第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
火灾是威胁公共安全、危害人们生命财产安全的最大灾害之一。在各类事故中，火灾造成的死亡人数仅次于交通事故，同时火灾造成的直接经济损失在各类事故中位居第一。我国某十年间火灾事故的部分统计数据如表1.1所示[1~5]。
表1.1 我国某十年间火灾事故的部分统计数据
根据火源类型，火灾可以分为稳定火与非稳定火，其中非稳定火一般以t平方火的形式表示。t平方火的发展过程如图1.1所示[6~7]。
t平方火的热释放速率与火灾发展时间的关系可表示为[6~7]
Q=αt2 （1.1）
式中，Q表示火灾热释放速率，单位为kW/m2；α表示火灾增长系数，单位为kW/s2；t表示火灾燃烧时间，单位为s。
图1.1 t平方火的发展过程
根据火灾增长系数α的大小，t平方火通常分为极快速火、快速火、中速火和慢速火。t平方火的分类标准如表1.2所示，不同类型t平方火的发展曲线如图1.2所示[6~7]。
表1.2 t平方火的分类标准
图1.2 不同类型t平方火的发展曲线
火灾发生时，热分解的产物和燃烧产物掺混在一起形成火灾烟气。由于火灾发生时参与燃烧的物质种类繁多，发生火灾时的环境条件各不相同，因此火灾烟气中各种物质的组成相当复杂。不过，按相态和气体有害性分类，可以认为火灾烟气是由热解和燃烧产生的气体、悬浮颗粒和剩余空气三部分组成的。烟气的主要成分是气体，悬浮颗粒的含量很少，可以近似地把烟气当作理想混合气体对待，其基本状态参数仍然为压力、温度和密度[8~11]。
建筑火灾的统计数据表明，火灾死亡人数中约80%为烟气致死。烟气的主要危害如下[8~11]：
（1）烟气的毒性。烟气中含有大量有毒气体，研究表明，火灾中死亡人数约一半是由一氧化碳（CO）中毒引起的。尽管现有火灾数据还无法提供其他有毒气体对人员死亡的可能影响，但大多数研究机构已达成共识，即火灾燃烧的副产物能对人产生极大的危害，并且多种气体的共同存在可能加强了毒性。
（2）烟气的高温危害。火灾烟气的高温对人、物会产生不良影响，人暴露在高温烟气中，65℃时可短时忍受，100℃左右时一般人只能忍受几分钟；另外，人暴露在高温烟气中会使口腔及喉头肿胀而发生窒息。
（3）烟气的遮光性。烟气具有很强的减光作用，使得人们在有烟气场合的能见度大大降低，给现场带来恐慌和混乱状态，严重妨碍人员的安全疏散和消防人员的扑救。
烟气能见度在火灾疏散中是一个非常重要的指标，而在能见度的评价中减光系数起着至关重要的作用。减光系数的计算公式为[8~11]
K=−ln(I/I0)/L （1.2）
式中，K为减光系数，单位为1/m；I为光束离开给定空间时的强度，单位为Lux；I0为光束进入给定空间时的强度，单位为Lux；L为给定空间的长度，单位为m。
能见度表示为
V=C/K （1.3）
式中，V表示能见度，单位为m；C表示比例系数，对于发光物体取C=8，对于反光物体取C=3；K为减光系数，单位为1/m。
根据《SFPE消防工程手册》的推荐要求，火灾发生时人员安全疏散的主要判据如表1.3所示[12]。
表1.3 人员安全疏散的主要判据
火灾发生时，烟气是建筑内部人员安全疏散与消防队员进行救援的主要障碍。在人员疏散过程中，烟气层只有保持在人群头部以上一定的高度，才能使人员在疏散时不从烟气中穿过或受到热烟气流的辐射热威胁。对于高大空间，定量判断标准是烟气层高度应能在人员疏散过程中满足如下标准：
HS≥HC=HP+0.1HB （1.4）
式中，HS表示清晰高度，单位为m；HC表示危险临界高度，单位为m；HP表示人员平均高度，一般取1.7m；HB表示建筑内部高度，单位为m。
一般情况下，在人员疏散过程中，烟气层应保持在距地面2m以上的高度。能见度是反映火灾中烟气浓度的一个指标，根据《SFPE消防工程手册》的推荐要求，对建筑物不熟悉的人群，能见度应达到13m，对建筑物熟悉的人群，能见度应达到5m。大空间内为了确定疏散方向需要看得更远，因此要求能见度更大。火灾中的烟气层高度和能见度对人员疏散具有较大的影响，消防系统的排烟能力对这两项指标均起着重要作用[12]。
为了降低烟气的危害，在各种消防标准规范中，防排烟系统均作为建筑物消防系统的一个重要组成部分被要求。防排烟系统的作用主要有两个：一是在疏散通道和人员密集的部位设置防排烟设施，利于人员的安全疏散；二是将火灾现场的烟气和热量及时排出，减弱火势的蔓延，排除灭火的障碍，是灭火的重要配套措施。
防排烟系统由防烟系统和排烟系统组成，防烟系统主要有密闭防烟和机械加压送风两种方式，排烟系统主要有自然排烟和机械排烟两种方式。在实际应用中，随着大型高层建筑越来越常见，机械排烟的应用越来越广泛。发生火灾时，需要在很短的时间内将火灾产生的烟气排出建筑物，各种标准规范中均对防排烟系统做了相应的规定。
《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》规定，机械排烟系统的最小排烟量应满足表1.4中的要求[13~14]。
表1.4 机械排烟系统的最小排烟量
