大空间建筑火灾烟气控制技术.ppt

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1、大空间建筑（中庭） 火灾烟气控制技术,主要内容,一、火灾一般知识 二、火灾中需控制的参数 三、烟气的生成量 四、烟气的流动特征 五、烟气控制措施 六、中庭建筑火灾烟气控制特点 七、国内外规范对比,火灾发生过程,火灾初期 轰燃：转变为全面燃烧的瞬间 旺盛期 衰减期,烟的定义,美国试验与材料学会(ASTM)给烟下的定义： 某种物质在燃烧或分解时散发出的固态或液态悬浮微粒和高温气体。 NFPA92B对烟气的定义： 是在上述定义之外，加上“以及混合进去的任何空气”，这种定义可能对烟气控制更有用。 概括起来，烟气由三类物质组成：燃烧物质释放出的高温蒸气和有毒气体；被分解和凝聚的未燃物质；被火焰加热而带入

2、上升气流中的大量空气。,烟羽流,火灾发生在中庭地面上且远离大空间的边界面，火灾产生的高温气体上升到火焰上方形成烟羽流。 烟羽流在上升过程中不断卷入四周空气，且烟羽流在上升过程中不触及边界面，由此形成的烟羽流称为轴对称烟羽流（Axisymmetric plume）。 火灾发生在与中庭相通的邻近空间，火灾生成的烟气通过开口处的阳台等水平凸出物，经过阳台边缘向大空间扩散，这样形成的烟羽流称为阳台溢流烟羽流(Balcony spill plume)。 烟气通过墙上开口门或窗向中庭空间扩散，这样形成的烟羽流称为窗烟羽流(Window plume)。,轴对称烟羽流,阳台烟羽流,窗烟羽流,火灾模型,稳态火灾

3、 非稳态火灾,稳态火灾放热量,放热量为常数的火灾定义为稳态火灾。火灾本质上是非稳态的过程，但稳态火灾是非常有用的理想模型。在很多应用中，采用稳态火灾将使设计方法更简单，结果更安全。 美国消防协会(NFPA)92B中，给出了商业、住宅、办公建筑单位面积的放热量Q。国外文献报道：对限制可燃物的中庭，Q225kwm2；未限制可燃物的中庭，单位面积Q500kWm2。一般假定着火面积取9.3m2，这样限制可燃物的中庭其稳态设计火灾强度为2100kW；未限制可燃物的中庭其稳态设计火灾强度为4600kw。在设计火灾大小时，不应忽视过渡燃料，为此着火面积可能会更大，这与火焰的扩展有关。取着火面积为50m2，中

4、庭的设计火灾强度可达25000kW。 三种典型的中庭稳态设计火灾强度推荐如下：限制可燃物的中庭最小火灾，2000kw；未限制可燃物的中庭最小火灾，5000kw；未限制可燃物的中厅最大火灾，25000kw。,非稳态火灾放热量,放热量随时间变化的火灾,t2型火灾类型,火灾从稳定燃烧开始达到1055kw所需时间称为增长时间tg。根据火灾发展的快慢情况， t2型火被分成4种发展类型：极快、快速、中速和慢速,火灾中需控制的参数,烟层高度 辐射热 传导热 温度 一氧化碳浓度 二氧化碳浓度 能见度,烟层高度要求,美国国家建筑规范 (BOCA)规定：烟气控制系统保持烟层界面高度在1.8m以上的时间不少于20m

5、in,辐射热控制要求,传热控制要求,温度控制要求,一氧化碳控制要求,二氧化碳控制要求,能见度要求,小房间 最小可视度5m 其余房间 最小可视度10m,轴对称烟羽流的质量流量计算公式,烟羽流中心温度,阳台溢流烟羽流的质量流量,从着火房间涌出的烟气通过回廊流入中庭的烟羽质量流量,窗烟羽流的质量流量方程,从着火房间涌入回廊的烟羽质量流量,烟气层温升,排烟量,某展览馆火灾过程中，产烟量、烟气温度、清洁空间高度的计算例,大型建筑物内的烟气流动过程,在起火间内的流动 经开口向中庭等相邻空间的流动 中庭内的流动,起火间里的烟气流动,起火间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

