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烟雾控制SMOKE CONTROL学生姓名：唐桢敬专业名称：安全工程导师名字：吕建摘要：在建筑火灾情况下，烟雾经常流向偏离火灾的地方，造成威胁生命以及损坏财产影响，同时楼梯间和电梯间经常变成充满烟气的，因此阻碍了撤离和疏散，当今烟雾已经被认为在火灾当中最大的杀手。在20世纪60年代中后期，利用加压来防止烟雾在楼梯间的渗漏开始吸引了关注，这是由压力挤压模型而想出来，换而言之，就是排出火灾层的空气同时给周围其它的楼层加压，建筑的通风系统经常是用于这个目的的，烟控这个特定用语是为通过使用机械加压来限制烟雾在火灾当中的流动这样一个系统而创造的名字。澳大利亚、加拿大、英国、法国、日本、美国、西德应经做过了烟控场所的调研，这个调研是由场所测试，大规模的火灾测试，和电脑模型构成的，很多建筑物已经建有了烟控系统，同时很多其它的建筑也为此而加装烟控系统。关键词：烟囱效应 浮力 风力烟雾的移动一个烟控系统必须经过设计才能使其不被引起烟雾移动的驱动力所压制，正是因为这个为盈，对烟雾流动和烟雾控制的基本观念的理解是智能烟控设计的前提，最主要影响烟雾流动的驱动力是烟囱效应、浮力、膨胀、风力和热力以及空气流动和空调系统，总的来说，在火灾情况下，烟雾流动是由这些驱动力的相互作用引起的，在任何一种驱动力存在的情况下，它们都将单独发生效应，下面这些部分是对每一种驱动力的讨论。烟囱效应当外界是冷的时候，在建筑物的通风井内经常有向上流动的气体，例如楼梯井、电梯井、小升降井以及机械井或者运输槽。这些现象是可以归咎于正常的烟囱效应。室内的气体都有受到浮力，是因为室内的气体是更热并且密度相对于室外气体更小。这种浮力引起了气体在建筑物的通风井内上升，对于室外的低温和高高的通风井，普通的烟囱效应的意义是更重大的，然而，普通的烟囱效应也存在于单层建筑当中。当外界的气体相对于建筑物内的气体时，在通风井内，一股向下的气流是时常存在的，这股向下的气流被称为逆向烟囱效应。在标准的大气压下，气压不同是由于普通的烟囱效应或者是逆向烟囱效应，可以用以下的公式表达 压力差 （Pa）当时的外界空气温度 （K）当时内部通风井空气的温度（K）中性面高度 （M）系数 （7.64）对于一座在中间高度有中性面的200M高的建筑，外界温度18摄氏度以及内部温度21摄氏度，由于烟囱效应而造成的最大压差为55帕。 图像 4-12.1 由于普通的烟囱效应送产生的内外通风井的压力差Top of building：建筑物高度 height：高度 neutral plane：中性面Negative： 正的 positive：负的 pressure difference：压力差图像4-12.2 普通烟囱效应和逆向烟囱效应的空气流动（箭头表示空气流动的方向）Normal stack effect：普通的烟囱效应 reverse stack effect：逆向的烟囱效应Neutral plane：中性面这就意味着在建筑物的顶部，烟囱内部的压力（55帕）要比外界压力要，在烟囱的底部，烟囱内部的压力要比外界的压力低，在图4-12.1是烟囱与外界压力不同的一个图表，在这个图表当中，正的压力的不同表明了，烟囱内的压力是比外界压力要搞得，而负的压力表明着相反的一面。烟囱效应经常是被认为存在于建筑物内部和外界大气之间的，由于普通的烟囱效应和逆向烟囱效应所引起的空气在建筑物内的流动在图4-12.2中得到了说明，在这种情况中，在方程式1中体现出的压力差是确实与烟囱与外界的压力差有关系的。