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        超高層多井道電梯井“煙囪效應”特性研究

        2023-01-02 12:21:30張潔玉吳林峰
        四川建筑 2022年6期
        關鍵詞:雙井前室轎廂

        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中人員安全疏散的目的,重點解決火災煙氣侵入電梯危害人員的問題?,F(xiàn)有措施通常是對電梯井加壓送風,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”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”。同時電梯井內(nèi)轎廂運行時還會產(chǎn)生“活塞效應”,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”明顯,對電梯井內(nèi)空氣流動影響較大。

        20世紀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)和美國國家標準化與技術研究院(NIST)舉行了一系列有關緩解建筑內(nèi)“煙囪效應”的學術會議和研究。Tamura等[1]在一座10層高的消防訓練塔進行了送風研究,試驗表明前室加壓送風有利于煙氣的抑制,2005年Jo等[2]提出了通過設置air-lock door的方案,從而減緩了高層住宅建筑內(nèi)“煙囪效應”現(xiàn)象。2011年Park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實體試驗,研究明確電梯井送風不小于30 Pa的壓差能取得一個較好的控煙方案;李鎮(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置形式,測量電梯井、轎廂、層門尺寸,測量漏風部位尺寸等數(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)均設置有穿梭電梯,用于應急時人員輔助疏散;電梯層門的漏風寬度,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數(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”。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電梯井的壓強變化,采用雙井道聯(lián)通井模型開展相關研究。結合調(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”的效果,分別設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。具體工況設置如表3所示。

        表3 單井道模擬工況

        3.2.2 模擬結果

        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娞菥畨簭姷挠绊?。電梯前室和電梯井?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電梯井壓強的影響。

        3.2.3 小結

        通過以上4組基礎工況數(shù)值模擬結果,電梯前室內(nèi)的壓強隨對應電梯井內(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,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,設置等比尺寸的聯(lián)通電梯井,2個井道每隔3層樓設置連通口,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

        結合工況3-1模擬結果,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。電梯上升遠離2層、3層,2層、3層的前室和電梯井壓強逐漸回復至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,之后壓強逐漸回復到0 Pa,電梯在24.75 s時到達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中的壓強恢復用時比工況3-1更少。

        4 結論

        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)活塞效應的抑制情況,得出結論:

        (1)調(diào)研測試數(shù)據(jù)結果表明電梯井井道高度越高,“煙囪效應”越明顯。電梯井體積越大或其聯(lián)通電梯井數(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”。

        (2)電梯前室內(nèi)的壓強隨對應電梯井內(nèi)的壓強變化而變化,變化范圍與電梯井相比較?。浑S著電梯運行速度的增大,電梯前室和對應電梯井內(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”。

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