地下建筑火災中的煙氣流動分析與對策

饒俊 翟帥

摘要：文章通過對地下建筑火災中煙氣的產生、流動特性及煙氣對人員安全疏散的影響進行分析，提出幾種解決地下建筑火災中煙氣流動所帶來問題的方法，使之向滅火、疏散、救援等有利的方向發展。

關鍵詞：地下建筑;煙氣流動;分析與對策

從近年來的火災事例中可以發現，煙氣是阻礙人員逃生，導致人員傷亡的主要原因之一。對于地下建筑而言，一旦發生火災，溫度上升很快，火災蔓延迅速，由于缺氧而呈現不充分燃燒，會產生大量含有一氧化碳等有毒物質的濃煙，特別是當地下建筑機械防排煙設施沒有充分發揮作用時，使大量濃煙聚集于室內，嚴重影響人員的疏散，甚至使人員中毒窒息死亡。因此，應該對地下建筑火災中煙氣的產生和流動特性進行分析，充分利用煙氣流動的特點，采取措施使其在火災中有利于煙氣的排出和人員的安全疏散。

一、地下建筑發生火災時的煙氣成分

（一）煙氣成分

煙氣的組成成分和數量取決于可燃物的化學組成和燃燒時的溫度、氧的供給等燃燒條件，由極小的炭黑粒子完全燃燒或不完全燃燒后的成分及可燃物的其他燃燒分解產物所組成。含碳量多的物質，在氧氣不足的條件下燃燒時，有大量的炭粒子產生。通常，煙霧在低溫時，即陰燃階段，以液滴粒子為主，煙氣發白或呈青白色。當溫度上升至起火階段時，因發生脫水反應，產生大量的游離碳粒子，常呈黑色或灰黑色。在地下建筑火災中，由于供氧不足，發生不完全燃燒，有毒氣體增加，煙氣濃度增加。

（二）煙氣生成量和煙羽流

火災中地下建筑的煙氣生成量取決于煙羽流的流量，燃燒產生的熱煙氣由于浮力的作用上升，并在火焰上方形成的煙羽流。煙羽流的質量流量主要是由可燃物的質量損失速率、燃燒所需的空氣量及上升過程中卷吸的空氣量三部分組成。

（三）煙羽流的質量流量計算

在進行排煙問題計算時，首先應知道保持著火房間冷空氣層高度不變時的羽流質量流量，在考慮火災最大熱釋放速率條件下，對煙氣流動問題進行適當簡化，從而得出煙氣排放的質量流量與通風口面積、煙氣溫度、房間高度及冷空氣層高度之間關系的數學表達式。

對于小面積的圓形和矩形（長邊長度<3倍的短邊長度）火源，可采用式（1）所示的Zukoski羽流模型計算羽流的質量流量：

（1）

式中：me為高度Z處羽流的質量流量，kg/s;Ce為系數，kg/（s·kW1/3·m5/3），當火源在房間中間時Ce=0.071;當火源一面靠墻時Ce=0.044;當火源靠近墻角時Ce=0.028;Qp為對流熱流量，即火源熱釋放速率中對流所占的部分，可近似取70%，kW;Z為從可燃物表面至計算羽流質量流量處的高度，m;Z0為從可燃物表面至虛擬點火源的高度，可用式（2）計算：

（2）

式中：D為火源的直徑。

對于大面積（Z<10·D）的火源，可用式（3）所示Thomas-Hinkley羽流模型計算羽流的質量流量：

（3）

式中：Ce為系數，kg/（s·m5/2），對于很大的房間，但頂棚高度遠離火焰表面的建筑物時，Ce=0.19kg/（s·m5/2）;對于很大的房間，但頂棚高度接近火焰表面的建筑物時Ce=0.21kg/（s·m5/2）;對于小房間，系數Ce=0.34kg/（s·m5/2）;U為火源的周長，m。

二、地下建筑發生火災時的煙氣流動特點

在起火的初始階段，地下建筑內的通風風流和煙氣都是沿著原來的方向移動的，當火災進一步擴大后，地下建筑內部空氣的成分發生了變化，隨著溫度的升高，逐步形成了一種巨大自然風壓，稱之為火風壓。通過研究發現：

在下行地下巷道中，正壓送風風壓值ΔP與熱風壓ΔhT、火風壓Δhf應滿足下面不等式：

才能阻止高溫火煙由自然進風口向地下巷道深部方向流動。當起火點位于進風口段附近時，則防止高溫火煙對巷道深部的污染。

在上行地下巷道中，正壓送風風壓ΔP與熱風壓ΔhT、火風壓Δhf應滿足下面不等式：

才能阻止高溫火煙向自然出風口方向流動，當起火點位于出口段附近時，則防止高溫火煙對巷道深部的污染。

只有一個出口或火災時只打開一個出口，在火災初期，地下建筑物與地面唯一的連通口就成為外部空氣的進入口和內部煙氣的排煙口，隨著火災的進一步擴大，煙與空氣的中性面逐漸降低，最后成為煙筒;當有兩個或兩個以上的出口時，地下建筑的自然排煙與空氣的進入口是分開的，火災時一個出口可能是進氣口，另一個可能是排煙口，依風向而定。

