火災特性的定義

火災特性是一門(mén)消防新興科學(xué)，主要研究煙火蔓延發(fā)展的趨勢、特點(diǎn)和規律，為消防員制定科學(xué)、高效、安全的滅火救援戰術(shù)措施提供依據?；馂奶匦允腔馂膭?dòng)力學(xué)中很小也很關(guān)鍵的一部分。它沒(méi)有火災動(dòng)力學(xué)教材中那么多專(zhuān)業(yè)的理論知識，更多的是煙、火規律性的認識。

在今天的戰訓沙龍中，我主要會(huì )應用美國兩大實(shí)驗機構UL和NIST的研究理論。同時(shí)，我也借鑒了美國cfbt-us的一些結論和數據。

UL（美國保險商實(shí)驗室）始建于1894年，是美國最具權威，也是世界上從事安全試驗和鑒定的較大的民間機構。

NIST是美國國家標準與技術(shù)研究院，始建于1901年，是一家測量標準實(shí)驗室，屬于美國商務(wù)部的非監管機構。NIST雇傭有大約2900名科學(xué)家、工程師、科技工作者，1800名輔助工作人員，另外還有1400名專(zhuān)家分布在國內約350個(gè)附屬研究中心。

2002年國家建筑安全小組法案授權NIST對世界貿易中心1號樓和2號樓以及47層高的世界貿易中心七號樓的倒塌進(jìn)行調查。

燃燒三要素

大家都知道燃燒的三要素和四面體，即：燃料、空氣（氧氣）、火源，以及鏈式反應。但是，就目前個(gè)人了解掌握而言，消防員普遍對于空氣（氧氣）的作用，是忽視的，或者是認識不夠的。

 

空氣是火場(chǎng)中至關(guān)重要的一個(gè)變量。

梨子園隧道處理中，陳家強局長(cháng)就是充分利用了火災的特性進(jìn)行滅火。通過(guò)用沙袋密封隧道的洞口，導致內部處于缺氧狀態(tài)，窒息滅火。

這張圖是火災發(fā)展的示意圖，在圖中我們默認了空氣在火場(chǎng)中是一個(gè)恒定且充足的量。

 

火災的蔓延發(fā)展完全是由于可燃物的多少所決定的?？扇嘉镌蕉?，火災燃燒的時(shí)間越長(cháng)，釋放的熱量越高。這種火災絕對是室外火災，但不一定是室內建筑火災。

 

大家可以思考一下，例如普通居民住宅發(fā)生火災，住宅內很可能處于相對密閉的狀態(tài)，例如陽(yáng)臺的窗戶(hù)是關(guān)著(zhù)的，門(mén)是關(guān)著(zhù)的。由于燃燒，室內氧氣消耗殆盡，還有可能出現上面那張圖片的情況嗎？

 

不可能。

 

所以根據國外的實(shí)驗研究，建筑火災的發(fā)展示意圖，很可能是下面這種情況。

火災進(jìn)入初期階段，由于消耗氧氣，火勢變小，處于熄滅階段。這個(gè)時(shí)候，由于消防員到場(chǎng)開(kāi)門(mén)或窗戶(hù)受熱力影響破裂，室外大量的空氣進(jìn)入房間，趨于熄滅的火勢再次發(fā)展起來(lái)。

 

通過(guò)這張圖，我們就能直觀(guān)地看到空氣在建筑火災中的重要影響。而這往往是我們目前所忽略的。

 

消防在二樓住宅破窗排煙，二樓最初并沒(méi)有明火。大約3分鐘以后，整個(gè)二樓發(fā)生了燃燒。原因正是因為消防員在排煙的同時(shí)，大量空氣進(jìn)入室內，加速了火勢的發(fā)展。

這是去年英國那場(chǎng)大火，大家可以觀(guān)察一下，除了沿外墻蔓延的火勢，其余明火均出現在窗戶(hù)破裂的室內。

 

那么我們過(guò)去說(shuō)的排煙戰術(shù)是否真的對滅火有幫助？排煙降溫是否真的成立？我想這個(gè)答案是不一定的。具體的情況，我們稍后再進(jìn)行分析。

 

既然我們通過(guò)視頻、通過(guò)圖片加深了對空氣作用的了解，接下來(lái)，我們談?wù)劵饒?chǎng)中的煙氣。

 

火 場(chǎng) 煙 氣

 

火場(chǎng)煙氣是在火災發(fā)展過(guò)程中由燃燒或熱解作用所產(chǎn)生的懸浮在氣相中的可見(jiàn)的固體和液體微粒的氣體。

 

建筑火災中，由于可燃物多纖維物質(zhì)的材料（如：木材、竹等）和高分子材料（如：各種塑料、人造絲等），因此煙氣中含有大量的一氧化碳和氮氧化物。一氧化碳是一種可燃氣體，氮氧化物是非可燃物質(zhì)，但均能助燃，因此，煙氣在與氧氣充分混合以后，也將發(fā)生燃燒。

