建筑火灾中烟气的影响及其防治措施

邓军

西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳，621010

【摘   要】在建筑火灾中，封闭空间的烟气是阻碍人们逃生和进行灭火行动以及造成大量人员伤亡的主要原因。火灾烟气中各组分的毒性作用并非简单的加合协同作用,可能起拮抗作用,实际火灾中造成死亡的原因往往是亚致死效应使人丧失逃逸能力引起。而对于建筑火灾中烟气是不可避免的，本文针对烟气的流通特性，分析了不同建筑队火灾烟气的流动影响，结合防排烟以及人群疏散的措施，提出了一些防排烟和疏散的基本关系，为火灾烟气控制提供了理论支持。

关键词：建筑火灾 烟气  防排烟

0  引言

几乎所有火灾都会产生许多的烟气,烟气的组分主要是燃烧产生的相气产物与掺混进来的空气,其中并混杂着许多液滴和微小的固体微粒。颗粒物的存在使逃亡人员可见度降低,燃烧产物的不少组分是有毒的,再加上火灾烟气的温度较高,因而烟气成为火灾中人员安全的最大威胁。有关数据表示,火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的危害,其中大部分是吸入了烟尘及有毒气体昏迷后而致死的。另外,在火灾调查分析过程中,发现一个非常奇特的现象:多数因中毒而死于火灾的人并非死在起火房间之内,而是在邻近的房间或更远的地方,而且大部分死亡人员都发生在轰然后的阶段。烟气窒息和中毒成为火灾中致死的最主要原因可以通过火灾中许多活生生的案例证明。2003年9月沙特的Saudi Arabia监狱火灾,94人死于烟气危害。如2000年洛阳东都火灾死亡的309人全部为烟气中毒所致;2003年2月韩国大邱地铁火灾,伤亡的200多人绝大多数也为烟气造成。了解火灾烟气的产生、特性和运动规律,对于火灾的研究和防治都具有重要的意义[1]。

1火灾烟气危害

烟气具有一般流体的全部属性，能够在极短的时间扩散到整个建筑物之中，并且烟气对人的眼睛有极大的刺激作用，让人们对本来很熟悉的环境也会变得无法辨认其疏散路线和出口，使人睁不开眼，熟悉周围环境的人在烟雾环境中能正确判断方向脱离险境的能见度最低为5米，更不要说对环境不熟悉的人了。烟和有毒气体的产生主要是由于各种装修材料的燃烧和分解。火灾时，由于燃烧要消耗大量的氧气，使空气中的氧浓度显著下降，人长时间呆在这种低氧的环境中，就会造成失去理智、呼吸障碍、痉挛、窒息死亡，甚至脸色发青，建筑物内当火灾燃烧旺盛时，还会产生大量的二氧化碳，当人员接触10％～20％浓度的二氧化碳后，会引起头晕、昏迷、呼吸困难，甚至神经中枢系统出现麻痹，使人失去知觉，导致死亡[2~3]。

2.建筑物结构对烟气流动的影响

2.1烟气基本流动方式

起火时产生的烟气温度相当高，由于浮力使烟气上升。气体的上升引起大量的冷空气与上升烟气混合，这种由高温有毒气体及卷吸的冷空气组成的混合气体在火焰上方立即升起，形成可见烟柱。吸入冷空气为进一步的燃烧提供了氧气，同时也降低了烟柱温度，燃烧不完全，就产生了固态和液态的悬浮物，形成颜色不一的烟灰。房间里上升的烟柱遇到顶棚后向四周迅速散开，形成一层薄簿的烟气层或“顶棚射流”，直到碰到房间的边界后开始向整个房间扩散。 在起火间的烟气还未扩散至相邻空间之前，房间的几何图形、火灾发生的位置和大小、火灾附近房间开口情况以及房间边界的热特性等诸多因素都会影响火灾烟气的流速。当烟气蔓入中庭时，形成的烟柱通常被称为“溢流”烟柱，一般有以下两种形态[4]：自由烟柱——烟气绕过阳台等水平凸出物，向空间喷射，使形成的烟柱在没有任何阻拦的情况下向上升腾； 粘附烟柱——烟柱上升时直接沿着房间开口上的垂直表面上升。

2.2.高大空间建筑内烟气流动规律

体育馆类高大空间建筑的出现为火灾防治，特别是烟气的控制带来了一系列新问题高大空间建筑一般没有防烟分隔，不能有效阻挡烟气的蔓延，一旦失火，火灾烟气会大空间内迅速蔓延并扩展，使火灾得以迅速发展。而且这类建筑通常都是公共活动所，人员往往密集，容易造成较大的人员伤亡和财产损失。从诸多火灾案例分析可以看出，与普通建筑相比体育馆类高大空间建筑火灾主要具有以下特点[5]：

