1　建筑消防相關知識

1.1　火災基礎知識

1.1.1　火災燃燒反應的三要素

火災是一種特殊的燃燒現象，可以通過燃燒學的基本規律對火災的發生和蔓延作出分析。比如起火是火災過程的最初階段，很多概念同燃燒學中的著火、點火等基本規律有關，但是又不完全相同，起火所涉及的面比著火和點火要廣得多。因此要特別注意火災燃燒學與一般燃燒學之間的異同點。下面先由一般燃燒學的三要素出發，了解火災發生的基本條件。

在本質上，燃燒反應是可燃物與氧化劑在一定熱源作用下發生的快速氧化-還原反應。具備一定數量和濃度的可燃物和氧化劑以及一定能量強度的引火源是導致燃燒的必要條件。在一些情況下，例如，氣體可燃物或氧化劑未能達到一定濃度，引火源沒有足夠的熱量或一定的溫度，即使具備了燃燒的三個必要條件也不能燃燒。比如，一根火柴的熱量不足以點燃一根木材；甲烷在空氣中燃燒，當甲烷含量小于14％，或者空氣中氧氣含量小于12％時燃燒就不會繼續；如果用熱能引燃甲烷、空氣混合物，當溫度低于595℃時燃燒就不會發生。要發生火災，必須同時具備可燃物、氧化劑以及引火源三個條件并達到一定的極限值，缺一不可，通常稱為發生火災的三要素，或叫作火三角。

1.1.1.1　可燃物

凡是能與空氣中的氧或者其他氧化劑起劇烈化學反應且放出熱量的物質都屬于可燃物質。可燃物是多種多樣的，不同類型建筑物內能夠導致火災的可燃物種類更加繁多。例如，化工生產設備內流動著大量高溫、高壓的易燃以及可燃液體，只要管道出現漏洞，噴出來就是火；工地上的生石灰遇火發熱能將草袋燒著；住宅類建筑里的煤氣及家用電器等，使用不當也會導致火災。可燃物按來源可分為天然可燃物和各種人工聚合物，如木材、紙張、布匹、汽油、液化石油氣、建筑裝飾用板材、沙發以及窗簾等。按形態可分為固態、液態和氣態可燃物三種。可燃物從組成上講可以是由一種分子組成的單純物質，例如H2、CO、CH4、H2S等部分可燃氣體和低分子的可燃液體。絕大部分可燃物均為多種單純物質的混合物或多種元素的復雜化合物。例如天然氣的組分一般主要包括甲烷（CH4）和氫氣，液化石油氣的主要組分包括丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）以及丁烯（C4H8）等多種碳氫化合物。火災燃燒產物中也含有未完全燃燒的可燃氣體，以及多種可燃液滴及固體顆粒。對于人工聚合物，其成分更加復雜，火災燃燒產物中常含有大量的毒性成分，火災危險性更為嚴重。物品的火災危險性類別如表1-1所列。從表1-1中可以看出，甲類物品的閃點較低，爆炸極限范圍寬，其火災危險性最大。在建筑設計中，針對各種不同物品的燃燒特性與火災危險性，應分別采取相應的防火阻燃及滅火技術措施。

建筑物中可燃物種類很多，其燃燒發熱量也由于材料性質不同而異。為便于研究，在實際中常根據燃燒熱值將某種材料換算為等效發熱量的木材，用等效木材的質量表示可燃物的數量，叫作當量可燃物的量。通常地說，大空間所容納的可燃物比小空間要多，因此當量可燃物的數量與建筑面積或容積的大小有關。為便于研究火災性狀，通常把火災范圍內單位地板面積的當量可燃物的質量（kg/m2）定義為火災荷載。房間中火災荷載的總和，叫作當量可燃物總量。當量可燃物總量與房間中單位面積上的實際可燃物數量和各種可燃物的實際總數量有所不同。火災荷載可按下列公式進行計算：

式中　W——火災荷載，kg/m2；

Gi——某可燃物質量，kg；

Hi——某可燃物熱值，kJ/kg；

H0——木材的熱值，kJ/kg；

AF——室內的地板面積，m2：

∑Qi——室內各種可燃物的總發熱量，kJ。

火災荷載是衡量建筑物室內所容納可燃物數量多少的一個參數，為分析建筑物火災危險性的一個重要指標，是研究火災發展階段特性的基本要素，火災荷載和燃燒特性的關系參見表1-2。

在建筑物發生火災時，火災荷載直接決定著火災持續時間的長短及室內溫度的變化情況。所以，在進行建筑結構防火設計時，很有必要了解火災荷載的概念，合理確定火災荷載數值。試驗表明，火災荷載為60kg/m2時，其持續燃燒時間為1.3h。通常住宅樓的火災荷載為35～60kg/m2，高級賓館達到45～60kg/m2。這樣當火災發生時，因為火災荷載大，火勢燃燒猛烈，燃燒持續時間長，火災危險性增大。

1.1.1.2　氧化劑

凡是能幫助和支持燃燒的物質都叫作氧化劑。火災時空氣中的氧氣是一種最常見的氧化劑。在熱源能夠滿足持續燃燒要求的前提下，氧化劑的量與供應方式是影響和控制火災發展勢態的決定性因素。地下建筑火災中常利用“封堵降氧”的方法控制火勢的發展。

1.1.1.3　引火源

能引起可燃物質燃燒的熱能源稱為引火源，引火源可以是明火，也可以是高溫物體，如火焰、電火花、高溫表面、自然發熱、光以及熱射線等，它們的能量和能級存在很大差別。在一定溫度和壓力下，能引起燃燒所需的最小能量叫作最小點火能，這是衡量可燃物著火危險性的一個重要參數。一般，可燃混合氣的初溫增加，最小點火能減少；壓力降低，則最小點火能增大。當壓力降至某一臨界壓力時，可燃混合氣就很難著火。

下面以球形電火花為例，簡述最小點火能的概念。圖1-1為電火花點火的簡化模型，相應的簡化條件為：

①可燃混合氣體處在靜止狀態；

②電極間距足夠大（不考慮電極的冷熄作用）；

③化學反應為二級反應。

假設從球心到球面溫度分布均勻，球形火焰溫度是絕熱火焰溫度（Tm），環境溫度為T∞。點燃的判斷依據為在火焰厚度δ內形成Tm～T∞的穩定分布。

則要使半徑為rmin球體內的可燃混合氣體用電火花將其由T∞加熱至Tm時，所需要的最小點火能Hmin（kJ）應為：

式中　k1——修正系數，用來修正電火花加熱溫度總低于Tm而帶來的誤差；

Tm——球形火焰溫度，K；

T∞——環境溫度，K；

rmin——球形可燃混合氣體半徑，m；

cp——可燃混合氣體比定壓熱容，kJ/（kg·K）；

ρ——可燃混合氣體密度，kg/m3。

實踐證明，多數火花（例如電閘跳火）具有這個能量，所以，必須加強對明火的控制。

1.1.2　不同種類可燃物的火災燃燒特性

1.1.2.1　可燃氣體的火災燃燒特性

（1）可燃氣體的著火。建筑物火災中的可燃氣體通常有兩類：一類為火災前建筑物內已經存在的燃料氣，如天然氣、液化石油氣以及人工煤氣等；另一類是火災煙氣中由于可燃物不完全燃燒生成的可燃氣體，如CO和H2S等。

任何可燃氣體在一定條件下與氧接觸，均要發生氧化反應。如果氧化反應過程產生的熱量等于散失的熱量，或活化中心濃度增加的數量正好補償其銷毀的數量，這個過程就稱為穩定的氧化反應過程。若氧化反應過程生成的熱量大于散失的熱量，或活化中心濃度增加的數量大于其銷毀的數量，這個過程就叫作不穩定的氧化反應過程。

