Phòng ngừa và thoát khói cho công trình xây dựng

Nhiều vụ cháy công trình đã cho thấy khói độc ở nhiệt độ cao trong đám cháy lan truyền nhanh chóng thông qua nhiều kênh đa dạng, khiến khói bên trong công trình trở thành một trong những nguyên nhân chính cản trở quá trình thoát nạn của người dân và hoạt động chữa cháy, cũng như gây ra tử vong. Thiết kế chống khói cho công trình rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho người bên trong và ngăn chặn sự lan rộng của khói. Công tác chống khói và thoát khói của công trình cần được xem xét trọng tâm trong thiết kế an toàn phòng cháy chữa cháy cho khoa phẫu thuật sạch của bệnh viện.

(1) Nguyên tắc cơ bản của thiết kế chống và thoát khói là ngăn chặn khói xâm nhập vào các tuyến đường sơ tán và đảm bảo an toàn sơ tán. Tuy nhiên, đối với các công trình cao tầng, công trình không có cửa sổ và các địa điểm tương tự như khoa phẫu thuật sạch bệnh viện – nơi việc sơ tán và chữa cháy gặp khó khăn – cần thực hiện thiết kế chống và thoát khói tại các bộ phận quan trọng, áp dụng các cơ sở vật chất tập trung chủ yếu vào kiểm soát khói.

Thiết kế chống và thoát khói cần dựa trên đặc điểm của khói và quy luật chuyển động của nó, nghiên cứu hướng luồng khói của các phòng có nguy cơ bắt lửa trong bố cục mặt bằng; thông qua các giả định khác nhau, tìm ra phương án thiết kế chống khói tiết kiệm và hiệu quả nhất cùng các tuyến đường kiểm soát luồng khói, lựa chọn thiết bị chống và thoát khói phù hợp, đồng thời bố trí diện tích và vị trí hợp lý cho cửa cấp gió, cửa thoát khói và ống dẫn gió.

(2) Việc chống khói hoặc thoát khói của công trình có thể được thực hiện bằng phương pháp thoát khói tự nhiên, cấp gió tăng áp cơ học hoặc thoát khói cơ học. Việc áp dụng phương pháp nào cần được xác định thông qua xem xét toàn diện bố cục mặt bằng của công trình, điều kiện thông gió, chiều cao không gian, mật độ tải trọng cháy bên trong công trình cũng như loại, hình thức và phân bố của tải trọng cháy.

Để đáp ứng yêu cầu phẫu thuật và tiêu chuẩn độ sạch, khoa phẫu thuật sạch nói chung tương đối kín, các khu vực sạch duy trì áp suất không khí cao hơn môi trường xung quanh. Các khu vực sạch thường không có cửa sổ hoặc chỉ có cửa sổ cố định kín. Trong thiết kế hệ thống chống và thoát khói của khoa, khi khoa được xây dựng như một công trình độc lập, cần được xử lý như công trình không có cửa sổ; khi được xây dựng liền khối với các công trình khác, cần được xử lý như phòng không có cửa sổ bên trong công trình. Hình 10.4　Sơ đồ nguyên lý đầu báo cháy và thiết bị điều khiển báo động cháy Vì Quy chuẩn thiết kế phòng cháy chữa cháy công trình hiện hành chưa có quy định về thiết kế hệ thống kiểm soát và thoát khói trong công trình, công tác thiết kế liên quan có thể được thực hiện tham khảo các quy định tương ứng của Quy chuẩn thiết kế phòng cháy chữa cháy công trình dân dụng cao tầng và Quy chuẩn thiết kế phòng cháy chữa cháy công trình phòng không dân dụng. Tuy nhiên, thiết kế hệ thống kiểm soát và thoát khói cho công trình từ lâu đã là trọng tâm nghiên cứu về phòng cháy và kiểm soát khói công trình ở nước ngoài, nhiều lý thuyết đã được đề xuất; song cho đến nay vẫn chưa có phương pháp thiết kế trưởng thành được chấp nhận rộng rãi. Người ta đang nỗ lực giải quyết vấn đề này bằng phương pháp thiết kế dựa trên hiệu suất, và một số mô hình dự đoán, tính toán luồng khói trong công trình trên máy tính đã được phát triển.

