建筑火災(zāi)排煙技術(shù)研究進(jìn)展

■ 樊卓 陜西省漢中市消防救援支隊(duì)

建筑火災(zāi)是各類火災(zāi)中發(fā)生最頻繁且最易發(fā)生重大人員傷亡事故的一種。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)也迎來了高速發(fā)展，高層、超高層、大型綜合體建筑拔地而起，伴之而來的是火場煙氣難以排出，人員疏散難以開展。針對建筑火災(zāi)中煙氣流動特點(diǎn)和煙氣控制、排出以及送風(fēng)和排煙的平衡點(diǎn)等內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，這對建筑的排煙設(shè)計(jì)和滅火內(nèi)攻排煙與疏散也給出了一定的指導(dǎo)作用。

一、建筑火災(zāi)煙氣特點(diǎn)

（一）高溫性

煙氣的高溫性是指發(fā)生火災(zāi)后，火場煙氣會隨著火場成百上千攝氏度的高溫氣流擴(kuò)散，容易對被困人員的皮膚和呼吸系統(tǒng)造成損傷，甚至造成呼吸衰竭、休克而死。

（二）毒害性

煙氣的毒害性是指建筑物中可燃物復(fù)雜的理化性質(zhì)在火場高溫下，能夠分解出大量的CO、HCl、NH3、Cl2和H2S等有毒有害氣體，這些氣體不僅容易造成被困人員暈厥，還會對人的眼、鼻等部位產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性作用，影響人員逃生。

（三）減光性

煙氣的減光性是指火場高溫導(dǎo)致室內(nèi)可燃物分解導(dǎo)致高溫?zé)煔庵杏坞x了大量的碳和其他固體小顆粒以及小液滴。空氣中的懸浮微粒對光的吸收、反射及折射等作用，致使能見度降低，被困人員極易迷路、難以撤離的同時(shí)搜救人員也難以深入室內(nèi)展開搜救。

（四）恐怖性

煙氣的恐怖性是指在發(fā)生火災(zāi)后，煙氣的高溫性、減光性、毒害性以及火場表觀上的烈焰和濃煙會使人產(chǎn)生恐懼感，造成被困人員驚慌失措、失去理智、甚至失去活動能力，導(dǎo)致疏散過程混亂，給疏散和搜救工作造成不利影響，有時(shí)還會因此發(fā)生嚴(yán)重的踩踏事故。

二、幾種常用的火場排煙方式

根據(jù)火場煙氣空間流動的特性，可以將排煙方法分為水平排煙和垂直排煙兩種；根據(jù)火場上排煙器械的不同，火場排煙又可以分為自然排煙、機(jī)械排煙和水噴霧排煙。

（一）水平排煙

水平排煙是指火場送風(fēng)和排煙基本上煙氣流處于同一水平方向上，這種排煙方式使用較多。

（二）垂直排煙

垂直排煙在高層建筑和大型商場的火災(zāi)中使用較多，它是利用建筑物內(nèi)的排煙管道和建筑穹頂在垂直方向上排出高溫?zé)煔饬鳎怪迸艧煏r(shí)要防止出現(xiàn)煙囪效應(yīng)。

（三）自然排煙

自然排煙是指在自然條件下，利用火場內(nèi)外溫差產(chǎn)生的風(fēng)壓和室外風(fēng)力共同作用下形成的熱煙氣和冷空氣的對流運(yùn)動。

（四）機(jī)械排煙

機(jī)械排煙根據(jù)排煙方式可以分為負(fù)壓機(jī)械排煙和正壓送風(fēng)機(jī)械排煙兩種。

1.負(fù)壓機(jī)械排煙。負(fù)壓機(jī)械排煙一般是指在下風(fēng)方向利用排煙機(jī)將室內(nèi)煙氣排出室外的方式。負(fù)壓排煙在火災(zāi)初期作用較為明顯，可以有效阻止室內(nèi)高溫?zé)煔庑纬傻娘L(fēng)壓，防止高溫?zé)煔庀蚍侵饏^(qū)域蔓延，克服自然排煙依靠天氣的影響因素，負(fù)壓排煙受限于排煙機(jī)的熱負(fù)荷，導(dǎo)致在猛烈燃燒階段其作用不明顯。

2.正壓送風(fēng)排煙。正壓送風(fēng)排煙是將室外的新鮮空氣通過加壓送風(fēng)的方式輸送到室內(nèi)，使室內(nèi)的新鮮空氣壓力大于高溫?zé)煔獾膲毫?，從而控制氣流走向，這種送風(fēng)方式不易出現(xiàn)負(fù)壓排煙中高溫?zé)煔鈸p壞排煙設(shè)備的情況，因此已經(jīng)成為目前公認(rèn)的最為安全可靠的排煙方式，被大多數(shù)國家和地區(qū)所使用。

（五）水噴霧排煙

噴霧水流排煙是指在送風(fēng)口方向設(shè)置開花水槍，利用噴向空中的水霧的壓力使高溫氣流向排煙口方向流動，并利用空中水霧的冷卻降溫和對煙塵的吸附作用，將空氣中的懸浮物隨著水滴進(jìn)行吸附沉降，以達(dá)到排煙的效果。水噴霧排煙是一種最常用且最有效的排煙方法，它既方便又能冷卻降溫、掩護(hù)滅火人員內(nèi)攻救人，還可以凈化火場空氣。在使用時(shí)要注意噴射壓力在0.7～0.9MPa之間，噴射角度在60度至62度之間排煙效果最佳。