由穩定的氧化反應轉變為不穩定的氧化反應而導致燃燒的一瞬間，叫作著火。

①熱力著火。一般工程上遇到的著火是因為系統中熱量的積聚，使溫度急劇上升而引起的。這種著火稱為熱力著火。如圖1-2所示為可燃混合物的熱力著火過程。其中曲線L為氧化反應過程發生的熱量隨系統溫度變化的指數曲線，曲線M、M'、M″是隨建筑物或可燃氣體容器內壁溫度升高，系統的散熱曲線。當溫度T0比較低時，散熱線M和發熱曲線L有兩個交點1和2。當建筑物或可燃氣體容器內壁溫度逐漸升高時，散熱線M向右移動，到M'位置時和曲線L相切于i點。i點是穩定狀態的極限位置，如果系統內壁溫度比T0i再升高一點兒，曲線M就移動到M″的位置，曲線L與M″就沒有交點。這時發熱量總是大于散熱量，溫度不斷升高，反應不斷加速，化學反應就由穩定的、緩慢的氧化反應轉變為不穩定、激烈的燃燒。

Q—熱量；T—溫度

發熱曲線L與散熱曲線M'的切點i，稱為著火點，相應于該點的溫度叫作著火溫度或自燃溫度。

根據以上分析可知，著火點是一個極限狀態，超過這個狀態便有熱量積聚，使穩定的氧化反應轉為不穩定的氧化反應。著火點同系統所處的熱力狀態有關。著火溫度除和可燃混合物的特性有關外，還與周圍環境的溫度、壓力以及反應容器的形狀及尺寸等向外散熱的條件有關，即使同一種可燃氣體，著火溫度也不是一個物理常數。在燃料的活性較強、燃燒系統內壓力比較高和散熱較少的情況下，燃料的熱力著火溫度會變得低一些。表1-3給出了1atm（1atm=101325Pa，下同）、298K條件下，某些可燃性物質的最低著火溫度。

大量的試驗及理論分析證明，當混合氣壓力增大時，著火溫度下降，混合氣自燃容易發生。反之，則自燃溫度上升，混合氣不易著火。著火臨界壓力和著火溫度的關系如圖1-3所示。

T0——著火溫度；p——著火臨界壓力

著火溫度還與燃料和空氣的組分比有關。著火臨界壓力也同燃料和空氣的組分比有關，這就是可燃氣體的著火（爆炸）極限，如圖1-4與圖1-5所示。

T0——著火溫度；p——著火臨界壓力

T0——著火溫度；p——著火臨界壓力

由圖1-4、圖1-5可以看出，在一定的壓力和溫度下，并不是所有的可燃混合氣都能著火，燃料氣的濃度低于或者高于某一極限值都不會被點燃或爆炸。可燃性氣體混合物遇明火發生燃燒時可燃氣體的最低濃度，叫作可燃極限下限；遇明火能發生燃燒的最高濃度，稱為可燃極限上限。當壓力或者溫度下降時，可燃極限范圍縮小，火災危險性降低；當壓力或溫度下降到某一值時，可燃極限上限和下限可為一點；當溫度或者壓力繼續下降，則任何混合氣體成分都不能著火。表1-4為若干燃料氣的可燃極限。

②支鏈著火。熱力著火理論為多數燃料在燃燒設備內所經歷的著火過程，也是大多數火災發生的主要原因。也有許多現象不符合熱力著火理論，比如氫氣/氧氣體系在低壓下其可燃界限呈半島形，如圖1-6所示。這種燃燒現象可以通過支鏈著火理論來解釋。

在一定條件下，因為活化中心濃度迅速增加而引起反應加速從而使反應由穩定的氧化反應轉變為不穩定的氧化反應的過程，叫作支鏈著火。例如，磷在大氣中會發生閃光，但溫度并不高；許多液態可燃物（醚、汽油、煤油等）在低壓與溫度只有200～280℃時發生微弱的火光，叫作冷焰。

實際燃燒過程中，不可能有純粹的熱力著火或者支鏈著火存在。事實上，它們是同時存在而且是相互促進的。可燃混合氣的自行加熱不僅加強了熱活化，而且也加強了每個鏈反應的基元反應。通常來說，高溫時熱自燃是著火的主要原因，而在低溫時支鏈反應是著火的主要原因。

（2）可燃氣體的點火。假設可燃混合物中任一點的瞬時溫度與濃度均相等，燃燒反應是在整個系統中同時進行的。而當一微小熱源放入可燃混合物中時，則貼近熱源周圍的一層混合物被迅速加熱，并開始燃燒產生火焰，然后利用湍流混合和傳熱，火焰鋒面逐漸傳播并擴展至整個可燃物，使可燃混合物逐步著火燃燒。這種現象稱為強迫著火。工程中使用得比較普遍的著火方法是強迫著火，點火源可以是灼熱固體顆粒、電火花、引燃火炬以及高溫煙氣回流等。

強迫著火和自燃著火在原理上為一致的，均為化學反應急速加劇的結果。但是，強迫著火要求點火源處的火焰能夠在混合氣中傳播，所以，強迫著火的條件不僅與點火源的性質有關，還與火源的傳播條件有關。為了確保著火成功，并使火焰能在較冷的可燃氣中傳播，強迫著火溫度（點火溫度）通常要比自燃溫度高得多。

（3）可燃氣體的燃燒過程。根據可燃氣體與空氣混合過程的特點，可燃氣體的燃燒過程可歸納為擴散式燃燒和預混式燃燒兩種基本形式。兩者邊混合邊燃燒叫作擴散式燃燒。可燃氣體與空氣在燃燒前即進行預混合的燃燒過程稱為預混式燃燒。火災燃燒中經常出現這種情況，即使可燃組分在預混燃燒階段不能完全燃燒，部分燃料氣進入煙氣中，還可繼續發生擴散燃燒。

①擴散式燃燒。可燃氣體在噴射出來之前沒有同空氣混合，當可燃氣體從存儲容器或者輸送管道中噴射出來時，在適當的點火源能量的作用下，噴射而出的可燃氣體卷吸周圍的空氣，邊混合邊燃燒，形成射流擴散火焰，分為層流與湍流兩種類型。圖1-7為可燃氣體層流擴散火焰示意。層流擴散火焰焰面為圓錐形。焰面上可燃氣體和空氣的混合比等于化學計量比。焰面以內為可燃氣體與燃燒產物的混合區。可燃氣體濃度Cg從火焰中心向焰面逐步降低。焰面以外為空氣和燃燒產物的混合區。氧氣濃度由靜止的空氣層向焰面逐步降低；燃燒產物在焰面上濃度Ccp最大，由焰面向內、外兩側逐步降低。

Ⅰ——外側混合區（煙氣+空氣）；Ⅱ——內側混合區（煙氣+燃氣）；Cg——可燃氣體濃度；Ccp——燃燒產物濃度；a——空氣過剩系數

由噴口平面到火焰錐尖的距離稱為火焰高度，它是表示燃燒狀況的一個重要參數。如圖1-8所示為擴散火焰高度與噴出氣流速度之間的關系。

1——火焰長度終端曲線；2——層流火焰終端曲線

理論和試驗分析的結果表明，當噴口尺寸及形狀一定時，層流擴散火焰高度隨管口噴出氣流速度增加而增長，即：

式中　qV——可燃氣體的體積流量，m3/s；

D——氣體的擴散系數，m2/s；

u——可燃氣體的平均流速，m/s；

R——噴口的當量半徑，m；

Kc，——修正系數。

隨著可燃氣體氣流速度的增大，火焰逐漸由層流轉變為湍流。通過實驗表明，當噴口處的雷諾數約為2000時，進入由層流向湍流的轉變區。當雷諾數達到某一臨界值（通常小于10000）時，整個火焰焰面幾乎完全發展為湍流燃燒。

試驗表明，湍流擴散火焰的高度大致和噴口的半徑成正比，和絕熱火焰溫度、環境初始溫度及空氣和燃料氣的化學當量比有關，和燃料氣的流速無關。噴口氣相射流火焰的特性主要決定于燃料氣噴出的動量，文獻中通常稱之為動量射流火焰。工程計算中，湍流火焰高度還常用以下公式估算。

