考虑风速的因素，参考风速为当地平均风速的2倍。

2.4 机械通风系统造成的压力

在设置了专门的通风或空调系统的建筑物内，即便是这些系统并未运转，管道也会起到较强的通风效果，尤其是在自然的动力之下，例如烟囱效应，烟气会自然地顺着管道流动，使烟气蔓延在整个建筑物内。如果这种通风系统开始运作时，这种效果会更强。

2.5 电梯的活塞效应

电梯在电梯井中运动时，能够使电梯井内出现瞬时压力变化，这被称为电梯的活塞效应。这种活塞效应能够在较短的时间内影响电梯附近门厅和房间的烟气流动方向和速度。控制烟气在建筑物内流动的方法主要有两种：①挡烟。这主要是依靠燃点较高的材料来发挥作用，将烟气限制在一定的区域之内。②排烟。这是依靠通风系统将烟气从室内排出。

3 烟气控制的安全措施

排烟的目的就是避免人和物受到危害，而又能通过有效途径安全排到建筑物以外，也就是说通过技术手段消除或降低烟气造成的有害影响。排烟有自然排烟和机械排烟两种形式。

3.1 防烟分隔

在建筑物中，墙壁、隔板、楼板和其他阻挡物都可作为防烟分隔的构件，它们能使离火源较远的空间不受或少受烟气的

影响。这些分隔构件可以单独使用，也可与加压方式配合使用。

3.2 非火源区的烟气稀释

当烟气由一个空间泄漏到另一个空间时，采取烟气稀释可使后一空间的烟气或粒子浓度控制在人可承受的范围内。如果烟气泄漏量与所保护空间的体积或流进、流出该空间的净化空气流率相比较小时，这种方法则很有效。对于进人、离火源较远区域的烟气可通过供应外界空气来稀释。由于浮力的作用，顶棚附近的烟气浓度较高，因此，在顶棚附近设置排烟口排烟，而在贴近地板处供给空气能够加快烟气的稀释。这时应当注意供气口和排烟口的相对位置，防止刚供入的空气很快进入排烟口。

3.3 加压控制

控制烟气流动，可采用在防烟分隔物的两侧制造压力差的措施（通过风机实施）来解决。加压控制烟气有两种情况，利用分隔物两侧的压力差控制；利用平均流速足够大的空气流控制。

3.4 空气流

巨大化的空气流率可以阻止烟气运动，但正常的空气流又会给火灾提供助燃氧气，因此，合理的空气流需要较复杂的控制措施。

3.5 浮力

利用热烟气的浮力机理进行排烟也是一种烟气控制的技术手段，它经常应用于风机驱动和自然通风系统中。

4 结束语

总之，在建筑防火设计中，常见的自然排烟形式有排烟窗和排烟井两种，它们主要适用于烟气有足够大的浮力、能克服其他阻碍烟气流动驱动力的区域。在现代建筑中，应用最广泛的方法是采用风机进行机械排烟。这种方法虽然需要增加很多设备，但可以克服自然排烟的局限性，能够有效地排出烟气。

〔编辑：白洁〕

Research Building Fire Performance in Smoke Control Design Methods of Safety Assessment Methods

Gao Xiaorong

Abstract： The fires are endless combinations of variables， fire obvious harm to human beings. In real life， in order to prevent fires， they must be the principle of fire occurrence and development of a comprehensive understanding. Only by taking a scientific and rational fire extinguishing measures to reduce the harm caused by fire or lower. Now briefly discuss performance on building fire smoke control design methods in safety assessment methods.

Key words： building fire； performance design； smoke control； safety assessment