消防知识_建筑火灾中的烟气控制培训教材

建筑物内一旦发生火灾 热烟气将从火区向四处蔓延 迅速充满楼梯井及电梯井 阻断和封闭疏散通道 危及生命财产安全 目前 人们已经认识到火灾烟气是造成人员伤亡的主要因素 上世纪六十年代后期 采用加压的方法来阻止烟气进入楼梯井的设想开始引起人们的重视 随之产生了对起火楼层送风或排烟 而对相邻楼层加压的设想 并且这一设想很快在建筑通风系统中付诸实施 烟气控制 即是指以风机形成的风压来阻止火灾过程中的烟气蔓延 目前 世界上许多发达国家都开展了烟气控制方面的研究 包括现场测试 全尺寸火灾实验模拟和计算机模拟 许多建筑都已采用了相应的烟气控制系统 对其余大部分建筑也在烟气控制方面进行了改进 根据美国测试与材料学会 AmericanSocietyforTestingandMaterials ASTM 和国际消防协会 NationalFireProtectionAssociation NFPA 对烟气的定义 这里所说的烟气 包括悬浮的固相和液相颗粒以及材料热解燃烧过程中产生的气相物质 本节将着重讨论建筑火灾中烟气控制的原则和方法 及其设计中的有关问题 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 一 烟气管理和烟气控制所谓 烟气管理 包括所有能够抑制热烟气蔓延 保障火区人员生命安全和减少火灾损失的方法 比较成熟和传统的方法是 同时或单独在建筑的适当位置设置挡烟物 排烟孔或排烟井 挡烟物所能起到的挡烟效果依赖于其密闭性及其两边的压差 穿越墙或地板管道周围的缝隙 墙和地板交接处的缝隙以及门窗的缝隙常常使建筑物的密闭性能降低 从而削弱挡烟物的挡烟效果 挡烟物两边的压差则受烟囱效应 浮力 外部风强弱及供暖 通风和空调系统的影响 排烟孔和排烟井的功效则取决于它们距离火区的远近 烟气的浮力和其它一些驱动力 若烟气被水喷淋冷却 则排烟孔和排烟井的功效会大大下降 需要指出的是 由于建筑内的电梯井结构的特殊性 起火后大量的热烟气经电梯井向上蔓延 客观上起到了排烟井的作用 造成建筑起火后电梯失去的疏散功能 助长烟气和火势的扩展和蔓延 因此专门设计的排烟井应该保证在除着火楼层以外的其他区域基本上无烟气泄漏 从而防止烟气向其他楼层蔓延造成火势扩大 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 所谓 烟气控制 则是将传统上用于烟气管理的挡烟物 墙 地板 门等 与机械风机产生的气流和压差共同使用 从而达到控制烟气流动的目的 下面结合图5 11来说明挡烟物两边形成的压差对烟气蔓延的抑制作用 图中的挡烟物为挡烟门 挡烟门的高压一侧既可是避难场所 又可是疏散通道 起火区的烟气处于低压一侧 两端的压差可有效地阻止热烟气通过门缝和其它结构缝隙的渗入避难场所或疏散通道 图5 11挡烟物两边形成的压差对热烟气抑制作用示意图 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 如果人员逃生过程中不慎使挡烟门处于敞开状态 高压区的空气将通过敞开的挡烟门流入起火区 此时挡烟门能否起到阻止热烟气向避难场所或疏散通道蔓延的作用就取决于高压区的空气流速 如果高压区的空气流速较低 热烟气将借助对流作用经挡烟门的上部进入避难场所或疏散通道 如图5 12所示 如果空气流速足够大 热烟气的侵入也可避免 如图5 13所示 此时所需的高压区的空气流速的大小就取决于火区的热释放速率 有关问题将在下面详细讨论 图5 12空气流速较低时热烟气图5 13空气流速足够大时热烟气侵入高压区的示图被限制在起火区的示意图 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 由于烟气控制需要依靠风机产生的空气流动和压差 因此 与传统的烟气管理的方法相比 烟气控制有以下三个优点 1 烟气控制对挡烟物密闭性的依赖性较小 设计中允许在挡烟物上存在 些合理的开口和缝隙 2 与被动的烟气管理相比 烟气控制系统受烟囱效应 浮力作用和外部风作用而失效的可能性更小 若无烟气控制 则这些驱动力将使烟气蔓延到任何存在开口和缝隙的地方 而烟气控制系统所产生的气流和压差可以有效地克服这些驱动力 3 