地下建筑火灾中的烟气流动分析与对策

饶俊 翟帅

摘要：文章通过对地下建筑火灾中烟气的产生、流动特性及烟气对人员安全疏散的影响进行分析，提出几种解决地下建筑火灾中烟气流动所带来问题的方法，使之向灭火、疏散、救援等有利的方向发展。

关键词：地下建筑;烟气流动;分析与对策

从近年来的火灾事例中可以发现，烟气是阻碍人员逃生，导致人员伤亡的主要原因之一。对于地下建筑而言，一旦发生火灾，温度上升很快，火灾蔓延迅速，由于缺氧而呈现不充分燃烧，会产生大量含有一氧化碳等有毒物质的浓烟，特别是当地下建筑机械防排烟设施没有充分发挥作用时，使大量浓烟聚集于室内，严重影响人员的疏散，甚至使人员中毒窒息死亡。因此，应该对地下建筑火灾中烟气的产生和流动特性进行分析，充分利用烟气流动的特点，采取措施使其在火灾中有利于烟气的排出和人员的安全疏散。

一、地下建筑发生火灾时的烟气成分

（一）烟气成分

烟气的组成成分和数量取决于可燃物的化学组成和燃烧时的温度、氧的供给等燃烧条件，由极小的炭黑粒子完全燃烧或不完全燃烧后的成分及可燃物的其他燃烧分解产物所组成。含碳量多的物质，在氧气不足的条件下燃烧时，有大量的炭粒子产生。通常，烟雾在低温时，即阴燃阶段，以液滴粒子为主，烟气发白或呈青白色。当温度上升至起火阶段时，因发生脱水反应，产生大量的游离碳粒子，常呈黑色或灰黑色。在地下建筑火灾中，由于供氧不足，发生不完全燃烧，有毒气体增加，烟气浓度增加。

（二）烟气生成量和烟羽流

火灾中地下建筑的烟气生成量取决于烟羽流的流量，燃烧产生的热烟气由于浮力的作用上升，并在火焰上方形成的烟羽流。烟羽流的质量流量主要是由可燃物的质量损失速率、燃烧所需的空气量及上升过程中卷吸的空气量三部分组成。

（三）烟羽流的质量流量计算

在进行排烟问题计算时，首先应知道保持着火房间冷空气层高度不变时的羽流质量流量，在考虑火灾最大热释放速率条件下，对烟气流动问题进行适当简化，从而得出烟气排放的质量流量与通风口面积、烟气温度、房间高度及冷空气层高度之间关系的数学表达式。

对于小面积的圆形和矩形（长边长度<3倍的短边长度）火源，可采用式（1）所示的Zukoski羽流模型计算羽流的质量流量：

（1）

式中：me为高度Z处羽流的质量流量，kg/s;Ce为系数，kg/（s·kW1/3·m5/3），当火源在房间中间时Ce=0.071;当火源一面靠墙时Ce=0.044;当火源靠近墙角时Ce=0.028;Qp为对流热流量，即火源热释放速率中对流所占的部分，可近似取70%，kW;Z为从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m;Z0为从可燃物表面至虚拟点火源的高度，可用式（2）计算：

（2）

式中：D为火源的直径。

对于大面积（Z<10·D）的火源，可用式（3）所示Thomas-Hinkley羽流模型計算羽流的质量流量：

（3）

式中：Ce为系数，kg/（s·m5/2），对于很大的房间，但顶棚高度远离火焰表面的建筑物时，Ce=0.19kg/（s·m5/2）;对于很大的房间，但顶棚高度接近火焰表面的建筑物时Ce=0.21kg/（s·m5/2）;对于小房间，系数Ce=0.34kg/（s·m5/2）;U为火源的周长，m。

二、地下建筑发生火灾时的烟气流动特点

在起火的初始阶段，地下建筑内的通风风流和烟气都是沿着原来的方向移动的，当火灾进一步扩大后，地下建筑内部空气的成分发生了变化，随着温度的升高，逐步形成了一种巨大自然风压，称之为火风压。通过研究发现：

在下行地下巷道中，正压送风风压值ΔP与热风压ΔhT、火风压Δhf应满足下面不等式：

才能阻止高温火烟由自然进风口向地下巷道深部方向流动。当起火点位于进风口段附近时，则防止高温火烟对巷道深部的污染。

在上行地下巷道中，正压送风风压ΔP与热风压ΔhT、火风压Δhf应满足下面不等式：

才能阻止高温火烟向自然出风口方向流动，当起火点位于出口段附近时，则防止高温火烟对巷道深部的污染。

只有一个出口或火灾时只打开一个出口，在火灾初期，地下建筑物与地面唯一的连通口就成为外部空气的进入口和内部烟气的排烟口，随着火灾的进一步扩大，烟与空气的中性面逐渐降低，最后成为烟筒;当有两个或两个以上的出口时，地下建筑的自然排烟与空气的进入口是分开的，火灾时一个出口可能是进气口，另一个可能是排烟口，依风向而定。

