第三節 建筑火災發展及蔓延的機理

一、建筑火災蔓延的傳熱基礎

熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射 （圖1-2-2）。

（一） 熱傳導

熱傳導又稱導熱，屬于接觸傳熱，是連續介質就地傳遞熱量而又沒有各部分之間相對的宏觀位移的一種傳熱方式。在固體內部，只能依靠導熱的方式傳熱；在流體中，盡管也有導熱現象發生，但通常被對流運動所掩蓋。一些常用材料的導熱系數見表1-2-2。

（二） 熱對流

熱對流又稱對流，是指流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。由于流體中存在溫度差，所以也必然存在導熱現象，但導熱在整個傳熱中處于次要地位。工程上常把具有相對位移的流體與所接觸的固體表面之間的熱傳遞過程稱為對流換熱。起火房間內的自然對流如圖1-2-3所示。

一般來說，建筑發生火災過程中，通風孔洞面積越大，熱對流的速度越快；通風孔洞所處位置越高，對流速度越快。熱對流對初起火災的發展起重要作用。

（三） 熱輻射

熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式。與熱傳導和熱對流不同的是，熱輻射在傳遞能量時不需要互相接觸即可進行。最典型的例子是太陽向地球表面傳遞熱量的過程。

例： 建筑保溫材料內部傳熱的主要方式是 （）。（2017真題）

A.絕熱　B.熱傳導　C.熱對流　D.熱輻射

參考答案： B

二、建筑火災煙氣的流動過程

火災發生在建筑內時，煙氣流動的方向通常是火勢蔓延的一個主要方向。500℃以上熱煙所到之處，遇到的可燃物都有可能被引燃。

（一） 煙氣流動的路線及特點

建筑發生火災時，煙氣擴散蔓延主要呈水平流動和垂直流動。在建筑內部，煙氣流動擴散一般有三條路線。第一條，也是最主要的一條：著火房間→走廊→樓梯間→上部各樓層→室外；第二條：著火房間→室外；第三條：著火房間→相鄰上層房間→室外。

1.著火房間內的煙氣流動

描述室內煙氣流動特點和規律涉及幾個重要的概念，包括煙氣羽流、頂棚射流、煙氣層沉降。

（1） 煙氣羽流。燃燒中，火源上方的火焰及燃燒生成的流動煙氣通常稱為火羽流。而火焰區上方為燃燒產物即煙氣的羽流區，其流動完全由浮力效應控制，一般稱其為煙氣羽流或浮力羽流。由于浮力作用，煙氣流會形成一個熱煙氣團，在浮力的作用下向上運動，在上升過程中卷吸周圍新鮮空氣與原有的煙氣發生摻混。火源上方的火羽示意圖如圖1-2-4所示。

（2） 頂棚射流。當煙氣羽流撞擊到房間的頂棚后，沿頂棚水平運動，形成一個較薄的頂棚射流層，稱為頂棚射流。由于它的作用，使安裝在頂棚上的感煙探測器、感溫探測器和灑水噴頭產生響應，實現自動報警和噴淋滅火 （圖1-2-5）。

研究表明，假設頂棚距離可燃物的垂直高度為H，多數情況下頂棚射流層的厚度約為距離頂棚以下高度H的5%～12%，而頂棚射流層內最高溫度和最大速度出現在距離頂棚以下高度H的1%處。頂棚射流的最高溫度和最大速度值是估算火災探測器和噴頭熱響應的重要基礎。

（3） 煙氣層沉降。發生火災時，應設法通過打開排煙口等方式，將煙氣層限制在一定高度內。否則，起火房間煙氣層下降到房間開口位置，如門、窗或其他縫隙時，煙氣會通過這些開口蔓延擴散到建筑的其他地方 （圖1-2-6）。

2.走廊的煙氣流動 （圖1-2-7）

3.豎井中的煙氣流動

走廊中的煙氣除了向其他房間蔓延外，還會向樓梯間、電梯間、豎井、通風管道等部位擴散，并迅速向上層流動。豎井中的煙氣流動如圖1-2-8所示。

對于開口截面面積較大的建筑，相對于浮力所引起的壓差而言，氣體在豎井內流動的摩擦阻力可以忽略不計，由此可認為豎井內氣體流動的驅動力僅為浮力。

（二） 煙氣流動的驅動力

1.煙囪效應

當建筑物內外的溫度不同時，室內外空氣的密度隨之出現差別，這將引發浮力驅動的流動。豎井是發生這種現象的主要場合，在豎井中，由于浮力作用產生的氣體運動十分顯著，通常稱這種現象為煙囪效應。在火災過程中，煙囪效應是造成煙氣向上蔓延的主要因素。