图4-12.3 由于烟囱效应所产生的压力差Outside temperature ：外界的温度图4-12.3可以用来确定由于烟囱效应所产生的压力差，对于普通的烟囱效应，是正的，并且在中性面之上的压力差是正的，在中性面之下的压力差是负的；而对于逆向烟囱效应，是负的，在中性面之上的压力差是负的，在中性面之下的压力差是正的。通常在带有外楼梯井的密闭的建筑屋内，即使在较低的外界温度下，逆向的烟囱效应也可以被观察到，在这种情况下，外界的楼梯井的温度是比建筑物的温度低很多，楼梯井是冷的空气柱，其它在建筑物内的通风井就是热的空气柱子。当考虑到烟囱效应时，假如在建筑物和外部的空气泄露途径是与高度完全的相同，中性面将会在中央高度的附近，然而，当空气的泄露途径是不相同的时候，中性面的位置是由很大的不同，正如在通风井的排放的情况，McGuire and Tamura 通过计算在一些排放的条件下的中性面的位置证明了此理论。建筑火灾中的烟雾的传播就是由于烟囱效应所致的，在具有烟囱效应的建筑内，存在的气流可以使烟雾流向与火灾发生地相距相当远的距离的地方。如果火灾时在中性面之下的，烟雾将伴随建筑物内的空气向内和沿着楼梯井传播，这些向上的烟雾气流由于它的温度，在烟雾存在的地方通过浮力的作用得到了促进，一旦在中性面之上，烟雾流出了电梯井流向了上面的楼层，如果在楼层间的泄露是可忽略的，在除了着火层之外的中性面之下的楼层，直到产生的烟雾大于烟囱效应气流所能处理的，楼层才将受到烟雾的影响。在中性面之上火灾所产生的烟雾将通过在建筑物外部的开口通过建筑物内的气流带到室外，如果楼层之间的泄露是可以忽略的，除了着火层之外的所有楼层将保留着不受烟雾的影响，直到产生的烟雾大于烟囱效应气流所能处理的，当楼层之间的泄露是相当多的时候，烟雾将向着火楼层之上的楼层传播。由于逆向烟囱效应所引起的气流在图4-12.2中体现，在逆向烟囱效应的影响下这些力趋向影响相对较冷的烟气的流动，在热烟雾的情况下，即使是在逆向烟囱效应的情况下，浮力仍然可以达到使烟雾向上流动。Buoyancy（浮力）来自于火灾的高温度烟雾由于密度的降低有向上的浮力，在防火分区和它周边环境的压力差可以通过类似方程式1的式子表达出来。 压力差 （Pa）当时的外界空气温度 （K）当时内部通风井空气的温度（K）中性面高度 （M）系数 （7.64） 由于浮力产生的压力差可以由图4-12.4得到（周围温度为20摄氏度）,中性面是在防火分区和周围坏境之间与流体静压之间相等的一个面，对于一个带有防火分区温度的火灾，在中性面之上1.52米之上的压差为13帕，Fang在一系列大规模的火灾测试中已经研究了由于屋内火灾引起的压差，在这些测试当中，在燃烧的房间的天花板上达到的最高压差为16帕。很多更大的压差对于从中性面的距离更大的防火分区是可能的，如果防火分区的温度是700摄氏度，在中性面之上的压差是88帕，这已经总计可以达到极大的火灾，通过它产生的压力已经超过了烟控的能力，然而，这个例子在这里讲是为了权势方程式2的使用范围。在有着泄露路径的建筑物的着火房间的天花板，由于浮力产生的压力引起了烟雾朝着火楼层以上的楼层移动，另外，这些压力致使烟雾通过墙壁和防火分区的门的任何一条泄露途径传播，由于热量的转移和降低，它的温度得到了降低，因此，浮力的现象随着离火灾的距离而减少。Wind 风力在很多情况中，在建筑物内风力对烟雾的移动有着明显的影响，风力在表面所施加的压力可以表达为：Cw代表无穷小量压力系数Po代表外部空气密度V代表风速对于空气密度是，这个关系就变成了：Pw代表风的压力，单位是V代表风的速度，单位是mph(m/s)Kw代表常数压力系数， Cw在-0.8到0.8范围内，在迎风侧墙得到的是正数，在下风侧墙得到的就是负数。