超高層多井道電梯井“煙囪效應”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估有限公司， 四川成都 610036)

為實現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。現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形成加強的“煙囪效應”。同時電梯井內轎廂運行時還會產生“活塞效應”，對電梯井內壓力產生影響，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會(ASME)、美國消防協會(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“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“煙囪效應”現象。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；李鎮裕等[5]建立了40 m建筑高的壓力分布模型，通過數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 超高層建筑調研

本研究調研了深圳、上海兩地多座高度超250 m的超高層建筑。調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據，明確超高層建筑穿梭電梯使用情況。調研過程中發現絕大多數超高層建筑內均設置有穿梭電梯，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量越多有利于抑制電梯井內轎廂運行時產生的“活塞效應”。電梯運行時電梯井內與前室的最大瞬時壓差測量統計結果見表1。

表1 雙井道、三井道電梯運行時電梯井內與前室的最大瞬時壓差測量

2 數值模擬

為了探究電梯在不同運行速度、高度、旁通井個數等情況下電梯運行時前室和其對應電梯井的壓強變化，采用雙井道聯通井模型開展相關研究。結合調研情況，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，聯通井道橫截面2.3 m×2.4 m，轎廂內為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、電梯運行方向對結果的影響(表2)。

表2 數值模擬工況

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對電梯前室及其對應電梯井壓強的影響。電梯前室和電梯井內壓強實時變化情況，如圖2、圖3所示。

圖2 工況1-1電梯前室和電梯井內壓強變化

圖3 工況1-2電梯前室和電梯井內壓強變化

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壓強變化

圖5 工況1-4電梯前室和電梯井內壓強變化

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組基礎工況數值模擬結果，電梯前室內的壓強隨對應電梯井內的壓強變化而變化，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。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

通過調研國內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據及電梯模型參數。以252 m超高層建筑為模型，通過進行單井道、雙井道數值模擬研究，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活塞效應的抑制情況，得出結論：

(1)調研測試數據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通電梯井數量越多，有利于抑制電梯井內轎廂運行時產生的“活塞效應”。

(2)電梯前室內的壓強隨對應電梯井內的壓強變化而變化，變化范圍與電梯井相比較??；隨著電梯運行速度的增大，電梯前室和對應電梯井內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模型電梯井內壓力優化了近50 Pa。電梯井頂部和底部有較大開口有利于減緩電梯井內“煙囪效應”。