建筑自然排烟与机械排烟的适用性研究

 　    摘要：本文从建筑物自然排烟的热压、风压作用，以及自然排烟极限高度着手，对建筑物排姻设施的设置提出了自己的看法，并对建筑机械排烟进行适用性研究，同时对地下建筑的防排悃也有自己的看法。 

　　关键词：建筑　自然排烟　机械排烟　研究 　　 

　　1、引言 

　　火灾统计资料表明，火灾中的死亡者中有60-80％死亡原因与火灾中的烟气有关，如2005年山东威海金莹家电火灾中10名死者全都是烟气中毒死亡；2000年河南洛阳东都商厦“12.25”特大火灾中的309名死者绝大多数是CO中毒死亡；1990年1月14日西班牙一舞厅发生火灾，死亡43人，其中大部分是坐在凳子上死亡的，可以推测烟气是造成死亡的主要原因。为了确保国家和人民财产与生命安全，建筑防排烟工程的设计具有非常重要的意义。在这其中，有关自然排烟与机械排烟的适用性研究也非常必要。 　　 

　　2、火灾烟气分析 

　　可燃物多为有机物，还有少量金属，有机物的化学成份主要有碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)，此外还含有硫(S)、磷(P)和卤素(F、Cl、Br、I)等元素，其燃烧产物主要有一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫和五氧化二磷等，在不完全燃烧状态下还会生成大量的中间产物。火灾烟气的危害性主要表现在毒害性、减光性和恐怖性三方面。火灾烟气的毒害性首先使受灾人员或扑救人员直接中毒或窒息死亡，其次是使受灾人员或扑救人员因缺氧或一氧化碳中毒晕倒后而被火烧死，火灾烟气的减光性和恐怖性的危害在于妨碍疏散和扑救，造成火场混乱。 　 

　　3、防排烟 

　　所谓防排烟就是将火灾过程中产生的有毒烟气，在着火房间和着火房间所在的防烟分区内就地加以排出，防止烟气扩散到疏散通道和其它防烟分区中去，确保疏散和扑救用的楼梯和楼梯间内无烟，使着火层人员可以安全疏散，同时也可以给灭火救援工作创造有利条件。 

　　排烟方式总体可分为自然排烟方式和机械排烟方式，而机械排烟方式又分为三种不同的方式：全面通风排烟方式、机械送风正压防烟方式、机械负压排烟方式。 　　 

　　4、自然排烟的适用性 

　　自然排烟是利用火灾产生的热流的浮力和外部风力通过建筑物的对外开口把烟气排至室外的排烟方式，其实质上就是热烟气与室外冷空气的对流运动，其动力是火灾加热室内空气产生的热压和室外的风压。 

　　自然排烟的方式有两种：(1)竖井排烟。其原理是依靠室内火灾时产生的热压和室外空气的风压形成“烟囱效应”排烟。不需要能源，设备简单；但竖井需要排烟口和进风口，两口需较大的截面积，否则排烟效果不佳，占用建筑面积较多；排烟效果不均匀；适用性有局限。(2)利用建筑的阳台、凹廊或在外墙上设置便于开启的外窗进行无组织的排烟。这种排烟方式不需要专门设备，适用性广，可与建筑物原有构造结合；其缺点是因受室外风向、风速和建筑本身的密封性或热压作用的影响，排烟效果不太稳定。因火灾所产生的烟气温度高于空气，密度比空气小，着火房间内的烟气层压力大于室外空气压力，烟气自然向外排出。室内外的温差越大，烟气越容易排出。随着烟气的排出，造成室内压力的降低，当低于室外空气压力时，室外空气就流进室内。这就形成了室内烟气与室外空气的对流运动，称为热压作用。热压作用能够很好地解释“烟囱效应”以及人员疏散时所采取低姿匍匐的缘由。 

　　在垂直地面的某一高度上，必将出现室内外压力差为零，通过该位置的水平面称为该着火房间的中性层。在中性层以下，室外空气的压力总是高于着火房间内气体的压力，空气将从室外流进室内；而在中性层以上则恰恰相反，着火房间内气体的压力高于室外空气的压力，烟气将从室内排至室外。 

　　建筑物周围室外气流静压的升降称为风压作用。当室外气流遇到建筑物时将发生绕流。在迎风面，气流受阻，动压降低，静压升高，出现正压，室外空气将从迎风面的窗孔流进室内；而在侧风面和背风面，产生局部漩涡，静压降低，出现负压，室内的气体将从背风面或侧风面的窗孔排出室外。 

　　当室外气流达到一定风速时，有可能导致建筑物采用外窗自然排烟失效，因为风速是随着高度发生变化，因此，导致自然排烟失效的风速称为临界风速，该风速所在的高度应称为建筑物自然排烟的极限高度。  