压力系数依赖于建筑的几何图形，也在前面上有局部性的不同。一般来说，风速离地面最近的边界层起，随着高度的增加而增加。关于风速的不同和压力系数的具体信息因为好多因素的影响而不同。关于风速数据的特定信息，已经被Shaw和Tamura表达出来了。 压力系数是0。8，那么的风速就会对结构产生的压力。在所有的窗和门都关闭的密闭机构里，风速对空气运动的影响是很轻微的。然而，在所有的门窗都开放的松散的空间里，风速的作用就显得很重要了。通常，造成的气流是很复杂的，为了现实的目的，我们通常要电脑分析一下。通常在着火的情况下，在着火的隔间的玻璃会破碎掉。如果窗户在建筑的下风侧，由风力产生的负压力就会把隔间火势产生的烟雾排放出去。这样可以很大程度上减少烟雾在整栋大楼的运动。然而，如果破碎的玻璃在迎风侧，风的力量会使烟雾笼罩整个着火层，甚至是所有楼层。这不仅威胁到了大楼居住者的安全还阻碍了火势救援行动。在这类型情况下，由风产生的压力是相对很大的，很容易控制整栋大楼的空气运动。在烟雾控制概念出现之前，当火势被发现，HVAC系统就关闭。HVAC系统通常是在着火的大楼中运送烟雾的。在着火初期，HVAC系统可以提供火势侦查帮助。当火势出现在大楼无人居住的位置，HVAC系统就会把烟雾带到人们可以闻得到的地方，从而意识到着火了。然而，在着火的过程中，HVAC系统会把烟雾带到每一个他需要服务的区域，因此也威胁到了这些区域的人身安全。HVAC同时也提供空气到着火空间，这样会帮助燃烧。这就是为什么当发现火势后，HVAC会传统性的关闭的原因。虽然关闭了HVAC系统会阻止它向火灾现场提供空气，但是他并不能阻止烟雾通过通风管道，通风竖管，以及其他因为烟囱效应，浮力和风力被打开的区域来运动。“烟雾管理”这个术语这这一张中有用到，包括所有可以单独使用或者联合使用来减轻烟雾运动方法，从而保护居住着和消防员的安全以及减少财产损失。屏障，排烟口，排演竖井的使用都是烟雾管理的传统方法。屏障在限制烟雾运动过程中的有效性依赖于屏障中的泄漏路线以及通过屏障的压力差。泄漏路线就是，地面或者墙面装着管道的洞，地面和墙面之间的裂缝，在门或者一些可能的泄漏路径的一些裂缝。通过屏障产生的压力差是受到烟囱效应，浮力和风力以及HVAC系统的影响的。排烟口和排烟竖井的有效性是依赖于和火势的接近程度，烟雾的浮力以及其他推动力的作用。而且，当火势因为喷洒器而冷却下来，排烟口和排烟竖井的效用就大大降低了。大楼中的升降机井就是被当作排烟竖井来用的。不幸的是，这样阻止了他们对于火灾撤离的作用，这种竖井也通常把烟雾带到离火灾现场很远的地方。特别设计的排烟竖井，在楼层中几乎没有泄漏途径除了在着火的楼层。可以用来阻止排烟竖井把烟雾分散到没有着火的楼层。烟雾控制的规则在传统的烟雾管理中通过屏障（墙，地板，门等）来控制烟雾，再结合气流以及由机械电扇产生的压力差来控制烟雾。图4-12。5说明通过屏障的压力差可以有效的控制烟雾的运动。在屏障内有一个门，在门的高压测可以成为避难所或者逃离口。低压侧则暴露在火势的烟雾中。通过门周围的裂缝或者通过其他建筑裂缝的气流可以阻止烟雾渗透到高压部分。当屏障的门被打开，气流通过这扇门。如果气流速率很低，那么烟雾就能对抗住气流通到避难区域或者逃离区域。路径就如图4-12.6所示那样。就像在图4-12.7所示的那样，如果空气流通的速率足够高，这种烟雾回流是可以阻止的。