通过空气流的有效运用 烟气控制系统能够有效阻止烟气经过敞开的挡烟门侵入被保护区 尤其是在遇紧急疏散过程中 挡烟门常会被打开 如图5 12 5 13 甚至在整个火灾过程中挡烟门一直处于敞开状态 若无烟气控制 则烟气很容易穿过这些挡烟门而四处蔓延 由此可见烟气控制时应着重强调两个基本原则 即 1 利用流速是够大的空气流可有效地阻止建筑火灾中的烟气蔓延 2 在挡烟物两边形成一定的压差 可起到控制烟气蔓延的作用 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 在挡烟物两边形成一定的压差称之为加压 加压的结果是使空气在门缝和建筑结构缝隙中正向流动 从而阻止热烟气通过这些缝隙逆向蔓延 因此 从严格的物理观点来看 上述第二个原则是第一个原则的特例 实际上 分别考虑这两个原则对于烟气控制的设计是十分有利的 这是因为对有较大开口的挡烟物而言 在设计计算和验收试验过程中 空气流速都是很容易控制的物理量 而当挡烟物只有很小的缝隙时 在实际过程中要想确定缝隙中的空气流速是十分困难的 在这种情况下选择压差作为烟气控制的设计参数则相当方便 因此在不同情况下 对上述两个原则应作单独考虑 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 一 空气气流从理论上而言 合理利用空气气流能够有效地阻止烟气向任何空间蔓延 目前 采用气流来控制烟气运动的方法被普遍用于门口和走廊 Thomas提出了阻止烟气侵入走廊所需临界气流速度的经验公式 5 45 式中 Vk为阻止烟气侵入走廊所需的临气流速度 m s E为走廊中的能量进入速率 W W为走廊宽度 m 为上游空气密度 kg m3 c为下游气体比热 kJ kg K T为下游烟和空气混合气绝对温度 K g为重力常数 系数K 1 考虑到距火区较远处物性参数在流动截面上的分布近似均匀 1 3kg m3 c 1 005kJ kg K T 27oC 则临界气流速度为 5 46 系数Kv取0 0292 公式适用于火区在走廊以及烟气通过敞开的门 透气窗和其它开口进入走廊的情况 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 但是 它不适用于水喷淋作用下的火灾情况 因为这时上游空气和下游气体之间的温差很小 图5 14给出了方程 5 46 的图解 图5 14临界气流速度与走廊宽度和能量进入速率的关系 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 例如 当1 22m宽的走廊中烟气能量进入速率为150kW时 可得到临界气流速度约为1 45m s 而在同样走廊宽度的情况下 若烟气能量进入速率增至2 1MW 则得到临界气流速度约为3 50m s 一般要求的气流速度越高 烟气控制系统设计的难度就越大 造价也越高 许多工程设计者认为 如果要求流经门的气流速度保持在1 5m s以上 则相应烟气控制系统的造价就会难以承受 有关烟气控制系统中设计合理的气流速度的问题将在后面进一步讨论 尽管空气气流的运用能够控制烟气蔓延 但这并不是最基本的方法 因为它需要大量的空气才能发挥效用 这里所谓 最基本的方法 指通过在门 隔墙以及其它建筑构件两边产生压差来控制烟气蔓延 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 二 加压通过建筑结构缝隙 门缝以及其它流动路径的空气体积流率正比于这些路径两端压差的n次方 对于几何形状固定的流动路径 理论上n在0 5 1 0的范围内 对于除极窄的狭缝以外的所有流动路径 均可取n 0 5 于是 空气的体积流量 m3 s 可表示成 5 47 式中 A为流动面积 m2 通常等于流动路径的截面积 P为流动路径两端的压差 Pa 为流动空气的密度 C为流动系数 它取决于流动路径的几何形状及流动的湍流度等 其值通常在0 6 0 7的范围内 若C取0 65 取1 2kg m3 则上述方程可表示为 5 48 式中系数Kf 0 839 也可利用图5 15来确定空气体积流率 例如关闭的门周围缝隙的面积为0 01m2 两边压差为2 5Pa时空气体积流量约为0 013m3 s 当压差增至75Pa时空气体积流量增至0 