一、建筑防煙與排煙
建筑火災(zāi)表明，火災(zāi)的高溫有毒煙氣蔓延較快、蔓延通道多樣，使建筑內(nèi)的煙氣成為陽礙人們逃生和滅火行動(dòng)，導(dǎo)致人員死亡的主要原因。建筑的防煙設(shè)計(jì)，對于減少建筑內(nèi)人員的安全和防止煙氣的擴(kuò)散十分重要。在醫(yī)院潔凈手術(shù)部的建筑防火設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮建筑的防煙與排煙。
1、防煙與排煙設(shè)計(jì)的基本原則是，要防止煙氣進(jìn)入人員的疏散通道，保證疏散安全，為消防救援提供必要的有利條件。但對于高層建筑或無窗建筑以及醫(yī)院潔凈手術(shù)部等類似場所，由于疏散和滅火困難，有必要在其重要部位進(jìn)行防煙和排煙設(shè)計(jì)，采取以控?zé)煘橹鞯拇胧?。防煙與排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)的煙氣及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在平面布置中研究可能起火房間的煙氣流向，通過不同的合理假設(shè)，確定更經(jīng)濟(jì)有效的防煙設(shè)計(jì)方案和控制煙氣的流動(dòng)路線，選用適當(dāng)?shù)姆琅艧熢O(shè)備，布置進(jìn)、排風(fēng)口，確定合理大小的管道和進(jìn)風(fēng)。
2、建筑內(nèi)的防煙或排煙，均可通過自然排煙和機(jī)械加壓送風(fēng)或機(jī)械排煙方式實(shí)現(xiàn)排風(fēng)口。采用什么方式，應(yīng)根據(jù)建筑的平面布置、通風(fēng)條件、空間高度和建筑內(nèi)部的火災(zāi)荷載及其潔凈手術(shù)部為了滿足手術(shù)和潔凈度的要求，一般均較密閉，且潔凈區(qū)域均保持高于周類型、形態(tài)、分布等綜合確定。圍的氣壓。潔凈區(qū)域一般不開窗或只開密閉的固定窗，其防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要按照無窗建筑或無窗房間進(jìn)行。
二、防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)
建筑的防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在國外一直是建筑防火和煙氣控制研究的熱點(diǎn)，其理論也較多。目前，尚無被廣泛接受的設(shè)計(jì)方法，人們正試圖通過以性能為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行，并已開發(fā)了一些建筑內(nèi)的煙氣流動(dòng)計(jì)算機(jī)預(yù)測與計(jì)算模型。美國消防協(xié)會(huì)發(fā)布的《Standard for Smoke Control Systems》NPFA 92-2012，對于建筑防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。
1、煙氣組成
煙氣是物質(zhì)在燃燒反應(yīng)過程中熱分解生成的含有大量熱量的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)與空氣的混合物。物質(zhì)由于熱分解、燃燒就會(huì)放出熱量、光和煙氣。煙氣的組成成分和數(shù)量，取決于可燃物的化學(xué)組成和燃燒時(shí)的溫度、氧的供給等燃燒條件。一般，建筑內(nèi)的可燃建筑材料、裝修材料、可燃家具及存放的其他可燃物品，主要是由碳、氫、氧、硫、磷、氮等元素組成的有機(jī)化合物。在完全燃燒條件下，物質(zhì)的燃燒生成物以二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、一氧化硫和氮為主。不完全燃燒條件下，不僅有上述燃燒生成物還會(huì)生成醇、酮、醚、醛等類有機(jī)化合物。含碳量多的物質(zhì)，在氧氣不足的條件下燃燒時(shí)，有大量的炭粒子產(chǎn)生。
（1）室息作用
起火房間產(chǎn)生的一氧化碳，其濃度因有可燃物的性質(zhì)、數(shù)量、堆放情況和房間開口條件的不同而有顯著的差異，主要取決于可燃物熱分解反應(yīng)和氧化反應(yīng)的速度比。當(dāng)室內(nèi)的溫度持續(xù)升高，可燃物的熱分解速度會(huì)加快，產(chǎn)生的游離碳也會(huì)增多。
（2）刺激作用
火災(zāi)時(shí)，可燃物的熱分解產(chǎn)物中有一些氣體對人體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的刺激作用，如氯化氫、氨氣、氟化氫、二氧化硫、光氣和二氧化氮等，這些物質(zhì)對人體均具有毒害作用。
（3）高溫作用
