地下建筑火災(zāi)中的煙氣流動分析與對策

■ 饒俊 翟帥 湖北省武漢市消防救援支隊(duì)

從近年來的火災(zāi)事例中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣是阻礙人員逃生，導(dǎo)致人員傷亡的主要原因之一。對于地下建筑而言，一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度上升很快，火災(zāi)蔓延迅速，由于缺氧而呈現(xiàn)不充分燃燒，會產(chǎn)生大量含有一氧化碳等有毒物質(zhì)的濃煙，特別是當(dāng)?shù)叵陆ㄖC(jī)械防排煙設(shè)施沒有充分發(fā)揮作用時(shí)，使大量濃煙聚集于室內(nèi)，嚴(yán)重影響人員的疏散，甚至使人員中毒窒息死亡。因此，應(yīng)該對地下建筑火災(zāi)中煙氣的產(chǎn)生和流動特性進(jìn)行分析，充分利用煙氣流動的特點(diǎn)，采取措施使其在火災(zāi)中有利于煙氣的排出和人員的安全疏散。

一、地下建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣成分

（一）煙氣成分

煙氣的組成成分和數(shù)量取決于可燃物的化學(xué)組成和燃燒時(shí)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(chǎn)物所組成。含碳量多的物質(zhì)，在氧氣不足的條件下燃燒時(shí)，有大量的炭粒子產(chǎn)生。通常，煙霧在低溫時(shí)，即陰燃階段，以液滴粒子為主，煙氣發(fā)白或呈青白色。當(dāng)溫度上升至起火階段時(shí)，因發(fā)生脫水反應(yīng)，產(chǎn)生大量的游離碳粒子，常呈黑色或灰黑色。在地下建筑火災(zāi)中，由于供氧不足，發(fā)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(zāi)中地下建筑的煙氣生成量取決于煙羽流的流量，燃燒產(chǎn)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(zhì)量流量主要是由可燃物的質(zhì)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(zhì)量流量計(jì)算

在進(jìn)行排煙問題計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)知道保持著火房間冷空氣層高度不變時(shí)的羽流質(zhì)量流量，在考慮火災(zāi)最大熱釋放速率條件下，對煙氣流動問題進(jìn)行適當(dāng)簡化，從而得出煙氣排放的質(zhì)量流量與通風(fēng)口面積、煙氣溫度、房間高度及冷空氣層高度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)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(jì)算羽流的質(zhì)量流量：

式中：me為高度Z處羽流的質(zhì)量流量，kg/s；Ce為系數(shù)，kg/（s·kW1/3·m5/3），當(dāng)火源在房間中間時(shí)Ce=0.071；當(dāng)火源一面靠墻時(shí)Ce=0.044；當(dāng)火源靠近墻角時(shí)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(jì)算羽流質(zhì)量流量處的高度，m；Z0為從可燃物表面至虛擬點(diǎn)火源的高度，可用式（2）計(jì)算：

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(jì)算羽流的質(zhì)量流量：

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

二、地下建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣流動特點(diǎn)

在起火的初始階段，地下建筑內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)流和煙氣都是沿著原來的方向移動的，當(dāng)火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)大后，地下建筑內(nèi)部空氣的成分發(fā)生了變化，隨著溫度的升高，逐步形成了一種巨大自然風(fēng)壓，稱之為火風(fēng)壓。通過研究發(fā)現(xiàn)：

在下行地下巷道中，正壓送風(fēng)風(fēng)壓值ΔP與熱風(fēng)壓ΔhT、火風(fēng)壓Δhf應(yīng)滿足下面不等式：

才能阻止高溫火煙由自然進(jìn)風(fēng)口向地下巷道深部方向流動。當(dāng)起火點(diǎn)位于進(jìn)風(fēng)口段附近時(shí)，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(fēng)風(fēng)壓ΔP與熱風(fēng)壓ΔhT、火風(fēng)壓Δhf應(yīng)滿足下面不等式：

才能阻止高溫火煙向自然出風(fēng)口方向流動，當(dāng)起火點(diǎn)位于出口段附近時(shí)，則防止高溫火煙對巷道深部的污染。

只有一個(gè)出口或火災(zāi)時(shí)只打開一個(gè)出口，在火災(zāi)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(jìn)入口和內(nèi)部煙氣的排煙口，隨著火災(zāi)的進(jìn)一步擴(kuò)大，煙與空氣的中性面逐漸降低，最后成為煙筒；當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的出口時(shí)，地下建筑的自然排煙與空氣的進(jìn)入口是分開的，火災(zāi)時(shí)一個(gè)出口可能是進(jìn)氣口，另一個(gè)可能是排煙口，依風(fēng)向而定。

