烟控方法.pptx

2.5 烟气控制的方式防烟措施主要有两种：（1）限制烟气的产生量（2）设置机械加压送风防烟系统 排烟措施主要有两种：（1）自然排烟利用建筑物自身的结构（2）机械排烟利用机械装置 注意：防排烟中涉及到机械防烟和排烟的都需要通过管道送风和排风。注意：防排烟中涉及到机械防烟和排烟的都需要通过管道送风和排风。烟气控制的具体方式有：（1）隔断/阻挡；（2）自然排烟；（3）机械防烟（加压、空气气流、空气净化）；（4）机械排烟。2.5 烟气控制的方式防排烟系统设计的重要性：防排烟系统设计的重要性：防排烟中涉及到机械防烟和排烟的都需要通过管道送风和排风。一个设计优良的机械排烟系统在火灾中能排出80%的热量，使火灾温度大大降低，对人员安全疏散和灭火起到重要作用。因而防排烟系统的管路设计非常重要，设计适当才能在火灾发生时起重要作用，最大限度的减少人员伤亡和财产损失。防排烟系统设计的主要内容：防排烟系统设计的主要内容：防排烟系统的管路设计主要涉及风道的设计计算、风道中流动阻力计算、正压风道均匀送风设计、风道压力分布规律等。2.5.1 隔断或阻挡定义：定义：隔断或阻挡防烟是指在烟气扩散流动的路线上设置某些耐火性能好的构件（如隔墙、隔板、楼板、梁、挡烟垂壁等）把烟气阻挡在某些限定区域，不让它流到可对人对物产生危害的地方。使用条件：这种方法适用于建筑物与起火区没有开口、缝隙和漏洞的区域。挡烟垂壁位置：位置：挡烟垂壁常常设置在烟气扩散流动路线上烟气控制区域的分界处，有时也在同一防烟分区内采用，以便和排烟设备配合进行更有效的排烟。有效高度：有效高度：挡烟垂壁从顶棚向下的下垂高度h0一般距顶棚面要在50cm以上，称为有效高度。挡烟垂壁的作用机理 当室内发生火灾时，所产生的烟气由于浮力作用而聚积在顶棚下面，随时间的推移，烟层越来越厚。当烟层厚度小于挡烟垂壁的有效高度h0时，烟气就被阻挡在垂壁和墙壁所包围的区域内而不能向外扩散，如图（a）所示。有时，即使烟层厚度小于挡烟垂壁的有效高度h0，当烟气流动高于一定速度时，由于反浮力壁面射流的形成，烟层可能克服浮力作用而越过挡烟垂壁的下缘继续水平扩散。当挡烟垂壁的有效高度h0小于烟气层厚度h或小于烟气层厚度h与其下降高度h之和时，挡烟垂壁防烟失效，如图（b）所示。挡烟垂壁的作用机理烟气流动的动能与和所克服的浮力有如下关系：式中，Vy烟气水平流动的速度，m/s；y 烟气的密度，kg/m3；k 空气的密度，kg/m3；h 烟气层下降的高度，m。烟气层的下降高度h与烟气的温度有很大关系，由上式可以看出，在相同的流速下，烟气温度越低，烟气下降的高度越大。当挡烟垂壁的有效高度小于烟气层厚度及其下降高度时，其防烟是无效的，故挡烟分隔体凸出顶棚的高度应尽可能大。2.5.2 自然排烟定义：定义：利用墙面、天花板、中庭或天井顶部的开口让烟由风管，或直接排出建筑物外。启动方式：自然排烟的开口平常时可由挡板控制开或关，遇有火灾时则自动或人工手动开启，以利室内的烟排出。下图为自然排烟图示。2.5.2 自然排烟 图2-23是利用可开启的外窗进行排烟，如果外窗不能开启或无外窗，可以专设排烟口进行自然排烟。专设的排烟口也可以是外窗的一部分，但它在火灾时可以人工开启或自动开启。开启的方式也有多样，如可以绕一侧轴转动，或绕中轴转动等。自然排烟的优点1、构造简单、经济，不需要专门的排烟设备及动力设施；2、运行维修费用低，排烟口可以兼做平时通风换气使用，避免设备的闲置；3、对于顶棚较高的房间（中庭），若在顶棚上开设排烟口，自然排烟的效果很好。自然排烟的缺点1、排烟效果不稳定 由于自然排烟是利用热烟气的浮力作用、室内外温差引起的热压作用和外部风力作用，而这些因素本身又是不稳定的，譬如火灾时烟气温度随时间发生变化、室外风向和风速随季节变化、高层建筑的热压作用随季节发生变化等，这就导致自然排烟的效果不稳定。