6、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。,起火间以外的烟气扩散,火灾生成的高温烟气在整个起火间内扩散，当烟气浓度和温度达到一定值时，高温烟气开始通过房间开

7、口向外扩散。如果房间开口上装有玻璃，烟气向外扩散的速度将被延迟，直到玻璃由于热应力炸裂。,开口处的烟气流动,1)沿着开口边缘上升，并形成烟柱直接蔓延至中庭； 2)气流沿着开口处的阳台或其它水平凸出物经过阳台边缘形成烟柱蔓延至中庭。 3)如果在开口处有挡烟垂壁或在阳台处有向下凸出物，那么当烟气绕过障碍物向上升时，会发生额外的空气卷吸。卷入流动烟层的额外空气将影响以后在中庭内上升的烟柱。如果在阳台上没有挡烟垂壁或向下凸出物，就不会发生空气的额外卷吸。,中庭内的烟气流动,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： 1)自由烟柱烟气绕过阳台等水平凸出物，向空间喷射，使形成

8、的烟柱在没有任何阻拦的情况下向上升腾，造成了大面积的空气卷吸(见图4A)。 2)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(见图4B)：,烟气控制方法,多房间建筑物的烟气控制方法 烟气密闭法 前室排烟法 正压送风法,烟气控制方法,一般高层建筑，烟气控制的方法通常是阻止或抑制火灾烟气从着火点向四周扩散，而中庭建筑烟气控制的方法是直接将烟气安全排出。因而，通常认为有两类典型的烟控系统即加压系统和排烟系统。 美国供暖制冷空调工程师学会(ASHRAE)和美国全国消防协会(NFPA)对中庭烟控系统的定义是：用单一或组合的方法减少烟的产生和限制烟气流动的工程系统。 烟气控制系统的目的是减少人员伤亡

9、和财产损失。 减少烟气产生的方法有：安装自动喷水灭火系统，限制建筑结构中以及堆放在中庭地面的可燃材料数量。 限制烟气流动的被动方法有设置挡烟垂壁或防烟卷帘，阻止烟气侵入相邻空间和疏散通道，另一被动的方法是允许烟气在人员疏散时充满中庭的上部空间。后一方法只能用在大体积空间。 当采用被动烟控方法、而人员疏散时间不足时，通常使用主动烟控方法，即采用上层机械排烟系统以保持烟层高于疏散的人员，直到他们安全撤离，该排烟系统减少了烟层界面下降的速率。,大空间建筑烟气控制方法,起火间排烟法,大空间建筑烟气控制方法,阳台排烟法,区域分隔法,防止火灾烟气在中庭与相邻房间扩散的方法之一是将中庭用防火玻璃或其它类似材

10、料安全密封起来。 这种方法最大的优点就是简单，但建筑设计师在进行设计时相当受限。这样，除了底层外，中庭就没有可以公共活动的地方了。,直流(置换)排烟法,该种烟气控制方法可简单理解为“排烟”。主要在于上升烟柱在建筑内某一点形成烟气层，在烟气层下方形成空气“净”层，进入“净”层的烟气流动量与通过排烟系统排出的烟气流动量相等。,直流(置换)排烟法注意事项1,烟气层的底部高度应符合安全疏散的要求，并且其质量流率避免超过实际截止点。 由于溢流烟柱造成的质量流量很大，因而烟柱随着高度的上升温度迅速降低。随高度而增加的大质量烟气流趋向于静止，在升起的烟柱中存在某个质量流率截止点，超过此点，利用烟控系统排烟，

11、从经济上看可能是不实际的。经验表明，当烟气质量流率大于150250kg/s时，会出现这种情况。,直流(置换)排烟法注意事项2,如果在顶棚下形成的烟气层温度太低也不利于排烟。在中庭顶部由于太阳照射和设备散热造成的能量聚积，那么中庭上部的空气温度会非常高。在火灾初级阶段进入中庭的烟气一般会较冷，而且当烟柱上升时，四周的冷空气填入。在多数情况下，被填入的冷空气大概在20左右。 如果这些热空气不能被非常迅速地排走，那么将会导致在建筑物内比预期高度低的某一点形成烟层。这一过程叫做初期(或过早)分层。这需要在中庭内的不同高度安装有感烟探测器，一旦这一正在形成的烟层被探测器探测到就启动了排烟系统，最热的(因

