烟气的传播及控制

出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第二卷》第607页（5590字）

(一)烟气的传播

当发生火灾时，有效地控制烟气流动和蔓延，对确保人员疏散安全、改善灭火条件是极为重要的。在对建筑物进行防排烟系统设计之前，首先要了解烟气在建筑物中传播的动力及传播途径，根据其传播方式，有效地对烟气进行控制。

在建筑物中，火灾发生时引起烟气运动的主要途径有烟囱效应、浮升力、膨胀力、风压、空调系统等，如图3－2－15所示。以下分别论述这些作用力对防排烟系统的影响。

图3－2－15 引起烟气运动的主要途径

1．烟囱效应

建筑物室内外空气通常都存在温差，当室外空气温度低于室内空气温度时，在建筑物的竖井中(诸如楼梯间、电梯井、管井、空调垂直风道等)的空气就会向上运动，这种现象称为“烟囱效应”。对高层建筑而言，在室内外空气温度差较大时，其“烟囱效应”更为明显。

当室外空气温度高于室内空气温度时，在建筑物的竖井中的空气就会向下运动，这种现象称为“逆烟囱效应”。建筑物在“烟囱效应”或“逆烟囱效应”影响下所产生的作用力表达式如下：

△P=(ρ₀－ρ_i)gh，

式中：△P——“烟囱效应”所产生的作用力(Pa)；

ρ₀——室外空气密度(kg／m³)；

ρ_i——室内空气密度(kg／m³)；

g——重力加速度，g=9．81；

h——距离中性面的高度(m)。

在竖井内、外静压相等的位置面称为中性面，一般情况下在建筑物的中间位置。根据理想气体定律(P=ρRT)，上式可改写为

式中：P——绝对大气压力(Pa)；

R——气体常数；

T₀——室外空气热力学温度(K)；

T_i——室内空气(竖井)热力学温度(K)。

对于标准大气压而言，上式可写成

式中：K_s——系数，K_s=3460。

图3－2－16为在“烟囱效应”作用下建筑物竖井内外的压差图，其正压值表示竖井内的压力比室外压力高；负压值表示竖井内的压力比室外压力低。

图3－2－16 在“烟囱效应”作用下的压差图

建筑物在“烟囱效应”或“逆烟囱效应”作用下，空气的运动方式如图3－2－17所示。若着火位置位于中性面之下，烟气则会迅速地向建筑物上部蔓延；若着火位置位于中性面之上，烟气则会向上一层蔓延，这时在中性面之下部位会比较安全，不会受到烟气的侵害。若在“逆烟囱效应”作用下，烟气运动的方向则与上述相反。

图3－2－17 建筑物在“烟囱效应”或“逆烟囱效应”作用下空气的运动方向

图3－2－18给出了建筑物在“烟囱效应”或“逆烟囱效应”作用下，建筑物单位高度上所产生的作用力。当△P／h为正值时，中性面以上的压力为正值，中性面以下为负值；当△P／h为负值时，情况则相反。

图3－2－18 建筑物单位高度上所产生的作用力

2．浮升力

火灾时高温烟气在建筑物内部的运动存在向上的浮升力，从而导致烟气沿建筑物内部向上蔓延，随着烟气的流动和烟气的浓度被稀释，浮升力的作用会逐渐减小。浮升力的大小与着火处周围的空气温度有关，其表达式为

式中：T₀——周围空气热力学温度(K)；

T_i——火灾处烟气热力学温度(K)；

h——距离中性面的高度(m)。

例如：着火处烟气温度为800℃时，根据上式，在距中性面1．52m处的浮升力为13Pa。

图3－2－19给出了不同的烟气温度对应的浮升力值。

图3－2－19 不同烟气温度对应的浮升力值

3．膨胀力

除浮升力外，火灾中能量的释放还可使周围的空气体积快速膨胀，空气膨胀量的大小与着火处温度及周围环境温度有关，其表达式为

式中：Q₀——着火处排出烟气的体积流量(m³／s)；

Q_i——进入着火处空气的体积流量(m³／s)；

T₀——着火处排出烟气的热力学温度(K)；

T_i——进入着火处空气的热力学温度(K)。

例如：进入着火处的空气温度为20℃，着火处排出的烟气温度为700℃，如果进入着火处空气的体积流量为1．5m³／s，根据公式，着火处排出烟气的体积流量达到4．98m³／s。由此可见，在该条件下火灾能量的释放可使周围的空气体积膨胀三倍。

