消防工程-建筑火災(zāi)中的煙氣控制

1、 建筑物內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，熱煙氣將從火區(qū)向四處蔓延，迅速充滿樓梯井及電梯井，阻斷和封閉疏散通道，危及生命財產(chǎn)安全。目前，人們已經(jīng)認識到火災(zāi)煙氣是造成人員傷亡的主要因素。 上世紀六十年代后期，采用加壓的方法來阻止煙氣進入樓梯井的設(shè)想開始引起人們的重視隨之產(chǎn)生了對起火樓層送風或排煙、而對相鄰樓層加壓的設(shè)想，并且這一設(shè)想很快在建筑通風系統(tǒng)中付諸實施?！盁煔饪刂啤奔词侵敢燥L機形成的風壓來阻止火災(zāi)過程中的煙氣蔓延。 目前，世界上許多發(fā)達國家都開展了煙氣控制方面的研究，包括現(xiàn)場測試、全尺寸火災(zāi)實驗?zāi)M和計算機模擬。許多建筑都已采用了相應(yīng)的煙氣控制系統(tǒng)，對其余大部分建筑也在煙氣控制方面進行了改進。 根據(jù)美國測

2、試與材料學會（American Society for Testing and Materials，ASTM）和國際消防協(xié)會（National Fire Protection Association, NFPA）對煙氣的定義，這里所說的煙氣，包括懸浮的固相和液相顆粒以及材料熱解燃燒過程中產(chǎn)生的氣相物質(zhì)。本節(jié)將著重討論建筑火災(zāi)中煙氣控制的原則和方法、及其設(shè)計中的有關(guān)問題。一、煙氣管理和煙氣控制一、煙氣管理和煙氣控制 所謂“煙氣管理”，包括所有能夠抑制熱煙氣蔓延、保障火區(qū)人員生命安全和減少火災(zāi)損失的方法。比較成熟和傳統(tǒng)的方法是，同時或單獨在建筑的適當位置設(shè)置擋煙物、排煙孔或排煙井。 擋煙物所能起到

3、的擋煙效果依賴于其密閉性及其兩邊的壓差。穿越墻或地板管道周圍的縫隙、墻和地板交接處的縫隙以及門窗的縫隙常常使建筑物的密閉性能降低，從而削弱擋煙物的擋煙效果。擋煙物兩邊的壓差則受煙囪效應(yīng)、浮力、外部風強弱及供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)的影響。排煙孔和排煙井的功效則取決于它們距離火區(qū)的遠近、煙氣的浮力和其它一些驅(qū)動力。若煙氣被水噴淋冷卻，則排煙孔和排煙井的功效會大大下降。 需要指出的是，由于建筑內(nèi)的電梯井結(jié)構(gòu)的特殊性，起火后大量的熱煙氣經(jīng)電梯井向上蔓延，客觀上起到了排煙井的作用，造成建筑起火后電梯失去的疏散功能，助長煙氣和火勢的擴展和蔓延。因此專門設(shè)計的排煙井應(yīng)該保證在除著火樓層以外的其他區(qū)域基本上無煙氣

4、泄漏，從而防止煙氣向其他樓層蔓延造成火勢擴大。* 所謂“煙氣控制”，則是將傳統(tǒng)上用于煙氣管理的擋煙物(墻、地板、門等)與機械風機產(chǎn)生的氣流和壓差共同使用，從而達到控制煙氣流動的目的。下面結(jié)合圖5-11來說明擋煙物兩邊形成的壓差對煙氣蔓延的抑制作用。圖中的擋煙物為擋煙門。擋煙門的高壓一側(cè)既可是避難場所，又可是疏散通道，起火區(qū)的煙氣處于低壓一側(cè)。兩端的壓差可有效地阻止熱煙氣通過門縫和其它結(jié)構(gòu)縫隙的滲入避難場所或疏散通道。圖5-11 擋煙物兩邊形成的壓差對熱煙氣抑制作用示意圖* 如果人員逃生過程中不慎使擋煙門處于敞開狀態(tài)，高壓區(qū)的空氣將通過敞開的擋煙門流入起火區(qū)。此時擋煙門能否起到阻止熱煙氣向避難場