式中　R——噴口的當量半徑，m；

a——湍流結構系數；

n——燃料氣在空氣中發生化學當量比燃燒時的燃料/空氣比。

人工燃氣的層流擴散火焰溫度最高可達900℃，湍流擴散火焰可以達到1200℃左右。由于火焰部分的溫度較高，可以對鄰近的物體或建筑造成嚴重破壞，所以，在火災防治中，需要關注火焰可能達到的高度。

②預混式燃燒。若由于某種原因致使可燃氣體泄漏，在封閉的泄漏點區域，如建筑物室內就會形成大量的可燃混合氣。如果同時出現點火源，便可引起爆炸。這種爆炸往往引發火災，或者使火災進一步擴大。可燃氣體與空氣混合的程度一般用一次空氣系數a1來表示，即一次空氣量與理論空氣量的比值。一次空氣系數a1=1時，即處于化學當量比燃燒；一次空氣系數a1<1，表明氧氣供應不足，燃料過量，稱為富燃料預混氣，這種狀況的燃燒稱為部分預混式燃燒，一次空氣系數a1>1時，則表明空氣過剩，燃料氣較少，通常稱為貧燃料混氣，處于完全預混式燃燒狀態。火災的初期階段，一般是富燃料預混氣燃燒階段；火災的通風階段處于空氣過剩階段。

如圖1-9所示為部分預混式燃燒形成的本生火焰，由內錐和外錐兩層火焰組成。內錐由可燃氣體與一次空氣混合物的燃燒所形成，其燃燒過程處于動力區內。外錐由尚未燃燒的可燃氣體從周圍空氣中獲得氧氣燃燒所形成，燃燒過程處在擴散區內。由火勢的發展來看，火災的發展及蔓延實際上是一種處于高溫反應區的火焰傳播過程。隨著氣體流動狀態的不同，預混火焰傳播速度可以分為層流火焰傳播速度和湍流火焰傳播速度兩種。

1——內錐面；2——外錐面；h——內錐高度；r——內錐半徑；Sn——火焰傳播速度；v——氣流速度；vn——法線上的分量；φ——法線上的分量與氣流速度間的夾角

層流火焰傳播速度定義是火焰面向層流可燃混合氣中傳播的法向速度。一定溫度及壓力下，可燃混合物的法向火焰傳播速度Sn為反映可燃氣體燃燒特性的一個物理常數，由可燃混合物的物理化學特性所決定。隨著初始溫度的升高，Sn顯著增大。對于烴類碳氫化合物而言，炔族火焰傳播速度最大，其次就是烯類，最小是烷族。法向火焰傳播速度的最大值出現在空氣與可燃氣體按化學計量比混合時。法向火焰傳播速度相應的最大和最小值時可燃物的含量就是可燃混合物的著火下限和上限。表1-5所示為常溫常壓下，若干燃料氣體與空氣混合時的法向火焰傳播速度的最大值，以及在該速度時燃料氣在預混氣中的百分比。

當部分預混火焰內錐表面各點上的氣流速度v在錐體母線的法線上的分量vn與該點的法向火焰傳播速度Sn相等時，則內錐形狀十分穩定，輪廓清晰，呈明亮的藍色錐體。又由于一次空氣量小于燃燒所需的空氣量，所以在藍色錐體上僅僅進行一部分燃燒過程。所生成的中間產物將穿過內錐焰面，在其外部按擴散方式和空氣混合而燃燒：且一次空氣系數越小，則外錐焰就越大。a1=1時，燃燒溫度最高，內錐高度最短；a1<1或者a1>1時，內錐高度均增長。

因為預混湍流火焰比層流火焰明顯縮短，焰面由光滑變為皺曲，火焰厚度增加，火焰總表面積也相應增加。當湍流尺度很大時，焰面將強烈擾動，焰面變為由許多燃燒中心所組成的一個燃燒層，燃燒得到強化。如圖1-10所示為其火焰結構。

1——焰核；2——焰面；3——燃盡區；L1——焰核長度；L2——焰面長度；L3——燃盡區長度；Lf——火焰中長度

預混火焰可向任何有可燃混合氣的地方傳播。當可燃混合氣的氣流速度的法向分速度小于火焰傳播速度時，火焰縮回噴口，叫作回火。回火可能造成混合室與其相連的管道內的溫度和壓力急劇升高，甚至造成爆炸，其破壞性極大，所以，對于預混燃燒應當格外注意防止回火。

部分預混式燃燒由于預混了部分空氣，因此燃燒溫度和燃燒的完全程度有所提高，火焰溫度相對擴散式燃燒較高。當選取適宜的一次空氣系數時，燃燒過程仍屬穩定，并且一次空氣系數越大，燃燒的穩定范圍就越小。

1.1.2.2　可燃液體的火災燃燒特性

（1）液體的燃燒過程。如圖1-11所示為可燃液體的著火過程。液體燃燒主要包括蒸發和氣相燃燒兩大階段。在外界點火源所釋放熱能的作用下，可燃性液體蒸發生成可燃性蒸氣，可燃性蒸氣與氧氣或者氧化劑混合生成的可燃性混合氣，在點火源釋放的熱能作用下，達到著火條件而起火。所以，液體蒸發是液體燃燒的先決條件。在常溫條件下，不同液體的蒸發速率是不同的，因而在液面上方，可燃蒸氣和空氣形成的可燃混合氣的著火能力也有所區別。蒸發快的比蒸發慢的要危險。飽和蒸氣壓及沸點是表征液體蒸發特性的重要參數。

（2）液體的閃燃與點燃。在低溫條件下易燃、可燃液體蒸氣以及空氣混合到達一定的濃度，遇到明火點燃即發生藍色火焰且一閃即滅，不再繼續燃燒的現象，叫作閃燃。出現閃燃的最低溫度叫閃點。由于當時液體蒸發的速率尚不能達到燃燒的需要，所以閃燃出現的時間不長。隨著溫度的升高，液體的蒸發加快，達到著火濃度的時間縮短，此時便有起火甚至爆炸的危險了。實際應用中常用閃點來衡量液體的火災安全特性。液體的閃點越低，蒸發性越好，其火災危險性越大。因此，閃點是易燃、可燃液體即將起火燃燒的前兆。對于防火而言，閃點具有重要的意義。測定閃點有開口杯法和閉口杯法，通常前者用于測定高閃點液體，后者用于測定低閃點液體。

表1-6列出了常見可燃液體的閃點。從表中能夠看出，許多液體的閃點低于常溫。為了便于防火安全管理，通常把閃點低于45℃的液體稱為易燃液體，閃點高于45℃的叫作可燃液體。在建筑防火設計中，常以28℃與60℃為界，把易燃和可燃液體分為甲、乙、丙三類火險物質。閃點小于28℃的可燃液體屬甲類火險物質，比如汽油；閃點大于等于28℃、小于60℃的可燃液體屬乙類火險物質，例如煤油；大于等于60℃的可燃液體屬丙類火險物質，比如柴油、植物油。

隨著液體溫度的升高，其蒸氣濃度會進一步增大，到一定溫度再遇到明火時，便可發生持續燃燒，這一溫度叫作該液體的燃點。與燃料氣的可燃極限類似，可燃液體的著火溫度也有下限與上限之分。著火溫度下限指的是液體在該溫度下蒸發生成的蒸氣濃度等于其可燃極限下限，著火溫度下限也就是該液體的燃點。著火溫度上限指的是該液體在該溫度下蒸發出的蒸氣濃度等于其可燃極限上限。表1-7列出了液體的著火溫度極限。

（3）池火及流淌火災。在表面張力的作用下，當可燃液體由容器或者管道中流淌出來，受到了某種固體壁面阻擋，就極易積聚起來形成不規則的大面積液池。在火災中，可燃液體燃燒的主要形式是液面燃燒，即火焰直接在液池表面上生成，通常稱為池火。盛放在敞口容器中的液體為一種典型的池火。液池的大小可以通過它的當量直徑來度量，是決定池火特性的一個重要參數。伯利諾夫與卡迪亞羅夫對直徑從3.7～22.9mm的碳氫可燃物池火的研究結果表明，池火的液面下降速率及火焰高度隨池火直徑的變化可以分為三個區域：當直徑D小于0.03m時，火焰為層流火焰，液面下降速率隨池火直徑的增加而下降；直徑D>1.0m時，火焰為充分湍流狀態，液面下降速率和池火直徑無關；直徑處在0.03m<D<1.0m范圍時，火焰處于過渡區狀態。如圖1-12所示為常見幾種油類池火中液面下降速度和火焰高度隨池徑的變化。

