兩種煙氣生成量計算方法的比較分析
導讀：對煙氣生成量的計算，有不同的計算方法，并且不同計算方法得到的煙氣生成量差別較大。
關(guān)鍵詞：煙氣生成量，蘇聯(lián)方法，Heskestad模型
1、前言
火災煙氣是建筑火災中造成人員死亡的重要因素，《高層民用建筑防火設(shè)計規(guī)范》[1]對排煙設(shè)計作了詳細規(guī)定。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、裝修標準的提高，普通民用建筑的火災危險性越來越大，新版的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2006)[2]增加了排煙相關(guān)內(nèi)容。同時，隨著性能化設(shè)計方法的廣泛應用，人們對排煙設(shè)計有了更深層次的理解，設(shè)計人員對特定火災場景進行定量計算，得到量化的煙氣生成量和一定時間內(nèi)的煙氣沉降高度，從而計算得到排煙量。
排煙量的計算是排煙設(shè)計中的重要步驟，只有正確計算出排煙量，才能合理設(shè)計排煙系統(tǒng)，保證人員的安全疏散和成功的消防撲救。然而，對煙氣生成量的計算，有不同的計算方法，并且不同計算方法得到的煙氣生成量差別較大。本文選取兩種常用的煙氣生成量計算方法進行比較分析，以得到對兩種不同煙氣生成量計算方法的正確認識，為排煙設(shè)計提供一定的指導。論文檢測。
2、兩種煙氣生成量計算方法
2.1 前蘇聯(lián)煙氣生成量的計算
前蘇聯(lián)把可燃物質(zhì)的發(fā)煙系數(shù)作為有關(guān)物質(zhì)的火災危險性指標之一，所謂發(fā)煙系數(shù)是指單位質(zhì)量物質(zhì)在燃燒時所生成的能見度達到臨界危險值時的煙氣容積，| 液體名稱 | #FormatImgID_3# （m3/kg） |
| 丁醇 | 75～80 |
| 汽油 | 230～256 |
| 乙醚 | 200～330 |
| 環(huán)乙烷 | 435～470 |
| 甲苯 | 527～562 |
| 柴油 | 589～620 |
2.2 Heskestad煙氣生成量的計算
Heskestad模型[4]把卷吸進羽流的空氣量看作是煙氣生成量，它可以估算為整個煙羽流在煙層以下的空氣卷吸量。論文檢測。煙氣生成量的公式為：
虛點源位置公式為：
平均火焰高度公式為：
3、兩種計算方法的比較
文獻5[5]對不同尺寸油盤柴油的熱釋放速率和燃燒速率進行了測定。本文選取0.5 m×0.5 m和0.6 m×0.6 m兩種尺寸的油盤進行分析研究，兩種尺寸油盤的熱釋放速率、燃燒速率等燃燒參數(shù)見表2，兩種尺寸油盤的煙氣生成量等參數(shù)也列在表2中。
對于柴油的發(fā)煙系數(shù)，本文取其平均值，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可知柴油的發(fā)煙系數(shù)為604.5 m3/kg，根據(jù)表2中的燃燒速度，可得根據(jù)前蘇聯(lián)方法計算得到的煙氣生成量。
表2 兩種不同尺寸火源的特性參數(shù)
| 油盤尺寸(m2) | 0.5 m×0.5 m | 0.6 m×0.6 m |
| 有效直徑D(m) | 0.56 | 0.68 |
| 熱釋放速率(kW) | 145.3 | 227.8 |
| 對流熱釋放速率(kW) | 101.7 | 159.5 |
| 燃燒速度(kg/s) | 0.0041 | 0.0065 |
| 虛點源位置(m) | 0.037 | 0.035 |
| 平均火焰高度(m) | 1.15 | 1.37 |
| 蘇聯(lián)方法的煙氣生成量(m3/s) | 2.48 | 3.94 |
用Heskestad方法，可以計算出0.5 m×0.5 m和0.6 m×0.6 m兩種不同尺寸的油盤在不同煙氣層高度下的煙氣生成量。
圖1和圖2分別列出了兩種不同尺寸火源用不同方法得到的煙氣生成量。
圖1 0.5 m×0.5 m油盤煙氣生成量
圖2 0.6 m×0.6 m油盤煙氣生成量