5、所或疏散通道蔓延的作用就取決于高壓區(qū)的空氣流速。如果高壓區(qū)的空氣流速較低，熱煙氣將借助對流作用經(jīng)擋煙門的上部進入避難場所或疏散通道，如圖5-12所示。如果空氣流速足夠大，熱煙氣的侵入也可避免，如圖5-13所示，此時所需的高壓區(qū)的空氣流速的大小就取決于火區(qū)的熱釋放速率，有關(guān)問題將在下面詳細討論。圖5-12 空氣流速較低時熱煙氣 圖5-13 空氣流速足夠大時熱煙氣 侵入高壓區(qū)的示圖 被限制在起火區(qū)的示意圖* 由于煙氣控制需要依靠風機產(chǎn)生的空氣流動和壓差，因此，與傳統(tǒng)的煙氣管理的方法相比。煙氣控制有以下三個優(yōu)點： (1) 煙氣控制對擋煙物密閉性的依賴性較小，設(shè)計中允許在擋煙物上存在些合理的開口和縫隙

6、； (2) 與被動的煙氣管理相比，煙氣控制系統(tǒng)受煙囪效應(yīng)、浮力作用和外部風作用而失效的可能性更小。若無煙氣控制，則這些驅(qū)動力將使煙氣蔓延到任何存在開口和縫隙的地方。而煙氣控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣流和壓差可以有效地克服這些驅(qū)動力。 (3) 通過空氣流的有效運用，煙氣控制系統(tǒng)能夠有效阻止煙氣經(jīng)過敞開的擋煙門侵入被保護區(qū)。尤其是在遇緊急疏散過程中，擋煙門常會被打開（如圖5-12、5-13），甚至在整個火災(zāi)過程中擋煙門一直處于敞開狀態(tài)，若無煙氣控制，則煙氣很容易穿過這些擋煙門而四處蔓延。 由此可見煙氣控制時應(yīng)著重強調(diào)兩個基本原則，即： (1) 利用流速是夠大的空氣流可有效地阻止建筑火災(zāi)中的煙氣蔓延 (2)

7、在擋煙物兩邊形成一定的壓差，可起到控制煙氣蔓延的作用。* 在擋煙物兩邊形成一定的壓差稱之為加壓。加壓的結(jié)果是使空氣在門縫和建筑結(jié)構(gòu)縫隙中正向流動，從而阻止熱煙氣通過這些縫隙逆向蔓延。因此，從嚴格的物理觀點來看，上述第二個原則是第一個原則的特例。實際上，分別考慮這兩個原則對于煙氣控制的設(shè)計是十分有利的。這是因為對有較大開口的擋煙物而言，在設(shè)計計算和驗收試驗過程中，空氣流速都是很容易控制的物理量。而當擋煙物只有很小的縫隙時，在實際過程中要想確定縫隙中的空氣流速是十分困難的，在這種情況下選擇壓差作為煙氣控制的設(shè)計參數(shù)則相當方便。因此在不同情況下，對上述兩個原則應(yīng)作單獨考慮。*(一) 空氣氣流 從理論

8、上而言，合理利用空氣氣流能夠有效地阻止煙氣向任何空間蔓延。目前，采用氣流來控制煙氣運動的方法被普遍用于門口和走廊。Thomas提出了阻止煙氣侵入走廊所需臨界氣流速度的經(jīng)驗公式： (5-45) 式中，Vk為阻止煙氣侵入走廊所需的臨氣流速度(m/s)；E為走廊中的能量進入速率(W)；W為走廊寬度(m)；為上游空氣密度(kg/m3)；c為下游氣體比熱(kJ/kgK)；T為下游煙和空氣混合氣絕對溫度(K)；g為重力常數(shù)；系數(shù)K1。 考慮到距火區(qū)較遠處物性參數(shù)在流動截面上的分布近似均勻，=1.3 kg/m3，c=1.005kJ/kgK、T=27oC，則臨界氣流速度為： (5-46) 系數(shù)Kv取0.029

9、2。公式適用于火區(qū)在走廊以及煙氣通過敞開的門、透氣窗和其它開口進入走廊的情況。*31W/k)cTgE(KV31W/vk)E(KV 但是，它不適用于水噴淋作用下的火災(zāi)情況，因為這時上游空氣和下游氣體之間的溫差很小。圖5-14給出了方程(5-46)的圖解。圖5-14 臨界氣流速度與走廊寬度和能量進入速率的關(guān)系* 例如；當1.22m寬的走廊中煙氣能量進入速率為150kW時，可得到臨界氣流速度約為1.45m/s。而在同樣走廊寬度的情況下，若煙氣能量進入速率增至2.1MW，則得到臨界氣流速度約為3.50m/s。一般要求的氣流速度越高，煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計的難度就越大，造價也越高。許多工程設(shè)計者認為，如果要求

