超高层多井道电梯井“烟囱效应”特性研究

陈 桦， 舒 雅， 张洁玉， 吴林峰

(四川法斯特消防安全性能评估有限公司， 四川成都 610036)

为实现电梯用于超高层建筑火灾中人员安全疏散的目的，重点解决火灾烟气侵入电梯危害人员的问题。现有措施通常是对电梯井加压送风，形成相对楼层正压以防止烟气进入。然而电梯井内空气流动会受到“烟囱效应”的影响，尤其是超高层建筑电梯井内形成加强的“烟囱效应”。同时电梯井内轿厢运行时还会产生“活塞效应”，对电梯井内压力产生影响，超高层建筑电梯运行较快，“活塞效应”明显，对电梯井内空气流动影响较大。

20世纪90年代初，分别由美国机械工程师协会(ASME)、美国消防协会(NFPA)和美国国家标准化与技术研究院(NIST)举行了一系列有关缓解建筑内“烟囱效应”的学术会议和研究。Tamura等[1]在一座10层高的消防训练塔进行了送风研究，试验表明前室加压送风有利于烟气的抑制，2005年Jo等[2]提出了通过设置air-lock door的方案，从而减缓了高层住宅建筑内“烟囱效应”现象。2011年Park等[3]在公寓对楼梯和电梯井进行了加压试验，并取得了相对理想的建筑防烟效果。国内方面2013年甘廷霞等[4]在四川消防研究所高层实验室进行了相关实体试验，研究明确电梯井送风不小于30 Pa的压差能取得一个较好的控烟方案；
李镇裕等[5]建立了40 m建筑高的压力分布模型，通过数值模拟表明可采用前室加压送风的方式作为建筑的有效防烟措施。

本研究调研了深圳、上海两地多座高度超250 m的超高层建筑。调研过程中主要查阅超高层建筑消防专项报告，并与消防安全管理人员进行了询问和沟通。调研情况主要收集了超高层建筑电梯及其前室的设置形式，测量电梯井、轿厢、层门尺寸，测量漏风部位尺寸等数据，明确超高层建筑穿梭电梯使用情况。调研过程中发现绝大多数超高层建筑内均设置有穿梭电梯，用于应急时人员辅助疏散；
电梯层门的漏风宽度，基本在0.02～0.03 m之间，电梯运行速度一般在8～10 m/s；
超高层建筑电梯井形式存在多样性，常见的有单井道、双井道和三井道。

通过对上海某超高层建筑进行烟气流动性测量，电梯井体积越大或其旁通井数量越多有利于抑制电梯井内轿厢运行时产生的“活塞效应”。电梯运行时电梯井内与前室的最大瞬时压差测量统计结果见表1。

表1 双井道、三井道电梯运行时电梯井内与前室的最大瞬时压差测量

为了探究电梯在不同运行速度、高度、旁通井个数等情况下电梯运行时前室和其对应电梯井的压强变化，采用双井道联通井模型开展相关研究。结合调研情况，本次研究建筑的平面尺寸(图1)：电梯井道横截面2.3 m×2.4 m，联通井道横截面2.3 m×2.4 m，轿厢内为1.9 m×1.6 m×2.95 m，电梯门为1.2 m×2.7 m，前室门为1.6 m×2.1 m，房间门1.4 m×2.1 m，走道宽1.5 m，房间5 m×4 m。前室门缝为0.04 m×0.6 m，电梯门缝为0.1 m×0.6 m。

图1 双井道数值模拟平面示意(单位:m)

3.1 模拟设计

本次采用ICEM CFD和FLUENT进行数值模拟研究。在模拟中为了验证双井道对抑制“烟囱效应”的效果，分别设置了单井道模拟工况和双井道模拟工况。除此之外还考虑了电梯速度、电梯运行方向对结果的影响(表2)。

表2 数值模拟工况

3.2 单井道模拟

3.2.1 单井道工况

模拟主要研究不同电梯运行速度对气流的扰动和对前室压强的影响，目前市面上超高层建筑使用的电梯速度普遍可达10 m/s，故本次共模拟了2种电梯运行速度，分别是8 m/s和10 m/s，模拟建筑高度252 m。具体工况设置如表3所示。

