煙氣流動(dòng)與控制
統(tǒng)計(jì)表明：火災(zāi)中85%以上的死亡者是由于煙氣的作用，有毒和高溫?zé)煔獾奈胧窃斐苫馂?zāi)中人員傷亡的主要原因。因此為了及時(shí)排除有害煙氣，阻止煙氣向防煙分區(qū)外擴(kuò)散，確保建筑物內(nèi)人員的安全疏散，安全避難和為消防隊(duì)員創(chuàng)造有利撲救條件，需要在建筑中設(shè)置防煙和排煙設(shè)施。
總體上建筑的防煙和排煙的設(shè)計(jì)理論就是煙氣控制理論。對(duì)于一幢建筑物，當(dāng)內(nèi)部某個(gè)房間或部位發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)循序采取必要的防排煙措施，對(duì)火災(zāi)區(qū)域?qū)嵭信艧?，使火?zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量能迅速排除;對(duì)非火災(zāi)區(qū)域的疏散通道等應(yīng)采用機(jī)械加壓送風(fēng)等防煙措施，使該區(qū)域的氣壓高于火災(zāi)和煙氣侵入?yún)^(qū)域的氣壓，阻止煙氣的侵入。
對(duì)于大規(guī)模建筑其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，建筑物的煙氣控制往往組合應(yīng)用幾種方法。防排煙形式的合理性，不僅關(guān)系到煙氣控制的效果，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用
為了減少煙氣的危害，應(yīng)當(dāng)了解建筑煙氣流動(dòng)的各種驅(qū)動(dòng)作用，以便對(duì)火勢(shì)發(fā)展做出正確的判斷，在建筑設(shè)計(jì)中做好煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
(一)煙囪效應(yīng)
當(dāng)外界溫度較低時(shí)，在諸如樓梯井、電梯井、垃圾井、機(jī)械管道、郵件滑運(yùn)槽等建筑物中的豎井內(nèi)，與外界空氣相比，由于溫度較高而使內(nèi)部空氣的密度比外界小，便產(chǎn)生了使氣體向上運(yùn)動(dòng)的浮力，導(dǎo)致氣體自然向上運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象就是煙囪效應(yīng)。當(dāng)外界溫度較高時(shí)，則在建筑物中的豎井內(nèi)存在向下的空氣流動(dòng)，這也是煙囪效應(yīng)，可稱(chēng)之為逆向煙囪效應(yīng)。
上式中， 為壓差(Pa); 為修正系數(shù)，取3460(Pa?K/m); 為外界空氣溫度(K); 為豎井內(nèi)空氣溫度(K); 為距中性面的距離(m)。此處的中性面指內(nèi)外靜壓相等的建筑橫截面，高于中性面為正，低于中性面為負(fù)。
在考慮煙囪效應(yīng)時(shí)，如果建筑與外界之間空氣交換的通道沿高度分布較為均勻，則中性面位于建筑物高度的一半附近;否則，中性面的位置將有較大偏離。
煙囪效應(yīng)是建筑火災(zāi)中豎向煙氣流動(dòng)的主要因素，煙氣蔓延在一定程度上依賴于煙囪效應(yīng)，在正向煙囪效應(yīng)的影響下，空氣流動(dòng)能夠促使煙氣從火區(qū)上升很大高度。如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以下區(qū)域，則煙氣與建筑內(nèi)部空氣一道竄入豎井并迅速上升，由于煙氣溫度較高，其浮力大大強(qiáng)化了上升流動(dòng)，一旦超過(guò)中性面，煙氣將竄出豎井進(jìn)入樓道。若相對(duì)于這一過(guò)程，樓層間的煙氣蔓延可以忽略，則除起火樓層外，在中性面以下的所有樓層中相對(duì)無(wú)煙，直到著火區(qū)的發(fā)煙量超過(guò)煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。