10、流經(jīng)門的氣流速度保持在1.5m/s以上，則相應(yīng)煙氣控制系統(tǒng)的造價就會難以承受。有關(guān)煙氣控制系統(tǒng)中設(shè)計合理的氣流速度的問題將在后面進一步討論。 盡管空氣氣流的運用能夠控制煙氣蔓延，但這并不是最基本的方法，因為它需要大量的空氣才能發(fā)揮效用。這里所謂“最基本的方法”，指通過在門、隔墻以及其它建筑構(gòu)件兩邊產(chǎn)生壓差來控制煙氣蔓延。*(二) 加壓 通過建筑結(jié)構(gòu)縫隙、門縫以及其它流動路徑的空氣體積流率正比于這些路徑兩端壓差的n次方。對于幾何形狀固定的流動路徑，理論上n在0.51.0的范圍內(nèi)。對于除極窄的狹縫以外的所有流動路徑，均可取n=0.5。于是，空氣的體積流量(m3/s)可表示成： (5-47)式中，A

11、為流動面積(m2)，通常等于流動路徑的截面積；P為流動路徑兩端的壓差(Pa)；為流動空氣的密度；C為流動系數(shù)，它取決于流動路徑的幾何形狀及流動的湍流度等，其值通常在0.60.7的范圍內(nèi)。若C取0.65，取1.2kg/m3，則上述方程可表示為： (5-48)式中系數(shù)Kf =0.839。也可利用圖5-15來確定空氣體積流率。例如關(guān)閉的門周圍縫隙的面積為0.01m2，兩邊壓差為2.5Pa時空氣體積流量約為0.013m3/s。當壓差增至75Pa時空氣體積流量增至0.073m3/s。 *2/1)2(PCAW2/1PAKWf圖5-15 空氣的體積流量與壓差和縫隙面積關(guān)系圖 在煙氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)場測試中，隔墻

12、或關(guān)閉的門兩邊的壓差常有5Pa范圍內(nèi)的波動，這通常被認為是風的影響。另外供暖、通和空調(diào)系統(tǒng)以及其它原因也可能引起這種波動。壓差的波動及其引起的煙氣運動尚是目前有待研究的課題之一。從克服壓差波動、煙囪效應(yīng)、煙氣浮力以及外部風影響的角度而言，煙氣控制系統(tǒng)所能提供的壓差應(yīng)該足夠大，然而在門等敞開的情況下，這是難以做到的。*(三) 空氣凈化 本節(jié)中所討論的煙氣控制系統(tǒng)一般是基于前述的兩個基本原則。在理想情況下，門只是在人員疏散時期內(nèi)短暫敞開，那么就可以通過向被保護的區(qū)域供入新鮮空氣達到稀釋和凈化空氣的目的。然而實際上，火災(zāi)中的疏散門總是處于開啟狀態(tài)，因此通過提供足夠強的空氣流來阻止煙氣經(jīng)過敞開的門進入

13、被保護區(qū)域的目的很難實現(xiàn)。假設(shè)有一個由擋煙墻和可自動關(guān)閉的門與火區(qū)隔離的房間，當所有的門關(guān)閉時無煙氣進入該房間。如果房間的一扇或多扇門窗處于敞開狀態(tài)，而又沒有足夠強的空氣流時，來自火區(qū)的煙氣則會進入該房間。為了便于分析，假設(shè)整個房間中煙氣濃度分布均勻。在所有的門又重新關(guān)閉一段時間以后，這時房間中污染物的濃度可表示成： (5-49)式中C、C0分別為初始和t時刻污染物濃度，可根據(jù)所考慮的污染物不同采用任何合適的單位，但必須一致。為凈化速率，其含義為每分鐘內(nèi)空氣的變化。t為門關(guān)閉后的時間(min)。*)(0tEXPCC 根據(jù)一系列測試和已有的人體對煙氣的耐受極限，對火災(zāi)環(huán)境中最大煙濃度的估算表明其

14、比人體所能承受的極限煙濃度約大100倍，因此，單從火災(zāi)環(huán)境煙氣濃度的角度來看，理論上的安全區(qū)域內(nèi)環(huán)境煙濃度不應(yīng)超過火區(qū)附近煙濃度的1%。很明顯，用新鮮空氣來稀釋煙氣同時也將減少環(huán)境氣體中有毒煙氣組分的濃度。煙氣的毒性是一個更為復(fù)雜的問題，目前尚無有關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論能夠從煙氣毒性的角度來說明需要如何稀釋煙氣才能確保安全的環(huán)境。方程(5-49)可改求得凈化速率為： (5-50)例如：敞開門后房間中污染物的濃度達到下著火房間的20%，隨即將門關(guān)閉，要求6min后房間中污染物的濃度降至著火房間的l%，由方程(5-50)可求得這種情況下該房間所需的空氣凈化速率約為0.5/min。*)ln()1(0CCt

