王黎斌 周俊堅(jiān) 舒立瓊

（1.杭州市特種設(shè)備應(yīng)急處置中心 杭州 311200）（2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 杭州 311200）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，電梯保有量近年來(lái)成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，據(jù)2017年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況通報(bào)，我國(guó)電梯數(shù)量已達(dá)562.7萬(wàn)臺(tái)，電梯已成為生產(chǎn)生活中的必備交通工具，對(duì)其使用安全性的研究具有非常重要的意義。高層建筑由于其內(nèi)部豎井、火災(zāi)載荷大、人員密集的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)將迅速蔓延，人員疏散困難，由于電梯產(chǎn)品設(shè)計(jì)及土建結(jié)構(gòu)原因，電梯井道及轎廂均不具備防煙排風(fēng)功能。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，除消防員電梯外，其余電梯均無(wú)法保證在火災(zāi)情況下安全運(yùn)行。因此，在未配備消防員電梯的建筑內(nèi)，研究如何在火災(zāi)發(fā)生時(shí)利用電梯高速、高效的輸送特點(diǎn)進(jìn)行人員疏散，是一項(xiàng)具有極大應(yīng)用前景的研究課題。在2006年，公安部上海消防研究所和上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院召開了“高層建筑火災(zāi)情況下使用電梯疏散可行性研究”論證會(huì)，并在會(huì)上提出了利用電梯進(jìn)行火災(zāi)疏散的設(shè)想[1]。

在對(duì)電梯疏散可行性研究中，主要存在電梯供電、耐高溫、防火、防煙、控制等各方面問(wèn)題。其中，煙氣是火災(zāi)中最大的一種危害，且煙氣具有蔓延速度快的特點(diǎn)，可以使得空氣中的含氧量快速下降，直接對(duì)人身造成傷害，部分物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的有毒氣體也會(huì)對(duì)人體造成致命傷害，此外，隨著燃燒的進(jìn)行，煙氣的溫度會(huì)上升至幾百甚至上千度，造成灼傷事故[2]。因此高層建筑中電梯井道的煙氣蔓延情況是決定電梯能否用于火災(zāi)疏散的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的形式，對(duì)電梯井道進(jìn)行建模，模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)電梯井道內(nèi)的煙氣蔓延情況，通過(guò)對(duì)煙氣情況的分析，判斷火災(zāi)發(fā)生時(shí)電梯運(yùn)行的可靠性。

2 FLUENT火災(zāi)模擬

2.1 井道建模

建筑高度是影響火災(zāi)疏散速度的重要因素，對(duì)高層電梯井道內(nèi)煙氣的蔓延規(guī)律的研究是分析電梯疏散安全的關(guān)鍵，煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要有浮力和膨脹力、煙囪效應(yīng)、風(fēng)的作用、通風(fēng)系統(tǒng)的影響、電梯的活塞效應(yīng)等[3]。電梯移動(dòng)時(shí)，轎廂對(duì)井道內(nèi)部空間的推擠和抽吸作用將影響電梯井、前室壓力變化，從而影響煙氣的蔓延，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法仿真井道內(nèi)煙氣蔓延的規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。

模擬轎廂為一個(gè)寬1.5m，深1.8m，高2.2m的箱體，箱體上方有一個(gè)0.3m2通風(fēng)孔，火災(zāi)時(shí)，煙霧可能通過(guò)通風(fēng)孔進(jìn)入轎廂，轎廂在井道中做垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定建筑層高5m，電梯提升高度45m，廳門縫隙為5mm，通過(guò)該縫隙井道與電梯前室空間形成對(duì)流。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 煙氣蔓延仿真

本文計(jì)算模型網(wǎng)格劃分類型及網(wǎng)格尺寸，選擇動(dòng)態(tài)層技術(shù)網(wǎng)格更新方法[4]，井道內(nèi)網(wǎng)格劃分均采用六面體網(wǎng)格模型，在井道內(nèi)廳門門縫處進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格方向與煙氣流向方向一致，為保證計(jì)算結(jié)果收斂，對(duì)網(wǎng)格高寬比及單元尺寸變化進(jìn)行限制，由于轎廂箱體存在通風(fēng)孔，其區(qū)域不封閉，因此本文通過(guò)其移動(dòng)時(shí)周圍的煙氣情況來(lái)判斷此時(shí)轎廂的安全性。

圖1 高層建筑井道立面圖

由于火災(zāi)燃燒的過(guò)程較為復(fù)雜，本文只考慮火災(zāi)中危害最大的熱量和煙氣因素，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣視為多組分的理想氣體，空氣和煙氣的流動(dòng)遵循理想氣體狀態(tài)方程，同時(shí)假設(shè)井道中除廳門門扇間隙外，無(wú)其他開口，將煙氣動(dòng)力設(shè)為質(zhì)量源項(xiàng)和熱量源項(xiàng)，煙氣流動(dòng)為非定常湍流流動(dòng)，模型選擇湍流模型，湍流參數(shù)通過(guò)濕周公式和湍流強(qiáng)度公式計(jì)算獲得。