073m3 s 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 图5 15空气的体积流量与压差和缝隙面积关系图在烟气控制系统的现场测试中 隔墙或关闭的门两边的压差常有5Pa范围内的波动 这通常被认为是风的影响 另外供暖 通和空调系统以及其它原因也可能引起这种波动 压差的波动及其引起的烟气运动尚是目前有待研究的课题之一 从克服压差波动 烟囱效应 烟气浮力以及外部风影响的角度而言 烟气控制系统所能提供的压差应该足够大 然而在门等敞开的情况下 这是难以做到的 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 三 空气净化本节中所讨论的烟气控制系统一般是基于前述的两个基本原则 在理想情况下 门只是在人员疏散时期内短暂敞开 那么就可以通过向被保护的区域供入新鲜空气达到稀释和净化空气的目的 然而实际上 火灾中的疏散门总是处于开启状态 因此通过提供足够强的空气流来阻止烟气经过敞开的门进入被保护区域的目的很难实现 假设有一个由挡烟墙和可自动关闭的门与火区隔离的房间 当所有的门关闭时无烟气进入该房间 如果房间的一扇或多扇门窗处于敞开状态 而又没有足够强的空气流时 来自火区的烟气则会进入该房间 为了便于分析 假设整个房间中烟气浓度分布均匀 在所有的门又重新关闭一段时间以后 这时房间中污染物的浓度可表示成 5 49 式中C C0分别为初始和t时刻污染物浓度 可根据所考虑的污染物不同采用任何合适的单位 但必须一致 为净化速率 其含义为每分钟内空气的变化 t为门关闭后的时间 min 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 根据一系列测试和已有的人体对烟气的耐受极限 对火灾环境中最大烟浓度的估算表明其比人体所能承受的极限烟浓度约大100倍 因此 单从火灾环境烟气浓度的角度来看 理论上的安全区域内环境烟浓度不应超过火区附近烟浓度的1 很明显 用新鲜空气来稀释烟气同时也将减少环境气体中有毒烟气组分的浓度 烟气的毒性是一个更为复杂的问题 目前尚无有关的数据和结论能够从烟气毒性的角度来说明需要如何稀释烟气才能确保安全的环境 方程 5 49 可改求得净化速率为 5 50 例如 敞开门后房间中污染物的浓度达到下着火房间的20 随即将门关闭 要求6min后房间中污染物的浓度降至着火房间的l 由方程 5 50 可求得这种情况下该房间所需的空气净化速率约为0 5 min 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 实际上 污染物浓度在整个房间中均匀分布是不可能的 由于浮力作用 很可能在顶蓬附近污染物浓度较高 因此将排气管道的入口接近顶蓬安置 而将供气管道的出口接近地板安置 可望得到比以上计算结果更快的空气净化速率 同时还必须注意 供气管道出口应远离排气管道入口 以免造成 短路 此外 在烟气控制系统的设计中 应充分考虑要预留烟气排放通道 保障烟气受热膨胀的情况下起到泄压作用 还应当明确 在火区稀释烟气并不意味着达到了烟气控制的目的 因为 简单地向火区大量充气和从火区大量排气的做法尽管有时可以净化烟气 但是很难确保火区的气体适宜人体吸入 同时 由于不能提供挡烟门敞开时所必需的气流和压差 也就不能有效地控制烟气蔓延 而在与火区隔离的区域内 这种充气和排气的做法的确能够很大程度上限制空气当中的烟气含量 一 烟气管理与烟气控制 二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 二 烟气控制系统设计计算中的几个问题 一 开门所需的力在烟气控制系统的设计中 必须考虑压差作用在门上所产生力的大小 如果门所受到的力过大 则使居住者出入不便 或使其在火情发生后难以打开通向安全区域或疏散通道的门 开门所需的力由克服门两边压差所需的力和克服门自锁力所需的力组成 可用以下公式来表示 即 5 51 式中 F为开门所需的力 N Fdc FP分别为克服门自锁力和克服压差所需的力 N W和A分别为门的宽度 m 和面积 m2 P为门两边的压差 Pa d为门把手到靠近把子一侧门边缘的距离 m 系数Kd 1 00 