[Tài liệu tham khảo]

① Khói là hỗn hợp của không khí với các chất ở thể khí, thể lỏng và thể rắn, chứa một lượng nhiệt lớn, được tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt của một chất trong quá trình phản ứng cháy.

Khi một chất trải qua phân hủy nhiệt và cháy, nó tỏa ra nhiệt, ánh sáng và khói. Thành phần và số lượng khói phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu dễ cháy và các điều kiện cháy như nhiệt độ, lượng oxy cung cấp trong quá trình cháy. Vật liệu xây dựng dễ cháy, vật liệu trang trí, đồ đạc dễ cháy và các vật dụng dễ cháy được lưu trữ khác trong các công trình thông thường chủ yếu là các hợp chất hữu cơ cấu tạo từ các nguyên tố như carbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, phốt pho và nitơ. Trong điều kiện cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy của một chất chủ yếu là carbon dioxide, carbon monoxide, hơi nước, sulfur dioxide và nitơ; xem Bảng 10.7. Trong điều kiện cháy không hoàn toàn, ngoài các sản phẩm cháy nêu trên, còn tạo ra các hợp chất hữu cơ như rượu, xeton, ete và andehit. Khi các chất có hàm lượng carbon cao cháy trong điều kiện thiếu oxy, một lượng lớn hạt carbon được tạo ra. Tác hại của khói đối với cơ thể người chủ yếu bao gồm ngạt thở do khí độc tạo ra bởi quá trình cháy, kích thích các cơ quan của con người và tác động của nhiệt độ cao; xem Bảng 10.8.

Bảng 10.7　Khí độc tạo ra trong quá trình cháy của một số chất dễ cháy

Bảng 10.8　Tác hại đối với cơ thể người do sản phẩm phân hủy nhiệt của các chất dễ cháy phổ biến gây ra

(i) Tác động gây ngạt thở. Nồng độ carbon monoxide sinh ra trong phòng cháy khác nhau đáng kể tùy thuộc vào bản chất, số lượng, cách xếp chồng các chất cháy và điều kiện các lỗ mở của căn phòng. Nó chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tốc độ phản ứng phân hủy nhiệt và phản ứng oxy hóa của các chất cháy. Khi Khi nhiệt độ trong nhà tiếp tục tăng, sự phân hủy nhiệt của các chất cháy tăng nhanh và tạo ra nhiều carbon tự do hơn; việc cung cấp oxy không đủ sẽ làm nồng độ carbon monoxide tăng lên. Nồng độ carbon monoxide trong phòng cháy nói chung có thể đạt 4%～5%, cao nhất khoảng 10%. Nồng độ carbon monoxide an toàn đối với con người khi phơi nhiễm 1 giờ là 0,04%～0,05%; đối với hoạt động sơ tán người, nồng độ này không được vượt quá 0,2%.

Khi đám cháy diễn ra mạnh bên trong công trình, nồng độ carbon dioxide có thể đạt 15%～23%. Thông thường, phơi nhiễm với nồng độ carbon dioxide khoảng 10% sẽ gây chóng mặt; trường hợp nặng có thể hôn mê, khó thở, thậm chí ngừng hô hấp và mất ý thức. Phơi nhiễm với nồng độ carbon dioxide khoảng 20% sẽ gây tê liệt hệ thần kinh trung ương của con người, dẫn đến tử vong.

Trong đám cháy, quá trình cháy tiêu thụ một lượng lớn oxy và nồng độ oxy trong không khí giảm mạnh, có thể xuống thấp tới 3%～4% khi đám cháy cháy mạnh. Thông thường, khi nồng độ oxy trong không khí xuống dưới 11%, con người sẽ mất khả năng suy luận, bị co giật và tím tái mặt. Khi nồng độ oxy xuống dưới 6%, con người sẽ tử vong sau thời gian phơi nhiễm ngắn.