2.火風壓

火風壓是指建筑物內發生火災時，在起火房間內，由于溫度上升，氣體迅速膨脹，對樓板和四壁形成的壓力 （圖1-2-9）。

火風壓的影響主要在起火房間，如果火風壓大于進風口的壓力，則大量的煙火將通過外墻窗口，由室外向上蔓延 （圖1-2-10）。

若火風壓等于或小于進風口的壓力，則煙火便全部從內部蔓延，當它進入樓梯間、電梯井、管道井、電纜井等豎向孔道以后，會大大加強煙囪效應。

煙囪效應和火風壓不同，它能影響全樓。

3.外界風

外界風的影響如圖1-2-11所示。

三、建筑室內火災發展的階段

（一） 初期增長階段

初期增長階段從室內出現明火算起，此階段燃燒面積較小，只局限于起火點附近的可燃物燃燒，僅局部溫度較高，室內各處的溫度相差較大，平均溫度較低，其燃燒狀況與敞開環境中的燃燒狀況差別不大。建筑內火災溫度-時間曲線如圖1-2-12所示。

初期增長階段由于燃燒范圍小，室內供氧相對充足，燃燒的速率主要受控于可燃物的燃燒特性，而與通風條件無關，因此，此階段的火災屬于燃料控制型火災。

隨著燃燒的持續，初期增長階段可能進一步發展形成更大規模的火災，也可能中途自行熄滅，或因滅火設施動作或人為的干預而被熄滅。初期增長階段持續時間的長短不定。

（二） 充分發展階段

室內燃燒持續一定時間后，如果燃料充足，通風良好，燃燒會繼續發展，燃燒范圍不斷擴大，室內溫度不斷上升，當未燃的可燃物表面達到其熱解溫度后，開始分解釋放出可燃氣體。當室內溫度繼續上升到一定程度時，會出現燃燒面積和燃燒速率瞬間迅速增大，室內溫度突增的現象，即轟燃，標志著室內火災由初期增長階段轉變為充分發展階段。

（三） 衰減階段

在火災全面發展階段的后期，隨著室內可燃物數量的減少，火災燃燒速度減慢，燃燒強度減弱，溫度逐漸下降，一般認為，當室內平均溫度下降到其峰值的80%時，火災進入衰減階段。最后，由于燃料基本耗盡，有焰燃燒逐漸無法維持，室內只剩一堆赤熱焦化后的炭持續無焰燃燒，其燃燒速度已變得相當緩慢，直至燃燒完全熄滅。

上述后兩個階段是在可燃物數量充足，通風良好情況下，室內火災的自然發展過程 （圖1-2-13）。

四、建筑室內火災的特殊現象

室內火災發展過程中出現的轟燃現象，是火災發展的重要轉折點。轟燃所占時間較短，通常只有數秒或者幾分鐘，因此把它看作一種現象，而不作為一個階段。回燃則是建筑火災過程中發生的具有爆炸性的特殊現象，對人身財產安全、建筑結構本身均易造成較大的威脅和破壞。

（1） 轟燃。當建筑室內火災出現以下三種情況，即可判斷發生了轟燃：一是頂棚附近的氣體溫度超過某一特定值 （約600℃）；二是地面的輻射熱通量超過某一特定值 （約20kW/m² ）；三是火焰從通風開口噴出。影響轟燃發生的重要因素包括室內可燃物的數量、燃燒特性與布局、房間的大小與形狀、開口的大小、位置與形狀、室內裝修裝飾材料熱慣性 （即導熱系數、密度和比熱組合成的一個參數，決定熱量吸收的多少） 等。

（2） 回燃。回燃是指當室內通風不良、燃燒處于缺氧狀態時，由于氧氣的引入導致熱煙氣發生的爆炸性或快速的燃燒現象。回燃通常發生在通風不良的室內火災門窗打開或者被破壞的時候。回燃如圖1-2-14所示。

室內發生火災時，處于氣相的可燃混合物濃度和室內的氧濃度是回燃發生的決定性因素。回燃的劇烈程度隨室內可燃氣相混合物濃度的增加而增大。室內火災中可燃氣相混合物濃度的大小，主要取決于室內可燃物的類型、火災荷載密度、通風條件以及燃燒時間等。