超高層多井道電梯井“煙囪效應(yīng)”特性研究

陳 樺， 舒 雅， 張潔玉， 吳林峰

(四川法斯特消防安全性能評(píng)估有限公司， 四川成都 610036)

為實(shí)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(diǎn)解決火災(zāi)煙氣侵入電梯危害人員的問題?，F(xiàn)有措施通常是對(duì)電梯井加壓送風(fēng)，形成相對(duì)樓層正壓以防止煙氣進(jìn)入。然而電梯井內(nèi)空氣流動(dòng)會(huì)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(qiáng)的“煙囪效應(yīng)”。同時(shí)電梯井內(nèi)轎廂運(yùn)行時(shí)還會(huì)產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”，對(duì)電梯井內(nèi)壓力產(chǎn)生影響，超高層建筑電梯運(yùn)行較快，“活塞效應(yīng)”明顯，對(duì)電梯井內(nèi)空氣流動(dòng)影響較大。

20世紀(jì)90年代初，分別由美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)和美國(guó)國(guó)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(huì)議和研究。Tamura等[1]在一座10層高的消防訓(xùn)練塔進(jìn)行了送風(fēng)研究，試驗(yàn)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(duì)樓梯和電梯井進(jìn)行了加壓試驗(yàn)，并取得了相對(duì)理想的建筑防煙效果。國(guó)內(nèi)方面2013年甘廷霞等[4]在四川消防研究所高層實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)實(shí)體試驗(yàn)，研究明確電梯井送風(fēng)不小于30 Pa的壓差能取得一個(gè)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(xiàng)報(bào)告，并與消防安全管理人員進(jìn)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(cè)量電梯井、轎廂、層門尺寸，測(cè)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(shí)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(yùn)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(duì)上海某超高層建筑進(jìn)行煙氣流動(dòng)性測(cè)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的“活塞效應(yīng)”。電梯運(yùn)行時(shí)電梯井內(nèi)與前室的最大瞬時(shí)壓差測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 雙井道、三井道電梯運(yùn)行時(shí)電梯井內(nèi)與前室的最大瞬時(shí)壓差測(cè)量

2 數(shù)值模擬

為了探究電梯在不同運(yùn)行速度、高度、旁通井個(gè)數(shù)等情況下電梯運(yùn)行時(shí)前室和其對(duì)應(yīng)電梯井的壓強(qiáng)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(jì)

本次采用ICEM CFD和FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在模擬中為了驗(yàn)證雙井道對(duì)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(yùn)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(yùn)行速度對(duì)氣流的擾動(dòng)和對(duì)前室壓強(qiáng)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(yùn)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(yùn)行速度為10 m/s的情況下，探究電梯轎廂不同的運(yùn)行方向?qū)﹄娞萸笆壹捌鋵?duì)應(yīng)電梯井壓強(qiáng)的影響。電梯前室和電梯井內(nèi)壓強(qiáng)實(shí)時(shí)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(qiáng)變化

圖3 工況1-2電梯前室和電梯井內(nèi)壓強(qiáng)變化

在電梯運(yùn)行速度為10 m/s的情況下，電梯前室和電梯井內(nèi)壓強(qiáng)實(shí)時(shí)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(qiáng)變化

圖5 工況1-4電梯前室和電梯井內(nèi)壓強(qiáng)變化

工況1-4是在電梯運(yùn)行速度為10 m/s時(shí)，探究電梯下行后再上行對(duì)電梯前室及其對(duì)應(yīng)電梯井壓強(qiáng)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(qiáng)隨對(duì)應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)變化而變化，變化范圍與電梯井相比較小。對(duì)比工況1-1和工況1-3，電梯啟動(dòng)后第23 s時(shí)，10 m/s電梯井達(dá)到最大瞬時(shí)壓強(qiáng)約為368 Pa；8 m/s電梯井在轎廂運(yùn)動(dòng)后29 s時(shí)的瞬時(shí)壓強(qiáng)約為200 Pa，隨著電梯運(yùn)行速度的增大，電梯前室和對(duì)應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)的變化范圍增大，電梯運(yùn)行速度越快，促進(jìn)或抑制的效果越明顯。對(duì)比工況1-1和工況1-2，電梯先上行再下行時(shí)54層電梯井最大瞬時(shí)壓強(qiáng)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(duì)電梯井的壓強(qiáng)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(gè)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(yùn)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(duì)電梯前室及其對(duì)應(yīng)電梯井壓強(qiáng)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(qiáng)變化

工況3-2在電梯運(yùn)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(duì)電梯前室及其對(duì)應(yīng)電梯井壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)電梯已上升到3層，此時(shí)2層、3層前室和電梯井的壓強(qiáng)均為負(fù)值，3層的壓強(qiáng)最低，27層和54層前室和電梯井的壓強(qiáng)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(qiáng)逐漸回復(fù)至0 Pa，27層和54層的前室和電梯井的壓強(qiáng)逐漸升高，27層在電梯靠近和離開時(shí)分別達(dá)到最大值和最小值，12 s正好處于電梯井壓強(qiáng)先減小，前室壓強(qiáng)還未大幅度降低的時(shí)刻，之后壓強(qiáng)逐漸回復(fù)到0 Pa，電梯在24.75 s時(shí)到達(dá)54層；電梯開始下降，54層前室和電梯井的壓強(qiáng)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(qiáng)逐漸升高，在電梯經(jīng)過樓層時(shí)驟然壓強(qiáng)降低，電梯在49.5 s到達(dá)首層，此時(shí)2層、3層壓強(qiáng)回升。電梯運(yùn)行到建筑中間高度時(shí)，上下方氣流的抽吸與補(bǔ)充相對(duì)平衡，故位于建筑中間的樓層壓強(qiáng)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(qiáng)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(gè)連通口，對(duì)3層以下的空氣補(bǔ)充和54層的泄壓作用有限。

工況3-2在電梯運(yùn)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(duì)電梯前室及其對(duì)應(yīng)電梯井壓強(qiáng)的影響。工況3-2的各樓層前室和電梯井的壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與工況3-1相同，但工況3-2的壓強(qiáng)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(qiáng)變化范圍差異不大；工況3-2中的壓強(qiáng)恢復(fù)用時(shí)比工況3-1更少。

4 結(jié)論

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)多個(gè)超高層建筑電梯運(yùn)行情況，測(cè)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(jìn)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(yùn)行方向等多方面因素對(duì)電梯內(nèi)活塞效應(yīng)的抑制情況，得出結(jié)論：

(1)調(diào)研測(cè)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的“活塞效應(yīng)”。

(2)電梯前室內(nèi)的壓強(qiáng)隨對(duì)應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)變化而變化，變化范圍與電梯井相比較?。浑S著電梯運(yùn)行速度的增大，電梯前室和對(duì)應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)的變化范圍增大；建筑高度越高，電梯前室和對(duì)應(yīng)電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)變化范圍越大。

(3)雙井道模型中連通口面積越大，對(duì)電梯壓強(qiáng)的平衡作用越好，電梯井內(nèi)的壓強(qiáng)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)”。