15、實際上，污染物濃度在整個房間中均勻分布是不可能的。由于浮力作用，很可能在頂蓬附近污染物濃度較高，因此將排氣管道的入口接近頂蓬安置、而將供氣管道的出口接近地板安置，可望得到比以上計算結(jié)果更快的空氣凈化速率。同時還必須注意，供氣管道出口應(yīng)遠離排氣管道入口，以免造成“短路”。 此外，在煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮要預(yù)留煙氣排放通道，保障煙氣受熱膨脹的情況下起到泄壓作用。還應(yīng)當明確：在火區(qū)稀釋煙氣并不意味著達到了煙氣控制的目的。因為，簡單地向火區(qū)大量充氣和從火區(qū)大量排氣的做法盡管有時可以凈化煙氣，但是很難確?；饏^(qū)的氣體適宜人體吸入。同時，由于不能提供擋煙門敞開時所必需的氣流和壓差，也就不能有效地控

16、制煙氣蔓延。而在與火區(qū)隔離的區(qū)域內(nèi)，這種充氣和排氣的做法的確能夠很大程度上限制空氣當中的煙氣含量。*二、煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計計算中的幾個問題(一) 開門所需的力 在煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，必須考慮壓差作用在門上所產(chǎn)生力的大小。如果門所受到的力過大，則使居住者出入不便，或使其在火情發(fā)生后難以打開通向安全區(qū)域或疏散通道的門。 開門所需的力由克服門兩邊壓差所需的力和克服門自鎖力所需的力組成，可用以下公式來表示，即： (5-51) 式中，F(xiàn)為開門所需的力(N)；Fdc、FP分別為克服門自鎖力和克服壓差所需的力(N)；W和A分別為門的寬度(m)和面積(m2)；P為門兩邊的壓差(Pa)；d為門把手到靠近把子一側(cè)

17、門邊緣的距離(m)；系數(shù)Kd=1.00。 這一關(guān)系式基于開門的力量僅作用于門把手上的假定。克服壓差所需的力可由圖5-16確定?？朔T自鎖力所需要的力通常大于13N，有時可達90N。例如一扇高2.13m、寬0.91m、把手安置在靠近邊緣0.076m處的門，其兩邊壓差為75Pa，若克服其自鎖力所需的力為53N、則需要133N的力量才能打開該門。 d)-(w2PWAKFFFFddcPdc圖5-16 作用于門上力的大小與壓差的關(guān)系 (二) 氣體流動面積 在煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，必須對空氣流動途徑進行確定和估算。有些流動途徑是顯而易見的，如敞開的房門、電梯門、窗、透氣窗以及門縫等。而建筑結(jié)構(gòu)縫隙，如墻縫

18、等，則不很明顯，但卻不容忽視。 許多較大開口(如門、窗)的氣體流動面積很容易計算。可是縫隙的氣體流動面積卻較難估算。它們?nèi)Q于建筑施工質(zhì)量，如門、窗固定得如何、其擋風雨條安裝得如何等等。例如一扇0.90m2.10m的門，若其平均門縫寬度為3.2mm，則氣體泄漏的面積為0.020m2。倘若安裝質(zhì)量低劣，底部留有19mm的空隙，則氣體泄漏的面積為0.30m2。二者相差非常之大。測量表明每扇電梯門的氣體泄漏面積在0.0510.065m2的范圍內(nèi)。 通過對敞開的樓梯間入口處氣體流動的測試和研究表明，其流動狀態(tài)很復(fù)雜。從而導致空氣體積流率的測量值大大低于在方程(5-48)中采用樓梯間入口的幾何面積(寬高

19、)作為流動面積所得到的估算值。因此建議對于敞開的樓梯間入口采用其幾何面積的一半作為流動面積。另外還有一種等效的處理方法，即采用其幾何面積作為流動面積，同時引入一個小于1的流動系數(shù)。在此不展開討論。 商品樓中墻和地板上縫隙面積的典型值在表5-3中以面積比的形式給出，其中A、Aw和AF分別為氣體流動面積、墻面積和地板面積。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)加拿大國家研究委員會(National Research Council of Canada)所進行的一些測試得出的，與墻和地板相應(yīng)的面積比數(shù)據(jù)分別對應(yīng)于75Pa和25Pa的典型流動情況。一般認為實際氣體流動面積首先取決于建筑工施工質(zhì)量而不是建筑材料。有時對于某些特

