室內火災撲救知識的發展

引言
我們建造的房屋以及建筑結構,同樣發生了翻天覆地的變化。如今的房子都是用高性能的雙層玻璃,甚至是三層玻璃建造的。房屋和建筑物有較厚的隔熱層。
我們甚至建造了被動型房屋(所謂被動式房屋指僅依靠建筑本身的構造設計,就能到達舒適的室內溫度,滿足“冬暖夏涼”的要求,不需要單獨再另外安裝供暖設施的建筑)。
很明顯,如果這些建筑發生火災,我們的撲救方式方法也應該發生變化。現在的消防官兵遇到的火災,在40年前甚至還沒有出現。幸運的是,現代滅火的工具和裝備也得到了提升改善。
舉例來說,目前消防員所使用的水槍與過去使用的水槍差別巨大。關于火災的知識、火災科學現在與過去也大不相同。
滅火救援過程中,過去與當前的方法學問同等重要,接下來,我們將圍繞兩個主題進行討論。兩個主題分別是:燃燒三角模型和通風良好型火災。
一、燃燒三角模型
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開始燃燒
每個人都知道燃燒三角模型。我們用它來解釋燃燒形成的必要條件,這三個必要條件是可燃物,空氣(氧氣)和(活化)能量。在這種情況下,“能量”這個詞經常被溫度或熱量所取代,這三個組成條件需要分別達到一定程度才能促成燃燒。
燃燒過程實際上是可燃物與氧氣之間的化學反應,該過程伴隨著熱量或者能量的輸出。燃燒開始階段,會消耗氧氣。在空氣中,氧氣含量21%。有限密閉空間中燃燒,將會消耗氧氣,火焰將逐漸減弱,直到它將氧氣耗盡,最后熄滅。
經過計算,空氣中含氧量在14%到15%之間,燃燒會逐漸熄滅。一個簡單的實驗是:蠟燭在密封容器中的燃燒實驗。燃燒的蠟燭在密閉儀器中,密閉儀
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燃燒四邊形
有時會提到燃燒四邊形,在那種情況下,空氣與可燃物有效接觸面積比也會被考慮在內。
比方說,我們把一些刨花放在碗里,這將很容易點燃,木屑表面積一大部分暴露在空氣中,這意味著有一個很好的可燃物/空氣比例。
如果我們試圖用相同的點火源點燃一根木梁,它將無法實現。與木屑相比,木梁暴露在空氣中的表面積實際上要小很多,也即木梁有一個較差的可燃物/空氣接觸比例。
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燃燒三角形在火災發展過程中的作用
如果發生極端火災現象(轟燃,回燃和可燃氣體燃燒),燃燒三角形在其中就有重要作用。
無論何時發生上述現象中的任何一個,你可以應用燃燒三角形進行分析。因為,可燃物、氧氣和能量,必須形成一定比例才能觸發上述現象之一,一個相當簡單的例子就是回燃。
在回燃之前,室內有充足的可燃混合物(包括可燃煙氣和室內可燃物),火災高溫也保證了能量的供給,也即燃燒三角形的可燃物和能量兩項完全滿足,只是缺乏供給燃燒的氧氣。
當我們將第三方的氧氣加入可能發生回燃的室內時,回燃發生。換句話說:我們需要讓燃燒三角形的所有三個條件都滿足才會形成回燃。這也適用于所有其他極端火災現象。
二、通風良好型火災
各種火災研究中發現,火勢的發展對火災起著至關重要的作用。火災中,空氣的含量,決定了火災的發展情況。
根據通風情況,我們將火災分為通風良好型與通風受限型火災。接下來,我們來介紹通風良好的火災。這種火災具有足夠的通風(空氣供應)以繼續進行燃燒蔓延。
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火災初期階段
在某個時間,點火裝置點火,裝置內通常有21%的氧氣。所以,在火災開始的時候,有足夠的氧氣供火繼續燃燒。一段時間后,氧氣將被火災產生的煙氣所取代,房間里的氧氣百分比會降低。
這一階段,因為氧氣足夠支撐燃燒發展。因此,我們可以說,這個階段的火災是由燃料控制的。這意味著,燃料的數量將決定火災發展進程。
在開始階段,點火源(例如香煙)將與可燃物相互作用。可燃物一開始會產生煙氣,換句話說,在點火之后,會發生陰燃。一般來說,越來越多的可燃物會卷入到火災中,著火面會變大,溫度也會開始上升,過了一會兒,產生的煙氣就會被點燃,這些火焰本身就產生了輻射熱。