三、幾點(diǎn)建議

（一）利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行排煙

一般煙囪效應(yīng)都是對火災(zāi)蔓延產(chǎn)生不利影響，如何把煙囪效應(yīng)應(yīng)用到地下建筑的防排煙上，進(jìn)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(shè)計(jì)建造的地下商場、地下商業(yè)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(shè)有若干個(gè)排煙豎井進(jìn)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(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)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(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室內(nèi)溫度高于室外溫度，在熱壓和風(fēng)壓的作用下，空氣從低口進(jìn)入，煙氣從高口排出。

2.通過采光窗井進(jìn)行排煙

利用采光窗井自然排煙，方法簡單，運(yùn)行可靠，但要注意以下兩點(diǎn)：一是受室外風(fēng)力的影響，從自然排煙的原理中得知，只有室外風(fēng)速小于室內(nèi)熱煙氣流速時(shí)，才會得到良好的排煙效果，就是說開啟的窗戶處在背風(fēng)面時(shí)，風(fēng)壓呈負(fù)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(xiǎn)時(shí)，要采取必要的措施加以保護(hù)。

利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行排煙時(shí)應(yīng)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?yàn)槔脽焽栊?yīng)的目的是通過煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的浮力把火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣排放到室外，使人員遠(yuǎn)離煙氣的侵害，減少火災(zāi)蔓延的途徑，但可以利用疏散出口作為自然進(jìn)風(fēng)口。二是利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行自然排煙受室外風(fēng)力、風(fēng)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(yīng)采用。

（二）利用正壓送風(fēng)進(jìn)行排煙

對于只有一個(gè)出入口的地下建筑，在出入口進(jìn)行正壓送風(fēng)，在有利于排煙的部位進(jìn)行破拆，制造排煙口；對于有兩個(gè)或兩個(gè)以上的出入口，用一個(gè)最利于排煙的出入口作為排煙口，在其他的出入口用風(fēng)機(jī)送風(fēng)；有條件時(shí)可以在排煙口用排煙機(jī)進(jìn)行抽吸。

應(yīng)注意的問題：對于設(shè)有防煙分區(qū)的地下建筑，必須有針對性地實(shí)施正壓送風(fēng)排煙。目前地下建筑所采用的全面排煙送風(fēng)系統(tǒng)中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，易產(chǎn)生火災(zāi)煙氣流動與機(jī)械排煙送風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流路線相反的現(xiàn)象。火災(zāi)煙氣被人工氣流擾動、稀釋，火災(zāi)煙氣會彌漫整個(gè)空間，不利于排出。因此，在設(shè)有全面排煙送風(fēng)設(shè)施的地下建筑中，應(yīng)選擇送風(fēng)的設(shè)計(jì)，以阻止空氣和煙氣的流動。在此設(shè)計(jì)中，排煙口和送風(fēng)口都設(shè)在吊頂上，通過控制送風(fēng)支管上的閥門，只向同一防火分區(qū)中未探測到火災(zāi)的防火分區(qū)送風(fēng)，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(zāi)中高溫?zé)煔庵械拇罅繜幔瑥亩焖俳档突馂?zāi)區(qū)域內(nèi)的溫度，同時(shí)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(jù)火災(zāi)區(qū)域內(nèi)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(nèi)是自上而下流動的，從而進(jìn)一步阻止了煙氣的擴(kuò)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(jìn)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(diǎn)，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(xué)進(jìn)行性能化評估

隨著地下建筑的增多，其用途也在不斷擴(kuò)大，地下建筑的火災(zāi)也越來越多，越來越復(fù)雜。目前許多國家都推出了“性能化設(shè)計(jì)”，在模擬地下建筑火災(zāi)的過程中，火災(zāi)煙氣擴(kuò)散模擬是最主要的一個(gè)分支，而煙氣擴(kuò)散模擬依賴計(jì)算流體力學(xué)來實(shí)現(xiàn)。利用流體力學(xué)進(jìn)行性能化評估，就是要解決火災(zāi)煙氣的蔓延擴(kuò)散時(shí)間與人員安全疏散時(shí)間之間的關(guān)系。

（1）依據(jù)地下建筑的火災(zāi)荷載和發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生煙氣的流動特性，確定最危險(xiǎn)的一種火災(zāi)情況，即最易使火災(zāi)發(fā)生蔓延和最不利人員安全疏散的情況。通過計(jì)算流體力學(xué)，計(jì)算出在這種情況下火災(zāi)煙氣蔓延并堵塞疏散通道所需的時(shí)間t1；

（2）計(jì)算火災(zāi)煙氣蔓延到消防報(bào)警設(shè)備并達(dá)到其報(bào)警閥時(shí)的時(shí)間t2;

（3）采用模擬手段確定人們疏散到安全地帶的時(shí)間t3;

（4）比較t1和t2＋t3的關(guān)系，如果Δt=t1－（t2＋t3）＜0，則表明火災(zāi)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。