　　5、机械排烟的适用性 

　　机械排烟方式是用机械设备强制送风(或排烟)的手段来排除烟气的方式。送风和排烟可全部借助机械力作用，也可一个借助机械力的作用，另一个则借助自然通风或排烟作用，据此，机械排烟又具体分为三种方式。(1)全面通风排烟方式：对着火房间进行机械排烟，同时对走廊、楼梯(电梯)前室和楼梯间进行机械送风，控制送风量略小于排烟量，使着火房间保持负压，以防止烟气从着火房间漏出的排烟方式；(2)机械送风正压防烟方式：用送风机给防烟前室和楼梯间等送新鲜空气，使这些部位的压力比着火房间相对高些，着火房间的烟气经专设的排烟口或外窗以自然排烟的方式排出；利用移动式排烟机进行正压送风在火场中使用频率较高。尽量在上风方向送风推进，以有效控制地下建筑内烟气的扩散，保证人员安全撤离通道，并使消防员处于无烟气流的安全状态，为寻找火源和救援创造条件。利用离心式风机排烟，以轴流风机送风，在着火房间用主机(离心式风机)排烟，同时对走廊和楼梯间前室用辅机(轴流风机)送风，会加快排烟的速效： 

　　机械排烟口有效面积Fpy=vF/3600Wy(　) 

　　式中v单位时间内排烟房间单位面积上的排烟量(v>60m3/h) 

　　F排烟房间的地面面积(　) 

　　Wy烟气排出速度(m/s)，计算时可取W=10m/s 

　　送风口有效面积f=Qf/Wf(　) 

　　式中Qf正压送风机送风量 

　　wf风口处速度(m/s)，计算时可取7(m/s)，相应得到的是最小的总有效面积。(3)机械负压排烟方式：用排烟风机把着火房间内的烟气通过排烟口排至室外的方式。随着社会的发展，现行的防排烟系统有必要加以改进。如现在随处可见的大型超市卖场，面积动辄就达上万甚至数万平方米，人员集中，可燃物多，一旦发生火灾极易造成群死群伤。类似场所的排烟系统更显重要。要求其每层可开启外窗面积不小于各层建筑面积的2％或者结合有风管的空气调节系统设置机械排烟系统。即场所内最远点距最近的外窗长度超过30米，则必须设置机械排烟系统。还有一些工业开发区内出现了占地面积较大的通用厂房和物流仓库，一旦发生火灾，如高温烟气得不到及时排放，很难扑救，包括一些钢结构建筑，还有坍塌危险。类似建筑如规定其沿建筑物外墙靠近顶部处设置一圈可开启外窗，则高温烟气就能及时排出，有利于扑救，使损失减少到最低。实践证明设置高窗的钢结构建筑即使可燃物全部烧毁，建筑还能保持完整性，不至于坍塌。较高的高层由于受室外风向、风速和建筑本身的密封性或热压作用的影响，采用自然排烟的方式不能达到排烟的目的反而可能助长烟气的扩散，故在50米以上的一类公共建筑和100米以上的居住建筑应采用机械加压送风的防排烟方式。笔者在工作中发现，某些建筑高度超过50m的一类公共建筑和建筑高度超过100m的居住建筑，在靠外墙的防烟楼梯间及其前室、消防电梯前室和合用前室中，设了正压送风，但同时这些部位又开有外窗。这种情况下，由于开窗面积较大，普遍在2m2以上，有些前室较大的公共建筑，有效开窗面积甚至达到4-6m2。正压送风的风压很难达到“防烟楼梯间为40-50Pa；前室、合用前室、消防电梯间前室为2530Pa”的压力要求，防烟效果大打折扣。 　　 

　　6、地下建筑的排烟 

　　随着我国社会经济的高速发展，在全国的大中型城市不断出现各种大型的地下商场以及地下商业步行街。这种地下商业建筑面积大，通风条件差；功能分区复杂，人员密集，一旦发生火灾，烟气不易排出，烟气量大，极易造成人员缺氧、中毒、灼伤；同时地下发生火灾时，能见度大大降低，加上大多数顾客对环境不熟悉，对疏散造成困难。地下建筑还有一个特点就是烟气运动方向与人的疏散方向相同，如烟气得不到控制，将会严重影响人员的安全疏散。同地上建筑一样，地下商业建筑综合运用挡烟垂壁、喷淋、排烟、送风等各种方法来合理引导烟气流动。其中送风系统主要用于疏散楼梯间和主要疏散通道。烟气进入疏散楼梯间便会随人流一同上行，很不利于疏散，因此建议超过一层时使用有正压送风的封闭楼梯间，挡烟垂壁的设置与排烟系统密切相关，多功能消防水枪和水力排烟机作为移动式排烟装备，由于其操作简便、机动性强、动力防爆安全，具有良好的冷却隔热和排烟特性，在在扑救地下建筑火灾中可以发挥很大作用。 　 

　　7、结语 

　　在目前的技术条件下，各种防、排烟方式都有其各自的优点以及局限性，防烟、排烟两者是一个不可分割的有机整体，是烟气控制的两个方面。在现代建筑设计中，各种排烟方式并不是简单的单一应用，是多种方式的综合应用，就像简单的自然防、排烟来说，是自然排烟和防烟垂壁两者的结合，这种综合性应用的结果将比采用单一方式的效果更好。