利用地鐵車站電梯豎井輔助排煙的數(shù)值分析★

閆 淑 霞

(常州工學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

地下構(gòu)筑物利用排煙豎井進(jìn)行自然排煙，已有學(xué)者做了大量研究[1]。地鐵車站內(nèi)設(shè)置從站臺(tái)直達(dá)地面的殘疾人或?qū)Ｓ秒娞荩潆娞菥沁B接站臺(tái)與地面的豎向通道。由于熱煙氣向上運(yùn)動(dòng)，因此在火災(zāi)時(shí)，電梯井是由于煙囪效應(yīng)成為排煙的通道還是處于沒有煙氣利于疏散的狀態(tài)，值得進(jìn)一步研究。鑒于數(shù)值模擬方法的經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，研究在站臺(tái)火災(zāi)場(chǎng)景下，電梯井內(nèi)煙氣蔓延情況，并結(jié)合擋煙垂壁設(shè)置情況、電梯井高度等因素研究增強(qiáng)電梯井排煙效果的措施。

1 場(chǎng)景設(shè)想及數(shù)值模擬

1.1 研究?jī)?nèi)容

對(duì)于地鐵車站，無障礙電梯和專用電梯主要是作為平常殘疾人等特殊人群使用，不作為火災(zāi)時(shí)的設(shè)計(jì)人員疏散通道。且專用電梯數(shù)量少，疏散能力有限，不是人們平常選擇走的路線在火災(zāi)造成的恐慌心理下，人們更容易選擇常規(guī)路線逃生。研究重點(diǎn)放在能否選擇其作為排煙通道。在站臺(tái)結(jié)構(gòu)上，考慮設(shè)置不同擋煙垂壁對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響。因?yàn)樵O(shè)置擋煙垂壁可以使煙氣蓄積提高排煙效率，同時(shí)可控制煙氣在一定區(qū)域，從而對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)有一個(gè)導(dǎo)向作用，例如在電梯豎井進(jìn)口所在垂直斷面處設(shè)置擋煙垂壁，可以使煙氣進(jìn)入電梯井內(nèi)而阻止煙氣進(jìn)一步水平蔓延，擋煙垂壁底面高度若低于電梯井開口上邊緣則更有利于煙氣流向電梯豎井。由理論分析可知電梯井高度對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)力大小有影響，因此分別研究不同電梯井高度下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。火源位置距電梯井距離不同，進(jìn)入電梯井內(nèi)煙氣溫度也不同，特別是地鐵車站是狹長(zhǎng)建筑，若站臺(tái)中央著火，由于水平距離長(zhǎng)煙氣運(yùn)動(dòng)到端部可能產(chǎn)生冷卻下降等現(xiàn)象，由此能否利用端部電梯豎井進(jìn)行排煙需要驗(yàn)證。綜合以上因素，并結(jié)合站內(nèi)機(jī)械防排煙系統(tǒng)運(yùn)行工況，確定7種模式作為研究對(duì)象，如表1所示。

表1 模擬研究工況匯總

1.2 數(shù)值模擬方法

采用由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的產(chǎn)品FDS模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。FDS軟件適合于求解熱驅(qū)動(dòng)、低速流動(dòng)Navier-Stokes方程，主要進(jìn)行火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬，并得到了大型及全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。采用FDS中默認(rèn)的大渦模擬方法求解方程組；燃燒模型采用混合分?jǐn)?shù)模型(mixture fraction)；輻射傳熱模型采用FDS默認(rèn)的方式進(jìn)行計(jì)算[2,3]。

電梯井平面尺寸為4 m×4 m，選取12 m為電梯井標(biāo)準(zhǔn)高度，為研究高度對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，將電梯井高度增至17 m進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算區(qū)域總長(zhǎng)度180 m，總寬度20 m(其中上下行隧道分別為5 m)，站臺(tái)地面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。火源位于距站臺(tái)中心25 m處，坐標(biāo)為(25,0,0)，火災(zāi)規(guī)模5 m。電梯井根據(jù)表1所列工況，分別位于站臺(tái)中央和站臺(tái)端部。

2 結(jié)果及分析

火災(zāi)時(shí)車站內(nèi)的能見度既可以反映站內(nèi)煙氣填充情況，又可以用來判斷站內(nèi)環(huán)境是否滿足疏散標(biāo)準(zhǔn)，因此選取能見度作為目標(biāo)研究參數(shù)，對(duì)比分析火災(zāi)發(fā)生270 s時(shí)，車站y=0縱截面上各模式下的能見度。結(jié)果如下。

模式a與模式b對(duì)比，模式b相對(duì)于模式a增加位于站臺(tái)中央的電梯井，并打開電梯門用于排除站臺(tái)煙氣，電梯距離火源25 m，電梯井對(duì)煙氣層產(chǎn)生干擾，著火點(diǎn)附近湍流程度增大，火源至電梯井區(qū)域能見度較不設(shè)置電梯井的a工況差，但是同時(shí)煙氣由于受到中間電梯豎井的分流作用，可以減緩煙氣沿站臺(tái)方向進(jìn)一步蔓延，從而使站臺(tái)長(zhǎng)度方向沒有火源的一側(cè)不受煙氣影響，人們可以從遠(yuǎn)離火源端的樓梯處疏散。