20、殊建筑。其構(gòu)件之間縫隙的流動面積可能會偏離表5-3中所給出的值。可根據(jù)具體情況查閱有關(guān)手冊。 管道的通風氣流截面并非總是能用寬高的方法來確定，因為通風截面常被葉柵等遮擋，所以實際氣體流動面積小于通風截面面積。由于葉柵的擋風條經(jīng)常傾斜，因此氣體流動面積的計算較為復(fù)雜，應(yīng)視具體情況選用適當?shù)膮?shù)。(三) 等效流動面積等效流動面積的概念在煙氣控制系統(tǒng)的分析中非常有用。一個系統(tǒng)中煙氣蔓延的流動路徑可以是相互并聯(lián)、串聯(lián)、或是串、并聯(lián)相結(jié)合。對于給定的流動系統(tǒng)，其等效流動面積定義為在同樣壓差情況下造成同樣流動的單一開口的面積。這與電路理論中等效電阻的概念相類似。如圖5-17所示，當一個加壓空間中存在三個面

21、積分別為A1、A2，和A3的開口相互并聯(lián)時，其等效流動面積為： (5-52)如果A1為0.10m2，A2、A3均為0.05m2，則其等效流動面積Ae為0.20m2。公式(5-38)可以被推廣運用到具有任意個開口相互并聯(lián)的情況。此時等效流動面積可下式計算： (5-53)式中，n為相互并聯(lián)開口的個數(shù)。 如圖5-18所示，當一個加壓空間中存在三個面積分別為A1、A2和A3的開口相互串聯(lián)時，其等效流動面積為： (5-54)321AAAAeniieAA12/1232221)111(AAAAe圖5-17 并聯(lián)的流動途徑圖 5-18 串聯(lián)的流動途徑圖對于具有任意n個開口相互串聯(lián)的情況，其等效流動面積為： (

22、5-55) 式中，n為相互串聯(lián)開口的個數(shù)。在煙氣控制系統(tǒng)的分析中，最常見的是兩個開口相互串聯(lián)的情況，這時的等效流動面積可表示成： (5-56)實際上，現(xiàn)代建筑內(nèi)部的門多是串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合存在的。以圖5-19為例來說明流動路徑串、并聯(lián)相結(jié)合時其等效流動面積的計算方法。21121/niie)A(A2/1222121)(AAAAAe圖5-19 串、并聯(lián)相結(jié)合的流動途徑圖從圖中可見，開口A2、A3是并聯(lián)的，于是其等效流動面積為： (5-57)同樣，開口A4、A5和A6也是相互并聯(lián)的，其等效流動面積為： (5-58)開口A1與這兩個并聯(lián)等效流動面積是相互串聯(lián)的，于是整個系統(tǒng)的總等效流動面積為： (5-59

23、)3223AAAe654456AAAAe2/1245622321)111(eeeAAAA (四) 對稱性 對稱性對于簡化問題很有幫助。圖5-20所示為一多層建筑的層平面圖，在其對稱軸所劃分的兩個對稱區(qū)域中，開口分布及其相應(yīng)的流動面積均相同。對于對稱建筑，其每一層均可以同樣的方式劃分為兩個對稱的區(qū)域。如果分析中不考慮風的作用或者風的方向與對稱軸平行，則只需分析其中一個對稱區(qū)域中的流動。應(yīng)該指出。這里所謂的“對稱”是指關(guān)于流動的對稱，并不需要象圖5-20所表示的那樣必須是完全的幾何對稱。圖5-20 對稱層的平面示意圖(五) 計算機分析 有些關(guān)于煙氣控制的設(shè)計計算適于手算。然而，其它一些包含迭代算法

24、或隨時間變化的計算則適于計算機。美國國家標準局已建立了一套專門用于煙氣控制系統(tǒng)分析的計算機程序，其中一些可用來計算穩(wěn)態(tài)條件下整個建筑內(nèi)的壓力和流動分布，其它一些還可計算火災(zāi)中整個建筑內(nèi)的煙氣濃度分布。 這些計算程序在一定程度上各有不同，但它們在基本思想和方法上卻都相近。即用一個空間網(wǎng)絡(luò)來代表一幢建筑，在網(wǎng)絡(luò)中的每一節(jié)點上有相應(yīng)的壓力值、溫度值等。樓梯井和建筑巾的其它豎井被?；癁樨Q立的一系列空間，每一個樓層一個。氣流通過一定的流動路徑從高壓區(qū)向低壓區(qū)泄漏，可以通過敞開的門窗，也可以通過門縫、窗縫以及隔墻、地板、外墻和頂篷的縫隙。泄漏的氣流量取決于流動路徑兩端的壓差(見方程(5-47)。 與樓梯井