12、此也是最高的)热烟气会最先被排出，这样温度低一些的烟层就会填补上来。因此在这种环境下烟气的“早期”探测是很重要的。,直流(置换)排烟法注意事项3,火灾烟气从起火间向四周扩散，飘流距离越远，热损失越大，因而会失去热浮力。这本身又会引起烟层向设计高度以下的地方过多地下沉。冷烟同样对排烟机、空调机造成的空气流动相当敏感。因此，中庭内烟气层的温度应与对烟气稳定分层的要求相适应。 因此，在运用直流排烟时，应规定烟气的质量流速不能大于150200kg/s或烟层的最低温度与室内环境条件相适应。这两个规定先采用哪一个、视火灾类型、防火分区的结构、中庭的布局等具体情况而定。,空间填充法,有些中庭空间很大，能容纳

13、火灾产生的所有烟气、不需采用排烟措施。这种情况是假设火灾是以可预测的状态发展，而且在疏散时火灾生成的大量烟气都被安全地保持在顶棚空间，并且还依赖于对火势发展和人员撤离时间的预测。,置换稀释排烟法,当烟气刚刚扩散到中庭，且中庭的内部环境有利于上升烟层的有效形成，那么在能见度、烟气毒性和温度这些判据不影响人员撤离的条件下，可以允许将烟层降到居住层以下。,负压排烟法,在中庭内的烟气层始终存在着一个中性压力面。如果对中庭采取负压排烟可将中性面提高到一安全”高度 。,混合排烟法1,一幢建筑有可能是下面几层的公共使用场所与中庭连通，而上面非公共使用的楼层与中庭封闭隔开。对于这种部分开放式结构，低层公共层可

14、采用直流排烟，其烟层下降的高度应符合公众安全疏散的要求。其余与中庭封闭隔开的楼层可通过提高建筑物内的中性面来阻止烟气的进入 。,混合排烟法2,建筑内的使用场所是向中庭完全敞开的，对下面一些楼层可采用直流排烟法，上部非公共楼层采用置换稀释排烟法(见图12)。,中庭的烟层温度,中庭的表面积一般较大，且表面大都采用玻璃结构，散热较快，烟层的热量易向四周散发，导致烟层温度下降。因此，在进行中庭建筑的烟气控制设计时，应考虑这种热损失以及造成的烟层温度下降。,中庭烟气控制方法概要,用玻璃或其它方法将中庭与周围建筑隔开，以防止火灾产生的烟气和热流通过中庭扩散； 中庭设置集中排烟系统，使烟层界面保持在安全疏散

15、要求的高度； 在中庭四周各层房间设置排烟系统，排除着火层产生的烟气，阻止烟气进人中庭： 以上方法结合使用。,中庭建筑特点,具有一个或者多个在竖直方向上连续贯通多层的封顶大型空间。 这种结构形式增加了建筑空间的魅力 但却增大了火灾的危险性 火灾时火势可在连通的空间里迅速蔓延，造成火源、产烟量及发热量的扩大；同时，高温火烟流在上升过程中受到周边壁面或房间的冷却而导致烟气层逐渐下降，并侵入中庭周边的廊道或房间，致使烟气充满整个中庭及其相邻建筑空间，给疏散与扑救工作带来极大困难。,中庭的分类,长廊式中庭 贴附式中庭 内嵌式中庭,长廊式中庭,中庭的两端是敞开的，显著特点之一是其具有良好的自然通风，是半室

16、外空间。 当街道两侧的建筑物的间距大于建筑物最小防火间距6m时，可以将通道两侧的建筑物看成相互独立的防火建筑。小于6m时，则要考虑到火灾情况下的热辐射的影响。 要求在中庭建筑的室内设置自动喷淋灭火系统，中庭的屋顶的材料应为不燃材料(一般用防火玻璃)，且在玻璃顶棚上应按一定面积比例设可以自动开启的排烟窗。,贴附式中庭,中庭与建筑物主体的首层相通，与主体的其它楼层有外墙分隔，有的甚至只是贴附于建筑物的一侧。这类中庭一般都是封闭式的，在实际应用中通常设计为一个有良好视野和采光的宽敞的门厅或四季厅。 主要的防火措施是在建筑主体内设置自动喷淋灭火系统，在中庭内设置排烟系统，能够防止火焰侵入和烟气积聚，为

