利用地鐵車站電梯豎井輔助排煙的探討★

閆 淑 霞

(常州工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

利用地鐵車站電梯豎井輔助排煙的探討★

閆 淑 霞

(常州工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

地鐵車站一般在車站中間或一端設(shè)殘疾人專用電梯，如果電梯井采用站臺(tái)直達(dá)地面的方式，則電梯井可看作是車站的豎向通道，對(duì)常見電梯形式做了總結(jié)，提出利用電梯井進(jìn)行輔助排煙的策略，并對(duì)電梯井排煙的動(dòng)力進(jìn)行了理論分析，從而為地鐵站煙氣控制提供了利用已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行排煙的新策略。

電梯豎井，煙氣控制，地鐵車站

0 引言

為了方便殘疾人或行動(dòng)不便的人乘坐地鐵，地鐵車站在車站中間或端部一般設(shè)置無障礙電梯或?qū)Ｓ秒娞?。根?jù)熱煙氣向上運(yùn)動(dòng)的特性，電梯豎井作為豎向通道，煙氣在此處的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與電梯井是否可以作為排煙設(shè)施或者疏散通道有很大關(guān)系，因此值得研究。考慮到煙囪效應(yīng)的存在和普通電梯在高溫?zé)煔庾饔孟氯菀壮霈F(xiàn)故障而停運(yùn)等因素，對(duì)于電梯能否用于火災(zāi)時(shí)的人員疏散人們的普遍認(rèn)識(shí)不一致[1]。目前，學(xué)者對(duì)地面上的高層建筑豎向通道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及建筑利用豎向通道的煙囪效應(yīng)改善通風(fēng)狀況的研究較多。李林杰[2]圍繞煙囪效應(yīng)，湍流混合作用，熱浮力，外界風(fēng)等作用力，對(duì)高層建筑樓梯井、豎井內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析了火災(zāi)功率、樓梯井結(jié)構(gòu)、開口形式等對(duì)煙氣流動(dòng)速度、中性面位置的影響等。張旭濤[3]對(duì)高層建筑利用電梯豎井的排煙系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對(duì)某高層建筑電梯豎井頂部開口面積比、加壓送風(fēng)量、電梯口縫寬度與著火層常閉排煙口尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得出電梯豎井能夠達(dá)到較好的排煙效果。張靖巖等[4]考慮到機(jī)械排煙系統(tǒng)在火災(zāi)造成的電力實(shí)施中斷時(shí)將失去排煙作用，合理的自然排煙方式可以是很好的替代方案。郭敏等[5]提出利用太陽能加強(qiáng)煙囪效應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)，研究表明這種方式能夠較好地達(dá)到地下通風(fēng)換氣效果。

地鐵車站一般為地下建筑，與外部空間空氣交換處少，特別是對(duì)于有屏蔽門系統(tǒng)的車站，站臺(tái)空間相對(duì)更封閉，火災(zāi)時(shí)的熱動(dòng)力效應(yīng)不同于地面建筑，因此其煙囪效應(yīng)發(fā)揮效力的大小值得研究。煙氣控制的一個(gè)理念是根據(jù)煙氣傳播的動(dòng)力及途徑，利用站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)煙氣進(jìn)行合理的疏導(dǎo)，保證人員疏散通道的安全。因此對(duì)于電梯豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究有兩個(gè)相反的方向可供選擇，一是利用電梯豎井排煙的可行性，二是研究電梯井在火災(zāi)中能否發(fā)揮疏散作用。文章將對(duì)電梯井排煙的可行性進(jìn)行分析。

1 地鐵站無障礙電梯形式

地鐵站人員出入車站的主要豎向通道是電動(dòng)扶梯或樓梯；為方便特殊需要在站中間或端部設(shè)有無障礙電梯或?qū)Ｓ秒娞?，如圖1～圖4所示。

單獨(dú)電梯井如圖3所示，尺寸為2.3 m×2.2 m，島式站臺(tái)寬度10 m。專用電梯井如圖4所示，尺寸4.5 m×4.5 m左右。對(duì)于分為站臺(tái)層、站廳層的車站，按站廳上覆土4 m，則電梯井高度為15 m左右；在某些垂直換乘的車站、包含設(shè)備層的深埋車站等，則電梯豎井高度可達(dá)20 m以上。廣州市軌道交通六號(hào)線，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地鐵線路和車站均需要較大的埋深，有的車站埋深近35 m[6]。因此，從影響煙囪效應(yīng)的重要因素之一的煙囪高度來講，可根據(jù)不同高度分別研究煙氣運(yùn)動(dòng)效果。

2 車站壓力分布

煙氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是壓力差，包括[7,8]兩個(gè)方面：

1)煙自身的可流動(dòng)性：本身由于高溫氣體比周圍空氣密度低而形成的浮力。

2)建筑物正?？諝饬鲃?dòng)對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響。主要指煙囪效應(yīng)、建筑物孔隙形成的空氣流動(dòng)、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)作用對(duì)煙氣流動(dòng)的影響。

地鐵車站內(nèi)各種壓力作用下的氣流運(yùn)動(dòng)如圖5所示。在站臺(tái)火災(zāi)工況下，機(jī)械排煙系統(tǒng)的運(yùn)行模式為站臺(tái)排煙，站廳送風(fēng)，形成站廳至站臺(tái)氣流，防止煙氣向站廳擴(kuò)散。因此對(duì)車站區(qū)域壓力場(chǎng)的影響為站臺(tái)排風(fēng)負(fù)壓效應(yīng)、站廳送風(fēng)正壓效應(yīng)。站臺(tái)火災(zāi)生成熱煙氣，氣體溫度升高，從而氣體體積增大，形成煙氣熱正壓效應(yīng)，同時(shí)，燃燒消耗氧氣，又有一定的耗氧負(fù)壓效應(yīng)。樓梯井對(duì)外開口受室外風(fēng)影響，若處于負(fù)壓區(qū)可以加強(qiáng)豎井排煙效果。但由于室外風(fēng)的隨機(jī)性，本研究暫未考慮其影響。

