2015年一级注册消防工程师综合能力辅导(3)
烟气流动与控制
统计表明:火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的作用,有毒和高温烟气的吸入是造成火灾中人员伤亡的主要原因。因此为了及时排除有害烟气,阻止烟气向防烟分区外扩散,确保建筑物内人员的安全疏散,安全避难和为消防队员创造有利扑救条件,需要在建筑中设置防烟和排烟设施。
总体上建筑的防烟和排烟的设计理论就是烟气控制理论。对于一幢建筑物,当内部某个房间或部位发生火灾时,应循序采取必要的防排烟措施,对火灾区域实行排烟,使火灾产生的烟气和热量能迅速排除;对非火灾区域的疏散通道等应采用机械加压送风等防烟措施,使该区域的气压高于火灾和烟气侵入区域的气压,阻止烟气的侵入。
对于大规模建筑其内部结构相当复杂,建筑物的烟气控制往往组合应用几种方法。防排烟形式的合理性,不仅关系到烟气控制的效果,而且具有很大的经济意义。
烟气流动的驱动作用
为了减少烟气的危害,应当了解建筑烟气流动的各种驱动作用,以便对火势发展做出正确的判断,在建筑设计中做好烟气控制系统的设计。
(一)烟囱效应
当外界温度较低时,在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道、邮件滑运槽等建筑物中的竖井内,与外界空气相比,由于温度较高而使内部空气的密度比外界小,便产生了使气体向上运动的浮力,导致气体自然向上运动,这一现象就是烟囱效应。当外界温度较高时,则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动,这也是烟囱效应,可称之为逆向烟囱效应。
上式中, 为压差(Pa); 为修正系数,取3460(Pa?K/m); 为外界空气温度(K); 为竖井内空气温度(K); 为距中性面的距离(m)。此处的中性面指内外静压相等的建筑横截面,高于中性面为正,低于中性面为负。
在考虑烟囱效应时,如果建筑与外界之间空气交换的通道沿高度分布较为均匀,则中性面位于建筑物高度的一半附近;否则,中性面的位置将有较大偏离。
烟囱效应是建筑火灾中竖向烟气流动的主要因素,烟气蔓延在一定程度上依赖于烟囱效应,在正向烟囱效应的影响下,空气流动能够促使烟气从火区上升很大高度。如果火灾发生在中性面以下区域,则烟气与建筑内部空气一道窜入竖井并迅速上升,由于烟气温度较高,其浮力大大强化了上升流动,一旦超过中性面,烟气将窜出竖井进入楼道。若相对于这一过程,楼层间的烟气蔓延可以忽略,则除起火楼层外,在中性面以下的所有楼层中相对无烟,直到着火区的发烟量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。
如果火灾发生在中性面以上的楼层,则烟气将由建筑内的空气气流携带从建筑外表的开口流出。若楼层之间的烟气蔓延可以忽略,则除着火楼层以外的其它楼层均保持相对无烟,直到火区的烟生成量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。若楼层之间的烟气蔓延非常严重,则烟气会从着火楼层向上蔓延。
逆向烟囱效应对冷却后的烟气蔓延的影响与正向烟囱效应相反,但在烟气未完全冷却时,其浮力还会很大,以至于甚至在理想烟囱效应的条件下烟气仍向上运动。
(二)浮力作用
着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力,着火房间与环境之间的压差可用与公式(5-4-11)类似的形式来表示。
Fung进行了一系列的全尺寸室内火灾实验测定压力的变化,试验结果指出对于高度约3.5m的着火房间,其顶部壁面内外的最大压差为16Pa。对于高度较大的着火房间,由于中性面以上的高度h较大,可能产生很大的压差。如果着火房间温度为700℃,则中性面以上10.7m高度上的压差约为88Pa,这对应于强度很高的火,所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平。图5-4-3给出了由烟气浮力所引起的压差曲线。
若着火房间顶棚上有开口,则浮力作用产生的压力会使烟气经此开口向上面的楼层蔓延。同时浮力作用产生的压力还会使烟气从墙壁上的任何开口及缝隙、或是门缝中泄露。当烟气离开火区后,由于热损失及与冷空气掺混,其温度会有所降低,因而,浮力的作用及其影响会随着与火区之间距离的增大而逐渐减小。
(三)气体热膨胀作用
燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动。若考虑着火房间只有一个墙壁开口与建筑物其它部分相连,则在火灾过程中,建筑内部的空气会从开口下半部流入该着火房间,而热烟气也会经开口的上半部从着火房间流出。因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小,可将其忽略,则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比。
若建筑内部空气温度为20℃,当空气温度达到600℃时,其体积约膨胀到原来的三倍。对有多个门或窗敞开的着火房间,由于流动面积较大,因气体膨胀在开口处引起的压差较小而可以忽略,但对于密闭性较好或开口很小的着火房间,如燃烧能够持续较长时间,则因气体膨胀作用产生的压差将非常重要。
(四)外部风向作用
在许多情况下,外部风可在建筑的周围产生压力分布,这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。一般,风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力,这可增加建筑物内的烟气向下风方向流动。
式中: 为风作用于建筑物表面的压力(Pa), 为无量纲压力系数, 为环境空气密度(kg/m3), 为风速(m/s)。
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