大空間建筑火災煙氣控制技術

1、大空間建筑（中庭） 火災煙氣控制技術,主要內容,一、火災一般知識 二、火災中需控制的參數(shù) 三、煙氣的生成量 四、煙氣的流動特征 五、煙氣控制措施 六、中庭建筑火災煙氣控制特點 七、國內外規(guī)范對比,火災發(fā)生過程,火災初期 轟燃：轉變?yōu)槿嫒紵乃查g 旺盛期 衰減期,煙的定義,美國試驗與材料學會(ASTM)給煙下的定義： 某種物質在燃燒或分解時散發(fā)出的固態(tài)或液態(tài)懸浮微粒和高溫氣體。 NFPA92B對煙氣的定義： 是在上述定義之外，加上“以及混合進去的任何空氣”，這種定義可能對煙氣控制更有用。 概括起來，煙氣由三類物質組成：燃燒物質釋放出的高溫蒸氣和有毒氣體；被分解和凝聚的未燃物質；被火焰加熱而帶入

2、上升氣流中的大量空氣。,煙羽流,火災發(fā)生在中庭地面上且遠離大空間的邊界面，火災產(chǎn)生的高溫氣體上升到火焰上方形成煙羽流。 煙羽流在上升過程中不斷卷入四周空氣，且煙羽流在上升過程中不觸及邊界面，由此形成的煙羽流稱為軸對稱煙羽流（Axisymmetric plume）。 火災發(fā)生在與中庭相通的鄰近空間，火災生成的煙氣通過開口處的陽臺等水平凸出物，經(jīng)過陽臺邊緣向大空間擴散，這樣形成的煙羽流稱為陽臺溢流煙羽流(Balcony spill plume)。 煙氣通過墻上開口門或窗向中庭空間擴散，這樣形成的煙羽流稱為窗煙羽流(Window plume)。,軸對稱煙羽流,陽臺煙羽流,窗煙羽流,火災模型,穩(wěn)態(tài)火災

3、 非穩(wěn)態(tài)火災,穩(wěn)態(tài)火災放熱量,放熱量為常數(shù)的火災定義為穩(wěn)態(tài)火災?；馂谋举|上是非穩(wěn)態(tài)的過程，但穩(wěn)態(tài)火災是非常有用的理想模型。在很多應用中，采用穩(wěn)態(tài)火災將使設計方法更簡單，結果更安全。 美國消防協(xié)會(NFPA)92B中，給出了商業(yè)、住宅、辦公建筑單位面積的放熱量Q。國外文獻報道：對限制可燃物的中庭，Q225kwm2；未限制可燃物的中庭，單位面積Q500kWm2。一般假定著火面積取9.3m2，這樣限制可燃物的中庭其穩(wěn)態(tài)設計火災強度為2100kW；未限制可燃物的中庭其穩(wěn)態(tài)設計火災強度為4600kw。在設計火災大小時，不應忽視過渡燃料，為此著火面積可能會更大，這與火焰的擴展有關。取著火面積為50m2，中

4、庭的設計火災強度可達25000kW。 三種典型的中庭穩(wěn)態(tài)設計火災強度推薦如下：限制可燃物的中庭最小火災，2000kw；未限制可燃物的中庭最小火災，5000kw；未限制可燃物的中廳最大火災，25000kw。,非穩(wěn)態(tài)火災放熱量,放熱量隨時間變化的火災,t2型火災類型,火災從穩(wěn)定燃燒開始達到1055kw所需時間稱為增長時間tg。根據(jù)火災發(fā)展的快慢情況， t2型火被分成4種發(fā)展類型：極快、快速、中速和慢速,火災中需控制的參數(shù),煙層高度 輻射熱 傳導熱 溫度 一氧化碳濃度 二氧化碳濃度 能見度,煙層高度要求,美國國家建筑規(guī)范 (BOCA)規(guī)定：煙氣控制系統(tǒng)保持煙層界面高度在1.8m以上的時間不少于20m

5、in,輻射熱控制要求,傳熱控制要求,溫度控制要求,一氧化碳控制要求,二氧化碳控制要求,能見度要求,小房間 最小可視度5m 其余房間 最小可視度10m,軸對稱煙羽流的質量流量計算公式,煙羽流中心溫度,陽臺溢流煙羽流的質量流量,從著火房間涌出的煙氣通過回廊流入中庭的煙羽質量流量,窗煙羽流的質量流量方程,從著火房間涌入回廊的煙羽質量流量,煙氣層溫升,排煙量,某展覽館火災過程中，產(chǎn)煙量、煙氣溫度、清潔空間高度的計算例,大型建筑物內的煙氣流動過程,在起火間內的流動 經(jīng)開口向中庭等相鄰空間的流動 中庭內的流動,起火間里的煙氣流動,起火間產(chǎn)生的煙氣溫度相當高，由于浮力使煙氣上升。氣體的上升引起大量的冷空氣與

