利用地铁车站电梯竖井辅助排烟的数值分析★

闫 淑 霞

(常州工学院，江苏 常州 213032)

0 引言

地下构筑物利用排烟竖井进行自然排烟，已有学者做了大量研究[1]。地铁车站内设置从站台直达地面的残疾人或专用电梯，其电梯井是连接站台与地面的竖向通道。由于热烟气向上运动，因此在火灾时，电梯井是由于烟囱效应成为排烟的通道还是处于没有烟气利于疏散的状态，值得进一步研究。鉴于数值模拟方法的经济、快速等优点，本文采用计算机数值模拟的方法，研究在站台火灾场景下，电梯井内烟气蔓延情况，并结合挡烟垂壁设置情况、电梯井高度等因素研究增强电梯井排烟效果的措施。

1 场景设想及数值模拟

1.1 研究内容

对于地铁车站，无障碍电梯和专用电梯主要是作为平常残疾人等特殊人群使用，不作为火灾时的设计人员疏散通道。且专用电梯数量少，疏散能力有限，不是人们平常选择走的路线在火灾造成的恐慌心理下，人们更容易选择常规路线逃生。研究重点放在能否选择其作为排烟通道。在站台结构上，考虑设置不同挡烟垂壁对烟气运动的影响。因为设置挡烟垂壁可以使烟气蓄积提高排烟效率，同时可控制烟气在一定区域，从而对烟气运动有一个导向作用，例如在电梯竖井进口所在垂直断面处设置挡烟垂壁，可以使烟气进入电梯井内而阻止烟气进一步水平蔓延，挡烟垂壁底面高度若低于电梯井开口上边缘则更有利于烟气流向电梯竖井。由理论分析可知电梯井高度对烟气运动动力大小有影响，因此分别研究不同电梯井高度下的运动规律。火源位置距电梯井距离不同，进入电梯井内烟气温度也不同，特别是地铁车站是狭长建筑，若站台中央着火，由于水平距离长烟气运动到端部可能产生冷却下降等现象，由此能否利用端部电梯竖井进行排烟需要验证。综合以上因素，并结合站内机械防排烟系统运行工况，确定7种模式作为研究对象，如表1所示。

表1 模拟研究工况汇总

1.2 数值模拟方法

采用由美国国家标准局(NIST)的建筑火灾研究实验室开发的产品FDS模型进行数值计算。FDS软件适合于求解热驱动、低速流动Navier-Stokes方程，主要进行火灾导致的热烟传播和蔓延的数值模拟，并得到了大型及全尺寸火灾实验的验证。采用FDS中默认的大涡模拟方法求解方程组；燃烧模型采用混合分数模型(mixture fraction)；辐射传热模型采用FDS默认的方式进行计算[2,3]。

电梯井平面尺寸为4 m×4 m，选取12 m为电梯井标准高度，为研究高度对烟气运动的影响，将电梯井高度增至17 m进行对比分析。计算区域总长度180 m，总宽度20 m(其中上下行隧道分别为5 m)，站台地面中心为坐标原点。火源位于距站台中心25 m处，坐标为(25,0,0)，火灾规模5 m。电梯井根据表1所列工况，分别位于站台中央和站台端部。

2 结果及分析

火灾时车站内的能见度既可以反映站内烟气填充情况，又可以用来判断站内环境是否满足疏散标准，因此选取能见度作为目标研究参数，对比分析火灾发生270 s时，车站y=0纵截面上各模式下的能见度。结果如下。

模式a与模式b对比，模式b相对于模式a增加位于站台中央的电梯井，并打开电梯门用于排除站台烟气，电梯距离火源25 m，电梯井对烟气层产生干扰，着火点附近湍流程度增大，火源至电梯井区域能见度较不设置电梯井的a工况差，但是同时烟气由于受到中间电梯竖井的分流作用，可以减缓烟气沿站台方向进一步蔓延，从而使站台长度方向没有火源的一侧不受烟气影响，人们可以从远离火源端的楼梯处疏散。

