烟气对建筑火灾中人员逃生的影响及其防治
摘要：从古至今发生过很多火灾，而这些火灾都验证了同一个问题，就是在火灾中有大部分的人不是因为火的燃烧致死，而是因为火灾中产生的烟气致死。时至今日，烟气已经成为了阻碍人们逃生和灭火行动，导致人员死亡的主要原因之一。为了最大限度地减少建筑物内发生火灾后造成的危害，本文从建筑物火灾中烟气性质、危害、蔓延规律等出发，研究烟气给火灾中人员逃生造成的影响，再结合建筑物内防排烟的设施和目前采用的方法，提出对火灾烟气的防治方法。
关键字：烟气 火灾 建筑物
随着和时代的发展，科技的进步，建筑物规模越来越大，功能与未来越复杂，设备众多，人员密集。所以建筑发生火灾时，由于产生的烟雾阻碍人们逃生和进行灭火行动，对人们生命安全产生极大的威胁。实验证明，100m2的普通办公室发生火灾所产生的烟气可以将面积1500m2、高37m的中庭充满2/3。火灾中，大部分人员伤亡均因烟气所致。现代化的建筑物，规模大，人员集中，功能复杂，设备众多，还有相当一部分高层建筑使用了大量的可燃装饰材料，如塑胶板、化纤地毯等，这些可燃物在燃烧过程中会产生大量的有毒烟气。
一、烟气的产生
由燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中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。火灾过程中会产生大量的烟气，其成分非常复杂，主要由三种类型的物质组成：（1）气相燃烧产物；（2）未燃烧的气态可燃物；
（3）未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小颗粒。火灾烟气中含有众多的有毒、有害成分、腐蚀性成分以及颗粒等物，加之火灾环境高温缺氧，必然对生命财产和生态环境都造成很大的灾害。
二、火灾中烟气对人员逃生的影响
2.1烟气的恐怖性
烟气中的烟粒子对可见光有完全的遮蔽作用，当烟气弥漫时，可见光受到烟
粒子的遮蔽而大大减弱，能见度大大降低，并且烟气对人的眼睛有极大的刺激作用，使人睁不开眼，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，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。当人的视野降到3米以下，逃离现场就非常困难。人在烟雾中心理极不稳定，再加上熊熊的烈火、滚滚的浓烟会使人产生极大的恐惧，以致惊慌失措，从而进一步造成疏散时混乱，给组织疏散灭火行动造成很大困难，引发伤亡事故。
2.2烟气的毒害性
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。如合成高分子
装饰材料燃烧、热分解会产生氯化氢、氰化氢、二氧化碳等多种有毒气体。火灾时，由于燃烧消耗了大量的氧气，使得烟气中的含氧量往往低于生理上所需的正常数值。当空气中的含氧量低于15%时，人的肌肉活动能力将明显下降；降低到10～14%时，人的判断能力将迅速降低，出现智力混乱现象；降低到10～14%时，短时间内就会晕倒，甚至死亡。在起火的房间内氧的最低浓度可达3%左右，若人员不及时撤离火场是非常危险的人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。火场中会产生高温烟气，人对高温烟气的忍耐程度是有限的，在65℃时，人可短时忍受；在120℃时，15min内就将产生不可恢复的损伤；烟气温度进一步提高，损伤时间则更短；140℃时约为5min，170℃时约为1min；高温不仅可能使心率加快，人体大量出汗，很快出现疲劳和脱水现象，而且会把人烧伤烧死。实际火灾统计资料表明，吸入燃烧生成的灼热气体而死亡的人数，超过其他各种原因死亡人数的总合。
此外，烟气中含有对人体有刺激性作用的气体如SO2、H2S、HCl、Cl2、NO2、
NH3等，使人眼流泪，不易睁开，从而进一步影响人的视觉，影响撤离火场的速度。