 

根據美國近年來(lái)的結論，煙氣就是可燃物。

 

火災的蔓延發(fā)展、火場(chǎng)中的轟然、回燃等極端現象，都是因為煙氣的影響。

 

為什么說(shuō)煙氣也是可燃物，我們可以看看下面這個(gè)視頻。

消防員到場(chǎng)后開(kāi)始破窗排煙，大家注意第35秒。二樓房頂的煙氣層瞬間被點(diǎn)燃，然后整個(gè)房間陷入火海

煙氣中含有一氧化碳（可燃物）、氮氧化物（助燃物），同時(shí)，煙氣的溫度較高（熱量），再加上排煙后大量的氧氣（助燃物），煙氣很快會(huì )發(fā)生燃燒，因此，煙氣=可燃物。

對于現代建筑火災，消防員應當通過(guò)現場(chǎng)的偵查、了解掌握火場(chǎng)的信息。其中最關(guān)鍵的便是掌握火勢蔓延發(fā)展規律的信息。

CFBT-US里面有一個(gè)章節專(zhuān)門(mén)在講，叫做B-SHAF。我個(gè)人取了個(gè)名字叫B-SHAF火場(chǎng)識別法。

B（building）S（smoke）H（heat）A（air track空氣流動(dòng)軌跡）F（flame）

今天由于是講火災特性，空氣和煙氣我重點(diǎn)說(shuō)一下。

如何通過(guò)煙氣判斷火勢的蔓延發(fā)展？

火災發(fā)生后，火場(chǎng)內部形成高溫環(huán)境，火場(chǎng)內外部形成溫差和壓差；受熱膨脹的煙氣向低溫、低壓方向蔓延，并通過(guò)排煙口（通風(fēng)口）流出室外；為補充煙氣流出后火場(chǎng)所損失的壓力，火場(chǎng)外部空氣會(huì )從排煙口（通風(fēng)口）吸入火場(chǎng)內部。同時(shí)，火場(chǎng)中的氧氣不斷消耗，火會(huì )朝著(zhù)空氣進(jìn)入的方向（排煙口或通風(fēng)口）蔓延。

結論：

1.高溫、高壓煙氣會(huì )向低溫、低壓區域蔓延（排煙口或通風(fēng)口）；

2.煙怎么流，火便怎么燒。

在任何一個(gè)火場(chǎng)，都會(huì )形成煙火蔓延的路徑，在美國被稱(chēng)為flow path（氣流）。這是老美近10年來(lái)最重要的一個(gè)研究理論。

Flow paths:Every new ventilation opening provides a new flow path to the fire and vice versa.This could create very dangerous conditions when there is a ventilation limited fire.

煙火蔓延路徑

在一個(gè)單層的室內，會(huì )存在一個(gè)：雙向的煙火蔓延路徑。即：任何一個(gè)排煙口的下部吸入空氣（藍色箭頭）、排煙口的上部排除煙氣。

結論：

1.在同一個(gè)平面（樓層）開(kāi)設的排煙口會(huì )形成雙向路徑；

2.在同一個(gè)平面（樓層）的一個(gè)或多個(gè)排煙口都屬于雙向路徑；

3.雙向路徑的排煙口，上部排出煙氣，下部吸入空氣。

“煙怎么流，火便怎么燒”

生火災，因為沒(méi)有煙氣流動(dòng)、沒(méi)有氧氣，就沒(méi)有火災。煙氣會(huì )往有空氣的地方蔓延，最終火也會(huì )往有空氣的地方蔓延。

下面實(shí)驗揭示了單層建筑煙氣的蔓延規律。

沙發(fā)為最初起火點(diǎn)，燃燒8分鐘以后，前門(mén)打開(kāi)，之后每間隔15秒，依次打開(kāi)客廳、和三個(gè)臥室的窗戶(hù)，實(shí)驗結果如下圖。

通過(guò)實(shí)驗，一方面可以看出，在通風(fēng)排煙以后，整個(gè)室內的溫度迅速上升。

同時(shí)，整個(gè)煙氣流動(dòng)軌跡也是向著(zhù)每個(gè)通風(fēng)口在進(jìn)行蔓延，且受到煙氣蔓延的房間溫度均在上升。 圖中紅色的箭頭便表示這火場(chǎng)的煙火蔓延路徑。