模式b若电梯竖井门打开，在人员疏散时间内电梯井将烟气弥漫，对于目前地铁车站，电梯井一般位于公共区域内，不设置消防电梯前室等防烟措施，因此在火灾发生时选择位于站台中央的竖向电梯进行疏散是不安全的。

模式a和模式c、模式d对比，在电梯竖井处设置站台层挡烟垂壁，可有效阻止烟气蔓延，远离火源端站台能见度优于不设置挡烟垂壁的a工况，挡烟垂壁有利于烟气蓄积，并通过电梯竖井排除火灾烟气，同时提高有烟区域排烟系统效率，起到将烟气蔓延范围限制到尽量小的范围的作用。

模式c和模式d对比，挡烟垂壁的具体设置位置对烟气扩散有一定影响。沿电梯竖井边缘设两道垂壁时站台层可见度优于站台中央设一道垂壁时的能见度，但是，设两道垂壁由于对烟气流场的阻挡干扰，使挡烟垂壁和着火点中间的烟气扰动较剧烈，模式d站厅层能见度小于初始值，因此可判断设置两道挡烟垂壁可使站台烟气通过此区域的楼梯向站厅蔓延。

模式e不开启机械排烟系统，只使用电梯竖井进行自然排烟，站厅层能见度降低显著，烟气从站台蔓延至站厅层，无法满足人员安全疏散要求。

模式f电梯竖井高度从12 m增至17 m时，站内可见度有改善，但提高幅度不大，站内烟气分层及分布趋势不变。

模式g站台两端设置电梯竖井，近火源端的电梯井能见度降低表明有烟气流入，远离火源端的电梯竖井能见度可以满足疏散要求。

模式a与模式h对比，远离火源一侧的站台能见度云图较一致，可得出设在站台端部距离火源较远一侧的电梯井对火灾烟气蔓延的影响较小，并且可以满足人员疏散的要求。

综合各工况模拟结果，能否利用电梯竖井进行排烟受挡烟垂壁设置情况，电梯竖井位置，竖井高度等因素的影响。在电梯井距离火源较远，电梯竖井高度低，电梯井空间占整个站台空间比例小的情况下，单独使用电梯竖井进行自然排烟无法满足排烟要求，电梯竖井排烟必须同时开启机械防排烟系统。位于站台中央的电梯竖井距离火源较近，可以成为常规排烟系统的有益补充，可以有效对烟气进行截流，从而使远离火源一侧的站台区域满足安全疏散要求。位于站台端部远离火源侧的电梯井无法发挥排烟作用，相反可以满足安全疏散要求。

3 结语

通过研究可以得出，火灾时利用电梯竖井进行疏散由于烟气弥漫具有较大危险性，尤其是电梯井距离火焰点很近的情况下，在现有的车站毫无防烟措施的情况下，由于烟气蔓延速率快，基本上不存在通过电梯竖井疏散的可能性。但对于地铁车站狭长结构，如果电梯设在站台端部，在火源另一端的电梯在本文火源功率5 W时可以满足疏散要求。

为改善排烟效果，可以采取设置挡烟垂壁的方法。由于挡烟垂壁和电梯竖井对烟气的共同阻挡，分流作用，使远离火点站台端安全。挡烟垂壁的建设成本相对较低，挡烟垂壁不止可以发挥防烟分区分隔的作用，也可以发挥对烟气流向的疏导作用，因此工程中可考虑通过设置一定数量挡烟垂壁来减缓烟气蔓延速度，增加烟区排烟口效率。

针对具体车站形式，埋深等条件，通过分析，可以考虑采用专用电梯井进行辅助排烟。但需要采取措施保证电梯竖井进排风口及时开启，同时注意采取措施避免人员误入电梯井及减少烟气排出地面后对周围环境的污染和危害。

[1] 解 宏，卞玉超.城市自然排烟隧道竖井高度优化设计[J].企业技术开发,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.