(ii) Tác động gây kích ứng. Trong các sản phẩm phân hủy nhiệt của chất cháy trong đám cháy có một số loại khí như hydro clorua, amoniac, hydro florua, lưu huỳnh đioxit, phosgen và nitơ đioxit có tác động kích ứng mạnh đối với cơ thể con người.

(iii) Tác động của nhiệt độ cao. Khi hỏa hoạn xảy ra trong công trình và nhiệt độ đạt ngưỡng bùng cháy toàn phần (flashover), nhiệt độ trong nhà có thể vượt 500℃, thậm chí cao tới 800℃. Nhiệt độ cao không chỉ làm tăng nhịp tim và gây đổ mồ hôi nhiều, khiến tình trạng mệt mỏi và mất nước xuất hiện nhanh chóng, mà còn có thể gây bỏng cho con người, dẫn đến thương tích hoặc tử vong. Ngoài ra, khói nhiệt độ cao cũng là nguyên nhân chính khiến đám cháy lan truyền và mở rộng nhanh chóng, đồng thời làm tăng thiệt hại do hỏa hoạn. Khói cũng làm giảm tầm nhìn của con người, tạo cảm giác hoảng sợ và ảnh hưởng đến các hoạt động sơ tán cũng như chữa cháy.

② Quy luật chuyển động của khói trong công trình. Khói nhiệt độ cao do đám cháy tạo ra có tỷ trọng thấp hơn không khí lạnh; dưới tác dụng của lực đẩy nổi, khói bay lên và khi gặp tấm sàn hoặc trần nhà thì đổi hướng, tạo thành dòng khói khuếch tán theo phương ngang. Nếu nhiệt độ khói không giảm vào lúc này, khói nhiệt độ cao và không khí xung quanh sẽ tạo thành dòng chảy tầng phân tách rõ rệt. Tuy nhiên, trên thực tế, khi khói chảy và khuếch tán, một mặt không khí lạnh liên tục hòa vào, mặt khác khói bị các cấu kiện công trình như tấm sàn và trần nhà làm nguội và cản trở nên nhiệt độ giảm dần; khi dòng khói chảy và khuếch tán theo phương ngang gặp các vật thể xung quanh, nó lại tiếp tục bị làm nguội và chảy xuống dưới. Theo cách đó, khói nguội dần và không khí đã được làm nguội chảy về khu vực cháy, tạo thành đối lưu tự nhiên trong phòng, khiến đám cháy càng lúc càng cháy mạnh.

Tốc độ chảy và khuếch tán của khói liên quan đến nhiệt độ khói và hướng chảy. Tốc độ dòng khuếch tán theo phương ngang của khói tương đối thấp: thường là 0,1～0,3 m/s trong giai đoạn đầu của đám cháy và 0,5～0,8 m/s trong giai đoạn giữa. Tốc độ dòng khuếch tán theo phương đứng của khói tương đối cao, thường là 1～5 m/s. Trong giếng cầu thang bộ hoặc giếng ống kỹ thuật, lực hút do hiệu ứng ống khói tạo ra có thể làm tăng tốc độ chảy của khói lên 6～8 m/s.

③ Dòng chảy của khói trong phòng cháy. Khi khói bay lên trong phòng cháy, sau khi chạm trần nó lan tỏa theo phương ngang về mọi hướng, đồng thời bị các kết cấu bao che công trình xung quanh cản trở và làm nguội nên có xu hướng chảy xuống dọc theo các bức tường. Khói liên tục được tạo ra và lớp khói phía trên dày lên dần; khi lớp khói hạ xuống dưới các ô cửa đi và cửa sổ, nó sẽ khuếch tán ra ngoài trời và vào hành lang qua các ô cửa đi, cửa sổ đang mở. Nếu cửa đi và cửa sổ đóng kín, lớp khói sẽ tiếp tục dày lên; khi nhiệt độ trong nhà tăng đến một mức nhất định (thường là 200～300℃), kính trên cửa đi và cửa sổ bị vỡ, khói khuếch tán ra ngoài trời và vào hành lang qua các khe hở trên cửa đi và cửa sổ. Khi khói được thải ra từ cửa sổ thẳng đứng, không khí bị cuốn đi ở gần đó có thể được bù đắp từ cả hai phía của cửa sổ, và quỹ đạo của nó cong lên trên, do đó nguy cơ lửa lan lên trên qua cửa sổ không cao; khi khói được thải ra từ cửa sổ nằm ngang, không khí bị cuốn đi ở gần đó không thể được bù đắp kịp thời từ cả hai phía cửa sổ, làm cho ngọn lửa bám chặt vào bề mặt tường và kéo dài một khoảng cách tương đối xa; tình huống này gây ra mối đe dọa lớn cho tầng phía trên.

