陳 樺， 舒 雅， 張潔玉， 吳林峰

(四川法斯特消防安全性能評估有限公司， 四川成都 610036)

為實現(xiàn)電梯用于超高層建筑火災(zāi)中人員安全疏散的目的，重點解決火災(zāi)煙氣侵入電梯危害人員的問題。現(xiàn)有措施通常是對電梯井加壓送風(fēng)，形成相對樓層正壓以防止煙氣進入。然而電梯井內(nèi)空氣流動會受到“煙囪效應(yīng)”的影響，尤其是超高層建筑電梯井內(nèi)形成加強的“煙囪效應(yīng)”。同時電梯井內(nèi)轎廂運行時還會產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”，對電梯井內(nèi)壓力產(chǎn)生影響，超高層建筑電梯運行較快，“活塞效應(yīng)”明顯，對電梯井內(nèi)空氣流動影響較大。

20世紀(jì)90年代初，分別由美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國消防協(xié)會(NFPA)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)研究院(NIST)舉行了一系列有關(guān)緩解建筑內(nèi)“煙囪效應(yīng)”的學(xué)術(shù)會議和研究。Tamura等[1]在一座10層高的消防訓(xùn)練塔進行了送風(fēng)研究，試驗表明前室加壓送風(fēng)有利于煙氣的抑制，2005年Jo等[2]提出了通過設(shè)置air-lock door的方案，從而減緩了高層住宅建筑內(nèi)“煙囪效應(yīng)”現(xiàn)象。2011年P(guān)ark等[3]在公寓對樓梯和電梯井進行了加壓試驗，并取得了相對理想的建筑防煙效果。國內(nèi)方面2013年甘廷霞等[4]在四川消防研究所高層實驗室進行了相關(guān)實體試驗，研究明確電梯井送風(fēng)不小于30 Pa的壓差能取得一個較好的控?zé)煼桨?；李?zhèn)裕等[5]建立了40 m建筑高的壓力分布模型，通過數(shù)值模擬表明可采用前室加壓送風(fēng)的方式作為建筑的有效防煙措施。

1 超高層建筑調(diào)研

本研究調(diào)研了深圳、上海兩地多座高度超250 m的超高層建筑。調(diào)研過程中主要查閱超高層建筑消防專項報告，并與消防安全管理人員進行了詢問和溝通。調(diào)研情況主要收集了超高層建筑電梯及其前室的設(shè)置形式，測量電梯井、轎廂、層門尺寸，測量漏風(fēng)部位尺寸等數(shù)據(jù)，明確超高層建筑穿梭電梯使用情況。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)超高層建筑內(nèi)均設(shè)置有穿梭電梯，用于應(yīng)急時人員輔助疏散；電梯層門的漏風(fēng)寬度，基本在0.02～0.03 m之間，電梯運行速度一般在8～10 m/s；超高層建筑電梯井形式存在多樣性，常見的有單井道、雙井道和三井道。

通過對上海某超高層建筑進行煙氣流動性測量，電梯井體積越大或其旁通井?dāng)?shù)量越多有利于抑制電梯井內(nèi)轎廂運行時產(chǎn)生的“活塞效應(yīng)”。電梯運行時電梯井內(nèi)與前室的最大瞬時壓差測量統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 雙井道、三井道電梯運行時電梯井內(nèi)與前室的最大瞬時壓差測量

2 數(shù)值模擬

為了探究電梯在不同運行速度、高度、旁通井個數(shù)等情況下電梯運行時前室和其對應(yīng)電梯井的壓強變化，采用雙井道聯(lián)通井模型開展相關(guān)研究。結(jié)合調(diào)研情況，本次研究建筑的平面尺寸(圖1)：電梯井道橫截面2.3 m×2.4 m，聯(lián)通井道橫截面2.3 m×2.4 m，轎廂內(nèi)為1.9 m×1.6 m×2.95 m，電梯門為1.2 m×2.7 m，前室門為1.6 m×2.1 m，房間門1.4 m×2.1 m，走道寬1.5 m，房間5 m×4 m。前室門縫為0.04 m×0.6 m，電梯門縫為0.1 m×0.6 m。

圖1 雙井道數(shù)值模擬平面示意(單位:m)

3 模擬概況

3.1 模擬設(shè)計

本次采用ICEM CFD和FLUENT進行數(shù)值模擬研究。在模擬中為了驗證雙井道對抑制“煙囪效應(yīng)”的效果，分別設(shè)置了單井道模擬工況和雙井道模擬工況。除此之外還考慮了電梯速度、電梯運行方向?qū)Y(jié)果的影響(表2)。

表2 數(shù)值模擬工況

3.2 單井道模擬

3.2.1 單井道工況

模擬主要研究不同電梯運行速度對氣流的擾動和對前室壓強的影響，目前市面上超高層建筑使用的電梯速度普遍可達(dá)10 m/s，故本次共模擬了2種電梯運行速度，分別是8 m/s和10 m/s，模擬建筑高度252 m。具體工況設(shè)置如表3所示。

表3 單井道模擬工況

3.2.2 模擬結(jié)果

在電梯運行速度為10 m/s的情況下，探究電梯轎廂不同的運行方向?qū)﹄娞萸笆壹捌鋵?yīng)電梯井壓強的影響。電梯前室和電梯井內(nèi)壓強實時變化情況，如圖2、圖3所示。

圖2 工況1-1電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

圖3 工況1-2電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

在電梯運行速度為10 m/s的情況下，電梯前室和電梯井內(nèi)壓強實時變化情況，如圖4、圖5所示。

圖4 工況1-3電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

圖5 工況1-4電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

工況1-4是在電梯運行速度為10 m/s時，探究電梯下行后再上行對電梯前室及其對應(yīng)電梯井壓強的影響。

3.2.3 小結(jié)