25、加壓情況相似，加壓系統(tǒng)可將建筑外部空氣送至建筑內(nèi)的其它豎井和任何空間。而且，與區(qū)域煙氣控制系統(tǒng)相類似，建筑中的任何空間均可向外排風。整個建筑中的壓力分布和所有流動路徑上的氣體流量分布可通過求解包括外部風、加壓系統(tǒng)、或內(nèi)外溫差等作用在內(nèi)的空氣流動網(wǎng)絡(luò)得到。三、煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的一般討論 理論上說，建筑及其消防規(guī)范中應(yīng)該包含有關(guān)煙控系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，以確保所設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)濟實用。然而，由于煙氣控制是一個新領(lǐng)域，因此對如何制定合理的設(shè)計參數(shù)尚未取得一致意見。顯然，設(shè)計人員有責任遵循現(xiàn)有專業(yè)規(guī)范和所有設(shè)計標準，但是，對這些設(shè)計標準有必要進步仔細核察和研究，以確定它們是否行之有效。設(shè)計人員應(yīng)在必要時放棄

26、某些標準或規(guī)定，以保證設(shè)計出經(jīng)濟、有效的煙氣控制系統(tǒng)。 在煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，需要確立以下五個方面的有關(guān)設(shè)計參數(shù)，即：流動面積、氣象數(shù)據(jù)、壓差、空氣流和允許開門數(shù)。 關(guān)于流動面積已在前面進行過討論。另外需要考慮在火災(zāi)中窗戶玻璃是否破碎，這一問題會對壓差和氣流產(chǎn)生影響。對此下面的討論中將會涉及。*(一) 氣象參數(shù) 目前在煙氣控制的設(shè)計中，很少考慮選取專用的氣象參數(shù)。設(shè)計人員希望將有關(guān)規(guī)范和標準中給出的冬、夏期間供暖和制冷系統(tǒng)的設(shè)計工作溫度直接用于煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。應(yīng)該指出的是，冬季實際溫度常常低于甚至大大低于所規(guī)定的設(shè)計溫度。由于建筑材料的熱慣性，所以實際工作溫度在短時間內(nèi)低于設(shè)計工作溫度的

27、狀況不會對供暖系統(tǒng)造成太大的損害。但卻不能斷言對于煙氣控制系統(tǒng)也會如此，因為煙氣控制系統(tǒng)工作時煙囪效應(yīng)驅(qū)動力的形成不存在時間延遲，如果外界溫度低于煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計的冬季工作溫度，則煙囪效應(yīng)可能會引發(fā)某些問題。同樣，在夏季如果外界溫度高于煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計的工作溫度，則逆向煙囪效應(yīng)可能會帶來問題。 在煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析中，有關(guān)外部風的設(shè)計參數(shù)無疑是必需的。然而目前尚沒有關(guān)于外部風影響分析的常規(guī)方法，這便使得在煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計中人們通常人為地把外部風的各種影響盡量減少到最小。如何確定合適的溫度和外部風參數(shù)是煙氣控制系統(tǒng)沒計中有待進一步研究的問題。*(二) 壓差在煙氣控制區(qū)域的邊界上，應(yīng)該考慮最

28、大允許壓差和最小允許壓差。最大允許壓差即為不產(chǎn)生附加開門力的臨界壓差值。然而，附加開門力卻難以確定。顯然，人的身體素質(zhì)是合理確定開門力的主要因素。有規(guī)范指出，疏散通道中任何門的開啟力不應(yīng)超過133N。前面已講過粗略確定開門力的方法。 最小允許壓差即指人員疏散經(jīng)過的空間內(nèi)不出現(xiàn)煙氣泄露的臨界壓差值。此時，煙氣控制系統(tǒng)必須產(chǎn)生足夠大的壓差來抵消外部風作用、煙囪效應(yīng)或熱煙氣的浮力作用。在著火房間窗玻璃破碎時，外部風和煙囪效應(yīng)所形成的壓差會變得很大，它主要取決于人員疏散時間、火災(zāi)增長速率、建筑結(jié)構(gòu)以及所采取的消防措施。在尚無常規(guī)分析方法的情況下，其值只能憑籍工程經(jīng)驗和判斷來估算。*由熱氣體浮力作用產(chǎn)生