池火中液面的下降速率可由下式給出：

式中　R——液面下降速率，m/s；

ρ——液體的密度，kg/m3；

Lv——液體蒸發熱，kJ/kg；

——火焰供給液面的面積熱流量，kW/m2；

——其他熱源供給液面的面積熱流量，kW/m2

——通過燃料表面的熱損失速率，kW/m2。

在自燃燃燒情況下，由火焰供給液面的面積熱流量為液體所得到的熱量的主要來源，包括通過容器邊緣對液面的導熱、對液面的直接對流傳熱和輻射換熱三項之和。

式中　D——液面的直徑，m；

TF——火焰的溫度，K；

TL——液體的溫度，K；

K1——綜合考慮各種導熱項而引入的系數，kW/（m3·K）；

K2——對流傳熱系數，kW/（m4·K）；

K3——包括斯忒藩-玻耳茲曼常量和由火焰對液面傳熱的形狀因子；

K4——不僅包括關聯平均光程與液池直徑的比例因子，而且包括火焰中輻射組分的濃度和輻射系數。

1-exp（-K4D）是火焰輻射項。假設K4足夠大，則當D很小時，導熱項決定著燃燒速率；而當D比較大時，輻射項對燃燒速率起控制作用。

一些試驗還證實，液池表面不同徑向位置的燃燒速率也并不相同。對于直徑比較小的池火，靠近池邊的蒸發速率比中心處大，其中甲醇池火十分明顯。而對于大直徑的燃燒池及輻射強的火焰來說，情況正相反。

近年來，因為人為縱火或生產事故，汽油、柴油等可燃液體引發的火災時有發生。當由于某種原因可燃液體由容器中泄漏出來以后，遇到火源而著火，可燃液體就會邊流動邊燃燒，稱為流淌火災。流淌火與固定面積的池火有很大的差別，主要體現在流淌火燃燒表面積不斷擴大，釋熱速率極高，而且其擴展方向不確定，會造成對建筑和設備極大的破壞。在液體火災的防治中，將液體限制在一定的區域內，防止其流淌是一個十分有效的消防措施。

1.1.2.3　可燃固體的火災燃燒特性

圖1-13所示為可燃固體的燃燒過程。可燃固體的燃燒過程大體為：在一定的外部熱量作用之下，固體物質發生熱分解，生成可燃揮發分和固定炭。如果揮發分達到燃點或受到點火源的作用，即發生明火燃燒。穩定的明火向固體燃燒面反饋熱量，使固體燃料的熱分解加強，即使撤掉點火源，燃燒仍能持續進行。當固體本身的溫度達到較高后，固定炭也開始燃燒。由火災防治角度出發，主要關心可燃固體的前期氣相燃燒。

有一些可燃固體受熱之后，先熔化為液體，由液體蒸發生成可燃蒸氣，再以燃料氣的形式發生氣相燃燒。因為這些固體的相對分子質量較大，總會或多或少地產生固定炭，所以其燃燒后期也存在固定炭的燃燒階段。

通常固體燃料是由外部火源點燃的。當固體燃料在明火點燃下剛剛可發生持續燃燒時，其表面的最低溫度叫作該物質的燃點。因為固體的揮發性差，而且其性質不夠穩定，所以其燃點不易準確測定。表1-8列出了一些可燃固體的燃點供參考。

有些固體除了可由明火點燃外，還可發生自燃。所謂自燃，是指沒有外部點火源的情況下，可燃固體受熱或者自然發熱，熱量在其周圍積蓄起來，導致可燃物達到一定的溫度而發生的燃燒。在規定條件下，可燃物質發生自燃的最低溫度叫作該物質的自燃點。可燃氣體和液體也都有自燃點。物質的自燃點越低，發生火災的危險性越大。表1-9為部分可燃物的自燃點。

不少建筑物火災正是由可燃物自燃造成的。當可燃物堆放在通風散熱較差的地方，如靠近爐灶或煙囪的木柴垛，可能因為受熱達到自燃點而導致火災。另外，某些可燃物如柴草垛等，受到雨淋，可燃物由于菌化分解作用產生熱量而達到自燃點，并且有可能最終導致火災。還有一些固體可燃物在常溫下可自行分解產生可燃氣體，或者在空氣中氧化導致迅速自燃或爆炸，如硝化棉、塞璐珞以及黃磷等。有的在常溫下受到水或空氣中水蒸氣的作用，能產生可燃氣體，并引起燃燒或爆炸，如金屬鉀、鈉、電石以及氫化鈉等。有的在受到撞擊、摩擦，或與氧化劑、酸、堿等有機物接觸時能導致燃燒或爆炸，如赤磷、五硫化二磷等；還有一些強氧化劑，如氯酸鈉、氯酸鉀、過氧化鉀、過氧化鈉等，遇酸、受熱、受撞擊、受摩擦，以及遇有機物或硫黃等易燃的無機物，極易引起燃燒或爆炸。實際儲存這些物質時，特別是對于堆放著的固體或需要加熱、烘烤、熬煉的固體來說，一定要采取適當的措施避免其接近自燃點。

可燃固體的種類繁多，一般可分為天然物質（木材、草、棉花、煤等）和人工合成物質（橡膠、塑料、紡織品等）兩大類。在工程燃燒中一般以煤為固體燃料的代表。但是在建筑火災中，建筑物中的裝飾材料、家具、衣物以及室內存放的各種物品等，都是經常遇到的可燃物和初始火源，它們大都是由木材和人工聚合物制成或構成的。以下主要討論這兩類物質的火災燃燒特點。

（1）木材的火災燃燒特性。木材受熱在100℃以下時主要是蒸發水分，當溫度超過100℃開始發生熱解、汽化反應，析出可燃氣體，同時將少量的熱放出。當溫度達到大約260℃時，可燃性氣體的析出量迅速增加，此時明火可將其點燃，但是并不能維持穩定燃燒。這表明可燃性氣體的量還不夠大，因此260℃相當于液體可燃物的閃點，這里稱為木材的閃火溫度。大量的實驗結果證實，盡管木材種類很多，但是木材熱解、汽化的規律相差不大；熱解、汽化產物的主要成分包括CO、H2、CH4等。木材的閃火溫度均在260℃附近。環境溫度達到424～455℃時，即可著火燃燒。某些樹種的閃火溫度、著火溫度值見表1-10。

因為木材結構的各向異性，導致順木紋方向透氣性好、熱導率大；垂直木紋方向透氣性差、熱導率小，如果受熱則不易散掉，容易形成局部高溫，對熱解、汽化反而有利，因此垂直木紋方向較順木紋方向容易著火。這在森林火災和建筑火災中的木制品燒損情況中均有表現，即沿垂直木紋方向燒損嚴重，而燒痕常常不連續，呈一個一個的深洞。

（2）高分子化合物的火災燃燒特性。研究結果證實：高分子材料受熱之后，也發生熱解、汽化反應，高分子化合物的著火燃燒過程見圖1-14。某些高分子化合物受熱后，首先釋放出可燃性氣體，因此著火仍發生在氣相中。比如，高分子材料用激光加熱時，試件放在激光器的焦點，調節電流控制激光器的功率。隨著加熱的開始，試件溫度不斷升高，熱解及汽化反應逐漸強化，熱解及汽化生成物在試件上方形成一束垂直于試件表面的白煙。隨著時間的延續，白煙底部變粗，而且更接近試件表面，同試件表面的距離只有，以后便著火形成預混火焰，并沿著白煙3～4mm傳播，最后形成擴散火焰。若在空氣中添加5％的四氯化碳，則火焰呈藍色，但是燃燒速度變慢。大量的實驗結果證實，有機玻璃著火時的表面溫度在580～610℃之間，添加少量的四氯化碳相當于添加了阻燃劑，從而推遲了著火，減慢了燃燒速度。所以阻燃劑以及難燃化處理常在人工合成材料中添加少量的CCl4。