特别是排烟口设置在建筑物的迎风面时，不仅排烟效果大大降低，还可能出现烟气倒灌现象，并使烟气扩散蔓延到未着火的区域，如下图所示。自然排烟的缺点2、对建筑设计的制约 （1）排烟口位置制约。由于自然排烟是通过外墙或顶棚上的外窗或专用的排烟口将烟气直接排至室外，所以需要排烟的房间必须靠室外，且排烟口还需要一定的开窗面积。这样，即使有明确要求作分隔的房间，也必须设置外窗或排烟口，所以带来诸如隔声、防尘、防雨等问题。（2）排烟距离制约。由于自然排烟是依靠浮力通过可开启的外窗、排烟竖井将烟气排出，这就要求烟气流动距离不能太长，即房间的进深不能太大，以免浮力降低，导致烟气滞留室内。（3）最大排烟高度制约。建筑排烟使用自然排烟方式时，其设置高度是个必需考虑的问题。随着烟气的上升，其浮力下降后，出现“层化现象”，这将不利于排烟。因此，我国规定可以采用自然排烟的中庭的最大高度是12m。但目前关于自然排烟的最大高度还没有形成统一的认识，例如日本对自然排烟没有限定高度，关于自然排烟系统的设计使用也未限定高度。自然排烟的缺点3、存在火势蔓延到上层的可能性 （1）由外窗或排烟口向外排烟时，当烟气排出时的温度很高，如果烟气中含有大量未燃尽的可燃物质，则烟气排至室外后会形成火焰。因为火焰四周补气条件不同，靠近外墙面的火焰内侧，空气得不到补充，造成负压区，致使火焰有扑向墙壁面的贴壁现象.（2）此外，起火建筑物从外墙口喷出的热烟气和火焰，能通过辐射把火灾传播给相当距离内的相邻建筑。因此在建筑物之间设置防火间距，主要是为了避免热辐射对相邻建筑的威胁。自然排烟的缺点4、补风的影响 自然排烟系统有效性的前提条件之一就是要确保充分的补风量。排烟口打开后，以可靠的方式迅速进风是必需的。排烟过程是烟气与空气的对流置换过程，从理论上讲，自然排烟系统的进、出空气量一样，该系统才是正常的系统。补风最简单的办法是通过直接通向外部的开口，例如敞开的门或窗户；从实用的角度看，进风口可设计成下述的任一种或几种组合的方式：利用邻近的非着火区域的进风口向着火区域自然送风；在着火区域的下部空间开设入风口，使其与上部的排烟口实现气流循环；在建筑的相关部位设置若干可在火灾中自动开启的门，以保证外部新鲜空气的流入。自然排烟的缺点4、补风的影响 为了能达到建筑排烟系统的设计功能，需要在低水平位置有大量的新鲜空气进口。目前国内外还没有关于补风口面积的具体规定。有实验结果表明，当上部热层温度高于环境温度400时，进风与排烟面积比为1：1，排烟流量可达到预定流量的80；面积比为2时可达到90。当上部热层温度相对较低时，例如高于环境温度200，如果进风与排烟面积比为1：1，可达到预定排烟流量的70，面积比为2：1时则可达到90。另外，在实际火灾情况中，可以用于补风的开口在发生火灾时通常不能全部用于补风，往往被疏散人流或有门窗堵塞，所以在设定自然排烟的自然补风面积时应注意使用于补风的开口总面积不小于自然排烟口面积。2.5.3 加压防烟 加压防烟是采用强制性送风的方法，使疏散路线和避难所空间维持一定的正压值，防止烟气进入的一种方式。即在建筑物发生火灾时，对着火区以外的走廊、楼梯间等疏散通道或避难场所进行加压送风，使其保持一定的正压，以防止烟气侵入。此时着火区应处于负压，着火区开口部位必须保持如下图所示的压力分布，即开口部位不出现中性面，开口部位上缘内侧压力的最大值不能超过外侧加压疏散通道的压力。加压防烟的机理 加压送风防烟主要有两种机理，一种是使用风机可在防烟分隔物的两侧造成压力差从而抑制烟气，另一种是直接利用空气流阻挡烟气。加压送风采用的主要方式有两种：当建筑物某墙上的门关闭时，设门的左侧是疏散通道或避难区，通过风机可使该侧形成一定的正压，以阻止门右侧的热烟气通过各种建筑缝隙（诸如建筑结构缝隙、门缝等）侵入到正压侧，见图（a）；若门开放着时，空气以一定风速从门洞流过以阻止烟气进入疏散通道或避难区，见图（b）。