建筑火灾挡烟排烟原理分析

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2010-09-04 10:16 热度:

  摘要:基于分析烟气的特性,提出建筑火灾中控制烟气的必要性,并阐述了挡烟和排烟的方法和原理,为建筑工程的防排烟设计提供了借鉴。
  关键词:建筑火灾;防排烟;原理分析
  
  1 引言
  一般情况下,当建筑物发生火灾时,都会伴随着烟气的产生,烟气中的一氧化碳、氰化氢等都是有毒性气体。当空气中氧气含量降低时,会引起人体缺氧而窒息。调查表明,据统计表明,由于一氧化碳中毒窒息死亡或被其他有毒烟气熏死者一般占火灾总死亡人数的40%~50%,而被烧死的人当中,多数是先中毒窒息晕倒后被烧死的。同时,烟气的高温危害,烟气的遮光作用也是造成人员伤亡的原因。挡烟和排烟是控制烟气蔓延的主要两种基本方法,挡烟指的是一定的固体材料或介质形成一定大小的防烟分区,将烟气阻挡在起火点所在的区域内,这样可以避免烟气对其它区域造成不良影响。排烟指的是将烟气排到建筑物之外,这是从根本上消除烟气在建筑物内蔓延的手段。实际工程中这两种方法常常是联合使用的。
  2挡烟控制
  2.1固壁挡烟
  人们也许会认为利用固壁挡烟是一种原始的简单方式,实际上这反而是最有效的挡烟方式,决不可忽视它的作用。建筑物的墙壁、隔板、楼板、门窗和垂壁都可以用于挡烟,但在实际工程中如何合理地用它们组成适当有效的防烟分区是需要认真对待的。防烟分区的格局设计得合理,也可以为排烟措施的运用提供便利条件。固定的墙壁、楼板、隔板等是防烟分区的基本分隔条件,它们必须达到一定的耐火性能,作为隔板和门窗,耐火极限应不低于0.9个小时,以防止烟气温度过高而破坏。
  需要注意在许多防烟墙或隔板上,还留有大量用于穿管、穿线用的孔洞。而这些孔洞可能构成烟气跨区蔓延的重要途径。按照规定,在施工结束后应当将这类洞口封堵起来,问题经常出现在不加封堵或封堵不好的情况,不少火灾事故的扩大恰恰是忽略这方面的问题造成的。
  2.2风机加压挡烟
  利用风机对某一区域加压,也可以阻挡烟气向该区域的蔓延。该建筑物内的两个区域通过隔墙上的门相连。当左侧空间发生火灾时,更对右侧空间进行加压,则穿过门缝的空气流能够阻止左侧的烟气渗透到右侧来,若将门打开,则整个门道都可以用于气体流动,当右侧的空气流速较低时,烟气仍可经门道上半部进入右侧区域。但如果空气流速和流量足够大,则烟气仍可能被空气流挡在右侧空间之外。由些可见,利用风机加压来控制烟气有两种情形,一是利用分隔物两侧的压差控制,二是利用流速足与流量够大的空气流控制。
  实际上这两者的控制机理相同,但是将它们分别考虑是有好处的,因为若分隔物上存在较大的开口,则对设计和测量都适宜采用空气流速;但对于门缝、裂缝,按流速设计和测量空气流速都不现实,而适宜压差,另外将两者分开考虑,强调了对于开门或关门的情况应采取的不同处理方法。
  利用压差挡烟广泛用于疏散楼梯与避难区的前室中,通常是通过适当的风管系统将风机送入的空气分配到各个前室之中,风机吸入的必须是室外的未被烟气污染的空气。否则便失去了加压挡烟的意义,为了有效阴挡烟气进入前室,前室与有烟区域的压差必须是足够大,但是又不能太大,否则将会给人员推门进入前室造成困难,影响了人员疏散的安全,一般认为这一压差为25-50Pa为宜。
  为了不使加压引起的膨胀成为问题,加压空间中应当有可将烟气排到外界的通道,这种通道可以是顶部通风的电梯竖井,也可由排气风机完成。
  空气流挡烟则广泛用于铁路、公路与地下遂道的火灾烟气控制中,这种挡烟方法需要很大的空气流率,故在内部空间很大的建筑中不宜采用,新鲜空气流又会给起火区域提供氧气,如果该区域还明火,则这种送风方式有可能加强燃烧。除了大火已经被抑制或燃烧已被控制的少数情况外,通常不采用这种方法。
  3排烟控制
