本篇内容为刘谛老师版2019年一级消防工程师《消防安全技术实务》精讲班培训课程-消防基础知识-火灾（二），配试题练习，含消防安全技术实务课程视频、培训课件讲义，包括建筑火灾烟气的流动过程、建筑室内火灾发展的阶段等，免费试听刘谛老师精讲班课程>>
第一篇 消防基础知识
第4讲 火灾（二）
二、建筑火灾烟气的流动过程
火灾发生在建筑内时，烟气流动的方向通常是火势蔓延的一个主要方向。 500℃以上热烟所到之处，遇到的可燃物都有可能被引燃。烟气流动会受到建筑结构、开口和通风条件等限制。建筑内墙门窗、楼梯间、坚井管道、穿墙管线、闷顶以及外墙面开口等成为烟气蔓延的主要途径。
了解建筑火灾烟气蔓延流动的过程和规律，对于理解火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、防烟排烟系统等建筑消防设施的设计原理以及建筑构件耐火等级要求、人员安全疏散设计要求具有十分重要的意义。
（一）烟气流动的路线及特点
建筑发生火灾时，烟气扩散蔓延主要呈水平流动和垂直流动。在建筑内部，烟气流动扩散一般有三条路线。第一条，也是最主要的一条：着火房间→走廊→楼梯间→上部各楼层→室外;第二条：着火房间→室外;第三条：着火房间→相邻上层房间→室外。
1.着火房间内的烟气流动
火灾过程中，由于热浮力作用，燃烧产生的热烟气从火焰区直接上升到达楼板或者顶棚， 然后会改变流动方向沿顶棚水平扩散。由于受冷空气掺混以及楼板、顶棚等建筑围护结构的阻 挡，水平方向流动扩散的烟气温度逐渐下降并向下流动。逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧 区，形成了室内的自然对流流动，火越烧越旺，如图 1-2-1所示。着火房间内顶棚下方逐渐积累形成稳定的烟气层。
描述室内烟气流动特点和规律涉及几个重要的概念，包括烟气羽流、顶棚射流、烟气层沉 降，以下作简单介绍。
（1）烟气羽流。在一般的建筑房间内，内部物品多为固体。当可燃固体受到外界条件的影 响开始燃烧时，首先发生阴燃。当达到一定温度并且有适合的通风条件时，阴燃便转变为明火 燃烧。明火出现后，可燃物迅速燃烧。燃烧中，火源上方的火焰及燃烧生成的流动烟气通常称 为火羽流，如图 1-2-2 所示。在燃烧表面上方附近为火焰区，它又可以分为连续火焰区和间 歇火焰区。而火焰区上方为燃烧产物即烟气的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其 为烟气羽流或浮力羽流。由于浮力作用，烟气流会形成一个热烟气团，在浮力的作用下向上运 动，在上升过程中卷吸周围新鲜空气与原有的烟气发生掺混。
（2）顶棚射流。当烟气羽流撞击到房间的顶棚后，沿顶棚水平运动，形成一个较薄的顶棚 射流层，称为顶棚射流。由于它的作用，使安装在顶棚上的感烟探测器、感温探测器和洒水喷 头产生响应，实现自动报警和喷淋灭火。图1-2-3 所示为无限大顶棚以下的理想化顶棚射 流。
在实际建筑火灾初期，产生的热烟气不足以在室内上方积聚形成静止的热烟气层，在顶棚 与静止环境空气之间的顶棚射流烟气层会出现迅速流动的现象。当顶棚射流的热烟气通过顶棚表面和边缘的开口排出，可以延缓热烟气在顶棚以下积聚。热烟气羽流经撞击顶棚后形成顶棚射流流出着火区域。由于热烟气层的下边界会水平卷吸环境空气，因此热烟气层在流动的过程 中逐渐加厚，空气卷吸使顶棚射流的温度和速度降低。另外，当热烟气沿顶棚流动时，与顶棚 表面发生的热交换也使得靠近顶棚处的烟气温度降低。研究表明，假设顶棚距离可燃物的垂直 高度为H，多数情况下顶棚射流层的厚度约为距离顶棚以下高度H的 5% - 12% ，而顶棚射流 层内最大温度和最大速度出现在距离顶棚以下高度H的1%。顶棚射流的最大温度和最大速 度值是估算火灾探测器和喷头热响应的重要基础。
