大空间建筑火灾烟气控制技术

大空间建筑（中庭）火灾烟气控制技术主要内容•一、火灾一般知识•二、火灾中需控制的参数•三、烟气的生成量•四、烟气的流动特征•五、烟气控制措施•六、中庭建筑火灾烟气控制特点•七、国内外规范对比火灾发生过程•火灾初期•轰燃：转变为全面燃烧的瞬间•旺盛期•衰减期烟的定义•美国试验与材料学会(ASTM)给烟下的定义：•某种物质在燃烧或分解时散发出的固态或液态悬浮微粒和高温气体。•NFPA92B对烟气的定义：•是在上述定义之外，加上“以及混合进去的任何空气”，这种定义可能对烟气控制更有用。•概括起来，烟气由三类物质组成：燃烧物质释放出的高温蒸气和有毒气体；被分解和凝聚的未燃物质；被火焰加热而带入上升气流中的大量空气。烟羽流•火灾发生在中庭地面上且远离大空间的边界面，火灾产生的高温气体上升到火焰上方形成烟羽流。•烟羽流在上升过程中不断卷入四周空气，且烟羽流在上升过程中不触及边界面，由此形成的烟羽流称为轴对称烟羽流（Axisymmetricplume）。•火灾发生在与中庭相通的邻近空间，火灾生成的烟气通过开口处的阳台等水平凸出物，经过阳台边缘向大空间扩散，这样形成的烟羽流称为阳台溢流烟羽流(Balconyspillplume)。•烟气通过墙上开口门或窗向中庭空间扩散，这样形成的烟羽流称为窗烟羽流(Windowplume)。轴对称烟羽流阳台烟羽流窗烟羽流火灾模型•稳态火灾•非稳态火灾稳态火灾放热量•放热量为常数的火灾定义为稳态火灾。火灾本质上是非稳态的过程，但稳态火灾是非常有用的理想模型。在很多应用中，采用稳态火灾将使设计方法更简单，结果更安全。•美国消防协会(NFPA)92B中，给出了商业、住宅、办公建筑单位面积的放热量Q。国外文献报道：对限制可燃物的中庭，Q＝225kw／m2；未限制可燃物的中庭，单位面积Q＝500kW／m2。一般假定着火面积取9.3m2，这样限制可燃物的中庭其稳态设计火灾强度为2100kW；未限制可燃物的中庭其稳态设计火灾强度为4600kw。在设计火灾大小时，不应忽视过渡燃料，为此着火面积可能会更大，这与火焰的扩展有关。取着火面积为50m2，中庭的设计火灾强度可达25000kW。•三种典型的中庭稳态设计火灾强度推荐如下：限制可燃物的中庭最小火灾，2000kw；未限制可燃物的中庭最小火灾，5000kw；未限制可燃物的中厅最大火灾，25000kw。非稳态火灾放热量•放热量随时间变化的火灾t2型火灾类型•火灾从稳定燃烧开始达到1055kw所需时间称为增长时间tg。根据火灾发展的快慢情况，t2型火被分成4种发展类型：极快、快速、中速和慢速火灾中需控制的参数•烟层高度•辐射热•传导热•温度•一氧化碳浓度•二氧化碳浓度•能见度烟层高度要求•美国国家建筑规范(BOCA)规定：烟气控制系统保持烟层界面高度在1.8m以上的时间不少于20min辐射热控制要求辐射强度忍耐极限2.5kw/m25min2.5kw/m230sec10kw/m24sec传热控制要求温度/湿度忍耐极限60℃/相对湿度100％30min60℃/1％H2O12min180℃/1％H2O1min温度控制要求温度/℃忍受时间主要症状65一段时间视衣着、身体状况而定忍受时间12015分钟超过15分钟人就休克1655分钟超过5分钟人就失去活力1751分钟超过1分钟皮肤就会受到严重伤害一氧化碳控制要求浓度/%中毒时间主要症状0.016数小时无症状或轻微症状0.0481小时内耳鸣、头昏、心跳加快、头痛、呼吸困难、呕吐、四肢无力等0.01230分钟内0.4数分钟内丧失知觉、呼吸停止、死亡二氧化碳控制要求浓度/%主要症状1呼吸加深，对工作效率无明显影响3呼吸急促，心跳加快，头痛，人员很快疲劳5呼吸困难，头痛，耳鸣，呕吐，恶心6严重喘息，虚弱无力7～9动作不协调，大约10分钟发生后发生昏迷10～115分钟后发生窒息死亡能见度要求•小房间最小可视度5m•其余房间最小可视度10m轴对称烟羽流的质量流量计算公式烟羽流中心温度阳台溢流烟羽流的质量流量从着火房间涌出的烟气通过回廊流入中庭的烟羽质量流量窗烟羽流的质量流量方程从着火房间涌入回廊的烟羽质量流量烟气层温升排烟量某展览馆火灾过程中，产烟量、烟气温度、清洁空间高度的计算例大型建筑物内的烟气流动过程•在起火间内的流动•经开口向中庭等相邻空间的流动•中庭内的流动起火间里的烟气流动起火间产生的烟气温度相当高，由于浮力使烟气上升。