某些聚合物受熱先液化、再蒸發，因此著火特性類似液體可燃物的著火。控制著火特性的主要參數是蒸發速率，因為此時的環境溫度很高，可以用高溫環境下的蒸發規律處理這個問題。受熱的聚合物液化之后也要流動，流動方向總是受重力控制從上向下流動。因此受熱部位對著火性能的影響不同于受熱汽化的可燃物，受熱部位在上，液化的流體向下流動對著火燃燒有利，導致火災蔓延的危險性加大。

1.1.3　建筑物火災的發展和蔓延

火災過程中火災建筑物室內環境的溫度隨著產生熱量的增多而升高，在達到并且超過逃生人員所能承受的極限時，便會危及生命安全。并且溫度繼續升高到一定程度后，建筑構件和金屬將會喪失其強度，導致建筑結構受到損害。

一般用室內平均溫度隨時間的變化曲線表示建筑物室內火災的發展過程，如圖1-15所示。

A——可燃固體火災室內平均溫度的上升曲線B——可燃液體室內火災的平均溫升曲線

由兩曲線的對比可見，可燃液體火災初期的溫升速率很快，在相當短的時間內，溫度可達1000℃左右。如果火區的面積不變，即形成了固定面積的池火，則火災基本上呈定常速率燃燒。如果形成流淌火，燃燒強度將迅速增大。這種火災幾乎沒有多少探測時間，供初期滅火準備的時間也很有限，極易對人和建筑物造成嚴重危害，防止及撲救這類火災應當采取一些特別的措施。

根據建筑物常見的可燃固體火災溫升曲線A，以及建筑物火災發生、發展的時間順序，建筑物火災大體可分為三個主要階段，也就是：火災初起階段、充分發展階段以及熄滅階段。其中充分發展階段進一步可分為成長階段與旺盛階段。各階段的特點簡述如下。

1.1.3.1　火災初起期

通常將可燃物質（氣體、液體和固體）在一定條件下，形成非控制的火焰稱為起火，失去控制的火焰叫作起火災。建筑物火災中，初始起火源大多數是固體可燃物。固體可燃物起火的點火源有多種，如煙頭、可燃物附近異常發熱的電器及爐灶的余火等。在某種點火源的作用下，固體可燃物的某個局部被引燃起火，并失去控制，叫作處于火災初期階段。根據起火源的燃燒特性、起火源周圍可燃物的分布和燃燒特性及通風情況等差異，火災初起期的持續時間不同。例如，焚燒廢紙而引燃家具所需時間比較短，如果煙頭使被褥著火則常要一兩個小時以上。由于以上原因，火災初期著火區的擴大呈現不同的規律性，通常呈現以下兩種情況。

（1）火災初起即熄滅。初始可燃物全部燒完而未能延及其他可燃物，火災早期就受到控制或自行熄滅。這種情況一般發生在初始可燃物不多且距離其他可燃物較遠的情況下，或者是火災早期探測系統起作用，剛發煙就受到有效的控制。

（2）陰燃。火災增大到一定的規模，但是溫度和通風不足使燃燒強度受到限制，火災以較小的規模持續燃燒。此時可燃物呈現顯著的不完全燃燒狀態，大量的發煙但是不出現明火，這樣的燃燒過程常叫作陰燃，如圖1-16所示。

陰燃為固體物質特有的燃燒形式。所謂陰燃是一種在氣固界面處的燃燒反應，是一種沒有氣相火焰的緩慢燃燒。易發生陰燃的材料大都質地松軟、多孔或者呈纖維狀。當它們堆積起來時，更易發生陰燃，如紙張、木屑、煙草、鋸末、纖維織物以及一些多孔性塑料等。假設某柱狀纖維的右端首先被加熱導致纖維素分解析出氣體，剩下的固定碳發生陰燃，并向左傳播（圖1-17）。圖1-17所示為陰燃沿柱狀纖維傳播示意。由圖中可以看出，發生陰燃的柱狀纖維可分為四個不同的區域。

區域Ⅰ　（灼熱燃燒區）。在該區纖維素中大部分氣體已揮發掉，剩下的固定碳進行表面燃燒，溫度在四個區域中最高，可達到600～750℃。

區域Ⅱ　（熱解炭化區）。區域中燃燒熱傳導至區域后，使該ⅠⅡ區域溫度升高，當溫度達到250～時，纖維素發生熱解，析出300℃氣體。但是此時氣體析出速度較小，可燃氣體濃度不高，未達到燃燒條件。在該區上方會有煙逸出，煙氣中含有可燃氣體。

區域Ⅲ　（原始材料區）。在該區溫度比較低，纖維素不發生熱解，保持原始狀態。

區域Ⅳ　（灰燼區）。纖維素熱解剩下的固體碳經一段時間的燃燒之后，只剩下十分松散的灰燼。該區的溫度逐漸下降。

陰燃階段火區體積不大，室內平均溫度、溫升速率以及釋熱速率都較低。如果通風條件相當差，陰燃持續一段時間后火災會自行熄滅。但陰燃過程產生的煙霧中含有可燃氣體，有發生爆炸的危險性；陰燃火災常常發生在堆積物的內部，較難徹底撲滅，并且易發生復燃。

若能在陰燃階段采取有效的滅火措施，將大大減少火災損失。否則，若可燃物充足且通風良好，隨著室內溫度的逐漸上升，當火焰在原先起火的可燃物上擴展開，陰燃轉變為明火燃燒，引燃起火點附近的其他可燃物，將致使火災進一步迅速蔓延。

1.1.3.2　火災的充分發展階段

（1）成長階段

①浮力羽流。由陰燃轉變為明火燃燒后，燃燒速率及釋熱率大大增加，可燃物上方的火焰及流動的煙氣統稱為羽流。羽流的火焰大多數為自然擴散火焰，溫度很高，一般可達到1000℃左右，可以燒壞與其接觸的物品和建筑構件。所以需要采取有效的措施控制羽流火焰的高度。當可燃液體或固體燃燒時，蒸發或者熱分解產生的可燃氣體從燃燒表面升起的速度很低，可以忽略不計，所以這種火焰中的氣體流動是浮力控制的，又稱浮力羽流。

在羽流的上升流動過程中，將會把其周圍的大量空氣卷吸進來。所以，隨著上升高度的增加，羽流的質量流率逐漸增大，造成煙氣的溫度和濃度降低，流速減慢。

在不受限的或者很高的空間內，羽流將一直向上擴展，直到其浮力變得相當微弱以至無法克服黏性阻力的高度。越到上方，羽流的速度越低。而且隨著煙氣溫度的降低，那些不再上升的煙氣將發生彌漫性沉降。在比較高的中庭內生成的煙氣就很容易發生這種現象。

②頂棚射流。羽流上升過程中受到房間頂棚的阻擋，于頂棚下方向四方擴散，形成沿頂棚表面平行流動的熱煙氣層，叫作頂棚射流，如圖1-18所示。其中H為頂棚高度，定義為頂棚距可燃物表面的距離。

H——棚頂高度；R——以羽流中心撞擊點為中心的徑向半徑；Q——火源熱釋放速率

多數情況下頂棚射流的厚度是頂棚高度的5％～12％，頂棚射流內最大溫度和速度出現在頂棚以下頂棚高度的1％處。頂棚射流的溫度分布及速度分布特點，對于火災自動探測報警及自動噴水滅火裝置的設計、選型與安裝具有科學的指導意義，有利于提高這些系統工作的可靠性，減少誤報、漏報。