表3 单井道模拟工况

3.2.2 模拟结果

在电梯运行速度为10 m/s的情况下，探究电梯轿厢不同的运行方向对电梯前室及其对应电梯井压强的影响。电梯前室和电梯井内压强实时变化情况，如图2、图3所示。

图2 工况1-1电梯前室和电梯井内压强变化

图3 工况1-2电梯前室和电梯井内压强变化

在电梯运行速度为10 m/s的情况下，电梯前室和电梯井内压强实时变化情况，如图4、图5所示。

图4 工况1-3电梯前室和电梯井内压强变化

图5 工况1-4电梯前室和电梯井内压强变化

工况1-4是在电梯运行速度为10 m/s时，探究电梯下行后再上行对电梯前室及其对应电梯井压强的影响。

3.2.3 小结

通过以上4组基础工况数值模拟结果，电梯前室内的压强随对应电梯井内的压强变化而变化，变化范围与电梯井相比较小。对比工况1-1和工况1-3，电梯启动后第23 s时，10 m/s电梯井达到最大瞬时压强约为368 Pa；
8 m/s电梯井在轿厢运动后29 s时的瞬时压强约为200 Pa，随着电梯运行速度的增大，电梯前室和对应电梯井内的压强的变化范围增大，电梯运行速度越快，促进或抑制的效果越明显。对比工况1-1和工况1-2，电梯先上行再下行时54层电梯井最大瞬时压强约200 Pa，远大于先下行再上行的123 Pa，电梯先上行再下行的情况，烟气在电梯井内的蔓延距离更远，此工况更为不利。

3.3 双井道模拟

3.3.1 双井道工况

本次模拟主要研究双通井的泄压对电梯井的压强平衡作用。本次模拟采供工况一的模型，设置等比尺寸的联通电梯井，2个井道每隔3层楼设置连通口，连通口面积分别为0.5 m×0.5 m，1.0 m×1.0 m(表4)。

表4 双井道模拟工况

3.3.2 模拟结果

工况3-1在电梯运行速度为10 m/s，电梯井连通口面积为0.5 m×0.5 m的情况下，探究电梯上行后再下行对电梯前室及其对应电梯井压强的影响(图6)。

图6 工况3-1各楼层电梯前室和电梯井内压强变化

工况3-2在电梯运行速度为10 m/s，电梯井连通口面积为1.0 m×1.0 m的情况下，探究电梯上行后再下行对电梯前室及其对应电梯井压强的影响(图7)。

图7 工况3-2各楼层电梯前室和电梯井内压强变化

3.3.3 小结

结合工况3-1模拟结果，电梯上升的过程中，1 s时电梯已上升到3层，此时2层、3层前室和电梯井的压强均为负值，3层的压强最低，27层和54层前室和电梯井的压强没有明显变化。电梯上升远离2层、3层，2层、3层的前室和电梯井压强逐渐回复至0 Pa，27层和54层的前室和电梯井的压强逐渐升高，27层在电梯靠近和离开时分别达到最大值和最小值，12 s正好处于电梯井压强先减小，前室压强还未大幅度降低的时刻，之后压强逐渐回复到0 Pa，电梯在24.75 s时到达54层；
电梯开始下降，54层前室和电梯井的压强降到最低值，随电梯下降逐渐回复至0 Pa，2层、3层前室的电梯井的压强逐渐升高，在电梯经过楼层时骤然压强降低，电梯在49.5 s到达首层，此时2层、3层压强回升。电梯运行到建筑中间高度时，上下方气流的抽吸与补充相对平衡，故位于建筑中间的楼层压强变化幅度较小，尤其在双井连通口的作用下，中间楼层27层的压强变化范围较其他楼层明显缩小，在±100 Pa以内。分析认为两电梯井间每3层有一个连通口，对3层以下的空气补充和54层的泄压作用有限。

工况3-2在电梯运行速度为10 m/s，电梯井连通口面积为1.0 m×1.0 m的情况下，探究电梯上行后再下行对电梯前室及其对应电梯井压强的影响。工况3-2的各楼层前室和电梯井的压强变化趋势与工况3-1相同，但工况3-2的压强变化范围与工况3-1相比略有减小，2层、3层和54层减小了约50 Pa，2种工况下的27层的压强变化范围差异不大；
工况3-2中的压强恢复用时比工况3-1更少。

通过调研国内多个超高层建筑电梯运行情况，测得了多种电梯井井道压差数据及电梯模型参数。以252 m超高层建筑为模型，通过进行单井道、双井道数值模拟研究，并充分考虑了电梯速度、轿厢运行方向等多方面因素对电梯内活塞效应的抑制情况，得出结论：

(1)调研测试数据结果表明电梯井井道高度越高，“烟囱效应”越明显。电梯井体积越大或其联通电梯井数量越多，有利于抑制电梯井内轿厢运行时产生的“活塞效应”。

(2)电梯前室内的压强随对应电梯井内的压强变化而变化，变化范围与电梯井相比较小；
随着电梯运行速度的增大，电梯前室和对应电梯井内的压强的变化范围增大；
建筑高度越高，电梯前室和对应电梯井内的压强变化范围越大。

(3)双井道模型中连通口面积越大，对电梯压强的平衡作用越好，电梯井内的压强变化范围越小。0.5 m×0.5 m的开孔尺寸较之前模型电梯井内压力降低了25 Pa；
1.0 m×1.0 m的连通井尺寸较0.5 m×0.5 m模型电梯井内压力优化了近50 Pa。电梯井顶部和底部有较大开口有利于减缓电梯井内“烟囱效应”。