三、建筑火災(zāi)排煙通風(fēng)所帶來的矛盾

建筑火災(zāi)中由于室內(nèi)裝修和擺放的各種物品在高溫作用下會產(chǎn)生大量的有毒煙氣，因此火災(zāi)后必須要向建筑內(nèi)通風(fēng)排煙，但是在這個(gè)過程中又不可避免地會出現(xiàn)下列問題：第一，排煙或送風(fēng)時(shí)在排出室內(nèi)有毒煙氣的同時(shí)又會引入室外新鮮空氣；第二，室外新鮮空氣在對濃煙進(jìn)行稀釋降溫的同時(shí)也會因?yàn)樾迈r空氣中氧濃度的升高而使室內(nèi)可燃物加速燃燒，有增大火勢影響的風(fēng)險(xiǎn)；第三，著火房間的高溫?zé)煔馔ㄟ^排煙口排出時(shí)，容易將未著火房間充滿煙氣甚至將其引燃，導(dǎo)致人員疏散困難，增加火勢蔓延的危險(xiǎn)。

基于通風(fēng)排煙對于火災(zāi)發(fā)展趨勢的以上兩種矛盾，相關(guān)專家做了很多的研究來探明不同類型的建筑煙氣聚集過程和排煙方式對火災(zāi)發(fā)展的影響。

四、建筑火災(zāi)排煙研究進(jìn)展

李桐[1]在對全尺寸房間送風(fēng)條件下的燃燒試驗(yàn)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速大小、風(fēng)口與油盤間距、風(fēng)口朝向角度、風(fēng)口直徑、油盤形狀以及油盤的長寬比等參數(shù)對熱釋放率峰值和熱釋放率峰值到達(dá)時(shí)間均成一定的相關(guān)關(guān)系。

許小磊、何嘉鵬等[2]采用FLUENT軟件，依據(jù)kε兩方程三維紊流數(shù)學(xué)模型，對高層建筑排煙口不同布置方式下的排煙效果進(jìn)行模擬分析時(shí)發(fā)現(xiàn)相同機(jī)械排煙功率下，頂棚機(jī)械排煙效率比側(cè)壁機(jī)械排煙效率高10%左右，走廊內(nèi)的煙氣平均溫度低54℃。

周嵐、王漢良等[3]采用FDS模擬對大型綜合體建筑的環(huán)形中庭排煙效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用豎井自然排煙時(shí)，煙氣層溫度與外界環(huán)境溫度的變化可以進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)溫差較小時(shí)，可以維持一個(gè)較為穩(wěn)定的煙氣層環(huán)境，利于人員的安全疏散。距離火源位置較近時(shí)，豎井自然排煙效果較好，遠(yuǎn)離火源時(shí)，機(jī)械排煙效果較好，因此在實(shí)際操作中可以采取二者相結(jié)合的方式達(dá)到最優(yōu)排煙效果[3]。

王婉娣、張輝[4]利用靈敏度分析方法研究建筑火災(zāi)排煙啟動時(shí)間對煙氣控制效果的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)了排煙啟動時(shí)間對煙氣層高度影響的規(guī)律，并提出了啟動時(shí)間存在三個(gè)區(qū)間：最優(yōu)區(qū)間、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間和失效界點(diǎn)。

桂娟、高軍等[5]在對高大空間建筑排煙的鹽水研究時(shí)發(fā)現(xiàn)鹽源強(qiáng)度對熱分層高度影響不大，高達(dá)中庭的儲煙作用可以供人員一定時(shí)間逃生。

李改、蔣亞龍[6]通過FDS模擬高層建筑火災(zāi)自然排煙效果影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)功率越大，煙氣層高度和能見度越低，自然排煙效果越差；火源在走廊中部時(shí)，自然排煙效果比在走廊一端效果好；自然排煙效果與外窗高度成正相關(guān)關(guān)系，與外窗寬度無關(guān)；走廊長度越小，自然排煙效果越好。

霍昭磐、李思成[7]利用FDS模擬大空間建筑正壓送風(fēng)排煙效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，排煙口面積越大，排煙效果越好，但排煙效能減小，當(dāng)排煙口面積為送風(fēng)口面積的2倍時(shí)，排煙效果最佳。

威爾克（Welker J.R）[8]的研究發(fā)現(xiàn)，對于圓形燃油火，甲醇火的燃燒速率在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)（0.3m/s～0.6m/s）基本保持不變，甲醇、丙酮、己烷、環(huán)乙胺和苯的燃燒速率都隨風(fēng)速的增大而減小，隨油池直徑增大而增大。霍夫曼（Huffman）等人較早測量了環(huán)形火陣列中池火的燃燒速率，發(fā)現(xiàn)隨火源間距離增大，燃燒速率先增大后減小。

五、展望

建筑火災(zāi)作為最為常見的一種火災(zāi)形勢，正隨著建筑物的構(gòu)型而變得越發(fā)復(fù)雜，火災(zāi)排煙作為滅火救援中最重要的一環(huán)，也變得愈發(fā)復(fù)雜，一直是國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。如何把握好送風(fēng)與火災(zāi)熱釋放效率之間的平衡、如何控制煙氣流的走向防止煙氣蔓延以及如何控制煙高溫?zé)煔饬飨虮阌谌藛T疏散等問題已經(jīng)在很多專家學(xué)者的實(shí)驗(yàn)以及軟件中得到模擬。然而，目前的研究還局限于空間的軟件數(shù)值模擬，研究者一直在致力于適用于一般情況下的送風(fēng)與排煙平衡點(diǎn)的量化研究。因此，適用于一般條件下的火場排煙可能會成為今后的研究重點(diǎn)。