加压防烟的机理 在挡烟物两边形成一定的压差称之为加压。加压的结果是使空气在门缝和建筑结构缝隙中正向流动，从而阻止热烟气通过这些缝隙逆向蔓延。实际上，对有较大开口的挡烟物而言，在设计计算和验收试验过程中，空气流速都是很容易控制的物理量。而当挡烟物只有很小的缝隙时，在实际过程中要想确定缝隙中的空气流速是十分困难的，在这种情况下选择压差作为烟气控制的设计参数则相当方便。因此在不同情况下，对上述两个原则应作单独考虑。加压防烟的方式 1、加压 通过建筑结构缝隙、门缝以及其它流动路径的空气体积流率正比于这些路径两端压差的n次方。对于几何形状固定的流动路径，理论上n在0.51.0的范围内。对于除极窄的狭缝以外的所有流动路径，均可取n=0.5。根据伯努利方程，可以近似地计算出通过门缝等的空气泄漏量：式中，W空气泄漏量，m3/s A流动面积，m2，通常等于流动路径的截面积；P流动路径两端的压差，Pa；流动空气的密度，kg/m3；C流动系数，它取决于流动路径的几何形状及流动的湍流度等，其值通常在0.60.7的范围内。加压防烟的方式 1、加压若C取0.65，取1.2kg/m3，则上述方程可表示为：式中系数Kf=0.839。也可利用下图（下页）来确定空气体积流率。例如关闭的门周围缝隙的面积为0.01m2，两边压差为2.5Pa时空气体积流量约为0.013m3/s。当压差增至75Pa时空气体积流量增至0.073m3/s。加压防烟的方式加压防烟的方式 1、加压、加压 在烟气控制系统的现场测试中，隔墙或关闭的门两边的压差常有5Pa范围内的波动，这通常被认为是风的影响。另外供暖通风和空调系统以及其它原因也可能引起这种波动。压差的波动及其引起的烟气运动尚是目前有待研究的课题之一。从克服压差波动、烟囱效应、烟气浮力以及外部风影响的角度而言，烟气控制系统所能提供的压差应该足够大，然而在门等敞开的情况下，这是难以做到的。加压防烟的方式 2、空气气流、空气气流从理论上而言，合理利用空气气流能够有效地阻止烟气向任何空间蔓延。目前，采用气流来控制烟气运动的方法被普遍用于门口和走廊。托马斯（Thomas）提出了阻止烟气侵入走廊所需临界气流速度的经验公式：式中，Vk阻止烟气扩散的临界气流速度，m/s；E走廊中的能量进入速率，kW，取其为火源热释放速率中的对流换热部分Qc；W走廊的宽度，m；上游空气密度（冷空气），kg/m3，；Cp下游气体的比热，kJ/kgC；T下游气体的绝对温度，K；k量级为1的常数；g重力加速度，m/s2。加压防烟的方式 2、空气气流、空气气流考虑到距火区较远处物性参数在流动截面上的分布近似均匀，若取=1.3kg/m3，Cp=1.005kJ/kgC，T=300K，g=9.81m/s2和k=1，则临界气流速度为：系数kv取0.292。此公式适用于火区在走廊以及烟气通过敞开的门、透气窗和其它开口进入走廊的情况。但是，它不适用于水喷淋作用下的火灾情况，因为这时上游空气和下游气体之间的温差很小。图2-29（下页）给出了上式的图解.图图2-29 走廊内临界气流速度与走廊宽度和能量进入速率的关系走廊内临界气流速度与走廊宽度和能量进入速率的关系加压防烟的方式 2、空气气流、空气气流 例如；当1.22m宽的走廊中烟气能量进入速率为150kW时，可得到临界气流速度约为1.45m/s。而在同样走廊宽度的情况下，若烟气能量进入速率增至2.1MW，则得到临界气流速度约为3.50m/s。一般要求的气流速度越高，烟气控制系统设计的难度就越大，造价也越高。许多工程设计者认为，如果要求流经门的气流速度保持在1.5m/s以上，则相应烟气控制系统的造价就会难以承受。尽管空气气流的运用能够控制烟气蔓延，但这并不是最基本的方法，因为它需要大量的空气才能发挥效用。