頂棚射流發展過程中受到墻壁的阻擋，沿墻壁轉向下流。因為煙氣溫度較高，沿墻壁下流的頂棚射流下降不長的距離后，便轉向上浮，這叫作反浮力壁面射流。重新上升的熱煙氣先在墻壁附近積聚起來，達到了一定厚度后向室內中部擴展，并且在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層。若房間有通向外部的開口，在熱風壓的作用下，當煙氣層的厚度超過開口的拱腹高度時，如圖1-19所示，煙氣便可蔓延到室外。建筑物的開口不僅可以造成火焰、熱煙氣向火源房間以外建筑空間或者建筑物外部空間的蔓延，而且火源房間以外溫度比較低的新鮮空氣在熱風壓的作用下從開口下部進入室內，其通風效果對于火災的發展進一步起到了推波助瀾的作用。

hf——熱空氣流過通口的高度；h1——冷空氣流過通口的高度；p0——中性面處的大氣壓力

③轟燃。建筑物火災中室內受限空間內火焰、羽流、頂棚射流、熱煙氣、反浮力壁面射流以及建筑物開口的相互作用，進一步加劇了可燃物的熱分解及燃燒，使得室內溫度不斷升高，輻射傳熱效應增強。輻射傳熱效應可以使距離起火物比較遠的可燃物被引燃，火勢將進一步增強。

當起火房間溫度達到一定值時，建筑物的通風狀況對火災的繼續發展占據主導作用，這時室內所有可燃物的表面都將開始燃燒，火焰基本上充滿全室，這叫作轟燃。轟燃的出現標志著火災充分發展階段的開始。另外，需要指出的是，轟燃的定義是有限制的，它主要適用于接近于正方體且不太大的房間內的火災，顯然在非常高或非常長的受限空間內，所有可燃物被同時點燃是不可能的。

轟燃的出現為燃燒釋放的熱量在室內逐漸積累與對外散熱共同作用的結果，是一種熱力不穩定現象。假設著火初期熱釋放速率R隨溫度T的升高而呈指數關系升高，但是到達一定程度因為受到空氣供應速率限制便不再升高了。與此同時，受到房間壁面傳熱性質的影響，起火房間還會向其周圍散發熱量，如圖1-20所示，熱損失速率L與溫度呈線性關系。

圖1-20中的三條熱損失曲線L1、L2以及L3分別相應于三種不同傳熱性質壁面房間火災時的散熱情況，熱釋放速率R和熱損失速率曲線L有三個交點，分別為A、B以及C。其中，A點相應于穩定狀態的通風控制燃燒，C點相應于火災初期階段，B點則是相應于轟燃發生時的不穩定狀態。在B點，溫度升高可造成燃燒強化，使熱釋放速率增大；溫度降低則使燃燒減弱到小火狀態。對于可持續燃燒的室內火災來說，常常燃燒速率的微小增加，就會造成熱釋放速率急劇地由B點跳躍至A點，即導致火勢的急劇擴大。

轟燃階段時間較短，室內溫度陡升，溫升曲線梯度很大。此時室內溫度經常會升到800℃以上，最高可達1100℃。火災進入這一階段之后，燃燒強度仍在增加，釋熱速率逐漸達到某一最大值，可以引起室內設施和建筑物結構的嚴重損壞、毀壞以至全部倒塌。高溫火焰和煙氣從起火室的開口向鄰近房間或相鄰建筑物蔓延，導致火勢的進一步惡化。此時，室內尚未逃出的人員是很難生還的。

確定發生轟燃的臨界條件對火災防治具有十分重要的意義。目前，定量描述轟燃臨界條件主要有兩種方式。一種以到達地面的面積熱流量達到一定值為條件。一般認為，處于室內地面上可燃物所接收到的面積熱流量達到20kW/m2即可發生轟燃。然而，實驗表明，這一數值對于引燃紙張之類的可燃物是足夠的，而對其他可燃固體來說就顯得太小了。在普通建筑物中發生轟燃時地面處的臨界面積熱輻射流量于15～35kW/m2范圍內變化。

另一種以煙氣溫度達到一定值為條件。因為溫度測量較為方便，火災試驗中，人們經常采用測量煙氣溫度來判定轟燃是否發生。這種觀點強調了煙氣層的影響，實際上是間接體現面積熱輻射流量的作用。依據高度為3m左右的普通房間火災試驗結果，頂棚下的煙氣溫度接近于600℃為發生轟燃的臨界條件。對于層高比較高的房間，發生轟燃的臨界煙氣溫度值很高，反之則亦然。例如，在1.0m高的小型實驗模型內，試驗測得發生轟燃時的頂棚溫度僅是450℃。

其他影響轟燃發生的因素包括室內裝修后的頂棚高度及裝修材料的可燃性和厚度、火源大小、開口率等。因為內裝修造成建筑物空間高度較矮，火焰甚至可以直接撞擊在頂棚上，在頂棚下面不僅有煙氣的流動，且有火焰的傳播，助長了火災的蔓延，轟燃的危險性增大。可燃物及內部裝修使用易燃材料多，天棚保溫性能好，房間密封嚴，室內熱量蓄積加快而溫度增高顯著時，熱分解產生的可燃氣體也增多，轟燃的出現即會提前，而且也激烈。相對頂棚而言，可燃墻面對轟燃激烈程度的影響次之，可燃地面的影響最小。

（2）旺盛階段。轟燃（圖1-20中的B點）發生后，室內火焰成漩渦狀，溫度急劇上升到A點，在此時間內，房間上下幾乎無溫差，整個房間接近于等溫狀態，室溫達到1000℃左右，室內處于全面而猛烈的燃燒狀態，熱輻射及熱對流也劇烈增強，結構的強度受到破壞，可能產生嚴重變形乃至塌落。根據可燃物數量、建筑物構造、開口部位的大小及圍護結構的熱工性質等不同，從B點至A點的時間通常為20～30min到1h，從B點到A點稱為旺盛階段。

火災旺盛階段持續時間可用式（1-9）計算：

式中　m——火災旺盛階段持續時間，min；

W——火災荷載，kg/m2；

AF——室內的地板面積，m2；

R——燃燒速度，kg/min。

1.1.3.3　火災減弱階段

約80％的可燃物被燒掉后，火勢即到達衰減期。這時室內可燃物的揮發分大量消耗致使燃燒速率減小，室內平均溫度降至其峰值的80％左右。最后明火燃燒無法維持，火焰熄滅，可燃固體變為赤熱的焦炭。這些焦炭按照固定碳燃燒的形式繼續燃燒，燃燒速率十分緩慢。因為燃燒放出的熱量不會很快消失，室內平均溫度仍然較高，并且在焦炭附近還存在相當高的局部溫度，這叫作火災逐漸熄滅的階段。該階段室溫逐漸降低，其下降速度是7～10℃/min，但是在較長時間內室溫還會保持200～300℃。

應該指出，易燃結構和耐火結構的室內火災發展情況有所不同：通常木結構建筑由于可燃物多而會迅速出現轟燃，最盛期由于結構倒塌引起空氣流通，火勢非常熾烈但較短暫，最高溫度可達1100℃。耐火結構由于可燃物較少且結構及開口部分基本不變（其通風條件已定），其火災持續時間比較長，最高溫度稍低（900℃）而煙量較多。現代高層建筑往往窗大而可燃裝修材料多，因此常呈現木結構火災特征，在建筑防火設計中須引起足夠的重視。

以上所述火災發展過程指的是火災的自然發展過程，沒有涉及人們的滅火行動。如果在火災初起階段就能采取有效的消防措施，如啟動自動噴水滅火系統，就可有效地控制室內溫度的升高，防止火災轟燃的發生，有效地保護人員的生命安全和最大程度地減少財產損失。當火災進入到充分發展階段之后，滅火的難度大大增加，但有效的消防措施仍然可以抑制過高溫度的出現、控制火災的蔓延，從而減少火災導致的損失。圖1-21所示為啟動噴水滅火系統對火災過程的影響。

1.1.4　煙氣的產生

火災煙氣是燃燒過程的產物，為一種混合物，主要包括：①可燃物熱解或燃燒產生的氣相產物，如未燃氣體、水蒸氣、CO、CO2多種低分子的碳氫化合物及少量的硫化物、氯化物、氰化物等；②因為卷吸而進入的空氣；③多種微小的固體顆粒和液滴。