（3）烟气层沉降。随着燃烧持续发展，新的烟气不断向上补充，室内烟气层的厚度逐渐增加，在这一阶段，上部烟气的温度逐渐升高、浓度逐渐增大，如果可燃物充足，且烟气不能充 分地从上部排出，烟气层将会一直下降，直到浸没火源。由于烟气层的下降，使得室内的洁净 空气减少，烟气中的未燃可燃成分逐渐增多。如果着火房间的门、窗等开口是敞开的，烟气会 沿这些开口排出 根据烟气的生成速率，并结合着火房间的几何尺寸，可以估算出烟气层厚度 随时间变化的状况
发生火灾时，应设法通过打开排烟口等方式，将烟气层限制在一定高度内。否则，着火房 间烟气层下降到房间开口位置，如门窗或其他缝隙时，烟气会通过这些开口蔓延扩散到建筑的其他地方
2. 走廊的烟气流动
随着火灾的发展，着火房间上部烟气层会逐渐增厚。如果着火房间设有外窗或专门的排烟 口时，烟气将从这些开口排至室外。若烟气的生成量很大，致使外窗或专设排烟口来不及排除 烟气，烟气层厚度会继续增大。当烟层厚度增大到超过挡烟垂壁的下端或房门的上缘时，烟气 就会沿着水平方向蔓延扩散到走廊中去。着火房间内烟气向走廊的扩散流动是火灾烟气流动的主要路线
3. 竖井中的烟气流动
走廊中的烟气除了向其他房间蔓延外，还要向楼梯间、电梯间、竖井、通风管道等部位扩 散，并迅速向上层流动。
烟气在竖井流动过程中，当坚井内部温度比外部高时，相应内部压力也会比外部高。此 时，如果竖井的上部和下部都有开口，气体会向上流动，且在一定高度形成压力中性平面（室 内外压力平衡的理论分界面，简称中性面）。对于开口截面积较大的建筑，相对于浮力所引起 的压差而言，气体在竖井内流动的摩擦阻力可以忽略不计，由此可认为竖井内气体流动的驱动 力仅为浮力。
（二）烟气流动的驱动力
这里主要介绍烟囱效应、火风压和外界风的作用。
1.烟囱效应
当建筑物内外的温度不同时，室内外空气的密度随之出现差别，这将引发浮力驱动的流 动。如果室内空气温度高于室外，则室内空气将发生向上运动，建筑物越高，这种流动越强。 竖井是发生这种现象的主要场合，在竖井中，由于浮力作用产生的气体运动十分显著，通常称 这种现象为烟囱效应。在火灾过程中，烟囱效应是造成烟气向上蔓延的主要因素。
2. 火风压
火风压是指建筑物内发生火灾时，在起火房间内，由于温度上升，气体迅速膨胀，对楼板 和四壁形成的压力。火风压的影响主要在起火房间，如果火风压大于进风口的压力，则大量的烟 火将通过外墙窗口，由室外向上蔓延;若火风压等于或小于进风口的压力，则烟火便全部从内 部蔓延，当它进入楼梯间、电梯井、管道井、电缆井等坚向孔道以后，会大大加强烟囱效应。
烟囱效应和火风压不同，它能影响全楼。多数情况下，建筑物内的温度大于室外温度，所 以室内气流总的方向是自下而上的，即正烟囱效应。起火层的位置越低，影响的层数越多。在 正烟囱效应下，若火灾发生在中性面以下的楼层，火灾产生的烟气进入坚井后会沿竖井上升， 一旦升到中性面以上，烟气不单可由竖井上部的开口流出来，也可进入建筑物上部与竖井相连 的楼层;若中性面以上的楼层起火，当火势较弱时，由烟囱效应产生的空气流动可限制烟气流 进竖井，如果着火层的燃烧强烈，则热烟气的浮力足以克服竖井内的烟囱效应，仍可进入竖井 而继续向上蔓延。