29、的擋煙物兩邊壓差的估算方法已在前一節(jié)中進行過介紹。在某些特殊情況廠，需要考慮所設(shè)計的煙氣控制系統(tǒng)能夠承那些比較靠近煙氣控制區(qū)域邊界的高強度火的影響。前面已經(jīng)指出，一系列全尺寸火災(zāi)測試表明，著火房間頂蓬附近墻壁兩邊所達到的最大壓差為16Pa。為了防止煙氣侵入，所設(shè)計的煙氣控制系統(tǒng)必須保持梢高的壓力來抵消高溫形成的壓差，通常認為這種情況下最低壓差應(yīng)在2025Pa的范圍內(nèi)。如果煙氣控制邊界附近的煙氣是熱煙氣，則浮力作用產(chǎn)生的壓差相對略低，若煙氣溫度為400C，則中性面以上1.53m處煙氣浮力產(chǎn)生的壓差為10Pa。通常認為這種情況下所設(shè)計煙氣控制系統(tǒng)宜保持的最低壓差應(yīng)在1520Pa的范圍內(nèi)，水噴淋能夠

30、冷卻火災(zāi)煙氣和降低浮力作用產(chǎn)生的壓差。這種情況下，應(yīng)該考慮壓力波動影響。通常認為最低壓差應(yīng)保持在510Pa的范圍內(nèi)。* 火災(zāi)中門窗玻璃會發(fā)生破碎。這時作用于建筑外墻的風壓可由方程(2-51)確定。如果破碎的窗戶是起火樓層的唯一開口，且恰好迎風，則此時煙氣控制的邊界上可能會經(jīng)受較高的壓力。一種可用的方法是在起火樓層的所有側(cè)面開孔泄壓。而對于長度遠大于寬度的建筑的來說，則只需在較長的兩側(cè)開孔。 除了外部風影響之外，著火房間窗玻璃破碎還會強化煙囪效應(yīng)。如果冷天較低樓層起火，煙囪效應(yīng)將使起火樓層壓力增加。盡管對水噴淋影響窗玻璃碴碎的研究極少，但可以斷言它會降低玻璃破碎的幾率。*(三) 空氣流當處于煙氣

31、控制邊界上的門打開時，煙氣就會流入避難區(qū)和疏散通道，除非有一股足夠強的氣流從門流過，來阻止煙氣侵入。設(shè)計中選取氣流速度的原則應(yīng)該是在人員疏散過程中沒有煙氣侵入(有些其它原則可能允許少量的煙氣侵入被保護區(qū)域，這時必須考慮煙氣的毒性)。氣流速度的選取依賴于人員疏散時間、火災(zāi)增長速率、建筑結(jié)構(gòu)和所采用的消防措施。由于缺少常規(guī)的分析方法，這類估算必須以工程經(jīng)驗和判斷為基礎(chǔ)。為了阻止煙氣從敞開的門中侵入，需要一定的氣流。目前，關(guān)于所需氣流的臨界速度仍有很多問題有待研究。因為缺少這方面專門的經(jīng)驗公式，所以只能借用前面給出的阻止煙氣侵入走廊所需臨界氣流速度的經(jīng)驗公式來求得近似結(jié)果，即以門的寬度來取代式中的走

32、廊寬度。這種分析方法基于在整個流動截面上煙氣特性分布均勻的假設(shè)。正如前面所指出的，在某些特殊情況下，高強度火可能是設(shè)計時所必需考慮的，如釋熱速率為2.4MW的大火。這時可能阻止煙氣侵入的臨界氣流速度約為4m/s；另一方面，對于如釋熱速率為125kW的低強度火，人員疏散時阻止煙氣侵入所需的臨氣流速度約為1.5m/s。*在安裝了水噴淋系統(tǒng)的建筑中，考慮到火區(qū)鄰近的煙氣被水冷卻至接近環(huán)境溫度。這種情況下臺適的氣流速度應(yīng)在0.251.25m/s范圍內(nèi)。關(guān)于水噴淋對煙氣控制設(shè)計參數(shù)的影響還有待于進一步研究。*(四) 允許開門數(shù) 除上述問題以外，煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中還需要考慮在其有效性得以保證的前提下所允