Khi cửa phòng đang đóng, không có lỗ mở nào khác kết nối với hành lang và cửa sổ trên tường ngoài đang mở: khi bên ngoài có gió và cửa sổ ở phía đón gió, mặt phẳng trung lập sẽ tăng lên; khi cửa sổ ở phía khuất gió, mặt phẳng trung lập sẽ giảm xuống.

Khi cửa phòng mở ra phía hành lang, luồng khói trở nên phức tạp hơn; nó sẽ liên quan đến các yếu tố như hiệu ứng ống khói của tòa nhà, phương pháp kiểm soát và thải khói, tốc độ gió ngoài trời và nhiệt độ đám cháy.

④ Luồng khói trong hành lang. Khói chảy từ phòng vào hành lang ban đầu bám vào mặt dưới trần nhà khi di chuyển; do được làm lạnh và trộn lẫn với không khí, lớp khói dày lên dần. Khói ở gần trần nhà và bề mặt tường dễ bị làm lạnh và đầu tiên chảy xuống dọc theo bề mặt tường; khi luồng chảy, cùng với việc quãng đường di chuyển kéo dài và sự trộn lẫn với không khí xung quanh tăng lên, nhiệt độ khói giảm dần và mất đi lực nổi, cuối cùng để lại một không gian tròn ở trung tâm hành lang.

Các thử nghiệm đám cháy đã chỉ ra rằng, trong giai đoạn cháy mạnh, khói chảy ra khỏi phòng di chuyển dọc theo trần hành lang ở trạng thái dòng tầng, và độ dày của lớp khói giữ nguyên không đổi trong khoảng cách 20～30 m. Tuy nhiên, trong quá trình chảy, nếu lớp khói bị cản trở bởi dầm và các phần nhô ra khác, hoặc bị xáo trộn bởi luồng không khí ngoài trời đi vào hoặc bởi luồng không khí từ hệ thống thông gió và điều hòa không khí, khoảng cách dòng tầng của nó sẽ bị rút ngắn và nó sẽ chuyển sang trạng thái dòng rối.

⑤ Luồng khói đi qua các giếng thẳng đứng như giếng cầu thang, giếng thang máy và giếng đường ống. Khi nhiệt độ không khí trong nhà cao hơn nhiệt độ ngoài trời, luồng không khí, sau khi đi vào qua các lỗ mở trên tường ngoài của các tầng nằm dưới mặt phẳng áp suất trung lập của tòa nhà, di chuyển lên trên qua các giếng thẳng đứng như giếng cầu thang, giếng thang máy và giếng đường ống, đi vào các phòng qua các lỗ mở của giếng nằm trên mặt phẳng áp suất trung lập của tòa nhà, sau đó chảy ra qua các lỗ mở trên tường ngoài của mỗi tầng. Nói chung, sự phân bổ áp suất bên trong tòa nhà tuân theo mối quan hệ sau: khi ở phần dưới của tòa nhà, áp suất không khí ngoài trời ＞ áp suất của mỗi tầng ＞ áp suất bên trong các giếng, không khí ngoài trời chảy vào tòa nhà; khi ở phần trên của tòa nhà, áp suất bên trong các giếng ＞ áp suất của mỗi tầng ＞ áp suất ngoài trời của tòa nhà, không khí trong nhà chảy ra khỏi tòa nhà. Ngoài ra, do sự chênh lệch áp suất giữa các tấm sàn của các tầng liên tiếp, không khí chảy từ tầng dưới lên tầng trên; trong điều kiện như vậy, một khi đám cháy xảy ra ở tầng dưới, khói sẽ chảy lên trên, và tầng trên cùng thậm chí còn nguy hiểm hơn tầng ngay trên tầng xảy ra cháy.