这一关系式基于开门的力量仅作用于门把手上的假定 克服压差所需的力可由图5 16确定 克服门自锁力所需要的力通常大于13N 有时可达90N 例如一扇高2 13m 宽0 91m 把手安置在靠近边缘0 076m处的门 其两边压差为75Pa 若克服其自锁力所需的力为53N 则需要133N的力量才能打开该门 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 图5 16作用于门上力的大小与压差的关系 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 二 气体流动面积在烟气控制系统的设计中 必须对空气流动途径进行确定和估算 有些流动途径是显而易见的 如敞开的房门 电梯门 窗 透气窗以及门缝等 而建筑结构缝隙 如墙缝等 则不很明显 但却不容忽视 许多较大开口 如门 窗 的气体流动面积很容易计算 可是缝隙的气体流动面积却较难估算 它们取决于建筑施工质量 如门 窗固定得如何 其挡风雨条安装得如何等等 例如一扇0 90m 2 10m的门 若其平均门缝宽度为3 2mm 则气体泄漏的面积为0 020m2 倘若安装质量低劣 底部留有19mm的空隙 则气体泄漏的面积为0 30m2 二者相差非常之大 测量表明每扇电梯门的气体泄漏面积在0 051 0 065m2的范围内 通过对敞开的楼梯间入口处气体流动的测试和研究表明 其流动状态很复杂 从而导致空气体积流率的测量值大大低于在方程 5 48 中采用楼梯间入口的几何面积 宽 高 作为流动面积所得到的估算值 因此建议对于敞开的楼梯间入口采用其几何面积的一半作为流动面积 另外还有一种等效的处理方法 即采用其几何面积作为流动面积 同时引入一个小于1的流动系数 在此不展开讨论 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 商品楼中墙和地板上缝隙面积的典型值在表5 3中以面积比的形式给出 其中A Aw和AF分别为气体流动面积 墙面积和地板面积 这些数据是根据加拿大国家研究委员会 NationalResearchCouncilofCanada 所进行的一些测试得出的 与墙和地板相应的面积比数据分别对应于75Pa和25Pa的典型流动情况 一般认为实际气体流动面积首先取决于建筑工施工质量而不是建筑材料 有时对于某些特殊建筑 其构件之间缝隙的流动面积可能会偏离表5 3中所给出的值 可根据具体情况查阅有关手册 管道的通风气流截面并非总是能用宽 高的方法来确定 因为通风截面常被叶栅等遮挡 所以实际气体流动面积小于通风截面面积 由于叶栅的挡风条经常倾斜 因此气体流动面积的计算较为复杂 应视具体情况选用适当的参数 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 三 等效流动面积等效流动面积的概念在烟气控制系统的分析中非常有用 一个系统中烟气蔓延的流动路径可以是相互并联 串联 或是串 并联相结合 对于给定的流动系统 其等效流动面积定义为在同样压差情况下造成同样流动的单一开口的面积 这与电路理论中等效电阻的概念相类似 如图5 17所示 当一个加压空间中存在三个面积分别为A1 A2 和A3的开口相互并联时 其等效流动面积为 5 52 如果A1为0 10m2 A2 A3均为0 05m2 则其等效流动面积Ae为0 20m2 公式 5 38 可以被推广运用到具有任意个开口相互并联的情况 此时等效流动面积可下式计算 5 53 式中 n为相互并联开口的个数 如图5 18所示 当一个加压空间中存在三个面积分别为A1 A2和A3的开口相互串联时 其等效流动面积为 5 54 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 图5 17并联的流动途径图5 18串联的流动途径图对于具有任意n个开口相互串联的情况 其等效流动面积为 5 55 式中 n为相互串联开口的个数 在烟气控制系统的分析中 最常见的是两个开口相互串联的情况 这时的等效流动面积可表示成 5 56 实际上 现代建筑内部的门多是串联和并联结合存在的 以图5 19为例来说明流动路径串 并联相结合时其等效流动面积的计算方法 