自然排烟与机械排烟的适用性研究

1.引言

随着我国现代化建设的飞速发展，高层建筑在北京、广州、上海以及全国一些大中城市像雨后春笋一样的勃起。我国城市建筑正朝大型化、高层化、多功能化的方向发展。在这样的建筑中，火灾所带来的危害和严重后果是以往那种小型、低层、单一化的建筑根本无法比拟的。

国内外大量火灾实例统计数字表明，因火灾而伤亡的人群中，大多数是烟害所致。火灾中受烟害直接致死的约占1/3～2/3，因火烧死的约占1/3～1/2，而且火烧死中也是多数受烟毒晕倒而后烧死，这足以说明火灾产生的危害是何等严重。为了确保国家和人民财产与生命安全，建筑防火设计已经成为建筑设计中不可分割的有机组成部分，在建筑防火设计中，防排烟工程的设计也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.烟气的产生及蔓延

有燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的可见的固体和液体微粒称为烟或烟粒子，含有烟粒子的气体称为烟气，火灾过程中所产生的烟气称为火灾烟气，所以，火灾烟气是火灾时所产生的气体和悬浮在其中的烟粒子的总称，由此可以得出，烟气是燃烧和热解产物的混合物。

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。

为了进一步研究防排烟工程，了解火灾烟气的蔓延过程是十分必要地，经过大量的实验证明，火灾烟气在建筑物内的蔓延也不是杂乱无序的，相反呈现下列规律：①烟气在着火房间内向上升腾过程中，遇到顶棚后向四周水平扩散并受到周围建筑围护体的阻挡和冷却，有沿墙向下流动的趋势，烟气不断产生，上部烟层逐渐增厚，到达门窗开口以下时，通过开启的门窗洞口向室外和走廊扩散。如此时门窗关闭，烟层将继续增厚，至室内温度升高到一定值（一般为200～300℃）时，门窗上的玻璃破裂，烟气从门窗的缺口处向室外和走廊扩散。②烟气在走廊内流动时，从房间内流向走廊内的烟气，开始附贴在天棚下流动，流动的速度一般为每秒0.5～0.8米，由于受到冷却和空气混合，烟层逐渐变厚。火灾实验表明，在火势旺盛阶段，烟气从室内流出后呈层流状态沿走廊的天棚流动，并且烟层厚度经过20米至30米距离也不会变化。但在流动过程中，烟层如受到梁和其他突出物的阻碍，以及受到室外空气进入或通风空调系统气流的干扰，其层流的距离将会缩短而形成紊流状态。③烟气沿楼梯间、电梯井、管道井等竖井流动时，当室内空气温度高于室外时，气流将通过建筑物中和面以下的各层外墙进入，由于室内外空气容量的不同而产生浮力。这种现象就是建筑物的烟囱效应。这一现象平时对建筑物内空气的流动起着重要的作用。在火灾时，由于燃烧放出的大量热量，室内温度快速升高，建筑物的烟囱效应更加显著，使火灾的蔓延更加迅速，垂直向上的速度约3～4米/秒，火灾的危害性更加严重。

3.防排烟

所谓防排烟就是将火灾过程中产生的烟气，在着火房间和着火房间所在的防烟区内就地加以排出，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防烟楼梯和消防电梯间内无烟，使着火层人员可以安全疏散，同时也可以给抢救工作创造有利条件。

防排烟的主要部位：房间、走道、防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室、防烟楼梯及消防电梯间合用前室。

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；但竖井需要两个（排烟口和进风口）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，不需要能源，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。

自然排烟形成的条件，一是存在着室内外气体温度差和孔口高度差引起的浮力作用，即热压作用；二是存在着由室外风力引起的风压作用。这两个条件同时或单独存在都可以形成自然排烟。基于这一工作原理，影响自然排烟效果的因素有如下四个：①烟气和空气之间的温度差。温度差越大，烟气和空气间的容重差越大，所产生的浮力作用越大，排烟效果就越好。②排烟口和进风口之间的高度差。高度差越大，所产生的浮力越大，排烟效果越好。所以，提高排烟口的位置和降低进风口的位置是提高排烟效果的有效措施。③室外自然风力。当排烟口位于下风向时，排烟是顺风的，由于室外风力的吸引作用，有利于自然排烟，风速越高越有利；相反，当排烟口位于上风向时，排烟是逆风的，由于室外风力的阻挡作用，不利于自然排烟，风速越高越不利，当风速大到一定值时，自然排烟失效，该风速值称为临界风速。风速进一步扩大，将出现烟气倒灌现象。④高层建筑的热压作用。高层建筑中室内外温差引起的热压作用，在不同的季节是不同的。在冬季采暖期间，产生的是正热压作用，上部楼层排气，下部楼层进风。当下部楼层发生火灾时，在火灾初期，烟气将被进风带人走道、楼梯间，蔓延扩散到上部各楼层，而在夏季空调期间，产生的是反热压作用，上部楼层进风，下部楼层排气。当火灾发生在上部楼层时，火灾初期，烟气将被进风带人走道、楼梯间，蔓延扩散到下部各楼层。

在上述四个影响因素中，有三个是不稳定的：①室外风向和风速随季节变化；②火灾期间烟气的温度随时间变化；③高层建筑的热压作用随季节变化。这就导致自然排烟效果不稳定。

自然排烟方式的优点是：结构简单，投资少，而且不需要外加的动力，运行维护费用也少，但是也存在不少问题，除了上文提到的排烟效果不稳定外，还有对建筑物的结构有特殊要求，存在火灾通过排烟口向紧邻上层蔓延的危险性等。因此，考虑我国的消防设备现状和经济实力，一些具有重大影响的高层建筑除了采用设备简单、切实可行的自然排烟方式外，还有必要采用机械排烟。

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；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。由于机械防排烟系统平时处于不运行状态，应考虑一个启动方式的问题，对机械防排烟系统的自动启动方式应加以明确，用火灾自动报警系统或其他装置去自动启动。随着自动化技术的不断发展，有必要要求担负排烟功能的可开启外窗应有自动开启功能，如采用易熔金属或与其他装置、系统联动等。

6.结论

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。