2.3烟气毒性评价
可燃物燃烧时产生的烟气中含有毒性气体，如CO、CO2、HCN、NOx、SO2、H2S等，高分子材料燃烧时还会产生HCl、HF、丙烯醛、异氰酸酯等有害物质。不同的材料燃烧时产生的有害气体成份和浓度是不相同的，因而其烟气的毒性也不相同。评价材料烟气毒性 大小的方法有：
（1）化学分析法
（2）动物试验法
（3）生理研究法
三、建筑火灾的烟雾流动规律
建筑物内烟雾流动的形成，总的来说，是由于风和各种通风系统造成的压力差，以及由于温度差造成气体密度差而形成的烟囱效应，其中温差和温度变化是烟雾流动最为重要的因素。它与建筑物的烟囱效应、防排烟方式、火灾温度等诸多因素有关。
3.1建筑物内通风、空调系统对建筑物内压力的影响，取决于供风和排风的平衡状况。
如果各处的供风和排风是相同的，那么该系统对建筑物内的压力不会产生影响，如果某部位的供气超过排气，那里便出现增压，空气就从那里流向其他部分。反之，在排气超过供气的部位，则出现相反的现象。因此，建筑物内通风、空调系统可以按照某种预定而有益的方式设计，以控制建筑物内的烟雾流动。
3.2烟囱效应。
在建筑物的竖直通道中，由于自然对流循环加强，促使烟气上升流动得效应就是建筑物的烟囱效应。它是由高层建筑物内外空气的密度差造成的。高层建筑的外部温度低于内部温度而形成的压力差将空气从低处压入，穿过建筑物向上流
动，然后从高处流出建筑物，这种现象被称为正热压作用。在低处外部压力大于内部压力，在高处则相反，在中间某一高度，内外压力相同，即存在一个中性压力面。烟囱效应随建筑物的内外温度差以及建筑物高度的增加而增加，在火灾发生于较低层时，烟囱效应对竖井和较高层的烟污染的影响尤为显著，因为此时烟从低层上升至高层内的潜力更大。火灾时，由于燃烧放出大量热量，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。因此烟囱效应是高层建筑烟气扩散流动和火灾蔓延扩大的重要机理。
3.3室外风向、风力、风速对高层建筑烟雾流动有显著影响，且这种影响随建筑物的几何形状而变化。
简单地讲，风力作用使得迎风面的墙壁经受向内的压力，而背风面和两侧的
墙壁有朝外的压力，平顶层上有向上的压力。这两种压力，使空气从迎风面流入建筑物内，从背风面流出建筑物外，建筑物顶上的负压力对顶层上开口的垂直通风管道有一种吸力的作用。同时正的水平风压力促使中性面上升，负的水平风压力促使中性面下降。
三、建筑火灾烟气蔓延途径
火灾烟气携带的大量热量可以很快通过各种管道竖井充满整个建筑物，高温
的浓烟流窜到哪里，哪里就可能燃烧起来，加速火势蔓延。烟气在高层建筑中流动，扩散主要通过以下途径：
3.1内墙门
建筑物内房间起火，最后蔓延到整个建筑物，原因多是墙上门未能把火挡住。
火通过内门，经走廊再通过相邻房间敞开的门进入房间，把室内可燃物烧着。通常走廊内即使没有任何可燃物，强大热流和未完全燃烧产物的扩散，仍能把火势蔓延到很远的房间。
3.2外墙窗口
室内火发展到全面燃烧阶段，大量高温烟气、火焰会喷出窗口，引起火势向
上层蔓延，此外，高温火焰的热辐射还对相邻建筑物及其它可燃烧构成威胁。
3.3楼板上的孔洞，建筑物内的各种管道、坚井
建筑物中常设有许多竖向井道和开口部位，如楼梯井、电梯井、管道井，通
风和排烟井道等。这些竖井管道和开口部位贯穿若干楼层甚至整个楼层。在建筑物发生火灾时，会产生烟囱效应，导致火势迅速向上层蔓延。实验测得，高温烟气在竖向井道内向上蔓延的速度可达3-5m/s。
3.4房间隔墙
房间隔墙如果是可燃材料，或者虽然是非燃、难燃材料建造的，如果耐火性
能差，这隔墙在火灾高温作用下则会被烧穿，使火灾蔓延到相邻房间。
四、建筑防排烟法
防烟、排烟就是将火灾中产生的烟气在着火房间或着火房间所在的防烟区域加以控制和排除，以防止烟气扩散到疏散通道或其他防烟区域中，确保疏散通道和扑救过程中防烟楼梯间和消防电梯没有烟气的建筑防烟措施。
目前，建筑防排烟系统一般分为三种：①自然排烟；②机械排烟；③机械加
压送风防烟方式。