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 图5 19串 并联相结合的流动途径图从图中可见 开口A2 A3是并联的 于是其等效流动面积为 5 57 同样 开口A4 A5和A6也是相互并联的 其等效流动面积为 5 58 开口A1与这两个并联等效流动面积是相互串联的 于是整个系统的总等效流动面积为 5 59 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 四 对称性对称性对于简化问题很有帮助 图5 20所示为一多层建筑的层平面图 在其对称轴所划分的两个对称区域中 开口分布及其相应的流动面积均相同 对于对称建筑 其每一层均可以同样的方式划分为两个对称的区域 如果分析中不考虑风的作用或者风的方向与对称轴平行 则只需分析其中一个对称区域中的流动 应该指出 这里所谓的 对称 是指关于流动的对称 并不需要象图5 20所表示的那样必须是完全的几何对称 图5 20对称层的平面示意图 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 五 计算机分析有些关于烟气控制的设计计算适于手算 然而 其它一些包含迭代算法或随时间变化的计算则适于计算机 美国国家标准局已建立了一套专门用于烟气控制系统分析的计算机程序 其中一些可用来计算稳态条件下整个建筑内的压力和流动分布 其它一些还可计算火灾中整个建筑内的烟气浓度分布 这些计算程序在一定程度上各有不同 但它们在基本思想和方法上却都相近 即用一个空间网络来代表一幢建筑 在网络中的每一节点上有相应的压力值 温度值等 楼梯井和建筑巾的其它竖井被模化为竖立的一系列空间 每一个楼层一个 气流通过一定的流动路径从高压区向低压区泄漏 可以通过敞开的门窗 也可以通过门缝 窗缝以及隔墙 地板 外墙和顶篷的缝隙 泄漏的气流量取决于流动路径两端的压差 见方程 5 47 与楼梯井加压情况相似 加压系统可将建筑外部空气送至建筑内的其它竖井和任何空间 而且 与区域烟气控制系统相类似 建筑中的任何空间均可向外排风 整个建筑中的压力分布和所有流动路径上的气体流量分布可通过求解包括外部风 加压系统 或内外温差等作用在内的空气流动网络得到 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题 三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 三 烟气控制系统设计参数的一般讨论理论上说 建筑及其消防规范中应该包含有关烟控系统的设计参数 以确保所设计的系统经济实用 然而 由于烟气控制是一个新领域 因此对如何制定合理的设计参数尚未取得一致意见 显然 设计人员有责任遵循现有专业规范和所有设计标准 但是 对这些设计标准有必要进 步仔细核察和研究 以确定它们是否行之有效 设计人员应在必要时放弃某些标准或规定 以保证设计出经济 有效的烟气控制系统 在烟气控制系统的设计中 需要确立以下五个方面的有关设计参数 即 流动面积 气象数据 压差 空气流和允许开门数 关于流动面积已在前面进行过讨论 另外需要考虑在火灾中窗户玻璃是否破碎 这一问题会对压差和气流产生影响 对此下面的讨论中将会涉及 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 一 气象参数目前在烟气控制的设计中 很少考虑选取专用的气象参数 设计人员希望将有关规范和标准中给出的冬 夏期间供暖和制冷系统的设计工作温度直接用于烟气控制系统的设计 应该指出的是 冬季实际温度常常低于甚至大大低于所规定的设计温度 由于建筑材料的热惯性 所以实际工作温度在短时间内低于设计工作温度的状况不会对供暖系统造成太大的损害 但却不能断言对于烟气控制系统也会如此 因为烟气控制系统工作时烟囱效应驱动力的形成不存在时间延迟 如果外界温度低于烟气控制系统设计的冬季工作温度 则烟囱效应可能会引发某些问题 同样 在夏季如果外界温度高于烟气控制系统设计的工作温度 则逆向烟囱效应可能会带来问题 在烟气控制系统的设计和分析中 有关外部风的设计参数无疑是必需的 然而目前尚没有关于外部风影响分析的常规方法 这便使得在烟气控制系统设计中人们通常人为地把外部风的各种影响尽量减少到最小 