一旦煙氣中有火焰,燃燒過程就會加速。從火焰中發出的輻射熱可以到達更遠的地方。起火點附近的物體的溫度將開始上升。
當這些物體獲得足夠的熱量時,它們首先會釋放蒸汽,然后再釋放熱解氣體。兩種氣體都是淺色的(白色到灰色)。
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燃燒發展階段
一旦點燃的濃煙開始燃燒,火勢進入發展階段。在室內,很明顯可以看到火災在發展。有大量的煙霧可見,而且溫度顯著上升,煙氣將開始下降,它是由受到熱輻射的室內可燃物熱解和燃燒產生的煙氣組成的。
在發展階段,煙氣的中性面(或叫中性區域)會出現(見圖2)。直觀的從圖上解釋,我們可以在煙層的底部畫一條線。
圖片 2在小屋中間高度區域我們發現了深灰色的煙霧。而下面有很好的能見度。(圖片:斯特夫范德斯米森——Zaventem消防部門)
在煙氣層中,氣相可燃物數量將繼續增加,而在煙氣層下仍然有大量的氧氣存在。此外,煙氣層下的能見度仍然相當不錯。
隨著火勢越來越大,煙氣層將會下降。這種煙氣層下降的速度是觀察火災發展速度的指標。快速下降的煙氣層表明快速發展的火災,并且該火災非常危險。
一段時間后,煙氣層中的火焰會引燃天花板,火焰開始在天花板上水平蔓延。在這一點上,煙氣層中有一個火焰面。這火焰逐漸開始在煙氣中穿過。
這種現象被稱為“滾燃(即火焰與煙氣充分混合后的預混燃燒)”,滾燃的出現,標志著火災發展階段的結束,下一階段的開始。由于來自煙氣層的輻射熱,環境溫度將會迅速上升,這時,將發生轟燃。
在火災發展階段,越來越多的可燃物卷入火災。氧氣供應充足的情況下,火焰的前端會蔓延,火災規模也會變大,火場需要越來越多的氧氣。
與此同時,特別是空氣中氧氣的百分比也會開始下降,尤其是在室內空間的上層,彌漫著燃燒產生的煙氣。火災仍然是燃料控制的,但正在向通風控制型火災轉變。
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轟燃
在火災發展階段,房間里的所有可燃物都開始受熱分解。燃燒過程產生了大量的煙氣,這種煙氣有一定量的可燃氣體,如一氧化碳。
煙氣層本質上是一個熱可燃煙氣的儲藏庫,隨著煙氣和空氣的不斷卷吸預混,氣體混合物被點燃,溫度迅速上升,幾秒鐘后,一個房間里的火就會演變成一場大火,吞沒了整個房間。
接著,我們看到了火災從二維向三維立體火災過渡。這意味著我們可以將轟燃定義為:它是一種突然的、連續的,火災從發展階段到全面燃燒階段的轉變。
房間發生轟燃后,整個房間都會被大火吞沒。燃燒過程中,參與燃燒的可燃物數量大大增加。此時,火災的發展需要更多的氧氣參與,火災也變成了通風控制型。
因為,進入全面燃燒階段需要更多的氧氣,要獲取足夠多的氧氣,只有通風才能實現。

圖片 3 通風良好的燃燒 (Graphic: Karel Lambert)
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全面燃燒階段
一旦一場火災發生后,整個室內空間都將被火焰侵襲,房間內的任何東西都會被燒毀。周邊建筑構件(例如地板、天花板、墻壁、……)的耐火性能,決定了火災是否會由室內發展蔓延到其它房間。
如果一扇門打開了,隔壁的房間很快也會被火勢蔓延,并發展成轟燃現象。
有可能在A房間里有一個完全充分燃燒的火災(轟燃后),而B房間則處于火勢發展階段(轟燃前),處于完全燃燒階段的房間最終將被燒毀。
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下降階段
隨著火災的持續,它會消耗越來越多的燃料。在燃燒階段結束時,火災的強度將下降,煙氣的產生也會減少,流入的空氣量就會增加,燃燒中涉及的可燃物變少,氧氣量將增加。在某個時候,燃燒的形式從通風控制型回到燃料控制型。
熄滅過程中,仍然有一些可燃物足夠熱,可以繼續燃燒。火的強度可能要小得多,但持續受熱分解產生氣體對消防員來說仍然是一個風險。