如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以上的樓層，則煙氣將由建筑內(nèi)的空氣氣流攜帶從建筑外表的開(kāi)口流出。若樓層之間的煙氣蔓延可以忽略，則除著火樓層以外的其它樓層均保持相對(duì)無(wú)煙，直到火區(qū)的煙生成量超過(guò)煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。若樓層之間的煙氣蔓延非常嚴(yán)重，則煙氣會(huì)從著火樓層向上蔓延。
逆向煙囪效應(yīng)對(duì)冷卻后的煙氣蔓延的影響與正向煙囪效應(yīng)相反，但在煙氣未完全冷卻時(shí)，其浮力還會(huì)很大，以至于甚至在理想煙囪效應(yīng)的條件下煙氣仍向上運(yùn)動(dòng)。
(二)浮力作用
著火區(qū)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥捎谄涿芏冉档投哂懈×Γ鸱块g與環(huán)境之間的壓差可用與公式(5-4-11)類(lèi)似的形式來(lái)表示。
Fung進(jìn)行了一系列的全尺寸室內(nèi)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定壓力的變化，試驗(yàn)結(jié)果指出對(duì)于高度約3.5m的著火房間，其頂部壁面內(nèi)外的最大壓差為16Pa。對(duì)于高度較大的著火房間，由于中性面以上的高度h較大，可能產(chǎn)生很大的壓差。如果著火房間溫度為700℃，則中性面以上10.7m高度上的壓差約為88Pa，這對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度很高的火，所形成的壓力已超出了目前的煙氣控制水平。圖5-4-3給出了由煙氣浮力所引起的壓差曲線。
若著火房間頂棚上有開(kāi)口，則浮力作用產(chǎn)生的壓力會(huì)使煙氣經(jīng)此開(kāi)口向上面的樓層蔓延。同時(shí)浮力作用產(chǎn)生的壓力還會(huì)使煙氣從墻壁上的任何開(kāi)口及縫隙、或是門(mén)縫中泄露。當(dāng)煙氣離開(kāi)火區(qū)后，由于熱損失及與冷空氣摻混，其溫度會(huì)有所降低，因而，浮力的作用及其影響會(huì)隨著與火區(qū)之間距離的增大而逐漸減小。
(三)氣體熱膨脹作用
燃料燃燒釋放的熱量會(huì)使氣體明顯膨脹并引起氣體運(yùn)動(dòng)。若考慮著火房間只有一個(gè)墻壁開(kāi)口與建筑物其它部分相連，則在火災(zāi)過(guò)程中，建筑內(nèi)部的空氣會(huì)從開(kāi)口下半部流入該著火房間，而熱煙氣也會(huì)經(jīng)開(kāi)口的上半部從著火房間流出。因燃料熱解、燃燒過(guò)程所增加的質(zhì)量與流入的空氣相比很小，可將其忽略，則著火房間流入與流出的體積流量之比可簡(jiǎn)單地表示為溫度之比。
若建筑內(nèi)部空氣溫度為20℃，當(dāng)空氣溫度達(dá)到600℃時(shí)，其體積約膨脹到原來(lái)的三倍。對(duì)有多個(gè)門(mén)或窗敞開(kāi)的著火房間，由于流動(dòng)面積較大，因氣體膨脹在開(kāi)口處引起的壓差較小而可以忽略，但對(duì)于密閉性較好或開(kāi)口很小的著火房間，如燃燒能夠持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，則因氣體膨脹作用產(chǎn)生的壓差將非常重要。
(四)外部風(fēng)向作用
在許多情況下，外部風(fēng)可在建筑的周?chē)a(chǎn)生壓力分布，這種壓力分布可能對(duì)建筑物內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)及其蔓延產(chǎn)生明顯影響。一般，風(fēng)朝著建筑物吹過(guò)來(lái)會(huì)在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增加建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)方向流動(dòng)。
式中： 為風(fēng)作用于建筑物表面的壓力(Pa)， 為無(wú)量綱壓力系數(shù)， 為環(huán)境空氣密度(kg/m3)， 為風(fēng)速(m/s)。