17、安全疏散和消防人员的灭火行动提供通道。在设计时，对采取了上述措施后，对中庭的防火分区的面积可不叠加计算。但对中庭内与建筑主体相接触的区域和外墙，如果考虑到采光和外观效果要使用玻璃幕墙时，应使用防火玻璃。,内嵌式中庭,内置式中庭防火要点,由于内置式中庭的特点，在防火设计中首先要防止火焰和烟气窜入中庭，并要充分考虑中庭顶部楼板和钢结构的耐火极限要符合“高规”的要求，在顶部应布置自动喷淋系统加以保护，对几个中庭通过楼层或走道相连的情况，防火分区要根据具体情况进行合理分隔或进行面积叠加计算。建议在中庭之间用防火卷帘加自动喷淋进行分隔。在内置式中庭内部必须设置合理的排烟系统，防止烟气在中庭中的积聚、扩散

18、。,贯通式中庭防火要点,这类中庭能够充分利用流动的自然风，利用“烟囱效应”进行排烟，但当火势无法控制而在中庭中蔓延时，又可能会使火势迅速扩散，火灾加剧，所以应合理组织排烟气流并考虑排烟系统有充分的排烟量。 在防火分区时，常将这类中庭作为一个独立的防火空间。 另外还应充分考虑顶棚的消防安全，采光玻璃应用防火玻璃，且玻璃和钢结构的耐火极限也要大于1.5h，必要时可设置喷淋系统保护或在结构上做防火处理。,回廊式中庭防火要点,在防火设计时，首先应进行合理的防火分隔，防火区域之间应有防火墙或防火卷帘及水幕分隔，并在回廓边沿设挡烟垂壁。 回廊的防火墙的耐火极限不应低于1.0 h。 如果走道上开有门窗，则门

19、应为甲级防火门，窗的耐火极限不应低于0.6h。 如果采用玻璃分隔，则必须采用耐火极限不低于1.0h的防火玻璃，并设置自动喷淋系统保护。 在回廓中设置自动喷淋系统，阻止火焰蔓延和降低烟气温度，为降低烟气在竖向空间的上升速度，也可以采用快速反应喷头以提高系统对烟气蔓延的反应速度。 中庭和使用区域内应设置合理有效的排烟系统，烟气一般通过中庭排出，而对未着火层进行正压送风，抵挡着火层烟气的侵入。 使用区域内应设置自动喷淋系统。 为防止火焰竖直贴墙蔓延，在回廓外沿应设高度不低于80 cm的不燃烧体裙墙，如果是用防火玻璃，则要参考“高规”中对玻璃幕墙的有关防火规定。,互通式中庭防火要点,必须有明确的防火分

20、隔是防火设计的首要环节，通常采用在中庭四周各层面设置防火卷帘(加自动喷淋系统保护)的方式，但为了人员疏散和灭火活动的展开，在建筑物的首层一般不设防火卷帘，也有利于空气流动和排烟，但可设挡烟垂壁。同时，在各层使用区域内应设置有效的排烟系统，因为如果着火层的防火卷帘放下，则烟气难以侵入中庭，所以就对着火层进行集中排烟，而在其它层面正压送风防止烟气进入。且在使用区域内应设置自动喷淋系统。,国内外设计规范,美国National Fire Protection Association于1992年发布商业街、中庭及大空间烟气控制系统设计指南: NFPA92B(Guide for smoke managem

21、ent systems in malls,atria,and large areas)，该指南于1995年、2000年进行了修订。 NFPA92B是第一个公认的、以锥形烟羽流原理为基础的中庭烟控系统设计指南，NFPA92B中的设计方法被美国国家建筑规范BOCA(以下简称BOCA)和统一建筑规范ICBO采用。 GB50045-95，高层民用建筑设计防火规范 DGJ08-88-2000，民用建筑防排烟技术规程(上海市工程建设规范 ),高层民用建筑设计防火规范中规定,8.4.2.3 中庭体积小于17000m3时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算；中庭体积大于17000m3时，其排烟量按其体积的4次