这里所谓“最基本的方法”，指通过在门、隔墙以及其它建筑构件两边产生压差来控制烟气蔓延。加压防烟的方式 2、空气气流、空气气流 使用空气流将导致氧气的供入是人们普遍关心的问题。休盖特（Huggett）曾对多种天然与合成的固体材料燃烧时的O2消耗量作了计算。他发现在建筑火灾中绝大多数物质燃烧时，每消耗1kg的O2所放出的热量约为13.1106J/kg。O2在空气中的重量比是23.3%，所以若1kg空气中的O2全部消耗掉，约放出3.0MJ的热量。由此可以看出，阻止烟气逆流的空气量可支持相当强的火灾。在商用和住宅楼里经常堆放着许多可燃物（如纸、木板、家具等），一旦起火，其燃烧强度相当大。即使一般情况下楼内可燃物数量不太多，但在短期内存放较多的可燃物也经常发生（如楼房装修，货物交接等）。因此建议在建筑物内一般不要采用空气流来控制着火区的烟气。加压防烟的方式 3、空气净化、空气净化 在理想情况下，门只是在人员疏散时期内短暂敞开，那么就可以通过向被保护的区域供入新鲜空气达到稀释和净化空气的目的。然而实际上，火灾中的疏散门总是处于开启状态，因此通过提供足够强的空气流来阻止烟气经过敞开的门进入被保护区域的目的很难实现。假设有一个由挡烟墙和可自动关闭的门与火区隔离的房间，当所有的门关闭时无烟气进入该房间。如果房间的一扇或多扇门窗处于敞开状态，而又没有足够强的空气流时，来自火区的烟气则会进入该房间。为了便于分析，假设整个房间中烟气浓度分布均匀。在所有的门又重新关闭一段时间以后，这时房间中污染物的浓度可表示成：（2-96）式中C、C0分别为t时刻和初始时房间内污染物浓度，可根据所考虑的污染物不同采用任何合适的单位，但必须一致。为净化速率，其含义为每分钟内空气的变化。t为门关闭后的时间(min)。加压防烟的方式 3、空气净化、空气净化 根据一系列测试和已有的人体对烟气的耐受极限，对火灾环境中最大烟浓度的估算表明其比人体所能承受的极限烟浓度约大100倍，因此，单从火灾环境烟气浓度的角度来看，理论上的安全区域内环境烟浓度不应超过火区附近烟浓度的1%。很明显，用新鲜空气来稀释烟气同时也将减少环境气体中有毒烟气组分的浓度。烟气的毒性是一个更为复杂的问题，目前尚无有关的数据和结论能够从烟气毒性的角度来说明需要如何稀释烟气才能确保安全的环境。式（2-96）可改求得净化速率为：（2-97）例如：敞开门后房间中污染物的浓度达到着火房间的20%，随即将门关闭，要求6min后房间中污染物的浓度降至着火房间的l%，由方程(2-97)可求得这种情况下该房间所需的空气净化速率约为0.5/min。加压防烟的方式 3、空气净化、空气净化 实际上，污染物浓度在整个房间中均匀分布是不可能的。由于浮力作用，很可能在顶蓬附近污染物浓度较高，因此将排气管道的入口接近顶棚安置、而将供气管道的出口接近地板安置，可望得到比以上计算结果更快的空气净化速率。同时还必须注意，供气管道出口应远离排气管道入口，以免造成“短路”。此外，在烟气控制系统的设计中，应充分考虑要预留烟气排放通道，保障烟气受热膨胀的情况下起到泄压作用。还应当明确：在火区稀释烟气并不意味着达到了烟气控制的目的。因为，简单地向火区大量充气和从火区大量排气的做法尽管有时可以净化烟气，但是很难确保火区的气体适宜人体吸入。同时，由于不能提供挡烟门敞开时所必需的气流和压差，也就不能有效地控制烟气蔓延。而在与火区隔离的区域内，这种充气和排气的做法的确能够很大程度上限制空气当中的烟气含量。2.5.4 机械排烟 1、定义：机械排烟是利用电能产生的机械动力，迫使室内的烟气和热量及时排出室外的一种方式。优点：能有效保证疏散通路的安全，使烟气不向其它区域扩散。缺点：a）火灾猛烈发展阶段排烟效果会降低（高温引起膨胀效应）；b）排烟风机和排烟管道需耐高温，初期投资和维修费用较高。