因此，電梯豎井內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)將是煙氣浮力效應(yīng)和內(nèi)外壓差不形成的煙囪效應(yīng)的綜合作用結(jié)果。通風(fēng)系統(tǒng)作用下站廳至站臺(tái)形成的氣流，在排煙系統(tǒng)及燃燒消耗氧氣的作用下使站臺(tái)趨向于負(fù)壓狀態(tài)，火災(zāi)煙氣的高溫?zé)崤蛎浶院驼緩d火災(zāi)送風(fēng)則使站臺(tái)趨向處于正壓的狀態(tài)。若使豎井內(nèi)空氣獲得向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，則站臺(tái)壓力高于室外壓力。壓力差的變化將是兩種趨勢(shì)綜合作用的結(jié)果。如果壓力差大于煙氣流動(dòng)途徑的阻力，則可以實(shí)現(xiàn)煙氣的順利排出。其中煙氣浮力的影響程度取決于電梯豎井距離火源的距離，電梯井距離火源越近，煙氣溫度越高，則電梯井排煙效果越好。

3 電梯豎井壓力分布

車站內(nèi)電梯井除地面出口外均位于地下，不同于地面建筑的電梯井可存在連續(xù)空氣交換，考慮到站臺(tái)火災(zāi)工況下，站廳人員可通過直接與地面連接的出入口疏散，因此對(duì)于利用電梯井排煙或利用電梯疏散兩種模式，均設(shè)置為站廳處電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)。因此整個(gè)電梯井的開口可以簡(jiǎn)化為站臺(tái)和地面兩個(gè)開口，如圖6所示。

Klote等人[9]假設(shè)在豎向通道內(nèi)外的氣體溫度是均勻的，通過理論分析，確定了出口質(zhì)量流量為:

(1)

進(jìn)口質(zhì)量流量為:

(2)

進(jìn)出口流量相等，根據(jù)式(1),式(2)可知豎向通道中性面位置為：

(3)

從式(1)，式(2)可以看出，通過進(jìn)、出口的流量與豎向高度、溫差、開口面積成正比。從式(3)可以看出，中性面高度與開口面積二次方成反比，與溫度一次方成反比，因此，中性面的位置主要受到開口面積的影響，豎向通道內(nèi)的溫度對(duì)中性面位置的影響較小。

對(duì)于地鐵車站的電梯豎井，與Klote計(jì)算模型的區(qū)別在于，進(jìn)口和出口外側(cè)環(huán)境溫度不相等。出口處溫度為室外空氣溫度，進(jìn)口處溫度受站臺(tái)煙氣溫度影響比室外環(huán)境溫度高，因此其豎向作用力與豎向高度、溫差成正比，相對(duì)于Klote模型小。

4 結(jié)語

通過調(diào)研常規(guī)地鐵站，電梯井高度在15 m左右，部分車站達(dá)35 m左右，因此根據(jù)煙囪效應(yīng)，高度是決定煙囪效應(yīng)強(qiáng)弱的重要因素，可以對(duì)電梯井是否能夠排煙展開進(jìn)一步分析。分析了車站內(nèi)壓力分布情況，受到機(jī)械排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式及容量、火災(zāi)功率等因素影響，具體排煙效果需要通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。文章對(duì)于地下建筑利用已存在結(jié)構(gòu)進(jìn)行排煙提供一種新的方向。

[1] 司 戈.高層建筑火災(zāi)時(shí)利用電梯組織人員疏散的可行性[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2004(10):43-48,147-154.

[2] 李林杰.高層建筑豎向通道內(nèi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律及著火房間火行為特性研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2014.

[3] 張旭濤.利用電梯豎井的高層建筑排煙系統(tǒng)研究[D].北京：華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文,2015.

[4] 張靖巖，霍 然，王浩波,等.高層建筑中利用豎井進(jìn)行排煙的可行性分析[J].工程力學(xué),2006，23(7):147-154.

[5] 郭 敏，廖義德，譚文鑫,等.基于煙囪效應(yīng)的地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010(32)：11.

[6] 高俊霞，史聰靈，鐘茂華.深埋地鐵防排煙設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2006，2(6)：12-17.

[7] 趙國(guó)凌.防排煙工程[M].天津：天津科技翻譯出版公司,1991.

[8] [英]E.G.巴舍.防火設(shè)計(jì)中的煙控[M].王 磊，譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[9] John H.Klote. A General Routine For Analysis of Stack Effect.NISTNR 4588,1991.

Studyonthefeasibilityofusingaccessibleelevatorshaftextractingfiresmokeinmetrostation★

YanShuxia

(CivilandConstructionEngineeringInstitute,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213032,China)

The elevator shaft connecting the platform and the outside is a vertical channel in a subway station. This paper survey the geometry of the elevator shaft and put forward the idea that using elevator shaft to exhaust fire smoke. According to the theoretical analysis of smoke movement force, the paper give a possibility strategy of using existing construction to exhaust fire smoke.

elevator shaft, smoke management, metro station

2017-10-06★:常州工學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YN1414)

閆淑霞(1979- )，女，博士，講師

1009-6825(2017)35-0123-02

U231.5

A