6、上升煙氣混合，這種由高溫有毒氣體及卷吸的冷空氣組成的混合氣體在火焰上方立即升起，形成可見煙柱。 吸入冷空氣為進一步的燃燒提供了氧氣，同時也降低了煙柱溫度，燃燒不完全，就產(chǎn)生了固態(tài)和液態(tài)的懸浮物，形成顏色不一的煙灰。 房間里上升的煙柱遇到頂棚后向四周迅速散開，形成一層薄簿的煙氣層或“頂棚射流”，直到碰到房間的邊界后開始向整個房間擴散。 在起火間的煙氣還未擴散至相鄰空間之前，房間的幾何圖形、火災發(fā)生的位置和大小、火災附近房間開口情況以及房間邊界的熱特性等諸多因素都會影響火災煙氣的流速。,起火間以外的煙氣擴散,火災生成的高溫煙氣在整個起火間內擴散，當煙氣濃度和溫度達到一定值時，高溫煙氣開始通過房間開

7、口向外擴散。如果房間開口上裝有玻璃，煙氣向外擴散的速度將被延遲，直到玻璃由于熱應力炸裂。,開口處的煙氣流動,1)沿著開口邊緣上升，并形成煙柱直接蔓延至中庭； 2)氣流沿著開口處的陽臺或其它水平凸出物經(jīng)過陽臺邊緣形成煙柱蔓延至中庭。 3)如果在開口處有擋煙垂壁或在陽臺處有向下凸出物，那么當煙氣繞過障礙物向上升時，會發(fā)生額外的空氣卷吸。卷入流動煙層的額外空氣將影響以后在中庭內上升的煙柱。如果在陽臺上沒有擋煙垂壁或向下凸出物，就不會發(fā)生空氣的額外卷吸。,中庭內的煙氣流動,當煙氣蔓入中庭時，形成的煙柱通常被稱為“溢流”煙柱，一般有以下兩種形態(tài)： 1)自由煙柱煙氣繞過陽臺等水平凸出物，向空間噴射，使形成

8、的煙柱在沒有任何阻攔的情況下向上升騰，造成了大面積的空氣卷吸(見圖4A)。 2)粘附煙柱煙柱上升時直接沿著房間開口上的垂直表面上升(見圖4B)：,煙氣控制方法,多房間建筑物的煙氣控制方法 煙氣密閉法 前室排煙法 正壓送風法,煙氣控制方法,一般高層建筑，煙氣控制的方法通常是阻止或抑制火災煙氣從著火點向四周擴散，而中庭建筑煙氣控制的方法是直接將煙氣安全排出。因而，通常認為有兩類典型的煙控系統(tǒng)即加壓系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。 美國供暖制冷空調工程師學會(ASHRAE)和美國全國消防協(xié)會(NFPA)對中庭煙控系統(tǒng)的定義是：用單一或組合的方法減少煙的產(chǎn)生和限制煙氣流動的工程系統(tǒng)。 煙氣控制系統(tǒng)的目的是減少人員傷亡

9、和財產(chǎn)損失。 減少煙氣產(chǎn)生的方法有：安裝自動噴水滅火系統(tǒng)，限制建筑結構中以及堆放在中庭地面的可燃材料數(shù)量。 限制煙氣流動的被動方法有設置擋煙垂壁或防煙卷簾，阻止煙氣侵入相鄰空間和疏散通道，另一被動的方法是允許煙氣在人員疏散時充滿中庭的上部空間。后一方法只能用在大體積空間。 當采用被動煙控方法、而人員疏散時間不足時，通常使用主動煙控方法，即采用上層機械排煙系統(tǒng)以保持煙層高于疏散的人員，直到他們安全撤離，該排煙系統(tǒng)減少了煙層界面下降的速率。,大空間建筑煙氣控制方法,起火間排煙法,大空間建筑煙氣控制方法,陽臺排煙法,區(qū)域分隔法,防止火災煙氣在中庭與相鄰房間擴散的方法之一是將中庭用防火玻璃或其它類似材