建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，溫度達(dá)到轟燃條件后，室內(nèi)溫度可達(dá) 500℃以上，甚至高達(dá) 800℃高溫不僅可使心率加快，人體大量出汗，很快出現(xiàn)疲勞和脫水現(xiàn)象，而且會(huì)把人燒傷燒死。此外，高溫?zé)煔庖彩菍?dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延擴(kuò)大、火災(zāi)損失增大的主要原因。煙氣還會(huì)降低人的視距，給人造成恐怖感，影響人員的疏散和滅火行動(dòng)。
2、煙氣在建筑內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，其密度比冷空氣小，因浮力作用而向上升起，遇到樓板或頂棚時(shí)，則形成頂棚射流而向水平方向擴(kuò)散。這時(shí)，如煙氣的溫度不下降，高溫?zé)煔馀c周圍空氣會(huì)形成明顯分離的層流現(xiàn)象。但實(shí)際上，煙氣在流動(dòng)擴(kuò)散過程中，一方面總會(huì)與冷空氣不斷混合，另一方面又受到樓板、頂棚等建筑構(gòu)件的冷卻、阻擋，煙氣溫度逐漸下降，沿水平方向擴(kuò)散流動(dòng)的煙氣遇到周圍物體時(shí)，也會(huì)進(jìn)一步冷卻而向下流動(dòng)。這樣，逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區(qū)形成室內(nèi)的自然對流，導(dǎo)致燃燒越來越旺。煙氣的流動(dòng)擴(kuò)散速度與煙氣的溫度和流動(dòng)方向有關(guān)。煙氣在水平方向的擴(kuò)散流動(dòng)速度較小，起火初期一般為 0.1~0.3m/s，起火中期為 0.5~0.8m/s。煙氣在垂直方向的擴(kuò)散流動(dòng)速度較大，通常為 1~5m/s。在樓梯間或管道并中，由于煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的拔力，煙氣流動(dòng)的速度可達(dá) 6~8m/s。
（1）煙氣在著火房間內(nèi)的流動(dòng)
著火房間內(nèi)的煙氣在向上升騰過程中，遇到頂棚后向四周水平擴(kuò)散，并受到周圍建筑圍護(hù)體的阻擋和冷卻，有沿墻向下流動(dòng)的趨勢。煙氣不斷產(chǎn)生，上部煙層逐漸增厚并到達(dá)門窗開口以下時(shí)，通過開啟的門窗洞口向室外和走廊擴(kuò)散。如門窗關(guān)閉，煙層將繼續(xù)增厚，至室內(nèi)溫度升高到一定值 (一般為 200~300C)時(shí)，門窗上的玻璃發(fā)生破裂而使煙氣從門窗的缺口處向室外和走廊擴(kuò)散。當(dāng)煙氣從豎窗口噴出時(shí)，附近被卷吸的空氣可從窗口兩側(cè)得到補(bǔ)充，其軌跡呈向上彎曲狀，火勢從窗口向上蔓延的危險(xiǎn)性不大;當(dāng)煙氣從橫窗口噴出時(shí)，附近被卷吸的空氣不能從窗口兩側(cè)及時(shí)得到補(bǔ)充，使火焰吸附在墻面上，且升展較長距離，這種情況會(huì)很容易將火勢蔓延至建筑的上部樓層。在房門關(guān)閉、無其他孔洞與走廊相通而外墻上的窗口開啟的條件下，當(dāng)室外有風(fēng)且窗于迎風(fēng)面時(shí)，中和層將上升，當(dāng)室外有風(fēng)且窗口處于背風(fēng)面時(shí)，中和層將下降。當(dāng)房間門向走廊開啟時(shí)，煙氣的流動(dòng)情況會(huì)變得較復(fù)雜，這與建筑的煙囪效應(yīng)、防排煙方式、室外風(fēng)速、火災(zāi)溫度等因素有關(guān)。
（2）煙氣在走廊內(nèi)的流動(dòng)
從房間流向走廊的煙氣，開始會(huì)附貼在頂棚下流動(dòng)，由于受到冷卻并與空氣混合，煙層將逐漸變厚。靠近頂棚和墻面的煙氣易被冷卻，先沿墻面下行，隨著流動(dòng)路線的增長及與周圍空氣混合作用的加劇，煙氣溫度逐漸下降而失去浮力，最后在走廊中心剩下一個(gè)圓形空間。火災(zāi)試驗(yàn)表明，在火勢旺盛階段，煙氣從室內(nèi)流出后呈層流狀態(tài)沿走廊的頂棚流動(dòng)并且煙層厚度經(jīng)過20~30m的距離也不會(huì)變化。但在流動(dòng)過程中，煙層如受到梁和其突出物的阻礙，并受到室外空氣進(jìn)人或通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)氣流的干擾，其層流流動(dòng)距離將會(huì)縮短而形成紊流狀態(tài)。
（3）煙氣沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井的流動(dòng)