22、/h换气计算；但最小排烟量不应小于102000m3/h。,中庭烟气控制系统设计,美国国家建筑规范BOCA中设计上层排烟系统的常用方法：假定为稳态设计火势，设计一系统使烟气层界面保持在安全疏散要求的高度。 该方法首先估计火灾的稳态放热量即确定稳态火灾强度(火灾大小)，从而估计烟层界面高度及火灾生成的烟量，计算出烟层下降到危及室内人员高度的时间并和疏散时间进行比较，如果烟层下降到临界高度的时间比疏散时间短，则采用排烟系统以最小产烟量排出火灾生成的烟量。 BOCA规定：烟气控制系统保持烟层界面高度在1.8m以上的时间不少于20min。,对比举例,某矩形中庭，长25m，宽20m，高度为20m。分别用高

23、规和民规计算所需要的排烟量，并比较这两种计算方法的特点。,根据高规计算需要的排烟量,中庭体积： V20252010000m317000m3 需要的排烟量为：10000660000m3/h,根据民规计算需要的排烟量,烟层高度计算（规则方法 ）,该方程适用于烟羽流不与围护结构壁面接触且空间横截面面积不随高度变化，适用于中庭空间形状比(AH2)在0.914范围内且烟层高度z不低于中庭高度H的20。 方程是显式方程，可直接确定烟层高度在限定时间是否下降到临界高度。,各种烟层下降预测计算式计算结果比较,中庭最小排烟量,以74作为排烟温度，计算的排烟量可作为机械排烟系统的容量，通过调整排烟量使烟层界面保持

24、在极限高度。 适用于中庭建筑的中庭中部着火的情况。,中庭周围建筑着火时的产烟量,影响中庭排烟量的因素,中庭的形式 中庭高度 可燃物(火源)特性及分布 火灾面积 烟气流动特性及途径 烟气层温度,中庭烟气填充及分层问题,中庭高度较高或当机械排烟系统排烟量不足，会造成烟气在中庭内扩散并积聚，且烟气在上升过程中受喷淋水幕的降温、因高度的变化而冷却或冷空气卷入使向上浮升的烟柱平均温度降低，烟气会沿中庭的边沿下降到一定高度，中庭上部将会被烟气逐渐填充满。 在较高的中庭中还可能出现上部热空气温度高于烟气温度而使烟气层在中庭内比预期高度低的某一点形成，而不能自动排出，造成的烟气分层问题的核心是烟气层温度的下降

25、。 烟气分层将影响排烟量的确定和排烟口的设置，从而影响整个排烟系统的选择和布置。如果是在较低的中庭内，烟气分层和烟气的下降可能会影响到人群的疏散和灭火人员的进入。 建议在设置竖相多个排烟口，变负荷排烟系统，侧墙设自动窗及在建筑形式上合理利用自然对流等方面予以考虑。,中庭内机械排烟的限制,如果上升烟柱造成的质量流量很大，而烟柱随高度的上升，温度迅速降低，当随高度而增加的大质量流量烟气流趋向静止时，在烟柱中存在某个质量流率的平衡点，超过此点，利用机械排烟系统，在经济上是不实际的。 经验表明，当烟气质量流率大于150250kgs时会出现这种情况。 如果在中庭的顶部由于太阳照射和设备、人群散热热造成热量积聚，那么在中庭上部空气的温度会较高，在火灾初期阶段进入中庭的烟气温度一般较冷，而且在烟柱上升时，周围填入的冷空气一般都在20左右。因此形成的烟柱温度将大大低于中庭顶棚的空气温度，如果这些热空气不能被非常迅速的排出，就会导致烟气过早分层。只有先排出热空气，烟气层才会填补上来，这一过程的时间量程是不确定的，有可能造成过多的能量损失，在温度低的天气中，问题更复杂。 同时，排烟机造成的烟气流动对烟气层温度也有相当敏感的影响，也影响排烟率的选择。,几个有待深入研究的问题,1、大空间烟气量计算 2、大空间烟气流动模拟 3、大空间排烟模拟,