Khi nhiệt độ không khí trong nhà cao hơn nhiệt độ ngoài trời, lực nổi được tạo ra do sự khác biệt về trọng lượng riêng giữa không khí trong nhà và ngoài trời. Áp suất ở phần trên của tòa nhà lớn hơn áp suất ngoài trời, trong khi áp suất ở phần dưới nhỏ hơn áp suất ngoài trời. Khi có các lỗ mở trên tường ngoài, không khí trong nhà chảy ra qua các lỗ mở ở phần trên của tòa nhà, và không khí ngoài trời chảy vào qua các lỗ mở ở phần dưới. Hiện tượng này là hiệu ứng ống khói (hiệu ứng cột khói) của tòa nhà. Trong điều kiện bình thường, hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong sự di chuyển của không khí bên trong các tòa nhà. Khi xảy ra cháy, lượng nhiệt lớn được giải phóng bởi quá trình cháy làm nhiệt độ trong nhà tăng nhanh, hiệu ứng ống khói của tòa nhà trở nên rõ rệt hơn, và đám cháy lan nhanh hơn.

⑥ Nói chung, thiết kế kiểm soát và thải khói bao gồm một hoặc nhiều phương pháp thiết kế sau: phương pháp tăng áp; phương pháp thải khói; phương pháp luồng không khí.

(i) Phương pháp tăng áp. Phương pháp tăng áp là phương pháp kiểm soát khói phổ biến nhất; ví dụ quen thuộc nhất là tăng áp cho giếng cầu thang so với các phòng và phòng chờ chống khói. Phương pháp này nhằm tạo ra sự chênh lệch áp suất trên hai phía của vách ngăn khói; trong hầu hết các trường hợp, sự chênh lệch áp suất 25 Pa được tạo ra trên hai phía của tấm chắn khói. Thông thường, hệ thống kiểm soát và thải khói tạo ra sự chênh lệch áp suất 25 Pa giữa khu vực cháy và khu vực lân cận, hoặc giữa phòng chờ chống khói và giếng cầu thang. Ví dụ, trong một tòa nhà văn phòng cao tầng điển hình, hành lang của khu vực cháy được thải khí để tạo ra áp suất âm 25 Pa, trong khi các phòng và phòng chờ chống khói được duy trì ở áp suất dương, và giếng cầu thang được duy trì ở áp suất dương. Trong thực tế kỹ thuật, phương pháp tăng áp yêu cầu tính toán diện tích rò rỉ của tường, trần, sàn và cửa trên mỗi tầng. Ví dụ, trong cầu thang bộ, khu vực thoát khói thường tạo ra áp suất âm 25 Pa so với khu vực khói lân cận hoặc cầu thang bộ. Trước tiên, cần tính toán diện tích tường, trần và sàn của cầu thang bộ; nhân các giá trị này với hệ số rò rỉ không khí sẽ thu được diện tích rò rỉ của kết cấu bao che công trình, sau đó cộng diện tích rò rỉ của cửa cầu thang bộ sẽ được tổng diện tích rò rỉ của cầu thang bộ. Sử dụng tổng diện tích rò rỉ và độ chênh lệch áp suất yêu cầu là 25 Pa, có thể tính toán được lưu lượng khí cấp, từ đó xác định được tốc độ tăng áp.

(ii) Phương pháp thoát khói. Mục tiêu của phương pháp thoát khói là duy trì môi trường có thể chịu đựng được trong không gian, giữ độ cao thấp nhất của lớp khói cao hơn độ cao giới hạn chịu đựng yêu cầu cho việc sơ tán an toàn của người có mặt — thường là 2,1 m so với mặt sàn, hoặc theo khuyến nghị của Nhật Bản, $H_s \geqslant 1.6+0.1H_f$ (trong đó $H_f$ là chiều cao thông thủy của căn phòng). Phương pháp thoát khói được áp dụng rộng rãi trong các giếng trời và hệ thống trung tâm mua sắm lớn. Có một số mô hình tính toán cho phương pháp thoát khói, nội dung này sẽ không được mô tả chi tiết ở đây.