為準(zhǔn)確分析實(shí)際煙氣蔓延規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)燃燒的產(chǎn)熱量和產(chǎn)煙量進(jìn)行賦值。設(shè)定起始位置轎廂位于井道底部，轎廂運(yùn)行速度1m/s，建筑內(nèi)流體為空氣，溫度為300K，初始環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，火源位置位于井道底部，根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[5]，選擇模擬工況為設(shè)有噴淋的公共場(chǎng)所，由于井道高度較大，考慮仿真效果，適當(dāng)增大火源功率至4MW，燃燒釋放物質(zhì)為CO2，在各樓層層門處設(shè)置壓力入口—壓力出口的進(jìn)出口邊界條件，以此研究火災(zāi)發(fā)生時(shí)廳門處的煙氣蔓延情況。模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣對(duì)上行中轎廂的影響。

如圖2所示，當(dāng)井道底部起火時(shí)，由于煙氣分子熱量及重力影響，高溫?zé)煔鈱⒕徛鼑I廂，這是由于轎廂靜止，井道內(nèi)壓力變化較小，由熱煙的浮力和熱煙囪效應(yīng)引起的建筑內(nèi)壓差變化不明顯，由模擬可知，當(dāng)井道底部火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火源附近溫度極高，位于底部的轎廂周圍被高溫?zé)煔獍鼑?，煙氣將由轎廂頂部通風(fēng)孔及轎門門扇間隙進(jìn)入箱體，對(duì)乘梯人員造成灼傷及煙氣傷害。此時(shí)乘梯有較大安全隱患，同時(shí)，高溫?zé)煔饪赡軐?dǎo)致轎頂及轎內(nèi)電氣線路損壞，電梯故障風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 初始煙氣蔓延圖

圖3 轎廂運(yùn)行5s后煙氣蔓延圖

當(dāng)電梯向上方向運(yùn)行時(shí)，此時(shí)由于煙氣浮力作用，高溫?zé)煔饫^續(xù)向上蔓延，轎廂仍被煙氣包圍，可見轎頂仍有高濃度煙氣存在。

圖3顯示了轎廂運(yùn)行5s后煙氣蔓延狀況，圖4顯示了轎廂運(yùn)行20s后煙氣蔓延狀況，由圖可知，轎廂繼續(xù)向頂部運(yùn)行時(shí)，由于正煙囪效應(yīng)影響的加大，煙氣蔓延速度相應(yīng)增大，同時(shí)由于井道上下溫差，煙氣在井道內(nèi)產(chǎn)生分層。廳門門扇間隙與井道內(nèi)形成的對(duì)流導(dǎo)致在門扇附近的煙氣濃度較井道背面偏低，表明煙氣會(huì)向前室擴(kuò)散，仿真結(jié)果表明，底部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣會(huì)向全井道蔓延，并會(huì)通過(guò)空氣對(duì)流向前室擴(kuò)散。因此，火災(zāi)發(fā)生后的井道，若無(wú)相應(yīng)排煙正壓設(shè)施，煙氣會(huì)始終將箱體包圍，即便轎廂已遠(yuǎn)離火源，電梯仍不可用于火災(zāi)疏散。

圖5、圖6顯示了轎廂運(yùn)行25s后的井道煙氣蔓延情況及煙氣蔓延速度，由于活塞效應(yīng)和煙囪效應(yīng)的影響加劇，井道內(nèi)的煙氣越來(lái)越充足，井道內(nèi)部被高濃度煙氣充斥，井道含氧量也隨著減少，由于轎廂的通風(fēng)換氣與井道相通，因此此時(shí)轎廂內(nèi)的含氧量也會(huì)急劇下降，同時(shí)箱體內(nèi)部煙氣含量持續(xù)上升，隨著時(shí)間推移，井道內(nèi)部煙氣濃度將繼續(xù)升高。由圖6可知，煙氣蔓延速度最高點(diǎn)為起火點(diǎn)及井道后方，這是由于前室空氣與井道內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)流的影響，由于壓差的變化，導(dǎo)致井道煙氣運(yùn)移速度成非線性變化。

圖4 轎廂運(yùn)行20s后煙氣蔓延圖

圖5 轎廂運(yùn)行25s后煙氣蔓延圖

圖6 轎廂運(yùn)行25s后煙氣蔓延速度圖

3 結(jié)論

由仿真結(jié)果可知，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，井道內(nèi)部煙氣會(huì)迅速蔓延至全井道，由于轎廂在井道內(nèi)部做垂直運(yùn)動(dòng)，轎廂四周充斥的高濃度煙氣會(huì)經(jīng)轎廂通風(fēng)裝置及轎門門扇間隙進(jìn)入箱體，對(duì)乘梯人員造成傷害。此外，由于煙氣溫度較高，井道內(nèi)部也會(huì)由于煙氣灼燒產(chǎn)生高溫，使得電梯井道內(nèi)及轎廂內(nèi)的電氣線路產(chǎn)生斷路風(fēng)險(xiǎn)，因此，火災(zāi)時(shí)通過(guò)電梯疏散，極易造成由于電梯故障導(dǎo)致困人停梯后，被煙氣持續(xù)傷害的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在未設(shè)置排煙正壓裝置的電梯井道內(nèi)，使用電梯作為高層建筑火災(zāi)疏散工具，具有很大的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果還表明，對(duì)井道內(nèi)煙氣蔓延的控制，是研究電梯作為疏散工具可行性的關(guān)鍵，對(duì)井道進(jìn)行溫度控制及煙氣控制，確?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，轎廂周圍溫度不會(huì)超過(guò)設(shè)備承載極限，且煙氣不會(huì)蔓延至箱體內(nèi)部，是電梯作為火災(zāi)疏散工具的基礎(chǔ)條件。