再說(shuō)說(shuō)多層建筑中的煙火蔓延路徑規律

在多層或者單層（排煙口存在一定高差）的火災中，底部的排煙口“主要”負責吸入空氣，上部的排煙口“主要”負責排除煙氣。

結論：

1.火場(chǎng)中存在2個(gè)或多個(gè)有一定高度差的排煙口（通風(fēng)口），便會(huì )形成單向蔓延途徑； 

2.位于較低部位的排煙口主要負責吸入空氣，較高部位的排煙口主要負責排出煙氣；

3.單向蔓延路徑即是“煙囪效應”。

為什么要說(shuō)“主要”，因為建筑結構和排煙的時(shí)間點(diǎn)或排煙口的大小、位置都會(huì )對煙火蔓延路徑造成影響。因此在實(shí)驗室中，很好模擬一個(gè)完美的底部吸入空氣，上部排除煙氣的實(shí)驗。但在實(shí)際當中，底部的排煙口也在排除煙氣，同時(shí)吸入空氣，只是排煙量會(huì )減少。

來(lái)看一個(gè)實(shí)驗。

家庭室內沙發(fā)發(fā)生火災，預燃10分鐘，之后打開(kāi)前門(mén)，15秒后打開(kāi)二樓臥室窗戶(hù)。

大家可以看一下圖片，第13分鐘時(shí)，臥室已有火光，17分鐘時(shí)火光更明顯。

根據實(shí)驗，同樣是在打開(kāi)排煙口后，室內溫度迅速上升。

紅色的箭頭表示煙火蔓延的路徑，從沙發(fā)處向大門(mén)蔓延，從沙發(fā)處向二樓臥室蔓延，但是主要方向是二樓臥室。因為前面所說(shuō)的“單向蔓延路徑”， 底部的房門(mén)主要吸入空氣，二樓的窗戶(hù)主要排出煙氣。

這個(gè)視頻，起火點(diǎn)在一樓，點(diǎn)火后，1樓房門(mén)關(guān)閉，二樓窗戶(hù)打開(kāi)。1分14秒時(shí)，二樓不再排煙，因為室內火勢趨于窒息狀態(tài)。

為何如此？因為1樓房門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，2樓的排煙口打開(kāi)后，會(huì )形成一個(gè)雙向的蔓延路徑。即：排煙口下部負責吸入空氣、上部負責排除煙氣，但起火點(diǎn)在一樓，從二樓這個(gè)排煙口很難吸入足夠的空氣，因此室內火勢減少、缺氧、趨于窒息。當一樓大門(mén)打開(kāi)以后，二樓迅速恢復排煙，趨于熄滅的火勢，重新發(fā)展起來(lái)，隨后發(fā)生了轟燃。

在這個(gè)視頻中，一樓大門(mén)被再次打開(kāi)以后，也在進(jìn)行排煙，火勢也從一樓大門(mén)口燒了出來(lái)，但是火勢蔓延的主要方向是二樓，因為存在一個(gè)“單向蔓延路徑”， 同時(shí)也是我之前說(shuō)的，單向路徑在實(shí)驗室很好模擬，在實(shí)際建筑中并不太容易完全一致。因為在這個(gè)視頻中，二樓排煙口很小，一樓積聚的煙氣很可能一下子排不出去，所以，一樓的大門(mén)也會(huì )幫著(zhù)排煙。另外整個(gè)室內的結構、起火點(diǎn)的位置也有很大影響，這個(gè)視頻是室內攝像機拍攝的畫(huà)面。

攝像機拍攝畫(huà)面(點(diǎn)擊觀(guān)看)

動(dòng)畫(huà)模擬不完全的“單向路徑”(點(diǎn)擊觀(guān)看)

另外，這個(gè)動(dòng)畫(huà)模擬了不完全的“單向路徑”， 到目前為止，第一部分講完了

思考：  

臺灣吳宏毅科長(cháng)：破窗是排煙還是助燃？什么時(shí)候破窗是排煙？什么時(shí)候破窗是助燃？

結論：

在剛剛說(shuō)的一系列實(shí)驗中，最后有個(gè)非常重要的結論。目前已經(jīng)納入美國的救災課程內容。就是當你開(kāi)始對火點(diǎn)射水的時(shí)候開(kāi)始，你開(kāi)始進(jìn)行破窗，那就是排煙；當你的射水還無(wú)法到火點(diǎn)前的破窗開(kāi)門(mén)開(kāi)口，都是助燃。

當火勢已被水槍壓制，火勢已處于劣勢，加大排煙口等于排煙降溫。因為當你開(kāi)始攻擊火點(diǎn)，他的通風(fēng)并不會(huì )再增加熱釋放率；相反的，如果沒(méi)有射水的通風(fēng)，它會(huì )短暫的有假通風(fēng)效果，約1-3分鐘后就會(huì )變成助燃。

所以開(kāi)玩笑地說(shuō)：消防隊一到場(chǎng)破門(mén)進(jìn)攻的那一刻就是開(kāi)始幫忙燒房子，因為你開(kāi)啟了助燃通道。所以就有了后來(lái)的戰術(shù)“門(mén)控”。