33、許的最多開門數(shù)。當然，可以根據(jù)所有門都敞開的情況進行設(shè)計，從而充分保護所設(shè)計煙氣控制系統(tǒng)的有效性，然而，這樣可能會大大增加系統(tǒng)的造價。 開門數(shù)的確定很大程度上依賴于建筑中的人員密度。例如，對于一棟人員密集的建筑，發(fā)生火情后人員疏散時可能所有門都是敞開的，反之，對于人員稀疏的建筑，火災(zāi)發(fā)生時可能只有很少的門敞開。*四、建筑中煙氣控制的主要方式 建筑火災(zāi)中煙氣控制的主要著眼點在于樓梯井和著火區(qū)域，因為這兩個區(qū)域的煙氣控制是保護生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵。下面分別對這兩個區(qū)域的煙氣控制進行討論。 *(一) 樓梯井煙氣控制從火災(zāi)安全的角度而言，設(shè)計和建造樓梯井的首要目的在于為火災(zāi)中人員疏散提供無煙的安全通道；

34、其次，是為消防人員提供中間整備區(qū)域。在起火樓層，加壓樓梯間必須保持正壓，以避免煙氣侵入。在建筑火災(zāi)過程中，人員疏散和火災(zāi)撲救造成一些樓梯間的門斷斷續(xù)續(xù)地敞開，甚至有些門可能一直敞開。理想情況下，當起火層樓梯問的門敞開時，應(yīng)該有足夠強的氣流穿過來阻止煙氣侵入。然而，由于樓梯井中所有門的開關(guān)變化以及氣象條件的影響，設(shè)計這樣的系統(tǒng)非常困難。樓梯井加壓系統(tǒng)分為兩類，即：單點加壓送風系統(tǒng)和多點加壓送風系統(tǒng)。單點加壓送風即指從單一地點向樓梯井輸入加壓空氣，最常見的是從樓梯井的頂部。對于這類系統(tǒng)，存在煙氣通過加壓風機進入樓梯井的可能性，因此設(shè)計中應(yīng)該考慮發(fā)生這種情況時系統(tǒng)的自動關(guān)機功能。* 對于較高的樓梯井

35、，當送風點附近的門敞開時，單點加壓送風系統(tǒng)可能失去作用。因為所有的加壓空氣可能會從這些敞開的門中流失，從而使樓梯井中遠離送風點處不能保持正壓。尤其是對位于建筑底部的單點加壓逆風系統(tǒng)，當?shù)讓訕翘蓍g的門敞開時，其失效的可能性更大。因而，對于較高的樓梯井，加壓空氣可從沿樓梯井高度的不同地點供入，這即是所謂的多點加壓送風。圖5-21和圖5-22分別給山了兩種多點加壓送風系統(tǒng)。圖5-21 風機在底層加壓送風系統(tǒng) 圖5-22 風機在頂層加壓送風系統(tǒng)* 顯然，多點加壓逆風系統(tǒng)可以克服單點加壓送風系統(tǒng)的局限性。圖中所示的通風管道被單獨安置在管道井中，而對于那些通風管道直接安置在樓梯井中的情況應(yīng)該注意的問題是這

36、些通風管道不能成為火災(zāi)中人員疏散的障礙。 如圖5-23所示，多點加壓送風的一種方案是將樓梯井分隔成相對獨立的幾部分。顯然，當相鄰兩部分之間的門敞開時，這種區(qū)域分隔的效果會減弱或消失。因此，樓梯井的區(qū)域分隔不適合人員密集的建筑。而對于疏散人流較小，敞開的門較少的情況，區(qū)域分隔則是一種對高樓梯井行之有效的手段。圖5-23 加壓樓梯井的區(qū)域分隔示意圖*下面著重討論建筑中加壓樓梯井的簡單分析方法?？紤]在僅有一個樓梯井(多個樓梯井的情況可根據(jù)對稱性的概念加以推廣)的建筑中，假設(shè)每一樓層氣體泄漏的流動面積都相同，并且氣體流動的主要驅(qū)動力只限于樓梯井加壓系統(tǒng)和樓梯間門內(nèi)外溫差，不考慮垂直方向上的氣流泄漏。則樓梯井和建筑內(nèi)部之間的壓差(PSB)K可表示為： (5-60)式中，PSBb為樓梯井底層的壓差；y為樓梯井底層以上的距離；ASB為每一樓層樓梯井與建筑內(nèi)部之間氣體泄漏的流動面積；ABO為每一樓層建筑內(nèi)部與外界之間氣體泄漏的流動面積；b為溫度因子，即： (5-61)式中，T0、TS分別為外界和樓梯井內(nèi)空氣絕對溫度。*2)(1BOSBS