第三节 建筑火灾发展及蔓延的机理

一、建筑火灾蔓延的传热基础

热量传递有三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射 （图1-2-2）。

（一） 热传导

热传导又称导热，属于接触传热，是连续介质就地传递热量而又没有各部分之间相对的宏观位移的一种传热方式。在固体内部，只能依靠导热的方式传热；在流体中，尽管也有导热现象发生，但通常被对流运动所掩盖。一些常用材料的导热系数见表1-2-2。

（二） 热对流

热对流又称对流，是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的方式。由于流体中存在温度差，所以也必然存在导热现象，但导热在整个传热中处于次要地位。工程上常把具有相对位移的流体与所接触的固体表面之间的热传递过程称为对流换热。起火房间内的自然对流如图1-2-3所示。

一般来说，建筑发生火灾过程中，通风孔洞面积越大，热对流的速度越快；通风孔洞所处位置越高，对流速度越快。热对流对初起火灾的发展起重要作用。

（三） 热辐射

热辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。与热传导和热对流不同的是，热辐射在传递能量时不需要互相接触即可进行。最典型的例子是太阳向地球表面传递热量的过程。

例： 建筑保温材料内部传热的主要方式是 （）。（2017真题）

A.绝热　B.热传导　C.热对流　D.热辐射

参考答案： B

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。

（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

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。

（1） 烟气羽流。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。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。火源上方的火羽示意图如图1-2-4所示。

（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1-2-5）。

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%，而顶棚射流层内最高温度和最大速度出现在距离顶棚以下高度H的1%处。顶棚射流的最高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。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，起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 （图1-2-6）。

2.走廊的烟气流动 （图1-2-7）

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，还会向楼梯间、电梯间、竖井、通风管道等部位扩散，并迅速向上层流动。竖井中的烟气流动如图1-2-8所示。

对于开口截面面积较大的建筑，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

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。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 （图1-2-9）。

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 （图1-2-10）。

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、电缆井等竖向孔道以后，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。

3.外界风

外界风的影响如图1-2-11所示。

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，只局限于起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。建筑内火灾温度-时间曲线如图1-2-12所示。

初期增长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，初期增长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。初期增长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，火灾燃烧速度减慢，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。

上述后两个阶段是在可燃物数量充足，通风良好情况下，室内火灾的自然发展过程 （图1-2-13）。

四、建筑室内火灾的特殊现象

室内火灾发展过程中出现的轰燃现象，是火灾发展的重要转折点。轰燃所占时间较短，通常只有数秒或者几分钟，因此把它看作一种现象，而不作为一个阶段。回燃则是建筑火灾过程中发生的具有爆炸性的特殊现象，对人身财产安全、建筑结构本身均易造成较大的威胁和破坏。

（1） 轰燃。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20kW/m² ）；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。

（2） 回燃。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。回燃如图1-2-14所示。

室内发生火灾时，处于气相的可燃混合物浓度和室内的氧浓度是回燃发生的决定性因素。回燃的剧烈程度随室内可燃气相混合物浓度的增加而增大。室内火灾中可燃气相混合物浓度的大小，主要取决于室内可燃物的类型、火灾荷载密度、通风条件以及燃烧时间等。