气体的上升引起大量的冷空气与上升烟气混合，这种由高温有毒气体及卷吸的冷空气组成的混合气体在火焰上方立即升起，形成可见烟柱。•吸入冷空气为进一步的燃烧提供了氧气，同时也降低了烟柱温度，燃烧不完全，就产生了固态和液态的悬浮物，形成颜色不一的烟灰。•房间里上升的烟柱遇到顶棚后向四周迅速散开，形成一层薄簿的烟气层或“顶棚射流”，直到碰到房间的边界后开始向整个房间扩散。•在起火间的烟气还未扩散至相邻空间之前，房间的几何图形、火灾发生的位置和大小、火灾附近房间开口情况以及房间边界的热特性等诸多因素都会影响火灾烟气的流速。起火间以外的烟气扩散•火灾生成的高温烟气在整个起火间内扩散，当烟气浓度和温度达到一定值时，高温烟气开始通过房间开口向外扩散。如果房间开口上装有玻璃，烟气向外扩散的速度将被延迟，直到玻璃由于热应力炸裂。开口处的烟气流动•1)沿着开口边缘上升，并形成烟柱直接蔓延至中庭；•2)气流沿着开口处的阳台或其它水平凸出物经过阳台边缘形成烟柱蔓延至中庭。•3)如果在开口处有挡烟垂壁或在阳台处有向下凸出物，那么当烟气绕过障碍物向上升时，会发生额外的空气卷吸。卷入流动烟层的额外空气将影响以后在中庭内上升的烟柱。如果在阳台上没有挡烟垂壁或向下凸出物，就不会发生空气的额外卷吸。中庭内的烟气流动•当烟气蔓入中庭时，形成的烟柱通常被称为“溢流”烟柱，一般有以下两种形态：•1)自由烟柱——烟气绕过阳台等水平凸出物，向空间喷射，使形成的烟柱在没有任何阻拦的情况下向上升腾，造成了大面积的空气卷吸(见图4A)。•2)粘附烟柱——烟柱上升时直接沿着房间开口上的垂直表面上升(见图4B)：烟气控制方法•多房间建筑物的烟气控制方法•烟气密闭法•前室排烟法•正压送风法烟气控制方法•一般高层建筑，烟气控制的方法通常是阻止或抑制火灾烟气从着火点向四周扩散，而中庭建筑烟气控制的方法是直接将烟气安全排出。因而，通常认为有两类典型的烟控系统即加压系统和排烟系统。•美国供暖制冷空调工程师学会(ASHRAE)和美国全国消防协会(NFPA)对中庭烟控系统的定义是：用单一或组合的方法减少烟的产生和限制烟气流动的工程系统。•烟气控制系统的目的是减少人员伤亡和财产损失。•减少烟气产生的方法有：安装自动喷水灭火系统，限制建筑结构中以及堆放在中庭地面的可燃材料数量。•限制烟气流动的被动方法有设置挡烟垂壁或防烟卷帘，阻止烟气侵入相邻空间和疏散通道，另一被动的方法是允许烟气在人员疏散时充满中庭的上部空间。后一方法只能用在大体积空间。•当采用被动烟控方法、而人员疏散时间不足时，通常使用主动烟控方法，即采用上层机械排烟系统以保持烟层高于疏散的人员，直到他们安全撤离，该排烟系统减少了烟层界面下降的速率。大空间建筑烟气控制方法•起火间排烟法大空间建筑烟气控制方法•阳台排烟法区域分隔法•防止火灾烟气在中庭与相邻房间扩散的方法之一是将中庭用防火玻璃或其它类似材料安全密封起来。•这种方法最大的优点就是简单，但建筑设计师在进行设计时相当受限。这样，除了底层外，中庭就没有可以公共活动的地方了。直流(置换)排烟法•该种烟气控制方法可简单理解为“排烟”。主要在于上升烟柱在建筑内某一点形成烟气层，在烟气层下方形成空气“净”层，进入“净”层的烟气流动量与通过排烟系统排出的烟气流动量相等。直流(置换)排烟法注意事项1•烟气层的底部高度应符合安全疏散的要求，并且其质量流率避免超过实际截止点。•由于溢流烟柱造成的质量流量很大，因而烟柱随着高度的上升温度迅速降低。随高度而增加的大质量烟气流趋向于静止，在升起的烟柱中存在某个质量流率截止点，超过此点，利用烟控系统排烟，从经济上看可能是不实际的。