如何确定合适的温度和外部风参数是烟气控制系统没计中有待进一步研究的问题 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 二 压差在烟气控制区域的边界上 应该考虑最大允许压差和最小允许压差 最大允许压差即为不产生附加开门力的临界压差值 然而 附加开门力却难以确定 显然 人的身体素质是合理确定开门力的主要因素 有规范指出 疏散通道中任何门的开启力不应超过133N 前面已讲过粗略确定开门力的方法 最小允许压差即指人员疏散经过的空间内不出现烟气泄露的临界压差值 此时 烟气控制系统必须产生足够大的压差来抵消外部风作用 烟囱效应或热烟气的浮力作用 在着火房间窗玻璃破碎时 外部风和烟囱效应所形成的压差会变得很大 它主要取决于人员疏散时间 火灾增长速率 建筑结构以及所采取的消防措施 在尚无常规分析方法的情况下 其值只能凭籍工程经验和判断来估算 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 由热气体浮力作用产生的挡烟物两边压差的估算方法已在前一节中进行过介绍 在某些特殊情况厂 需要考虑所设计的烟气控制系统能够承那些比较靠近烟气控制区域边界的高强度火的影响 前面已经指出 一系列全尺寸火灾测试表明 着火房间顶蓬附近墙壁两边所达到的最大压差为16Pa 为了防止烟气侵入 所设计的烟气控制系统必须保持梢高的压力来抵消高温形成的压差 通常认为这种情况下最低压差应在20 25Pa的范围内 如果烟气控制边界附近的烟气是热烟气 则浮力作用产生的压差相对略低 若烟气温度为400C 则中性面以上1 53m处烟气浮力产生的压差为10Pa 通常认为这种情况下所设计烟气控制系统宜保持的最低压差应在15 20Pa的范围内 水喷淋能够冷却火灾烟气和降低浮力作用产生的压差 这种情况下 应该考虑压力波动影响 通常认为最低压差应保持在5 10Pa的范围内 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 火灾中门窗玻璃会发生破碎 这时作用于建筑外墙的风压可由方程 2 51 确定 如果破碎的窗户是起火楼层的唯一开口 且恰好迎风 则此时烟气控制的边界上可能会经受较高的压力 一种可用的方法是在起火楼层的所有侧面开孔泄压 而对于长度远大于宽度的建筑的来说 则只需在较长的两侧开孔 除了外部风影响之外 着火房间窗玻璃破碎还会强化烟囱效应 如果冷天较低楼层起火 烟囱效应将使起火楼层压力增加 尽管对水喷淋影响窗玻璃碴碎的研究极少 但可以断言它会降低玻璃破碎的几率 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 三 空气流当处于烟气控制边界上的门打开时 烟气就会流入避难区和疏散通道 除非有一股足够强的气流从门流过 来阻止烟气侵入 设计中选取气流速度的原则应该是在人员疏散过程中没有烟气侵入 有些其它原则可能允许少量的烟气侵入被保护区域 这时必须考虑烟气的毒性 气流速度的选取依赖于人员疏散时间 火灾增长速率 建筑结构和所采用的消防措施 由于缺少常规的分析方法 这类估算必须以工程经验和判断为基础 为了阻止烟气从敞开的门中侵入 需要一定的气流 目前 关于所需气流的临界速度仍有很多问题有待研究 因为缺少这方面专门的经验公式 所以只能借用前面给出的阻止烟气侵入走廊所需临界气流速度的经验公式来求得近似结果 即以门的宽度来取代式中的走廊宽度 这种分析方法基于在整个流动截面上烟气特性分布均匀的假设 正如前面所指出的 在某些特殊情况下 高强度火可能是设计时所必需考虑的 如释热速率为2 4MW的大火 这时可能阻止烟气侵入的临界气流速度约为4m s 另一方面 对于如释热速率为125kW的低强度火 人员疏散时阻止烟气侵入所需的临气流速度约为1 5m s 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 在安装了水喷淋系统的建筑中 考虑到火区邻近的烟气被水冷却至接近环境温度 这种情况下台适的气流速度应在0 25 1 25m s范围内 关于水喷淋对烟气控制设计参数的影响还有待于进一步研究 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 