10、料安全密封起來。 這種方法最大的優(yōu)點就是簡單，但建筑設計師在進行設計時相當受限。這樣，除了底層外，中庭就沒有可以公共活動的地方了。,直流(置換)排煙法,該種煙氣控制方法可簡單理解為“排煙”。主要在于上升煙柱在建筑內某一點形成煙氣層，在煙氣層下方形成空氣“凈”層，進入“凈”層的煙氣流動量與通過排煙系統(tǒng)排出的煙氣流動量相等。,直流(置換)排煙法注意事項1,煙氣層的底部高度應符合安全疏散的要求，并且其質量流率避免超過實際截止點。 由于溢流煙柱造成的質量流量很大，因而煙柱隨著高度的上升溫度迅速降低。隨高度而增加的大質量煙氣流趨向于靜止，在升起的煙柱中存在某個質量流率截止點，超過此點，利用煙控系統(tǒng)排煙，

11、從經(jīng)濟上看可能是不實際的。經(jīng)驗表明，當煙氣質量流率大于150250kg/s時，會出現(xiàn)這種情況。,直流(置換)排煙法注意事項2,如果在頂棚下形成的煙氣層溫度太低也不利于排煙。在中庭頂部由于太陽照射和設備散熱造成的能量聚積，那么中庭上部的空氣溫度會非常高。在火災初級階段進入中庭的煙氣一般會較冷，而且當煙柱上升時，四周的冷空氣填入。在多數(shù)情況下，被填入的冷空氣大概在20左右。 如果這些熱空氣不能被非常迅速地排走，那么將會導致在建筑物內比預期高度低的某一點形成煙層。這一過程叫做初期(或過早)分層。這需要在中庭內的不同高度安裝有感煙探測器，一旦這一正在形成的煙層被探測器探測到就啟動了排煙系統(tǒng)，最熱的(因

12、此也是最高的)熱煙氣會最先被排出，這樣溫度低一些的煙層就會填補上來。因此在這種環(huán)境下煙氣的“早期”探測是很重要的。,直流(置換)排煙法注意事項3,火災煙氣從起火間向四周擴散，飄流距離越遠，熱損失越大，因而會失去熱浮力。這本身又會引起煙層向設計高度以下的地方過多地下沉。冷煙同樣對排煙機、空調機造成的空氣流動相當敏感。因此，中庭內煙氣層的溫度應與對煙氣穩(wěn)定分層的要求相適應。 因此，在運用直流排煙時，應規(guī)定煙氣的質量流速不能大于150200kg/s或煙層的最低溫度與室內環(huán)境條件相適應。這兩個規(guī)定先采用哪一個、視火災類型、防火分區(qū)的結構、中庭的布局等具體情況而定。,空間填充法,有些中庭空間很大，能容納

13、火災產(chǎn)生的所有煙氣、不需采用排煙措施。這種情況是假設火災是以可預測的狀態(tài)發(fā)展，而且在疏散時火災生成的大量煙氣都被安全地保持在頂棚空間，并且還依賴于對火勢發(fā)展和人員撤離時間的預測。,置換稀釋排煙法,當煙氣剛剛擴散到中庭，且中庭的內部環(huán)境有利于上升煙層的有效形成，那么在能見度、煙氣毒性和溫度這些判據(jù)不影響人員撤離的條件下，可以允許將煙層降到居住層以下。,負壓排煙法,在中庭內的煙氣層始終存在著一個中性壓力面。如果對中庭采取負壓排煙可將中性面提高到一安全”高度 。,混合排煙法1,一幢建筑有可能是下面幾層的公共使用場所與中庭連通，而上面非公共使用的樓層與中庭封閉隔開。對于這種部分開放式結構，低層公共層可

14、采用直流排煙，其煙層下降的高度應符合公眾安全疏散的要求。其余與中庭封閉隔開的樓層可通過提高建筑物內的中性面來阻止煙氣的進入 。,混合排煙法2,建筑內的使用場所是向中庭完全敞開的，對下面一些樓層可采用直流排煙法，上部非公共樓層采用置換稀釋排煙法(見圖12)。,中庭的煙層溫度,中庭的表面積一般較大，且表面大都采用玻璃結構，散熱較快，煙層的熱量易向四周散發(fā)，導致煙層溫度下降。因此，在進行中庭建筑的煙氣控制設計時，應考慮這種熱損失以及造成的煙層溫度下降。,中庭煙氣控制方法概要,用玻璃或其它方法將中庭與周圍建筑隔開，以防止火災產(chǎn)生的煙氣和熱流通過中庭擴散； 中庭設置集中排煙系統(tǒng)，使煙層界面保持在安全疏散