可燃物的組成和化學性質以及燃燒條件對煙氣的產生都具有重要的影響。少數純燃料（如CO、甲醛、甲醇、乙醚、甲酸等）燃燒的火焰不發光，且基本上不產生煙。而在相同的條件下，大分子燃料燃燒時的發煙量卻較為顯著。在自由燃燒情況下，固體可燃物（如木材）及經過部分氧化的燃料（如乙醇、丙酮等）的發煙量較生成這些物質的碳氫化合物（如聚乙烯和聚苯乙烯）的發煙量少得多。

建筑物中大量建筑材料、家具、衣服以及紙張等可燃物，火災時受熱分解，然后和空氣中的氧氣發生氧化反應，燃燒并且產生各種生成物。完全燃燒所產生的煙氣的成分中，主要為二氧化碳、水、二氧化氮、五氧化二磷或者鹵化氫等，有毒有害物質相對較少。但是，無毒氣體同樣可能會降低空氣中的氧濃度，妨礙人們的呼吸，導致人員逃生能力的下降，也可能直接造成人體缺氧致死。

依據火災的產生過程和燃燒特點，除了處于通風控制下的充分發展階段以及可燃物幾近消耗殆盡的減弱階段，火災初期階段往往處于燃料控制的不完全燃燒階段。不完全燃燒所產生的煙氣的成分中，除了以上生成物外，還可以產生一氧化碳、有機磷、多環芳香烴、烴類、焦油以及炭屑等固體顆粒。固體顆粒生成的模式及顆粒的性質因可燃物的性質不同存在很大的差異。多環芳香烴碳氫化合物和聚乙烯可認為是火焰中炭煙顆粒的前身，并使得擴散火焰發出黃光。這些小顆粒的直徑是10～100μm，在溫度和氧濃度足夠高的前提下，這些炭煙顆粒可以在火焰中進一步氧化，否則，直接通過炭煙的形式離開火焰區。火災初期階段有焰燃燒產生的煙氣顆粒則幾乎全部由固體顆粒組成。其中一小部分顆粒為在高熱通量作用下脫離固體的灰分，大部分顆粒則是在氧濃度較低的情況下，因為不完全燃燒和高溫分解而在氣相中形成的炭顆粒。這兩種類型的煙氣均是可燃的，如果被點燃，在通風不暢的受限空間內甚至可能引起爆炸。

油污的產生同碳素材料的陰燃有關。碳素材料陰燃生成的煙氣與該材料加熱到熱分解溫度所得到的揮發分產物相似。這種產物與冷空氣混合時可濃縮成比較重的高分子組分，形成含有炭粒和高沸點液體的薄霧。靜止空氣環境下，顆粒的中間直徑D50（反映顆粒的大小的參數）約是，并可緩慢沉積在物體表面，形成油污。

1μm各種建筑材料在不同的溫度條件下，其單位質量所產生的煙量是不同的，幾種建筑材料在不同溫度下燃燒，當達到相同的減光程度時的發煙量見表1-11，其中Kc是煙氣的減光系數。

隨著我國經濟水平不斷提高，高層民用建筑特別是高層公共建筑（如賓館、飯店、寫字樓、綜合樓等）大量出現，高分子材料大量應用于建筑裝修、家具、管道及其保溫、電纜絕緣等方面。如果發生火災，建筑物內著火區域的空氣中充滿了大量的有毒的濃煙，毒性氣體可直接導致人體的傷害，甚至致人死亡，其危害遠遠超過一般可燃材料。以我國新建高層賓館標準客房（雙人間）為例，平均火災荷載為30～40kg/m2。通常木材在300℃時，其發煙量為3000～4000m3/kg，比如典型客房面積按18m2進行計算，室內火災溫度達到300℃時，一個客房內的發煙量是35kg/m2×18m2×3500m3/kg=2205000m3。若發煙量不損失，一個標準客房火災產生的煙氣可充滿24座像北京長富宮飯店主樓（高90m，標準層面積960m2）那樣的高層建筑。

1.1.5　煙氣的特征參數

表示煙氣基本狀態的特征參數常用的有溫度、壓力、減光性以及煙塵顆粒大小等。

1.1.5.1　壓力

在火災發生、發展以及熄滅的不同階段，建筑物內煙氣的壓力分布是各不相同的。以著火房間為例，在火災發生初期，煙氣的壓力較低，隨著著火房間內煙氣量的增加，溫度上升，壓力相應升高。當發生火災轟燃時，煙氣的壓力在瞬間上升至峰值，門窗玻璃均存在被震破的危險。當煙氣和火焰沖出門窗空洞之后，室內煙氣的壓力就很快降低下來，接近室外大氣壓力。據測定，通常著火房間內煙氣的平均相對壓力為10～15Pa，在短時可能達到的峰值為35～40Pa。

1.1.5.2　溫度

在火災發生、發展以及熄滅的不同階段，建筑物內煙氣的溫度分布是各不相同的。以著火房間為例，在火災發生初期，著火房間內煙氣溫度不高。隨著火災發展，溫度將會逐漸上升，當發生轟燃時，室內煙氣的溫度相應急劇上升，很快達到最高水平。實驗證實，由于建筑物內部可燃材料的種類不同，門窗空洞的開口尺寸不同，建筑結構形式不同，著火房間煙氣的最高溫度各不相同。小尺寸著火房間煙氣的溫度通常可達500～600℃，高則可達到800～1000℃。地下建筑火災中煙氣溫度可以高達1000℃以上。

1.1.5.3　煙氣的減光性

因為煙氣中含有固體和液體顆粒，對光有散射和吸收作用，使得只有一部分光能通過煙氣，導致火場能見度大大降低，這就是煙氣的減光性。煙氣濃度越大，其減光作用越強烈，火區能見度越低，不利于火場人員的安全疏散及應急救援。

煙氣的減光性是通過測量光束穿過煙場后光強度的衰減確定的，如圖1-22所示為測量方法。

設由光源射入某一空間的光束強度是I0，該光束由該空間射出后的強度為I。若該空間沒有煙塵，則射入與射出的光強度幾乎不變。光束通過的距離越長，射出光束強度衰減的程度越大。

根據比爾-蘭勃定律，在有煙氣的條件下，光束穿過一定距離L后的光強度I可表示為：

I=I0exp（-KcL）　　（1-10）

式中　Kc——煙氣的減光系數，m-1，它表征煙氣減光能力，其大小與煙氣濃度、煙塵顆粒的直徑及分布有關；

I0——光源的光束強度，cd；

I——光源穿過一定距離L以后的光束強度，cd；

L——光束穿過的距離，m。

可進一步表示為：

Kc=KmMs　　（1-11）

式中　Km——比消光系數，即單位質量濃度煙氣的減光系數，m2/kg；

Ms——煙氣質量濃度，即單位體積內煙氣的質量，kg/m3。

煙氣的減光性還可用百分減光度來描述，即

式中　I0-I——光強度的衰減值，cd；

B——百分減光度，％。

測量煙氣減光性的方法較適用于火災研究，它可以直接與所考慮場合下人的能見度建立聯系，并且為火災探測提供了一種方法。

1.1.5.4　煙氣的光密度

將給定空間中煙氣對可見光的減光作用定義為光學密度D，即：

將式（1-10）、式（1-11）代入式（1-13），得到

這證明煙氣的光密度與煙氣質量濃度、平均光線行程長度和比消光系數成正比。為了比較煙氣濃度，一般將單位平均光路長度上的光密度DL作為描述煙氣濃度的基本參數，單位為m-1，即：

此外，在研究和測試固體材料的發煙特性時，把煙收集在已知容積的容器內，確定它的減光性，通常表示為比光學密度DL，此法只適用于小尺寸及中等尺寸的試驗（ASTM，1979），稱為煙箱法。