四 允许开门数除上述问题以外 烟气控制系统的设计中还需要考虑在其有效性得以保证的前提下所允许的最多开门数 当然 可以根据所有门都敞开的情况进行设计 从而充分保护所设计烟气控制系统的有效性 然而 这样可能会大大增加系统的造价 开门数的确定很大程度上依赖于建筑中的人员密度 例如 对于一栋人员密集的建筑 发生火情后人员疏散时可能所有门都是敞开的 反之 对于人员稀疏的建筑 火灾发生时可能只有很少的门敞开 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数 四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 四 建筑中烟气控制的主要方式建筑火灾中烟气控制的主要着眼点在于楼梯井和着火区域 因为这两个区域的烟气控制是保护生命财产安全的关键 下面分别对这两个区域的烟气控制进行讨论 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 一 楼梯井烟气控制从火灾安全的角度而言 设计和建造楼梯井的首要目的在于为火灾中人员疏散提供无烟的安全通道 其次 是为消防人员提供中间整备区域 在起火楼层 加压楼梯间必须保持正压 以避免烟气侵入 在建筑火灾过程中 人员疏散和火灾扑救造成一些楼梯间的门断断续续地敞开 甚至有些门可能一直敞开 理想情况下 当起火层楼梯问的门敞开时 应该有足够强的气流穿过来阻止烟气侵入 然而 由于楼梯井中所有门的开关变化以及气象条件的影响 设计这样的系统非常困难 楼梯井加压系统分为两类 即 单点加压送风系统和多点加压送风系统 单点加压送风即指从单一地点向楼梯井输入加压空气 最常见的是从楼梯井的顶部 对于这类系统 存在烟气通过加压风机进入楼梯井的可能性 因此设计中应该考虑发生这种情况时系统的自动关机功能 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 对于较高的楼梯井 当送风点附近的门敞开时 单点加压送风系统可能失去作用 因为所有的加压空气可能会从这些敞开的门中流失 从而使楼梯井中远离送风点处不能保持正压 尤其是对位于建筑底部的单点加压逆风系统 当底层楼梯间的门敞开时 其失效的可能性更大 因而 对于较高的楼梯井 加压空气可从沿楼梯井高度的不同地点供入 这即是所谓的多点加压送风 图5 21和图5 22分别给山了两种多点加压送风系统 图5 21风机在底层加压送风系统图5 22风机在顶层加压送风系统 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 第四节建筑火灾中的烟气控制 第四节建筑火灾中的烟气控制 显然 多点加压逆风系统可以克服单点加压送风系统的局限性 图中所示的通风管道被单独安置在管道井中 而对于那些通风管道直接安置在楼梯井中的情况应该注意的问题是这些通风管道不能成为火灾中人员疏散的障碍 如图5 23所示 多点加压送风的一种方案是将楼梯井分隔成相对独立的几部分 显然 当相邻两部分之间的门敞开时 这种区域分隔的效果会减弱或消失 因此 楼梯井的区域分隔不适合人员密集的建筑 而对于疏散人流较小 敞开的门较少的情况 区域分隔则是一种对高楼梯井行之有效的手段 图5 23加压楼梯井的区域分隔示意图 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方式 下面着重讨论建筑中加压楼梯井的简单分析方法 考虑在仅有一个楼梯井 多个楼梯井的情况可根据对称性的概念加以推广 的建筑中 假设每一楼层气体泄漏的流动面积都相同 并且气体流动的主要驱动力只限于楼梯井加压系统和楼梯间门内外温差 不考虑垂直方向上的气流泄漏 则楼梯井和建筑内部之间的压差 PSB K可表示为 5 60 式中 PSBb为楼梯井底层的压差 y为楼梯井底层以上的距离 ASB为每一楼层楼梯井与建筑内部之间气体泄漏的流动面积 ABO为每一楼层建筑内部与外界之间气体泄漏的流动面积 b为温度因子 即 5 61 式中 T0 TS分别为外界和楼梯井内空气绝对温度 一 烟气管理与烟气控制二 烟气控制系统设计计算问题三 烟气控制系统设计参数四 建筑中烟控的主要方