三、幾點建議

（一）利用煙囪效應進行排煙

一般煙囪效應都是對火災蔓延產生不利影響，如何把煙囪效應應用到地下建筑的防排煙上，進而充分解決地下建筑的煙氣流動問題，是我們首先要考慮的。

1.通過排煙豎井排煙

利用人防工程改建和專門設計建造的地下商場、地下商業街、地下汽車庫、地下物資倉庫等，在地下建筑的頂部一般都設有若干個排煙豎井進行排煙，排煙豎井開口面積的總和為地下建筑總面積的2%，排煙口的位置距地下建筑內最遠點的水平距離一般不大于30m，通過排煙豎井可將煙氣排出室外。如圖1所示，當室內發生火災時，室內溫度高于室外溫度，在熱壓和風壓的作用下，空氣從低口進入，煙氣從高口排出。

2.通過采光窗井進行排煙

利用采光窗井自然排煙，方法簡單，運行可靠，但要注意以下兩點：一是受室外風力的影響，從自然排煙的原理中得知，只有室外風速小于室內熱煙氣流速時，才會得到良好的排煙效果，就是說開啟的窗戶處在背風面時，風壓呈負壓作用，十分有利于煙氣的排出。二是通過地下采光窗井排煙，火勢有蔓延到上一層的危險時，要采取必要的措施加以保護。

利用煙囪效應進行排煙時應注意：一是不可利用疏散通道和通往地上建筑物的豎井作為排煙的途徑，因為利用煙囪效應的目的是通過煙囪效應產生的浮力把火災中產生的煙氣排放到室外，使人員遠離煙氣的侵害，減少火災蔓延的途徑，但可以利用疏散出口作為自然進風口。二是利用煙囪效應進行自然排煙受室外風力、風向影響較大，反而在出口可能形成煙道，因此，若不是空間較高不應采用。

（二）利用正壓送風進行排煙

對于只有一個出入口的地下建筑，在出入口進行正壓送風，在有利于排煙的部位進行破拆，制造排煙口;對于有兩個或兩個以上的出入口，用一個最利于排煙的出入口作為排煙口，在其他的出入口用風機送風;有條件時可以在排煙口用排煙機進行抽吸。

應注意的問題：對于設有防煙分區的地下建筑，必須有針對性地實施正壓送風排煙。目前地下建筑所采用的全面排煙送風系統中，當火災發生時，易產生火災煙氣流動與機械排煙送風系統產生的氣流路線相反的現象。火災煙氣被人工氣流擾動、稀釋，火災煙氣會彌漫整個空間，不利于排出。因此，在設有全面排煙送風設施的地下建筑中，應選擇送風的設計，以阻止空氣和煙氣的流動。在此設計中，排煙口和送風口都設在吊頂上，通過控制送風支管上的閥門，只向同一防火分區中未探測到火災的防火分區送風，排煙口則仍在排煙防火閥的控制下工作。

（三）利用水幕防火降溫和疏散滅火

水汽化后，水幕可以充分吸收地下建筑火災中高溫煙氣中的大量熱，從而快速降低火災區域內的溫度，同時由于水的比熱容及汽化熱都較大，大量的水蒸氣可以迅速占據火災區域內的空間，從而起到良好的防火作用，由于水幕在地下建筑空間內是自上而下流動的，從而進一步阻止了煙氣的擴散，起到很好的隔煙效果。

在地下建筑疏散通道中，被困人員能快速穿過水幕，安全疏散到地面，而地面消防救援人員通過水幕也可以快速進入火場滅火，這也克服了其他防火隔煙方法完全隔斷疏散和撲救通道的弱點，使得水幕方法在地下建筑防火中比其他方法更有效果。

（四）利用流體力學進行性能化評估

隨著地下建筑的增多，其用途也在不斷擴大，地下建筑的火災也越來越多，越來越復雜。目前許多國家都推出了“性能化設計”，在模擬地下建筑火災的過程中，火災煙氣擴散模擬是最主要的一個分支，而煙氣擴散模擬依賴計算流體力學來實現。利用流體力學進行性能化評估，就是要解決火災煙氣的蔓延擴散時間與人員安全疏散時間之間的關系。

（1）依據地下建筑的火災荷載和發生火災時產生煙氣的流動特性，確定最危險的一種火災情況，即最易使火災發生蔓延和最不利人員安全疏散的情況。通過計算流體力學，計算出在這種情況下火災煙氣蔓延并堵塞疏散通道所需的時間t1;

（2）計算火災煙氣蔓延到消防報警設備并達到其報警閥時的時間t2;

（3）采用模擬手段確定人們疏散到安全地帶的時間t3;

（4）比較t1和t2+t3的關系，如果Δt=t1-（t2+t3）<0，則表明火災煙氣此刻已堵塞疏散通道，如果不加大排煙措施，被困人員就很難疏散到安全地帶，反之有利于人員安全疏散。

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