模式b若電梯豎井門打開，在人員疏散時(shí)間內(nèi)電梯井將煙氣彌漫，對(duì)于目前地鐵車站，電梯井一般位于公共區(qū)域內(nèi)，不設(shè)置消防電梯前室等防煙措施，因此在火災(zāi)發(fā)生時(shí)選擇位于站臺(tái)中央的豎向電梯進(jìn)行疏散是不安全的。

模式a和模式c、模式d對(duì)比，在電梯豎井處設(shè)置站臺(tái)層擋煙垂壁，可有效阻止煙氣蔓延，遠(yuǎn)離火源端站臺(tái)能見度優(yōu)于不設(shè)置擋煙垂壁的a工況，擋煙垂壁有利于煙氣蓄積，并通過電梯豎井排除火災(zāi)煙氣，同時(shí)提高有煙區(qū)域排煙系統(tǒng)效率，起到將煙氣蔓延范圍限制到盡量小的范圍的作用。

模式c和模式d對(duì)比，擋煙垂壁的具體設(shè)置位置對(duì)煙氣擴(kuò)散有一定影響。沿電梯豎井邊緣設(shè)兩道垂壁時(shí)站臺(tái)層可見度優(yōu)于站臺(tái)中央設(shè)一道垂壁時(shí)的能見度，但是，設(shè)兩道垂壁由于對(duì)煙氣流場(chǎng)的阻擋干擾，使擋煙垂壁和著火點(diǎn)中間的煙氣擾動(dòng)較劇烈，模式d站廳層能見度小于初始值，因此可判斷設(shè)置兩道擋煙垂壁可使站臺(tái)煙氣通過此區(qū)域的樓梯向站廳蔓延。

模式e不開啟機(jī)械排煙系統(tǒng)，只使用電梯豎井進(jìn)行自然排煙，站廳層能見度降低顯著，煙氣從站臺(tái)蔓延至站廳層，無法滿足人員安全疏散要求。

模式f電梯豎井高度從12 m增至17 m時(shí)，站內(nèi)可見度有改善，但提高幅度不大，站內(nèi)煙氣分層及分布趨勢(shì)不變。

模式g站臺(tái)兩端設(shè)置電梯豎井，近火源端的電梯井能見度降低表明有煙氣流入，遠(yuǎn)離火源端的電梯豎井能見度可以滿足疏散要求。

模式a與模式h對(duì)比，遠(yuǎn)離火源一側(cè)的站臺(tái)能見度云圖較一致，可得出設(shè)在站臺(tái)端部距離火源較遠(yuǎn)一側(cè)的電梯井對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響較小，并且可以滿足人員疏散的要求。

綜合各工況模擬結(jié)果，能否利用電梯豎井進(jìn)行排煙受擋煙垂壁設(shè)置情況，電梯豎井位置，豎井高度等因素的影響。在電梯井距離火源較遠(yuǎn)，電梯豎井高度低，電梯井空間占整個(gè)站臺(tái)空間比例小的情況下，單獨(dú)使用電梯豎井進(jìn)行自然排煙無法滿足排煙要求，電梯豎井排煙必須同時(shí)開啟機(jī)械防排煙系統(tǒng)。位于站臺(tái)中央的電梯豎井距離火源較近，可以成為常規(guī)排煙系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，可以有效對(duì)煙氣進(jìn)行截流，從而使遠(yuǎn)離火源一側(cè)的站臺(tái)區(qū)域滿足安全疏散要求。位于站臺(tái)端部遠(yuǎn)離火源側(cè)的電梯井無法發(fā)揮排煙作用，相反可以滿足安全疏散要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過研究可以得出，火災(zāi)時(shí)利用電梯豎井進(jìn)行疏散由于煙氣彌漫具有較大危險(xiǎn)性，尤其是電梯井距離火焰點(diǎn)很近的情況下，在現(xiàn)有的車站毫無防煙措施的情況下，由于煙氣蔓延速率快，基本上不存在通過電梯豎井疏散的可能性。但對(duì)于地鐵車站狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如果電梯設(shè)在站臺(tái)端部，在火源另一端的電梯在本文火源功率5 W時(shí)可以滿足疏散要求。

為改善排煙效果，可以采取設(shè)置擋煙垂壁的方法。由于擋煙垂壁和電梯豎井對(duì)煙氣的共同阻擋，分流作用，使遠(yuǎn)離火點(diǎn)站臺(tái)端安全。擋煙垂壁的建設(shè)成本相對(duì)較低，擋煙垂壁不止可以發(fā)揮防煙分區(qū)分隔的作用，也可以發(fā)揮對(duì)煙氣流向的疏導(dǎo)作用，因此工程中可考慮通過設(shè)置一定數(shù)量擋煙垂壁來減緩煙氣蔓延速度，增加煙區(qū)排煙口效率。

針對(duì)具體車站形式，埋深等條件，通過分析，可以考慮采用專用電梯井進(jìn)行輔助排煙。但需要采取措施保證電梯豎井進(jìn)排風(fēng)口及時(shí)開啟，同時(shí)注意采取措施避免人員誤入電梯井及減少煙氣排出地面后對(duì)周圍環(huán)境的污染和危害。

[1] 解 宏，卞玉超.城市自然排煙隧道豎井高度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34(22):13-15.

[2] National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, USA and VTT Technical Research Center of Finland, Espoo, Finland. Fire dynamics simulator, Technical reference guide (6th). NIST Special Publications1018-1[Z].

[3] Macgrattan K, Hostikka S, Floyd J etal. Fire Dynamics Simulator(Version 6),User’s Guide[Z].NIST Special Publication 1019, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland,2017.