當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外時(shí)，氣流將通過建筑中氣壓中和面以下各層外墻上的開口進(jìn)入后，沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井在建筑中氣壓中和面以上豎井的開口進(jìn)入室內(nèi)再通過各層外墻上的開口流出。一般，在建筑內(nèi)的壓力分布存在這樣的關(guān)系，即建筑下部的室外空氣壓力>各層的壓力>豎井內(nèi)的壓力時(shí)，室外空氣流向室內(nèi); 建筑上部豎井內(nèi)的壓力>各層壓力>建筑室外壓力時(shí)，室內(nèi)空氣流向室外。由于各層樓板間存在壓力差，下層的空氣流向上層。此時(shí)，一旦下層發(fā)生火災(zāi)，煙氣向上流動(dòng)，最頂層比著火層的上一層還危險(xiǎn)。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外時(shí)，由于室內(nèi)外空氣容重的不同而產(chǎn)生浮力。建筑內(nèi)上部的壓力大于室外壓力，下部的壓力小于室外壓力。當(dāng)外墻上有開口時(shí)，通過建筑上部的開口，室內(nèi)空氣流向室外;通過下部的開口，室外空氣流向室內(nèi)。這種現(xiàn)象就是建筑的煙囪效應(yīng)。這一現(xiàn)象平時(shí)對建筑內(nèi)空氣的流動(dòng)起著重要的作用。在火災(zāi)時(shí)，由于燃燒放出大量熱量而使室內(nèi)溫度快速升高，建筑的煙囪效應(yīng)更加顯著，使火災(zāi)的蔓延更加迅速。
三、防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用下列一種或多種設(shè)計(jì)方法
1、加壓法
加壓法是較普通的煙氣控制方法，常見的例子為相對于房間和前室樓梯間加壓。該方法是使隔煙板的兩側(cè)產(chǎn)生壓差，多數(shù)情況下，是在擋煙板兩側(cè)產(chǎn)生 25Pa 的壓差。通常防排煙系統(tǒng)在著火區(qū)及其相鄰區(qū)域或在前室和樓梯間產(chǎn)生 25Pa 的壓差。例如，在高層辦公建筑中，對著火區(qū)的走廊進(jìn)行排煙使之產(chǎn)生 25Pa 的負(fù)壓，房間和前室保持正壓，樓梯間保持正壓。工程上，加壓方法要求計(jì)算出每層墻、頂棚、地板和門的泄漏面積。例如，在一個(gè)樓梯間，排煙區(qū)相對于相鄰煙氣區(qū)或樓梯間通常產(chǎn)生 25Pa 的負(fù)壓。首先應(yīng)計(jì)算出樓梯間墻、頂棚、地面的面積，再乘以一個(gè)漏風(fēng)系數(shù)可得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的泄漏面積，再加上樓梯間的門的泄漏面積，就可以得到樓梯間的總泄漏面積。利用總泄漏面積和所需的 25Pa 壓差，可算出送風(fēng)量，進(jìn)而算出加壓速率。2、排氣方法
排氣方法是使空間內(nèi)煙氣層的最低高度維持在人員安全疏散所需的耐受極限高度以上，一般為距樓地面 2.1m或 H>1.6+0.1Hf(Hf為室內(nèi)凈高，日本標(biāo)準(zhǔn)的推薦值，通常為高大空間)。排氣方法普遍應(yīng)用在中庭和大型購物中心的防排煙系統(tǒng)中。但關(guān)鍵是根據(jù)給定的火災(zāi)大小和煙羽流尺寸提供一定的機(jī)械排氣速度，?？紤]的三種火羽流的形式為軸對稱火羽流、陽臺(tái)溢出羽流和窗羽流。軸對稱羽流的流動(dòng)速率與設(shè)計(jì)火災(zāi)的大小、從燃料表面的到煙氣層下部的高度和煙氣層同樣溫度的空氣的密度有關(guān)。當(dāng)設(shè)計(jì)火災(zāi)未受到阻擋，并且煙氣可在空間內(nèi)自由流動(dòng)時(shí)，可用軸對稱羽流計(jì)算公式。
如果煙氣在流動(dòng)的路線上有阻擋，可用陽臺(tái)溢出羽流計(jì)算公式。影響陽臺(tái)溢出羽流計(jì)的因素包括，火到陽臺(tái)的高度、在溢出點(diǎn)的羽流寬度和從用陽臺(tái)算起羽流的商度，在軸對稱羽流計(jì)算中，可在計(jì)算出火災(zāi)荷載的基礎(chǔ)上獲得需要的排氣速度，從而維持煙氣區(qū)的煙氣層在設(shè)計(jì)高度以上。
Ms= 0.071Q1/3 Z5/3+0.0018Qc 
式中
M--煙氣生成速率 (kg/s)
Q--設(shè)計(jì)火災(zāi)的對流熱輸出 (kw)
Z--從燃料表面到煙氣層底部的高度。如果煙氣層等于或低于火焰高度，將用不同的公式。
在相似情況下，如果羽流受到阻擋，可用陽臺(tái)溢出羽流公式來計(jì)算所需排氣速率
Ms= 0.41(Qc)1/3(Z+0.3H)【1+0.063(Z+0.6H)/W]2/3(12-2)
式中
W--溢出點(diǎn)羽流寬度 (m)
Z---從陽臺(tái)到煙氣層高度 (m)
H--設(shè)計(jì)火災(zāi)到陽臺(tái)的垂直高度 (m)
3、氣流方法
氣流方法的原理是通過提供足夠數(shù)量的空氣，阻止煙氣通過開口在防煙分區(qū)之間移動(dòng)。影響氣流方法計(jì)算的因素，包括開口的高度、煙氣的溫度、周圍空氣的溫度和氣流速度。應(yīng)用氣流方法時(shí)，應(yīng)注意的是氣流速度不能大于 1m/s。如果需要的氣流大于 1m/s，則應(yīng)在對其效果進(jìn)行技術(shù)評估后確定是否采用該方法。