(iii) Phương pháp luồng không khí. Nguyên tắc của phương pháp luồng không khí là ngăn chặn khói di chuyển qua các khe hở giữa các khu vực kiểm soát khói bằng cách cấp một lượng không khí đủ. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính toán của phương pháp luồng không khí bao gồm chiều cao khe hở, nhiệt độ khói, nhiệt độ không khí xung quanh và vận tốc luồng không khí. Một vấn đề cần lưu ý khi áp dụng phương pháp này là vận tốc luồng không khí không được vượt quá 1 m/s. Nếu luồng không khí yêu cầu vượt quá giới hạn này, cần thực hiện đánh giá kỹ thuật về hiệu quả của phương pháp để xác định có nên áp dụng hay không.

⑦ Cửa thoát khói tại các khu vực sạch phải được trang bị biện pháp ngăn chặn dòng chảy ngược. Cửa thoát khói bắt buộc phải là loại cửa thoát khói dạng tấm. ⑧ Van thoát khói trong khu vực sạch phải được lắp đặt theo kiểu lắp chìm (lắp phẳng ngang bề mặt), bề mặt van thoát khói phải dễ dàng làm sạch và khử trùng.

【Tham khảo】 Van chống cháy thoát khói. Van chống cháy thoát khói được lắp đặt trên hệ thống đường ống của hệ thống thoát khói và duy trì trạng thái mở trong điều kiện bình thường; khi xảy ra hỏa hoạn, van tự động đóng khi nhiệt độ khí trong đường ống đạt 280℃. Đây là loại van đáp ứng yêu cầu về độ ổn định chịu lửa và tính toàn vẹn chịu lửa trong một khoảng thời gian nhất định, có chức năng ngăn khói và chặn lửa. Cấu tạo và hình dạng của van tương tự như van chống cháy. Loại van này thường được lắp đặt trên đường ống dẫn không khí của hệ thống thoát khói và ở trạng thái đóng bình thường, tích hợp cả chức năng thủ công và tự động. Khi xảy ra hỏa hoạn, thiết bị phát hiện cháy gửi tín hiệu báo cháy, bộ điều khiển cấp điện cho nam châm điện gắn trên van, làm van mở nhanh chóng; ngoài ra van cũng có thể được mở thủ công để phục vụ thoát khói. Khi nhiệt độ đạt 280℃, van tự động đóng và được đặt lại thủ công. Van có thể liên động với các thiết bị khác và xuất tín hiệu điện sau khi kích hoạt.

Sau khi hỏa hoạn bùng phát trong một căn phòng, các cửa thoát khói trong phòng sẽ mở ra, đồng thời quạt thoát khói được khởi động để hút thải khói, người có mặt trong phòng tiến hành sơ tán. Khi nhiệt độ khói trong đường ống thoát khói đạt hoặc vượt quá 280℃, luồng khói đã kèm theo ngọn lửa, nhưng trong điều kiện thông thường, người trong phòng đã hoàn tất sơ tán. Nếu tiếp tục thoát khói tại thời điểm này, lửa và khói có nguy cơ lan sang các khu vực khác và có thể gây ra các mối nguy hiểm mới. Do đó, việc lắp đặt các van chống cháy thoát khói có khả năng tự động đóng khi nhiệt độ khói vượt quá 280℃ trên đường ống thoát khói là hết sức quan trọng.

Việc lắp đặt van chống cháy thoát khói phải tuân thủ các quy định sau:

① Phải lắp đặt van chống cháy thoát khói trên các đường ống nhánh thoát khói của hệ thống thoát khói.

② Phải lắp đặt van chống cháy thoát khói tại vị trí đường ống thoát khói đi vào phòng quạt thoát khói, và van phải được liên động với quạt thoát khói.

③ Phải lắp đặt van chống cháy thoát khói trên các đường ống thoát khói phải đi qua tường chống cháy, và van phải được liên động với quạt thoát khói.