速率的大小是否对于阻止回流是重要的，取决于火势能量的释放效率，这个已经在这章关于气流的部分讨论过了。烟雾控制的两个基本准则如下：1：如果平均空气流通速率足够高，那么，空气流动本身是可以控制烟雾的运动的。2：越过障碍物会产生不同的气压，也有效的控制了烟雾的运动。因为越过障碍物而产生了不同的气压，从而控制烟雾，这种方法经常指的是压力输送。压力运输导致的是空气在小勾里流动，关闭的门周围或者是建筑物的裂缝里，从而来阻止烟雾通过一些开口处回流。因此，从严格的物理意义上来说，第二条理论其实是第一条理论的一个特例。然而，把这两条规则分开来认识是有助于我们进行烟雾控制的设计的。如果一个障碍物有一个或者更多大的开口，在设计和可接受性测试中，空气速率都是一个需要考虑的物理量。然而，如果只有一些裂缝，比如在关闭的门的周围，速率的决定性是很难说的，把它涵盖到设计中去是没有实质性的作用的。在这种情况下，应该用到的物理量是气压的不同。所以，分开来认识这两条规则有助于我们知道在开放的或是关闭的门的情况下该恰当的考虑哪个物理量。因为烟雾控住主要依赖由风扇产生的空气速率和气压的不同，所以，对比传统的烟雾管理方法有一下三点好处：1：空气控制比较少依赖于密闭的障碍物。所以在设计中通过障碍设计一些流通途径是被允许的。2：烟囱效应，浮力和风都没有被动的烟雾操纵更能影响烟雾控制。在烟雾控制的手段下，这些移动的力量使烟雾运动到允许泄漏的路线范围。然而，烟雾控制系统的不同气压和空气流动会对抗这些流动的力量。烟雾控制的设计，通过对气流的使用，可以阻止烟雾通过障碍物的开放口流动。障碍物的门在撤离中是开的，或者有些时候不小心给开了，又或者是被火势撑开的，如果没有控制烟雾，烟雾通过这些门流通是很正常的。烟雾控制系统必须设计一条路线让烟雾流动到外部去。这样的路径可以去缓解因为火势的热量引起的气体膨胀。烟雾控制的设计者必须注意，在起火的空间里稀释烟雾并不是烟雾控制的成功的方法。例如，烟雾的运动不能仅仅因为在火灾空间简单的提供和消耗大量的空气而受到控制。这种提供和消耗大量空气的方法其实是换气。因为在火灾中产生了大量的烟雾，换气并不能保证在着火的空间里可以呼吸。而且，换气本身不能控制烟雾的运动，因为它不能提供需要的户外气流，以及越过障碍物的不同气压。然而，因为烟雾障碍而从火灾区域分离出来的区域，换气就可以有效的限制烟雾的量。理论上，气流可以用来阻止烟雾通过任何空间的运动。然而，在开放口和通道这两个地方中，空气的速率通常被用来控制烟雾的运动。汤玛斯发现了这个决定性的空气速率对于阻止烟雾在通道中回流的关系的经验型公式、V代表阻止空气回流的具有决定性作用的空气速率E代表通道中的能量释放速率W代表通道的宽P代表逆流而上的空气密度C代表底层气体的热度T代表底层混合的空气和烟雾气的完全温度K代表单据1的常量G代表万有引力常量底层气流的属性可以有效的在距离火灾区域很远的地方有效的提取，因为通过横截面的底层气流属性是保持一致的。决定性的气流速率可以这样计算: 代表阻止烟雾回流的空气速率。单位ftm(m.s)E代表通道中能量释放的速率。单位Btu/hr（W）W代表通道的宽度。单位fr(m)代表系数5.68（0，0292）当火势位于通道或者烟雾通过开放的门，格栅风口或者其他开放口进入到通道时可以使用这个公式。通过以上公式计算出来的速率是粗略估计的，因为使用的K也是一个粗略估计的值。然而，从这个公式算出来的速率可以象征性的计算出阻止不同大小的火势的烟雾回流所需要的空气速率类型。方程式4可以从图4-12.8中算出来。例如，能量释放