因此，对高层建筑中的楼梯间、电梯井、管道井、天井、电缆井、排气道、 中庭等坚向孔道，如果防火处理不当，就形同一座高耸的烟囱，强大的抽拔力将使火沿着竖向 孔道迅速蔓延。
3. 外界风的作用
风的存在可在建筑物的周围产生压力分布，而这种压力分布能够影响建筑物内的烟气流 动。建筑物外部的压力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和方向、建筑物的高度和 几何形状等。风的影响往往可以超过其他驱动烟气运动的力（自然和人工）。一般来说，风朝 着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风方向 的流动。
三、建筑室内火灾发展的阶段
（一）初期增长阶段
初期增长阶段从室内出现明火算起。此阶段燃烧面积较小，只局限于着火点附近的可燃 物燃烧，仅局部温度较高，室内各处的温度相差较大，平均温度较低，其燃烧状况与敞开环境中的燃烧状况差别不大。该阶段由于燃烧范 围小，室内供氧相对充足，燃烧的速率主要 受控于可燃物的燃烧特性，而与通风条件无 关，因此，此阶段的火灾属于燃料控制型火灾。随着燃烧的持续，该阶段可能进一步发展形成更大规模的火灾，也可能中途自行熄 灭，或因灭火设施动作或人为的干预而被熄 灭（如图 1-2-5 虚线所示）。初期阶段持 续时间的长短不定。
（二）充分发展阶段
室内燃烧持续一定时间后，如果燃料充足，通风良好，燃烧会继续发展，燃烧范围不断扩 大，室内温度不断上升，当未燃的可燃物表面达到其热解温度后，开始分解释放出可燃气体。 当室内温度继续上升到一定程度时，会出现燃烧面积和燃烧速率瞬间迅速增大，室内温度突增 的现象，即轰燃，标志着室内火灾由初期增长阶段转变为充分发展阶段。
（三）衰减阶段
在火灾全面发展阶段的后期，随着室内可燃物数量的减少，燃烧速度减慢，燃烧强度减弱，温度逐渐下降。一般认为，当室内平均温度下降到其峰值的80%时，火灾进入衰减阶段。最后，由于燃料基本耗尽，有焰燃烧逐渐无法维持，室内只剩一堆赤热焦化后的炭持续无焰燃烧，其燃烧速度已变得相当缓慢，直至燃烧完全熄灭。
上述后两个阶段是可燃物数量充足、通风良好的情况下，室内火灾的自然发展过程。实际 上，一旦室内发生火灾，常常伴有人为的灭火行动或者自动灭火设施的启动，因此会改变火灾 的发展进程。不少火灾尚未发展就被扑灭，这样室内就不会出现破坏性的高温。如果灭火过程 中，可燃材料中的挥发分并未完全析出，可燃物周围的温度在短时间内仍然较高，易造成可燃 挥发分继续析出，一且条件合适，可能会出现死灰复燃的情况，这种情况不容忽视。
四、建筑室内火灾的特殊现象
（一）轰燃
轰燃是指室内火灾由局部燃烧向所有可燃物表面都燃烧的突然转变。室内轰燃是一种瞬态 过程，其中包含着室内温度、燃烧范围、气体浓度等参数的剧烈变化。目前研究认为，当建筑 室内火灾出现以下三种情况，即可判断发生了轰燃：一是顶棚附近的气体温度超过某一特定值 （约 600℃） ;二是地面的辐射热通量超过某一特定值（约 20 kW/㎡）; 三是火焰从通风开口喷 出。影响轰燃发生的重要因素包括室内可燃物的数量、燃烧特性与布局、房间的大小与形状、 开口的大小、位置与形状、室内装修装饰材料热惯性（即导热系数、密度和比热组合成的一个 参数，决定热量吸收的多少）等。
（二）回燃