4．风压

在许多情况下，室外风对建筑物内的烟气运动会产生较大的影响，如图3－2－20所示。作用在建筑物外表面的风压表达式为

图3－2－20 简单建筑物在室外风作用下的气流模型

式中：C_w——压力系数，一般取－0．8～0．8；

ρ₀——室外空气密度(kg／m³)；

v——室外风速(m／s)。

对于建筑物的迎风面，C_w为正值；反之，C_w为负值。C_w值的大小与建筑物的几何形状和所处地理位置有关。

例如：当室外风速为15．6m／s，C_w为0．8时，作用在建筑物外表面的风压为117Pa，如果建筑物门窗是开启的(或部分开启)，并处在迎风面，则火灾时室外风可加速烟气在建筑物内的蔓延。图3－2－21给出了不同室外风速对建筑物产生的风压值。

图3－2－21 不同室外风速对建筑物产生的风压值

5．空调系统

建筑物内的中央空调系统给人们的工作、生活创造舒适的环境条件，但火灾时烟气却可借助空调系统的送、回风管道在建筑物内蔓延，给居住在建筑物内的人员带来危害。此外，若空调系统对着火区域送风，还会起到助燃作用，增加火势。因此，当建筑物发生火灾时应立即关闭所有空调系统，以避免烟气在建筑物内更广泛地传播。

(二)烟气的控制

控制烟气的目的就是采用有效的办法使烟气按照人们事先规定的路线排出室外，协助消防队员扑灭火灾，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。烟气控制的方法主要有加压送风、自然排烟、机械排烟三种。

1．加压送风方式

利用加压送风机对被保护区域(如防烟楼梯间和前室等)送风，使其保持一定的正压，以避免着火处的烟气借助各种动力(诸如烟囱效应、膨胀力等)向建筑物的被保护区域蔓延。加压送风采用的主要方式有二种：

(1)在关闭门的状态下，维持避难区域或疏散路线内的压力高于外部压力，避免烟气通过各种建筑缝隙侵入(诸如建筑结构缝隙、门缝等)，如图3－2－22所示。

图3－2－22 在关闭门的状态下加压送风

(2)在开门状态下，保证在门断面形成一定的风速，以阻止烟气侵入避难区域或疏散通道，如图3－2－23所示。

图3－2－23 在开门状态下加压送风

加压送风方式的优点有：能够确保疏散通道的安全，免遭烟气侵害；可降低对建筑物某些部位的耐火要求；便于老式建筑物的防排烟技术的改造。

加压送风方式的缺点：送风压力控制不好会导致防烟楼梯间内压力过高，使楼梯间通向前室或走廊的门打不开，影响建筑物内人员的快速疏散。

2．自然排烟方式

自然排烟是借助室内外气体温度差引起的热压作用和室外风力所造成的风压作用而形成的室内烟气和室外空气的对流运动，如图3－2－24所示。

图3－2－24 自然排烟方式

采用自然排烟时，烟气和周围空气之间的温差、排烟口和进风口之间的高差、室外风力和风向以及高层建筑热压作用等都会对自然排烟的效果产生影响。当建筑物的排烟口设在迎风面时，其排烟量在室外风的作用下会发生变化：当室外风的作用力小于烟气的浮升力时，则排烟量会减少；当室外风的作用力等于烟气的浮升力时，则不会有烟气排出；当室外风的作用力大于烟气的浮升力时，则室外风会通过排烟口进入到建筑物内从而加剧烟气在建筑物内的流动，导致自然排烟失败。因此，自然排烟受到多种因素的影响。

(1)自然排烟方式的优点：

①结构简单，投资少；

②无动力设备，运行维修费用少；

③在顶棚能够开设排烟口的建筑，其自然排烟效果好。

(2)自然排烟方式的缺点：

①自然排烟的效果不稳定；

②对建筑的结构有特殊要求；

③火灾易通过排烟口向上层蔓延。

3．机械排烟方式

由于自然排烟受到诸多因素影响，采用机械排烟方式可消除这些影响，以收到有效排烟的效果。机械排烟方式是借助排烟风机的作用对着火处进行强迫送风并同时排气，以用来排出火灾中的烟气，如图3－2－25所示。

图3－2－25 机械排烟方式

在机械排烟中，要维持一定量的新鲜空气进入着火区域，以确保排烟效果。机械排烟多用于大型商场或地下建筑，通过顶部的排烟口或排烟风管将烟气排出室外。

(1)机械排烟方式的优点：

①克服自然排烟受室外气象条件的影响；

②克服自然排烟受高层建筑热压的影响；

③排烟效果稳定。

(2)机械排烟方式的缺点：

①火灾猛烈发展阶段排烟效果会降低；

②排烟风机和排烟风管须耐高温；

③初投资和运行维修费用高。