15、要求的高度； 在中庭四周各層房間設置排煙系統(tǒng)，排除著火層產(chǎn)生的煙氣，阻止煙氣進人中庭： 以上方法結合使用。,中庭建筑特點,具有一個或者多個在豎直方向上連續(xù)貫通多層的封頂大型空間。 這種結構形式增加了建筑空間的魅力 但卻增大了火災的危險性 火災時火勢可在連通的空間里迅速蔓延，造成火源、產(chǎn)煙量及發(fā)熱量的擴大；同時，高溫火煙流在上升過程中受到周邊壁面或房間的冷卻而導致煙氣層逐漸下降，并侵入中庭周邊的廊道或房間，致使煙氣充滿整個中庭及其相鄰建筑空間，給疏散與撲救工作帶來極大困難。,中庭的分類,長廊式中庭 貼附式中庭 內嵌式中庭,長廊式中庭,中庭的兩端是敞開的，顯著特點之一是其具有良好的自然通風，是半室

16、外空間。 當街道兩側的建筑物的間距大于建筑物最小防火間距6m時，可以將通道兩側的建筑物看成相互獨立的防火建筑。小于6m時，則要考慮到火災情況下的熱輻射的影響。 要求在中庭建筑的室內設置自動噴淋滅火系統(tǒng)，中庭的屋頂?shù)牟牧蠎獮椴蝗疾牧?一般用防火玻璃)，且在玻璃頂棚上應按一定面積比例設可以自動開啟的排煙窗。,貼附式中庭,中庭與建筑物主體的首層相通，與主體的其它樓層有外墻分隔，有的甚至只是貼附于建筑物的一側。這類中庭一般都是封閉式的，在實際應用中通常設計為一個有良好視野和采光的寬敞的門廳或四季廳。 主要的防火措施是在建筑主體內設置自動噴淋滅火系統(tǒng)，在中庭內設置排煙系統(tǒng)，能夠防止火焰侵入和煙氣積聚，為

17、安全疏散和消防人員的滅火行動提供通道。在設計時，對采取了上述措施后，對中庭的防火分區(qū)的面積可不疊加計算。但對中庭內與建筑主體相接觸的區(qū)域和外墻，如果考慮到采光和外觀效果要使用玻璃幕墻時，應使用防火玻璃。,內嵌式中庭,內置式中庭防火要點,由于內置式中庭的特點，在防火設計中首先要防止火焰和煙氣竄入中庭，并要充分考慮中庭頂部樓板和鋼結構的耐火極限要符合“高規(guī)”的要求，在頂部應布置自動噴淋系統(tǒng)加以保護，對幾個中庭通過樓層或走道相連的情況，防火分區(qū)要根據(jù)具體情況進行合理分隔或進行面積疊加計算。建議在中庭之間用防火卷簾加自動噴淋進行分隔。在內置式中庭內部必須設置合理的排煙系統(tǒng)，防止煙氣在中庭中的積聚、擴散

18、。,貫通式中庭防火要點,這類中庭能夠充分利用流動的自然風，利用“煙囪效應”進行排煙，但當火勢無法控制而在中庭中蔓延時，又可能會使火勢迅速擴散，火災加劇，所以應合理組織排煙氣流并考慮排煙系統(tǒng)有充分的排煙量。 在防火分區(qū)時，常將這類中庭作為一個獨立的防火空間。 另外還應充分考慮頂棚的消防安全，采光玻璃應用防火玻璃，且玻璃和鋼結構的耐火極限也要大于1.5h，必要時可設置噴淋系統(tǒng)保護或在結構上做防火處理。,回廊式中庭防火要點,在防火設計時，首先應進行合理的防火分隔，防火區(qū)域之間應有防火墻或防火卷簾及水幕分隔，并在回廓邊沿設擋煙垂壁。 回廊的防火墻的耐火極限不應低于1.0 h。 如果走道上開有門窗，則門