根据美国消防协会 （NFPA） 的定义，回燃是指当室内通风不良、燃烧处于缺氧状态时， 由于氧气的引入导致热烟气发生的爆炸性或快速的燃烧现象。回燃通常发生在通风不良的室内 火灾门窗打开或者被破坏的时候。这是因为对于通风不良的室内环境中，长时间燃烧后聚集 大量具有可燃性的不完全燃烧产物和热解产物，这些处于气相的可燃性物质包括可燃气体、可 燃液滴和碳烟粒子，它们组成了一个可燃性的气相混合物，而且其浓度随着燃烧时间的增长而 不断变大。但由于室内通风不良、供氧不足，氧气的浓度低于可燃气相混合物爆炸的临界氧浓 度，因此不会发生爆炸。
然而，当房间的门窗被突然打开，或者因火场环境受到破坏，大量空气随之涌入，室内氧气浓度迅速升高，使得可燃气相混合物进入爆炸极限浓度范围内，从而发生爆炸性或快速的燃烧现象。回燃发生时，室内燃烧气体受热膨胀从开口逸出，在高压冲击波 的作用下形成喷出火球。回燃产生的高温高压和喷出火球不仅会对人身安全产生极大威胁，而 且还会对建筑结构本身造成较强破坏。
第四节 防火和灭火的基本原理与方法
二、灭火的基本原理与方法
（一）冷却灭火
可燃物一旦达到着火点，就会燃烧或持续燃烧。在一定条件下，将可燃物的温度降到着火 点以下，燃烧即会停止。对于可燃固体，将其冷却在燃点以下;对于可燃液体，将其冷却在闪 点以下，燃烧反应就可能会中止。用水扑灭一般固体物质引起的火灾，主要是通过冷却作用来 实现的，水具有较大的比热容和很高的汽化热，冷却性能很好。在用水灭火的过程中，水大量 地吸收热量，使燃烧物的温度迅速降低，使火焰熄灭、火势得到控制、火灾终止。水喷雾灭火 系统（详见第三篇第四章）的水雾，其水滴直径细小，比表面积大，和空气接触范围大，极易 吸收热气流的热量，也能很快地降低温度，效果更为明显。
（二）隔离灭火
在燃烧三要素中，可燃物是燃烧的主要因素。将可燃物与氧气、火焰隔离，就可以中止燃烧、扑灭火灾。例如，自动喷水一泡沫联用系统在喷水的同时喷出泡沫，泡沫覆盖于燃烧液体或固体的表面，在发挥冷却作用的同时，将可燃物与空气隔开，从而可以灭火。再如，在扑灭可燃液体或可燃气体火灾时，迅速关闭输送可燃液体或可燃气体管道的阀门，切断流向着火区的可燃液体或可燃气体的输送管道，同时打开可燃液体或可燃气体通向安全区域的阀门，使已经燃烧或即将燃烧或受到火势威胁的容器中的可燃液体、可燃气体转移。
（三）窒息灭火
可燃物的燃烧是氧化作用，需要在最低氧浓度以上才能进行，低于最低氧浓度，燃烧不能 进行，火灾即被扑灭。一般氧浓度低于 15％时，就不能维持燃烧。在着火场所内，可以通过 灌注非助燃气体，如二氧化碳、氮气、蒸汽等，来降低空间的氧浓度，从而达到窒息灭火。此 外，水喷雾灭火系统工作时，喷出的水滴吸收热气流热量而转化成蒸汽，当空气中水蒸气浓度 达到 35% 时，燃烧即停止，这也是窒息灭火的应用。
（四）化学抑制灭火
由于有焰燃烧是通过链式反应进行的，如果能有效地抑制自由基的产生或降低火焰中的自由基浓度，即可使燃烧中止。化学抑制灭火的常见灭火剂有干粉灭火剂和七氟丙烷灭火剂。化 学抑制灭火速度快，使用得当可有效地扑灭初期火灾，减少人员伤亡和财产损失。该方法对于 有焰燃烧火灾效果好，而对深位火灾由于渗透性较差，灭火效果不理想。在条件许可的情况下，采用化学抑制灭火的灭火剂与水、泡沫等灭火剂联用会取得明显效果。
思考题
1. 火灾按燃烧对象是如何分类的？
3 . 简述建筑室内着火房间内烟气流动过程？
4 . 建筑室内火灾发展可分为几个阶段？分别有何特点？
5 . 灭火的基本方法有哪些？
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