三、几点建议

（一）利用烟囱效应进行排烟

一般烟囱效应都是对火灾蔓延产生不利影响，如何把烟囱效应应用到地下建筑的防排烟上，进而充分解决地下建筑的烟气流动问题，是我们首先要考虑的。

1.通过排烟竖井排烟

利用人防工程改建和专门设计建造的地下商场、地下商业街、地下汽车库、地下物资仓库等，在地下建筑的顶部一般都设有若干个排烟竖井进行排烟，排烟竖井开口面积的总和为地下建筑总面积的2%，排烟口的位置距地下建筑内最远点的水平距离一般不大于30m，通过排烟竖井可将烟气排出室外。如图1所示，当室内发生火灾时，室内温度高于室外温度，在热压和风压的作用下，空气从低口进入，烟气从高口排出。

2.通过采光窗井进行排烟

利用采光窗井自然排烟，方法简单，运行可靠，但要注意以下两点：一是受室外风力的影响，从自然排烟的原理中得知，只有室外风速小于室内热烟气流速时，才会得到良好的排烟效果，就是说开启的窗户处在背风面时，风压呈负压作用，十分有利于烟气的排出。二是通过地下采光窗井排烟，火势有蔓延到上一层的危险时，要采取必要的措施加以保护。

利用烟囱效应进行排烟时应注意：一是不可利用疏散通道和通往地上建筑物的竖井作为排烟的途径，因为利用烟囱效应的目的是通过烟囱效应产生的浮力把火灾中产生的烟气排放到室外，使人员远离烟气的侵害，减少火灾蔓延的途径，但可以利用疏散出口作为自然进风口。二是利用烟囱效应进行自然排烟受室外风力、风向影响较大，反而在出口可能形成烟道，因此，若不是空间较高不应采用。

（二）利用正压送风进行排烟

对于只有一个出入口的地下建筑，在出入口进行正压送风，在有利于排烟的部位进行破拆，制造排烟口;对于有两个或两个以上的出入口，用一个最利于排烟的出入口作为排烟口，在其他的出入口用风机送风;有条件时可以在排烟口用排烟机进行抽吸。

应注意的问题：对于设有防烟分區的地下建筑，必须有针对性地实施正压送风排烟。目前地下建筑所采用的全面排烟送风系统中，当火灾发生时，易产生火灾烟气流动与机械排烟送风系统产生的气流路线相反的现象。火灾烟气被人工气流扰动、稀释，火灾烟气会弥漫整个空间，不利于排出。因此，在设有全面排烟送风设施的地下建筑中，应选择送风的设计，以阻止空气和烟气的流动。在此设计中，排烟口和送风口都设在吊顶上，通过控制送风支管上的阀门，只向同一防火分区中未探测到火灾的防火分区送风，排烟口则仍在排烟防火阀的控制下工作。

（三）利用水幕防火降温和疏散灭火

水汽化后，水幕可以充分吸收地下建筑火灾中高温烟气中的大量热，从而快速降低火灾区域内的温度，同时由于水的比热容及汽化热都较大，大量的水蒸气可以迅速占据火灾区域内的空间，从而起到良好的防火作用，由于水幕在地下建筑空间内是自上而下流动的，从而进一步阻止了烟气的扩散，起到很好的隔烟效果。

在地下建筑疏散通道中，被困人员能快速穿过水幕，安全疏散到地面，而地面消防救援人员通过水幕也可以快速进入火场灭火，这也克服了其他防火隔烟方法完全隔断疏散和扑救通道的弱点，使得水幕方法在地下建筑防火中比其他方法更有效果。

（四）利用流体力学进行性能化评估

随着地下建筑的增多，其用途也在不断扩大，地下建筑的火灾也越来越多，越来越复杂。目前许多国家都推出了“性能化设计”，在模拟地下建筑火灾的过程中，火灾烟气扩散模拟是最主要的一个分支，而烟气扩散模拟依赖计算流体力学来实现。利用流体力学进行性能化评估，就是要解决火灾烟气的蔓延扩散时间与人员安全疏散时间之间的关系。

（1）依据地下建筑的火灾荷载和发生火灾时产生烟气的流动特性，确定最危险的一种火灾情况，即最易使火灾发生蔓延和最不利人员安全疏散的情况。通过计算流体力学，计算出在这种情况下火灾烟气蔓延并堵塞疏散通道所需的时间t1;

（2）计算火灾烟气蔓延到消防报警设备并达到其报警阀时的时间t2;

（3）采用模拟手段确定人们疏散到安全地带的时间t3;

（4）比较t1和t2+t3的关系，如果Δt=t1-（t2+t3）<0，则表明火灾烟气此刻已堵塞疏散通道，如果不加大排烟措施，被困人员就很难疏散到安全地带，反之有利于人员安全疏散。

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