4.1自然排烟
自然排烟是利用热压、风压使室内外空气对流并利用外窗、阳台、凹廊等建
筑设施排烟，它不需要专门的排烟设备，火灾时不受电源中断的影响，有利于人员的疏散和火灾施救，构造简单经济，平时可兼作换气用。这种做法在国外很普遍，实践证明取得了很好的效果。另外利用楼梯间外窗，特别是在楼梯间顶部设置百叶口，也是一种可靠、有效、投资少的方法。
4.2机械排烟
4.2.1排烟口的设置
机械排烟系统的排烟口，应按防烟分区进行有组织的设计布置，宜设在走道
正上方的天棚上和防烟分区的中心部位。在试验过程中，走道内的排烟口，在工作时处于负压状态，排烟口下方在其周围始终聚积着一团浓烟，如果排烟口位于
安全疏散出口较近的位置，将影响人员的安全疏散和灭火行动的进行，因此排烟口的位置应设置在距安全疏散出口较远的地方，即避开安全疏散出口。另外，高层建筑地下室的地面出口既是人员安全疏散的必经之道，也是自然补风的进风口，必须避开火灾时排出到地面的烟气的影响。因此，地面排烟口宜设置在本地区主导风向的下风方向，且与地下室地面出口保持20m～30m远的距，同时，排烟口排出的高温烟气不应吹到邻近建筑物和室外疏散、救援人员身上。
4.2.2高层建筑地上大面积空间的防排烟系统设计探讨
随着高层建筑数量的增加，设置于高层建筑内的商场、超市、营业厅、展览
厅等大面积空间越来越多，其普遍具有人员密集，流动量大，可燃物多，用电设备多，电气线路复杂等特点，一旦发生火灾，烟气扩散迅速，人员疏散比较困难，容易引起混乱，造成群死群伤恶性火灾事故的发生。这些部位的防排烟系统设计，根据《高规》第8.2节关于自然排烟的规定，第8.4节关于机械排烟的规定，在进深不大或建筑中心地带设有具有自然排烟条件的中庭，同时可开启外窗面积不小于该房间面积的2%时，这种处理是合适的。但是笔者认为，参照《高规》第8.4.1.1条规定，以下情况应增设机械排烟系统。
①不管其可开启外窗面积是否不小于该房间面积的2%，进深超过60m，又无
可自然排烟中庭的大空间
②开间超过60m，进深超过20m，前后外墙不设外窗，或因广告牌等影响外窗
不能开启的大空间，都应该考虑设置机械排烟系统，适应大面积空间火灾蔓延快、高温烟气扩散迅速、人员疏散量大、疏散距离长等特点，其排烟系统的排烟量按《高规》第8.4.1条规定计算确定。
4.3机械加压送风防烟方式
机械加压送风防烟方式控制系统简单、安全、可靠，近年来已成为国内、外
高层建筑广泛采用的防烟方式。笔者通过施工图审核总结得知，设计机械加压送风系统时主要需确定：
1、加压风机的风压；
2、加压送风风量；
3、加压送风系统与消防中心联动控制；
4、加压送风道断面尺寸和其送风口断面尺寸。其系统的设计要点是：
① 楼梯间和合用前室应分别独立设置机械加压送风系统。
② 为保证有效的防烟效果，设计时计算确定的加压送风量不应小于《高规》所规定的数值。
③ 前室机械加压系统送风口应每层设置一个，送风口为常闭式。当火灾层
烟感器探得火灾讯号时，其讯号将立即送到消防控制中心，并立即开启加压风机，同时将火灾层及上、下相邻楼层前室的送风口打开，对前室进行加压送风。3.4为保证有效的防烟效果，设计时应使楼梯间加压送风的压力高于前室压力，前室压力高于走廊或室内压力，《高规》要求“防烟楼梯间为50Pa”、“前室、合用前室、消防电梯前室、封闭避难层（间）为25Pa”。
④ 对于超高层建筑，为了减小热压对机械加压送风系统的影响，可采用楼
梯井竖向分区，在两区之间设密闭门（或利用避难层隔断），分区设置独立的机械加压送风系统。
五、总结
综上所述，烟气是阻碍人们逃生和灭火行动，导致人员死亡的主要原因之
一。所以，科学合理地设置防、排烟系统对于高层建筑来说非常重要，它意味着在火灾发生时，能有效的阻挡和及时排除有害烟气，从而保证人员安全疏散和火灾扑救。另外，加强高层建筑防排烟设施的维护与管理，加强防烟知识的宣传，也是很重要的。
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