2、根据排烟风机的布置方式，机械排烟可分为局部排烟和集中排烟 局部排烟：在每个需要排烟的部位设置独立的排烟风机直接进行排烟；集中排烟：将建筑物划分为若干区域，在每个区域设置排烟风机，烟气通过排烟口进入排烟管道引到排烟风机直接排至室外（图2-30）。其中，局部机械排烟方式投资大，且排烟风机分散，维修管理麻烦，所以很少采用。若采用，一般与通风换气要求相结合，即平时可兼作通风排风使用。2.5.4 机械排烟 图图2-30 机械集中排烟方式机械集中排烟方式2.5.4 机械排烟3、根据不同的补气方式，机械排烟可分为机械排烟-自然进风和机械排烟机械进风两种方式，如图2-31和2-32所示。机械排烟-自然进风方式适合于大型建筑空间的烟气控制；机械排烟-机械进风方式则多用于性质重要，对防排烟设计较为严格的高层建筑或大型建筑空间的烟气控制。图图2-31 机械排烟与自然进风方式机械排烟与自然进风方式图图2-32 机械排烟与机械进风方式机械排烟与机械进风方式2.5.4 机械排烟 a）机械排烟-自然进风方式：在需要排烟的上部安装某种排烟风机，风机的启动可使进烟管口处形成低压，从而使烟气排出。而房间的门、窗等开口便成为新鲜空气的补充口。使用这种方式需要在进烟管口处形成相当大的负压，否则难以将烟气吸过来。如果负压程度不够，在室内远离进烟管口区域的烟气往往无法排出。若烟气生成量较大，烟气仍然会沿着门窗上部蔓延出去。另外，由于这种方式下风机直接接触高温烟气，所以应当能耐高温，同时还应当在进烟管中安装防火阀，以防烟气温度过高而损坏风机。综合评价：这种排烟方式的设计、安装都比较方便，因此成为目前采用最多的机械排烟方式。2.5.4 机械排烟 b）机械排烟-机械进风方式：一般称这种方式为全面通风排烟方式，使用这种方式时，通常让送风量略小于排烟量，即让房间内保持一定的负压，从而防止烟气的外溢或渗漏。优点：全面通风排烟方式的防排烟效果良好，运行稳定，且不受外界气象条件的影响。缺点：使用两套风机，其造价较高，且在风压的配合方面需要精心设计，否则难以达到预定的排烟效果。2.5.4 机械排烟 4、负压排烟时的烟气层吸穿现象 为有效地排除烟气，通常要求负压排烟口浸没在烟气层之中。当排烟口下方存在足够厚的烟气层或排烟口处的速度较小时，烟气能够顺利排出。但当排烟口下方无法聚积起较厚的烟气层或排烟口处的排烟速率较大时，在排烟时就有可能发生烟气层的吸穿现象（Plugholing），见图2-33。此时，有一部分空气被直接吸入排烟口中，导致机械排烟效率下降导致机械排烟效率下降。同时，风机对烟气与空气交界面处的扰动更为直接，可使得较多的空气被卷吸进入烟气层内较多的空气被卷吸进入烟气层内，增大了烟气的体积增大了烟气的体积 图图2-33 机械排烟时排烟口下方的烟气流动情况机械排烟时排烟口下方的烟气流动情况 2.5.4 机械排烟 Hinckley（1995）提出可以采用无量纲数F来描述自然排烟时的吸穿现象，其定义如下：（2-98）式中：F 弗罗得数；uv 通过自然排烟口流出的烟气速度，m/s；A 排烟口面积，m2；he 排烟口下方的烟气层厚度，m；T烟气层温度与环境空气温度的差值，K；T0 环境空气温度，K；g 重力加速度，m/s2。2.5.4 机械排烟 刚好发生吸穿现象时的F值大小可记为Fcritical。Morgan和Gardiner的研究表明，当排烟口位于蓄烟池中心位置时，Fcritical可取1.5；当排烟口位于蓄烟池边缘时，Fcritical可取1.1。根据式（2-98），发生吸穿现象时，排烟口下方的临界烟气层厚度可表示为：（2-99）式中，符号含义同前。应当指出防烟与排烟是烟气控制的两个方面，是一个有机的整体，综合应用防排烟方式比采用单一方式效果更佳。图2-34为加压防烟与机械排烟两种组合形式。2.5.4 机械排烟 图图2-34 档烟门两侧的压差及烟气流动档烟门两侧的压差及烟气流动