1．火灾不受限制地急剧扩大。由于建筑体积比较大，具有充足的氧气供应，使得火灾在类似室外环境下的燃料控制型燃烧， 烟气扩散迅速，空间内没有分隔物，无法进行有效地划防火分区。若发生火灾，烟气在浮力的作用下向上浮，并迅速在整个体育馆空间内扩散蔓延。

2．早期探测和初期灭火较难实现。由于顶棚比较高，且空间比较大，烟气上升的过程中，卷吸了大量的冷空气，温度和浓度大大降低，达不到感烟、感温探测器和自动喷水灭火装置所需要的启动值，不能将火灾控制在初期阶段。

针对以上共性，相关研究分析得出高大空间内烟气流动具有以下特点[6-7]：

 1．在体育馆类高大空间内，烟气的自然充填速度是非常快的，火灾是不受限的完全发展型的，烟气在起火15分钟左右就降到了地面。由于空气的卷吸量比较大，烟气的温升并不大。在火灾的初期，烟气温度远远达不到感温探测的启动温度。

2．当火源点在观众席位置时，由于空间不对称，烟气会向人群流动。由于体操馆是穹顶结构，上升的热烟气产生顶棚射流，烟气很快的到达火源点对面的观众席。所以在相同火灾强度下，曲顶的高大空间建筑内一侧起火会比中间位置起火对人员的疏散影响更大。

针对通廊式建筑的基本特点，相关研究结论说明：烟气在走廊通道垂直方向和水平方向迁移过程中形成明显的分层现象"在垂直方向上,烟气浓度和温度从上到下逐渐减小。当走廊长度超过54米的直线型内走廊仅通过自然排烟不能保证着火层内人员的安全疏散。当下层房间着火时,在适当的条件下,烟气会从阳台外沿窜上相邻上层房间,烟尘颗粒会给相邻上层房间内人员的呼吸和视线带来较大影响。发生火灾时,烟气通过楼梯通道向上层空间蔓延,除非发生火势很猛烈的情况,烟气生成量大大超过排出量,烟气才会向下层沉降,可能进入下层楼内。

3防排烟措施

防排烟设计中包括自然排烟和机械排烟两种，在防烟措施中，正压送风量对着火层前室内CO气体浓度、烟气温度和能见度影响作用较为明显。一般地,在合理可控的正压送风量区间内。着火层前室加压送风对阻止走廊段的烟气入侵前室起到了积极作用。但当正压送风量未发生变化而火势逐步增大时,烟气的扩散和蔓延进一步加剧,走廊高压烟气从门的上部空间侵入前室,而前室内加压风流只能从门的下部空间流出对走廊烟气起到部分阻挡作用,正压送风防烟系统的防烟能力削弱,这也表明当着火层前室处于开启状态时,前室正压送风存在一定局限性。

自然排烟方式下着火层走廊段烟气中的CO浓度含量相对较高。前室正压送风的存在暂时阻挡了烟气对前室空间的入侵,同时也稀释了门前的烟气浓度,为人员提供了相对较好的疏散通道。 

4 总结

在火灾发生时,对处于走廊中向安全出口疏散逃生的人员来说,他正在逃往的方向可能是更为危险。因为那里可能存在的危害性气体的浓度,比他现在所处位置的浓度更高,而且烟气层高度已经更早地下降到对人有影响的范围。这很有力地说明了,为什么火灾中大量的人员都死于远距离处,其主要原因非常可能是吸入了迎面而来的(而不是身后面赶上的)烟气中危害性气体。因此,建筑防火结构设计需要针对这个问题考虑改进,比如:为防止烟气在走廊端头的迂回并使人能匍匐逃生,可要求在建筑物走廊端头设有窗户等排烟口,而排烟口上沿高度则应与走廊高度相当。

5 参考文献：

[1]章涛林,方廷勇,卢平. 高层建筑火灾烟气迁移特性研究[J]. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2023,05:58-64.

[2].张凯, 常见可燃建筑材料火灾及毒性烟气模拟研究, 2022, 安徽理工大学.

[3].张昊, 李宏文与刘旭, 通风和环境温度对高大空间建筑火灾烟气运动的影响. 建筑科学, 2023(09): 第25-28页.

[4].李晓丽, 李帅与赵楠, 体育馆类大空间建筑火灾自然排烟影响因素分析. 暖通空调, 2023(06): 第137-141页.

[5].常虹, 体育馆火灾烟气控制的模拟研究, 2023, 西安建筑科技大学.

[6].薛素铎, 梁劲与李雄彦, 排烟方式对大空间建筑火灾空气升温的影响. 防灾减灾工程学报, 2022(05): 第528-532-543页.