通過以上4組基礎(chǔ)工況數(shù)值模擬結(jié)果，電梯前室內(nèi)的壓強隨對應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強變化而變化，變化范圍與電梯井相比較小。對比工況1-1和工況1-3，電梯啟動后第23 s時，10 m/s電梯井達(dá)到最大瞬時壓強約為368 Pa；8 m/s電梯井在轎廂運動后29 s時的瞬時壓強約為200 Pa，隨著電梯運行速度的增大，電梯前室和對應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強的變化范圍增大，電梯運行速度越快，促進或抑制的效果越明顯。對比工況1-1和工況1-2，電梯先上行再下行時54層電梯井最大瞬時壓強約200 Pa，遠(yuǎn)大于先下行再上行的123 Pa，電梯先上行再下行的情況，煙氣在電梯井內(nèi)的蔓延距離更遠(yuǎn)，此工況更為不利。

3.3 雙井道模擬

3.3.1 雙井道工況

本次模擬主要研究雙通井的泄壓對電梯井的壓強平衡作用。本次模擬采供工況一的模型，設(shè)置等比尺寸的聯(lián)通電梯井，2個井道每隔3層樓設(shè)置連通口，連通口面積分別為0.5 m×0.5 m，1.0 m×1.0 m(表4)。

表4 雙井道模擬工況

3.3.2 模擬結(jié)果

工況3-1在電梯運行速度為10 m/s，電梯井連通口面積為0.5 m×0.5 m的情況下，探究電梯上行后再下行對電梯前室及其對應(yīng)電梯井壓強的影響(圖6)。

圖6 工況3-1各樓層電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

工況3-2在電梯運行速度為10 m/s，電梯井連通口面積為1.0 m×1.0 m的情況下，探究電梯上行后再下行對電梯前室及其對應(yīng)電梯井壓強的影響(圖7)。

圖7 工況3-2各樓層電梯前室和電梯井內(nèi)壓強變化

3.3.3 小結(jié)

結(jié)合工況3-1模擬結(jié)果，電梯上升的過程中，1 s時電梯已上升到3層，此時2層、3層前室和電梯井的壓強均為負(fù)值，3層的壓強最低，27層和54層前室和電梯井的壓強沒有明顯變化。電梯上升遠(yuǎn)離2層、3層，2層、3層的前室和電梯井壓強逐漸回復(fù)至0 Pa，27層和54層的前室和電梯井的壓強逐漸升高，27層在電梯靠近和離開時分別達(dá)到最大值和最小值，12 s正好處于電梯井壓強先減小，前室壓強還未大幅度降低的時刻，之后壓強逐漸回復(fù)到0 Pa，電梯在24.75 s時到達(dá)54層；電梯開始下降，54層前室和電梯井的壓強降到最低值，隨電梯下降逐漸回復(fù)至0 Pa，2層、3層前室的電梯井的壓強逐漸升高，在電梯經(jīng)過樓層時驟然壓強降低，電梯在49.5 s到達(dá)首層，此時2層、3層壓強回升。電梯運行到建筑中間高度時，上下方氣流的抽吸與補充相對平衡，故位于建筑中間的樓層壓強變化幅度較小，尤其在雙井連通口的作用下，中間樓層27層的壓強變化范圍較其他樓層明顯縮小，在±100 Pa以內(nèi)。分析認(rèn)為兩電梯井間每3層有一個連通口，對3層以下的空氣補充和54層的泄壓作用有限。

工況3-2在電梯運行速度為10 m/s，電梯井連通口面積為1.0 m×1.0 m的情況下，探究電梯上行后再下行對電梯前室及其對應(yīng)電梯井壓強的影響。工況3-2的各樓層前室和電梯井的壓強變化趨勢與工況3-1相同，但工況3-2的壓強變化范圍與工況3-1相比略有減小，2層、3層和54層減小了約50 Pa，2種工況下的27層的壓強變化范圍差異不大；工況3-2中的壓強恢復(fù)用時比工況3-1更少。

4 結(jié)論

通過調(diào)研國內(nèi)多個超高層建筑電梯運行情況，測得了多種電梯井井道壓差數(shù)據(jù)及電梯模型參數(shù)。以252 m超高層建筑為模型，通過進行單井道、雙井道數(shù)值模擬研究，并充分考慮了電梯速度、轎廂運行方向等多方面因素對電梯內(nèi)活塞效應(yīng)的抑制情況，得出結(jié)論：

(1)調(diào)研測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明電梯井井道高度越高，“煙囪效應(yīng)”越明顯。電梯井體積越大或其聯(lián)通電梯井?dāng)?shù)量越多，有利于抑制電梯井內(nèi)轎廂運行時產(chǎn)生的“活塞效應(yīng)”。

(2)電梯前室內(nèi)的壓強隨對應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強變化而變化，變化范圍與電梯井相比較??；隨著電梯運行速度的增大，電梯前室和對應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強的變化范圍增大；建筑高度越高，電梯前室和對應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強變化范圍越大。

(3)雙井道模型中連通口面積越大，對電梯壓強的平衡作用越好，電梯井內(nèi)的壓強變化范圍越小。0.5 m×0.5 m的開孔尺寸較之前模型電梯井內(nèi)壓力降低了25 Pa；1.0 m×1.0 m的連通井尺寸較0.5 m×0.5 m模型電梯井內(nèi)壓力優(yōu)化了近50 Pa。電梯井頂部和底部有較大開口有利于減緩電梯井內(nèi)“煙囪效應(yīng)”。