高层建筑火灾中烟雾的危害及控制

一、烟雾的危害及对灭火的影响

烟雾是物质在燃烧反应过程中热分解生成的含有大量热量的气态、液态和固态物质与空气的混合物。它是由极小的炭黑粒子完全燃烧或不完全燃烧的灰分及可燃物的其他燃烧分解产物所组成。烟气的组成成分和数量取决于可燃物的化学组成和燃烧时的温度、氧的供给等燃烧条件。在完全燃烧的条件下，物质燃烧产生的烟雾成分以二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等为主；在不完全燃烧条件下，不仅有上述燃烧生成物，还会有醇、醚等有机化合物。含炭量多的物质，在氧气不足的条件下燃烧时，有大量的炭粒子产生。通常，烟雾在低温时，即阴燃阶段，以液滴粒子为主，烟气发白或呈青白色。当温度上升至起火阶段时，因发生脱水反应，产生大量的游离的炭粒子，常呈黑色或灰黑色。烟雾的流动扩散速度与烟雾的温度和流动方向有关。烟雾在水平方向的扩散流动速度，一般为0.3米/秒～0.8米/秒。烟气在垂直方向的扩散流动速度较大，通常为1米/秒～5米/秒。在楼梯间或管道井中，由于烟囱效应产生的拔力，烟气流动的速度可达6米/秒～8米/秒。烟雾对人体的危害主要是因燃烧产生的有毒气体所引起的窒息和对人体器官的刺激，以及高温作用。

火灾时，由于燃烧要消耗大量的氧气，使空气中的氧浓度显著下降，人长时间呆在这种低氧的环境中，就会造成呼吸障碍、失去理智、痉挛、脸色发青，甚至窒息死亡，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。

火灾时可燃物燃烧还会产生一些对人体有较强刺激作用的气体，让人无法看清方向，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。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，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，会产生恐怖感，以致惊慌失措，给组织疏散灭火行动造成很大困难。同时，烟气有遮光作用，对疏散和救援活动会造成很大的障碍。燃烧时产生的高温烟雾，也是造成人员伤亡的主要原因之一。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。

二、高层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。当房间门向走廊开启时，烟雾的流动情况变得更复杂，它将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。

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。

2.气体膨胀。温度升高而引起的气体膨胀是影响烟雾流动较为重要的因素。根据气体膨胀定律，可推算出着火期间着火区域内的气体体积将扩大3倍，其中2/3气体将转移到建筑物的其他部分。而且膨胀过程发生相当迅速，并造成相当大的压力，这些压力如果不采取措施减弱，就会迫使烟从着火层往上和往下向建筑物其他部分流动。

3.烟囱效应。当室内空气温度高于室外时，由于室内外空气容重的不同而产生浮力。建筑物内上部的压力大于室外压力，下部的压力小于室外压力。当外墙上有开口时，通过建筑物上部的开口，室内空气流向室外；通过下部的开口，室外空气流向室内。这种现象，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。由烟囱效应造成的压力差和气流分布，以及中性压力面的位置，取决于建筑物内分隔物的开口对气体流动的限制程度。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。因此烟囱效应对建筑物的空气的流动起着重要作用。

4.室内风向、风力、风速对高层烟雾流动有显著影响，且这种影响随建筑物的形状与规模而变化。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、烟雾的控制

高层建筑物由于火灾中人员撤离所需时间大致与建筑物高度成正比，所以一般撤离的时间较长，而在楼梯间和楼内远离着火区的其他地方形成难以忍受的烟雾状况所需时间则较短。在加拿大进行的实验表明，每层240人的条件下，通过一座1.1米宽的楼梯向外疏散，一幢11层的楼房疏散时间需要6.5分钟，一幢50层的楼房疏散的时间需要2小时11分，而一幢高100米的建筑在无阻拦的情况下，烟雾能在半分钟内达到顶层。因此在发生火灾期间全部撤出建筑物内的人员是很困难的，如让住户留在高层建筑内，全面的消防安全系统必须包括对烟和火焰的控制，使某些特定区域内的烟浓度始终能维持在建筑使用者可以忍受的水平内。这些特定的区域包括楼梯间以及所有使用者都易到达并足以容纳他们的楼层空间等。

控制烟雾有“防烟”和“排烟”两种方式。“防烟”是防止烟的进入，是被动的；相反，“排烟”是积极改变烟的流向，使之排出户外，是主动的，两者互为补充。目前采取的烟雾控制措施有：

1.限制烟雾的产生量。防烟最好的办法在于消除发烟的源头。因此，在高层建筑中，应设计火灾报警系统及自动灭火系统，以便尽早发现火灾，在大量浓烟产生之前扑灭火灾或控制火灾发展。同时，在选用房屋建材及装饰材料、家具时，应尽可能采用发烟性小的材料，以便不幸发生火灾时，发生烟量小，发烟速度慢，相对地有较充裕的逃生时间，减少对生命的威胁。目前，日本、美国、法国等国家都规定在一些重要公共建筑物内，吊顶、地板、墙壁的装饰不许采用可燃物，经常派消防官员到各大饭店检查那里的家具、窗帘、地毯是不是阻燃的，核算火灾荷载。

2.充分利用建筑物的构造进行自然排烟。自然排烟是在自然力的作用下，使室内外空气对流进行排烟。一般采用可开启的外窗和窗外阳台或凹廊进行自然排烟。

3.设置机械加压送风防烟系统。其目的是为了在高层建筑物发生火灾时提供不受烟气干扰的疏散路线和避难场所。设置这种系统的部位应视建筑物的具体情况而定，一般有：不具备自然排烟条件的防烟楼梯间及其前室；可开窗自然排烟的楼梯间但不具备自然排烟条件的前室；不具备自然排烟条件的消防电梯前室；受楼梯井和消防电梯井烟囱效应影响的合用前室；封闭室避难间等。对非火灾区域及疏散通道等应迅速采用机械加压送风的防烟措施，使该区域的空气压力高于火灾区域的空气压力、防止烟气的侵入，控制火灾的蔓延。

4.利用机械装置进行机械排烟。这种排烟方式一般都是利用排风机进行强制排烟。据有关资料介绍，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，因此对人员安全疏散和灭火起到重要作用。利用这种方式进行排烟在设计和使用上应划分防烟分区，合理有效地利用隔墙、挡烟垂壁等进行排烟。

此外，加强防烟知识宣传，根据火灾时人们在异常心理状态下的行动特点，制定相应的避难疏散计划，配备足够的避难器材也是很重要的。