所謂比光學密度Ds，是由單位面積的試樣表面所產生的煙氣擴散在單位體積的煙箱內，單位光路長度的光密度。比光學密度Ds可以用下式表示：

式中　V——煙箱體積，m3；

A——發煙試件的表面積，m2；

Ds——比光學密度，m-1。

比光學密度Ds越大，則煙氣濃度就越大。表1-12給出了部分可燃物發煙的比光學密度。

①試件面積為0.055m2，垂直放置。

1.1.5.5　煙塵顆粒大小及粒徑分布

煙氣中顆粒的大小可用顆粒平均直徑表示，一般采用幾何平均直徑dgn表示，其定義為：

式中　N——總的顆粒數目，個；

Ni——第i個顆粒直徑間隔范圍內顆粒的數目，個；

di——顆粒直徑，μm。

若所有顆粒直徑都相同，則σg=1。若顆粒直徑分布為對數正態分布，則占總顆粒數68.8％的顆粒，其直徑處于lgdgn±lgσg之間的范圍內。σg越大，則表示顆粒直徑的分布范圍越大。一些木材和塑料在不同燃燒狀態下煙氣中的顆粒直徑和標準差見表1-13。

1.1.6　煙氣的危害

1.1.6.1　煙氣的毒性

火災中因為燃燒消耗了大量的氧氣，使得煙氣中的含氧量降低。缺氧是氣體毒性的特殊情況。研究數據表明，如果僅僅考慮缺氧而不考慮其他氣體影響，當含氧量降至10％時就可對人構成威脅。然而，在火災中僅僅由含氧量減少導致危害是不大可能出現的，其危害往往伴隨著CO、CO2和其他有毒成分（如HCN、NOx、SO2以及H2S等）的生成，高分子材料燃燒時還會產生HCl、HF、丙烯醛以及異氰酸酯等有害物質。不同材料燃燒時產生的有害氣體成分及濃度是不相同的，因而其煙氣的毒性也不相同。評價材料煙氣毒性大小的方法有：化學分析法、動物試驗法以及生理研究法。

此外，高溫火災煙氣對人體呼吸系統及皮膚都將產生十分嚴重的不良影響。研究表明，當人體吸入大量熱煙氣時，會導致血壓急劇下降，毛細血管遭到破壞，從而導致血液循環系統破壞。另外，在高溫作用下，人會心跳加速，大量出汗，并由于脫水而死亡。大量的研究表明，煙氣溫度達到65℃時，人體可短時間忍受；人在溫度120℃的煙氣中，15min即可產生不可恢復的損傷；170℃的煙氣中，1min人體就可產生不可恢復的損傷。在幾百攝氏度的高溫煙氣環境中，人是一分鐘也無法忍受的。

衣服的透氣性及隔熱程度對溫度升高的忍受極限也有重要影響。對于在特殊的可控高溫環境下長時間的暴露尚有試驗數據參考。然而，短時間的暴露在建筑火災等異常高溫環境下卻沒有相應的資料及數據。目前，在火災危險性評估中推薦數據是：短時間臉部暴露的安全溫度極限范圍是65～100℃。

利用化學分析法可了解燃燒產物中的氣體成分及濃度，研究溫度對燃燒產物的生成及含量的影響。比較常用的分析方法見表1-14。

化學分析法雖然可分析氣態燃燒產物的種類及含量，但不能解釋毒性的生理作用，因此還需進行動物試驗及生理研究。

動物試驗法就是利用觀察生物對燃燒產物的綜合反應來評價煙氣的毒性的過程。動物試驗法可分為簡單觀察法與機械輪法等。美國國家航空航天局（NASA）研制了水平管式加熱爐試驗法，加熱爐加熱速度是40K/min，最高溫度可達780～1100K。在暴露室中放試驗小鼠，暴露30min，測定小鼠停止活動時間與小鼠死亡時間。由這些實驗數據可判斷不同材料燃燒煙氣的相對毒性（見表1-15。）

生理試驗法即為對在火災中中毒死亡者進行尸體解剖，了解死亡的直接原因，如血液中毒性氣體的濃度、氣管中的煙塵，以及燒傷情況等。研究證實，在死者血液中，CO和HCN是主要的毒性氣體。在氣管及肺組織中也檢出了重金屬成分，如鉛、銻等，以及吸入肺部的刺激物，如醛、HCl等。

1.1.6.2　火災煙氣中能見度降低的危害

能見度是指人們在一定環境下剛剛看到某個物體的最遠距離，通常用米（m）為單位。能見度主要取決于煙氣的濃度，同時還受到煙氣的顏色、物體的亮度、背景的亮度及觀察著對光線的敏感程度等因素的影響。當火災時，煙氣彌漫，因為煙氣的減光作用，能見度必然有所下降，這對火區人員的安全疏散造成嚴重影響。能見度V（單位為m）和減光系數K（單位為m-1）的關系可表示為：

VKc=R　　（1-18）

其中R為比例系數，試驗數據證實，它反映了特定場合下各種因素對能見度的綜合影響。大量火災案例和試驗結果證實，即便設置了事故照明和疏散標志，火災煙氣仍然導致人們辨認目標和疏散能力大大下降。金曾對自發光與反光標志的能見度進行了測試，他建議安全疏散標志最好采用自發光形式。巴切爾與帕乃爾也指出，自發光標志的可見距離約比表面反光標志的可見距離大2.5倍。圖1-23給出了自發光物體能見度的一些試驗結果。通常來說，對于疏散通道上的反光標志、疏散門等，在有反射光存在的場合下，R=2～4；對自發光型標志、指示燈等，R=5～10。

然而，上述關于能見度的討論并沒考慮煙氣對眼睛的刺激作用。金提出在刺激性煙氣中能見度的經驗公式為：

V=（0.1331-1.471gKc）R/Kc（僅適用于Kc≥0.25m-1）　　（1-19）

安全疏散時所需的能見度及減光系數的關系見表1-16。

確保安全疏散的最小能見距離為極限視程，極限視程隨人們對建筑物的熟悉程度不同而不同。對建筑熟悉者，極限視程約是5m；對建筑不熟悉者，其極限視程約是30m。為了保證安全疏散，火場能見度（對反光物體而言）必須達到5～30m，所以減光系數應不超過0.1～0.6m-1。火災發生時煙氣的減光系數多為25～30m-1，所以，為了確保安全疏散，應將煙氣稀釋50～300倍。

即使是在無刺激性的煙氣中，能見度的降低也可以直接導致人員步行速度的下降。日本的一項試驗研究表明，即使是對建筑疏散路徑相當熟悉的人，當煙氣減光系數達到0.5m-1時，其疏散也變得困難。刺激性的煙氣中，步行速度會陡然降低，刺激性與非刺激性煙氣中人沿走廊行走速度的部分試驗結果如圖1-24所示。當減光系數是0.4m-1時，通過刺激性煙氣的表觀速度僅是通過非刺激性煙氣時的70％。而當減光系數大于0.5m-1時，通過刺激性煙氣的表觀速度降至約0.3m/s，相當于蒙上眼睛時的行走速度。行走速度下降是因為受試驗者無法睜開眼睛，只能走“之”字形或者沿墻壁一步一步地挪動。

火災中煙氣對于人員生命安全的影響不僅僅是生理上的，還包括對人員心理方面的副作用。當人們受到濃煙的侵襲時，在能見度十分低的情況下，極易產生恐懼與驚慌，尤其當減光系數在0.1m-1時，人們便不能夠正確進行疏散決策，甚至會失去理智而采取不顧一切的異常行為。

研究煙氣減光性的另一應用背景為火災探測。大量研究表明，Kc與顆粒大小的分布有關。隨著煙氣存在期的增長，較小的顆粒會聚結成較大的集合顆粒，所以單位體積內的顆粒數目將減少，Kc隨著平均顆粒直徑的增大而減少。離子型火災探測器是按照單位體積內的顆粒數目來工作的，所以對生成期較短的煙氣反應較好。它可以對直徑小于10nm的顆粒產生反應。而采用散射或者陰影原理的光學裝置只能測定顆粒直徑的量級與儀器所用光的波長相當的煙氣，通常為100nm，它們對小顆粒反應不敏感。