19、應為甲級防火門，窗的耐火極限不應低于0.6h。 如果采用玻璃分隔，則必須采用耐火極限不低于1.0h的防火玻璃，并設置自動噴淋系統(tǒng)保護。 在回廓中設置自動噴淋系統(tǒng)，阻止火焰蔓延和降低煙氣溫度，為降低煙氣在豎向空間的上升速度，也可以采用快速反應噴頭以提高系統(tǒng)對煙氣蔓延的反應速度。 中庭和使用區(qū)域內應設置合理有效的排煙系統(tǒng)，煙氣一般通過中庭排出，而對未著火層進行正壓送風，抵擋著火層煙氣的侵入。 使用區(qū)域內應設置自動噴淋系統(tǒng)。 為防止火焰豎直貼墻蔓延，在回廓外沿應設高度不低于80 cm的不燃燒體裙墻，如果是用防火玻璃，則要參考“高規(guī)”中對玻璃幕墻的有關防火規(guī)定。,互通式中庭防火要點,必須有明確的防火分

20、隔是防火設計的首要環(huán)節(jié)，通常采用在中庭四周各層面設置防火卷簾(加自動噴淋系統(tǒng)保護)的方式，但為了人員疏散和滅火活動的展開，在建筑物的首層一般不設防火卷簾，也有利于空氣流動和排煙，但可設擋煙垂壁。同時，在各層使用區(qū)域內應設置有效的排煙系統(tǒng)，因為如果著火層的防火卷簾放下，則煙氣難以侵入中庭，所以就對著火層進行集中排煙，而在其它層面正壓送風防止煙氣進入。且在使用區(qū)域內應設置自動噴淋系統(tǒng)。,國內外設計規(guī)范,美國National Fire Protection Association于1992年發(fā)布商業(yè)街、中庭及大空間煙氣控制系統(tǒng)設計指南: NFPA92B(Guide for smoke managem

21、ent systems in malls,atria,and large areas)，該指南于1995年、2000年進行了修訂。 NFPA92B是第一個公認的、以錐形煙羽流原理為基礎的中庭煙控系統(tǒng)設計指南，NFPA92B中的設計方法被美國國家建筑規(guī)范BOCA(以下簡稱BOCA)和統(tǒng)一建筑規(guī)范ICBO采用。 GB50045-95，高層民用建筑設計防火規(guī)范 DGJ08-88-2000，民用建筑防排煙技術規(guī)程(上海市工程建設規(guī)范 ),高層民用建筑設計防火規(guī)范中規(guī)定,8.4.2.3 中庭體積小于17000m3時，其排煙量按其體積的6次/h換氣計算；中庭體積大于17000m3時，其排煙量按其體積的4次

22、/h換氣計算；但最小排煙量不應小于102000m3/h。,中庭煙氣控制系統(tǒng)設計,美國國家建筑規(guī)范BOCA中設計上層排煙系統(tǒng)的常用方法：假定為穩(wěn)態(tài)設計火勢，設計一系統(tǒng)使煙氣層界面保持在安全疏散要求的高度。 該方法首先估計火災的穩(wěn)態(tài)放熱量即確定穩(wěn)態(tài)火災強度(火災大小)，從而估計煙層界面高度及火災生成的煙量，計算出煙層下降到危及室內人員高度的時間并和疏散時間進行比較，如果煙層下降到臨界高度的時間比疏散時間短，則采用排煙系統(tǒng)以最小產(chǎn)煙量排出火災生成的煙量。 BOCA規(guī)定：煙氣控制系統(tǒng)保持煙層界面高度在1.8m以上的時間不少于20min。,對比舉例,某矩形中庭，長25m，寬20m，高度為20m。分別用高

23、規(guī)和民規(guī)計算所需要的排煙量，并比較這兩種計算方法的特點。,根據(jù)高規(guī)計算需要的排煙量,中庭體積： V20252010000m317000m3 需要的排煙量為：10000660000m3/h,根據(jù)民規(guī)計算需要的排煙量,煙層高度計算（規(guī)則方法 ）,該方程適用于煙羽流不與圍護結構壁面接觸且空間橫截面面積不隨高度變化，適用于中庭空間形狀比(AH2)在0.914范圍內且煙層高度z不低于中庭高度H的20。 方程是顯式方程，可直接確定煙層高度在限定時間是否下降到臨界高度。,各種煙層下降預測計算式計算結果比較,中庭最小排煙量,以74作為排煙溫度，計算的排煙量可作為機械排煙系統(tǒng)的容量，通過調整排煙量使煙層界面保持在極限高度。 適用于中庭建筑的中庭中部著火的情況。,中庭周圍建筑著火時的產(chǎn)煙量,影響中庭排煙量的因素,中庭的形式 中庭高度 可燃物(火源)特性及分布 火災面積 煙氣流動特性及途徑 煙氣