《人民防空工程设计防火规范》规定，机械排烟风机和风管的最小排烟量不应小于表1.5中的要求[15]。
表1.5 机械排烟风机和风管的最小排烟量
《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》规定[16]：
（1）设有机械排烟系统的汽车库，其每个防烟分区的建筑面积不宜超过2000m2，且防烟分区不应跨越防火分区。
（2）排烟风机的排烟量应按换气次数不小于6次/h计算确定。
《建筑防排烟系统技术规范》（征求意见稿）规定，一个防烟分区的排烟量应按下式计算：
V=MρTp/ρ0T0 （1.5）
式中，V表示排烟量，单位为m3/s；Mρ表示烟气质量流量，单位为kg/s；ρ0表示环境温度下的气体密度，t0=20℃时ρ0=1.2kg/m3；T0表示环境的热力学温度，单位为K；Tp=T0+∆Tp，表示烟气的平均热力学温度，单位为K。
但下列场所可按以下要求确定[17]：
（1）设有喷淋的客房、办公室，其走道或回廊的机械排烟量不应小于9000m3/h；具备自然排烟条件的走道，当走道两侧的自然排烟面积均不小于1.2m2时可不设置机械排烟系统。
（2）无喷淋的客房、办公室，或建筑面积小于100m2且设有喷淋的房间，其走道或回廊的机械排烟量不应小于13000m3/h；走道两侧的自然排烟面积均不小于2m2时可不设置机械排烟系统。
（3）隔间面积小于500m2的区域，其排烟量可按60m3/(m2·h)计算，或设置不小于室内面积2%的排烟窗。
（4）设有喷淋的大空间办公室、汽车库，其排烟量可按6次/h换气计算且不应小于30000m3/h，或设置不小于室内面积2%的排烟窗。
在以上诸多标准规范中，均对不同建筑消防系统的排烟能力做了定量的规定，但在实际的消防工程验收和消防监督中，如何检验实际建筑中消防系统的排烟能力是一个难题。对于常规建筑，可以参照标准规范中的具体规定进行检验，但只能检验排烟系统的设计参数和设备数量，而无法检验排烟系统的真实排烟能力；对于超出现行标准规范的大型、复杂建筑，则连标准规范都无从参照。
检验消防系统的排烟能力时，主要采用数学计算、计算机模拟、实验模拟三种方法[18~21]。
（1）数学计算方法利用一定的经验公式对烟气的流动进行计算，从而实现对排烟能力的检验。这种方法易于计算、成本低，但由于计算假设的理想化、简单化，通常会产生较大的误差，并且难以反映建筑物建造、设备安装等方面存在的隐患。
（2）计算机模拟方法利用一定的数学模型和计算流体力学原理对烟气的流动进行计算，从而实现对排烟能力的检验，但这种方法会因为计算区域设置、网格独立性、软件版本的差异等，使得结果存在一定的不确定性，并且同样难以反映建筑物建造、设备安装等方面存在的隐患。
（3）实验模拟方法在特定的建筑内，通过设置合适的火源，使烟气在现场条件下流动，可以清楚、直观地了解烟气流动状况，并且可以对烟气控制系统的工作状态进行检测，能够反映数值计算难以解决的问题。但实验有一定的局限性，主要是实验所需的时间较长、费用较高，难以对多种火灾场景进行模拟，若采用固体或液体可燃物进行实验，则可能造成较严重的污染或对建筑造成某种损坏。
在以上三种方法中，实验模拟方法是相对最为有效的方法，但在我国的建筑行业，消防系统的安装是与装修是同步进行的，实验模拟的对象往往是已完成装修的建筑，如果利用真实火源（如柴油、煤油等）产生烟气进行实验，那么实验过程中的烟气不可避免地会对现场造成很大的污染。研究者曾对某建筑进行了真实的火灾烟气实验，但实验后对现场进行清理花费了数百万元。因此，需要一种既能具备真实火灾烟气特征又不会对实验环境造成较大污染的方法来进行实验模拟，也就是使用发烟机的实验模拟方法[22]。
热烟测试方法是实验模拟方法的改进方案，其基本思想是采取较清洁的燃料作为火源，利用发烟机产生无害、无污染的示踪烟气模拟火灾烟气，进而近似了解烟气的流动状况。热烟测试方法克服了真实火灾实验模拟时间长、费用高、易造成污染的缺点，可以清楚、直观地了解排烟系统的真实工作状况，既适用于常规建筑，又适用于大型、复杂建筑，具有较好的应用前景[22]。
进行热烟测试时，重要的设备是发烟机，发烟机又称烟雾发生器，它是利用机械发烟装置施放烟气的发烟装备，主要由动力系统和发烟剂供给系统组成，按形成烟气的方式，分为喷洒式发烟机和受热蒸发式发烟机两种。喷洒式发烟机将液体发烟剂经加压和喷嘴雾化后直接送入大气，吸收空气中的水分而成烟气，由钢瓶、活门、橡皮管、金属管、喷嘴等组成。受热蒸发式发烟机内装中性的高沸点液体发烟剂，发烟过程是，将发烟剂加热蒸发形成蒸气，在动力装置作用下经喷嘴雾化后送入大气，吸收空气中的水分而成烟气[23]。
在实际应用中，热烟测试实验发现排烟系统存在的问题后，一般会提出改进方案，这时可以使用计算机火灾模拟方法对改进方案进行评估，从而确定较好的改进方案。计算机火灾模拟是指根据流体力学和热力学原理，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对火灾发生、发展的过程进行数值计算。随着计算机运算能力的提高，近年来其得到了快速发展[24]。