從圖1和圖2可以看出，對Heskestad模型，煙氣生成量隨著煙氣層高度的增大而增大，不同煙氣層高度下，煙氣質(zhì)量相差很大。如對于0.5 m×0.5 m油盤，煙氣層高度為30 m時，煙氣生成量為96 kg/s，當煙氣層高度為1.5 m時，煙氣生成量為0.82 kg/s，前者是后者的118倍;對于0.6 m×0.6 m油盤，煙氣層高度為25 m時，煙氣生成量為82.4 kg/s，當煙氣層高度為2 m時，煙氣生成量為1.49 kg /s，前者是后者的57倍。然而，在不同煙氣層高度下，火源功率一樣，燃料的失重速率一樣。如前蘇聯(lián)方法所述，生成同濃度的煙氣體積應是一樣的，如用前蘇聯(lián)方法，對于0.5 m×0.5 m油盤，煙氣生成量為2.98 kg /s，對于0.6 m×0.6 m油盤，煙氣生成量為4.73 kg /s，這兩種情況下，煙氣的能見度都為0.5 m-1。
Heskestad煙氣生成量表示的`是卷吸熱氣團的量，在火源功率一定的情況下，煙氣層高度越高，煙氣生成量越大，生成煙氣的濃度越低。論文檢測。因為煙粒子的減光系數(shù)與顆粒濃度呈線性關(guān)系[3]，所以顆粒濃度的變化可以反映光學濃度的變化。圖3和圖4表示的是0.5 m×0.5 m油盤和0.6 m×0.6 m油盤不同煙氣層高度下煙氣光學濃度的變化。從圖中可以看出，煙氣層高度不同時，所生成煙氣的光學濃度差別很大，如對于0.5 m×0.5 m油盤，煙氣層高度為30 m時，所生成煙氣的光學濃度為0.016 m-1，當煙氣層高度為0.5 m時，煙氣生成量為6.0 m-1，后者是前者的375倍。
圖3 0.5 m×0.5 m油盤煙氣減光系數(shù)
圖4 0.6 m×0.6 m油盤煙氣減光系數(shù)
目前性能化設(shè)計中用的煙氣生成量公式，主要是以Heskestad模型為主的幾個模型，這些公式只考慮了生成熱氣體的量，而沒有考慮所生成煙氣濃度的大小，例如對0.5 m×0.5 m油盤，當煙氣層高度為2.0 m時，煙氣生成量為1.0 m3/s。而按照前蘇聯(lián)方法，0.5 m×0.5 m油盤得到的煙氣生成量為2.48 m3/s，因為前蘇聯(lián)方法對應的煙氣光學濃度為是0.5 m-1，，此時Heskestad模型對應的煙氣光學濃度為1.2 m-1。
4、結(jié)論
對于前蘇聯(lián)和Heskestad這兩種不同的煙氣生成量的計算方法，Heskestad煙氣生成量計算方法表示的是卷吸熱氣團的量，沒有考慮煙氣光學濃度的變化，而前蘇聯(lián)煙氣生成量計算方法表示的是單位質(zhì)量物質(zhì)在燃燒時生成的具有一定能見度的煙氣的容積。之所以產(chǎn)生計算值上的較大的差距，是因為兩種方法計算過程中考慮的因素不同，計算方法的理論依據(jù)不同，所以得到的結(jié)果也不同。
通過本文的分析可以看出，目前常用的火災煙氣生成量計算方法由于各自的理論依據(jù)不同，使用不同的方法得到的計算結(jié)果會產(chǎn)生比較大的偏差，而煙氣生成量的計算是建筑物進行排煙設(shè)計的基礎(chǔ)依據(jù)。所以，在進行建筑物排煙設(shè)計時，要綜合考慮火源類型、煙氣層維持高度以及能見距離等各方面因素，合理進行煙氣生成量的計算，從而設(shè)計出安全合理的排煙系統(tǒng)。
參考文獻
[1] GB50045-95, 高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范(2005年版)[S]. 北京: 中國計劃出版社.
[2] GB50016-2006, 建筑設(shè)計防火規(guī)范(2005) [S]. 北京: 中國計劃出版社.
[3] 趙國凌. 防排煙工程[M]. 天津: 天津科技翻譯出版公司.
[4] Dinenno P J. SFPEHandbook of fire protection engineering[M]. Third Edition. Quincy, MA, USA: The National Fire Protection Association, 2002: 794.
[5] 易亮. 中庭式建筑中火災煙氣的流動與管理研究[D]. 中國科學技術(shù)大學博士學位論文, 2005.
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