  排烟主要有自然排烟和机械排烟两种方式。自然排烟是通过建筑物上部的窗口、阳台或专用排烟口,利用烟气产生的浮力将烟气排放出去。
  火灾烟气的温度通常会比冷空气高不少,在浮力作用下,它将上升到建筑物的上部,并形成逐渐加厚的烟气层。可以认为室内大体分为上部烟气层和下部空气层两个区域,这就为自然排烟提供了基本依据。
  3.1自然排烟
  自然排烟方式的结构简单,易操作,也比较经济,但受到如室外风速、风向、建筑物所在地区的气候特点等环境因素的影响,自然排烟是一个比较缓慢的过程,当室内仍存在明火的情况下,单纯靠自然排烟往往无法达到迅速排除烟气的目的。自然排烟口必须有足够大的面积,通常要求排烟口总面积不应小于该防烟分区面积2%。但试验表明当建筑物的平面面积或体积较大时,这种排烟口面积比就不足以及时排出烟气,如果烟气的温度较低,可以在建筑物内部发生弥散,那么便失去了自然排烟的基础,在大空间建筑火灾中就存在这种情况。
  3.2机械排烟
  机械排烟是利用风机进行强制排烟,机械排烟需要建立一个较复杂的系统,包括由挡烟壁面围成的蓄烟区,排烟管道、排烟风机等,为了有效排烟,就当对系统的形式做出合理的设计。例如,当建筑物的面积较大时,可在一个防烟分区内设计几个竖直的排烟口,而尽量减少水平管道的长度,又如在高层建筑中,宜沿竖直方向多设几个排烟口,并将风机安装在建筑物的顶部,对于大面积建筑、大空间建筑与地下建筑等,必须采用机械排烟,因为在这些建筑中的烟气容易与空气掺混和弥散,不用强制排烟手段难以彻底清除烟气,机械排烟是控制烟气蔓延的最有效方法,研究表明,在火灾过程中良好的机械排烟系统能排出大部分烟气和80%以上的热量,从而使室内的烟气浓度和温度大大降低。
  此外实际上所用的排烟风机必须有足够大的排烟速率,以减缓烟气在建筑内的沉降,使之不会在相关人员的有效安全疏散时间之内到达对人危害的高度。
  3.3排烟补风
  实际上排烟过程是一种空气与烟气的置换过程,烟气从排烟口排出,室内形成一定的负压,进而导致新鲜空气从其它的开口补入进入。补风口的位置对机械排烟的效果具有重要的影响,试验发现,如果补风口们于地面附近且距火源较近,则新进来的空气很快可以到达火源,为燃烧提供了大量的氧气,进而促使火势的增大,因此当室内仍有明火时,不应过早地打开火源附近的补风口。如果进风口位置离风机过近,容易造成空气的流通短跑,反而使烟气无法排出,应当指出,机械排烟系统对建筑物内的气体具有很强的掺混作用,排烟与补气的位置安排不当,很可能导致烟气量的增大。
  3.4烟气稀释
  排烟过程是烟气边稀释边排放的过程,向原先充满浓烟的空间供入新鲜空气,并使之与烟气进行掺混,就是对烟气进行稀释,这样便可以将建筑物内的平均烟气浓度控制在人可以接收的程度。烟气稀释也是火灾扑灭后清除烟气的基本方法。
  这里对无明火区域的烟气稀释计算作些简要讨论。设t=0时刻,该区均分布着一定浓度的烟气,然后不断向其中补入新鲜空气,这样在任意时刻t时,烟气的浓度可以表示为C/C。=eˉɑt。式中,C。为开始时的烟气浓度,C为t时刻的烟气浓度,ɑ为稀释率,一般用每分钟的换气次数表示,由此方程可解出稀释率和时间α=1/t•ln{C。/C},t=1/α•ln{C。/C}。此式也可以用于计算烟气中某种有害组分的浓度变化,只需将式中的烟气浓度改换为该组分的浓度即可。各组分的浓度可以用任何适宜表示组分的单位表示。
  如果排烟系统每小时可排除9倍的室内空气,即稀释率是0.15/min。要将烟气浓度降低到初始值1%。可算出所需时间是30min。如果希望在10分钟内排除该区域的烟气,则必须加大换气率。可得出稀释率是0.64/min,即每小时换气28次。
  
  参考文献
  [1]霍然,姚斌:《火灾风险评估方法学研究》,中国科学技术大学出版社2003年版。
  

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