经验表明，当烟气质量流率大于150～250kg/s时，会出现这种情况。直流(置换)排烟法注意事项2•如果在顶棚下形成的烟气层温度太低也不利于排烟。在中庭顶部由于太阳照射和设备散热造成的能量聚积，那么中庭上部的空气温度会非常高。在火灾初级阶段进入中庭的烟气一般会较冷，而且当烟柱上升时，四周的冷空气填入。在多数情况下，被填入的冷空气大概在20℃左右。•如果这些热空气不能被非常迅速地排走，那么将会导致在建筑物内比预期高度低的某一点形成烟层。这一过程叫做初期(或过早)分层。这需要在中庭内的不同高度安装有感烟探测器，一旦这一正在形成的烟层被探测器探测到就启动了排烟系统，最热的(因此也是最高的)热烟气会最先被排出，这样温度低一些的烟层就会填补上来。因此在这种环境下烟气的“早期”探测是很重要的。直流(置换)排烟法注意事项3•火灾烟气从起火间向四周扩散，飘流距离越远，热损失越大，因而会失去热浮力。这本身又会引起烟层向设计高度以下的地方过多地下沉。冷烟同样对排烟机、空调机造成的空气流动相当敏感。因此，中庭内烟气层的温度应与对烟气稳定分层的要求相适应。•因此，在运用直流排烟时，应规定烟气的质量流速不能大于150～200kg/s或烟层的最低温度与室内环境条件相适应。这两个规定先采用哪一个、视火灾类型、防火分区的结构、中庭的布局等具体情况而定。空间填充法•有些中庭空间很大，能容纳火灾产生的所有烟气、不需采用排烟措施。这种情况是假设火灾是以可预测的状态发展，而且在疏散时火灾生成的大量烟气都被安全地保持在顶棚空间，并且还依赖于对火势发展和人员撤离时间的预测。置换—稀释排烟法•当烟气刚刚扩散到中庭，且中庭的内部环境有利于上升烟层的有效形成，那么在能见度、烟气毒性和温度这些判据不影响人员撤离的条件下，可以允许将烟层降到居住层以下。负压排烟法•在中庭内的烟气层始终存在着一个中性压力面。如果对中庭采取负压排烟可将中性面提高到一‘安全”高度。混合排烟法1•一幢建筑有可能是下面几层的公共使用场所与中庭连通，而上面非公共使用的楼层与中庭封闭隔开。对于这种部分开放式结构，低层公共层可采用直流排烟，其烟层下降的高度应符合公众安全疏散的要求。其余与中庭封闭隔开的楼层可通过提高建筑物内的中性面来阻止烟气的进入。混合排烟法2•建筑内的使用场所是向中庭完全敞开的，对下面一些楼层可采用直流排烟法，上部非公共楼层采用置换稀释排烟法(见图12)。中庭的烟层温度•中庭的表面积一般较大，且表面大都采用玻璃结构，散热较快，烟层的热量易向四周散发，导致烟层温度下降。因此，在进行中庭建筑的烟气控制设计时，应考虑这种热损失以及造成的烟层温度下降。中庭烟气控制方法概要•①用玻璃或其它方法将中庭与周围建筑隔开，以防止火灾产生的烟气和热流通过中庭扩散；•②中庭设置集中排烟系统，使烟层界面保持在安全疏散要求的高度；•③在中庭四周各层房间设置排烟系统，排除着火层产生的烟气，阻止烟气进人中庭：•④以上方法结合使用。中庭建筑特点•具有一个或者多个在竖直方向上连续贯通多层的封顶大型空间。•这种结构形式增加了建筑空间的魅力•但却增大了火灾的危险性•火灾时火势可在连通的空间里迅速蔓延，造成火源、产烟量及发热量的扩大；同时，高温火烟流在上升过程中受到周边壁面或房间的冷却而导致烟气层逐渐下降，并侵入中庭周边的廊道或房间，致使烟气充满整个中庭及其相邻建筑空间，给疏散与扑救工作带来极大困难。中庭的分类•长廊式中庭•贴附式中庭•内嵌式中庭长廊式中庭•中庭的两端是敞开的，显著特点之一是其具有良好的自然通风，是半室外空间。•当街道两侧的建筑物的间距大于建筑物最小防火间距6m时，可以将通道两侧的建筑物看成相互独立的防火建筑。小于6m时，则要考虑到火灾情况下的热辐射的影响。•要求在中庭建筑的室内设置自动喷淋灭火系统，中庭的屋顶的材料应为不燃材料(一般用防火玻璃)，且在玻璃顶棚上应按一定面积比例设可以自动开启的排烟窗。贴附式中庭