高层建筑消防电梯井烟气蔓延探究

摘 要：高层建筑中电梯是主要的交通工具,按照现行规范规定,一旦发生火灾或其他事故,除消防专用电梯外,其他普通电梯一律迫降不能使用.当发生火灾时,若能保证消防电梯的安全,充分发挥消防电梯的疏散作用,将大大缩短人员疏散时间.但影响电梯安全使用的因素有很多,比如可靠的供电系统等硬件设备设施的保障、电梯的防火防烟性能、公众的认知等等.随着现代化信息技术的提高,监控系统、广播系统不断改进,防火设计不断完善,电梯轿厢、风机机电设备设施防灾性能不断提高.若在火灾时,电梯具有足够的安全性,充分利用电梯进行疏散将成为可能.由于火灾烟气是危害疏散人员安全的最主要因素之一,加上电梯结构的特殊,导致其烟气防控的特殊性,因此对烟气的运动规律和控制分析显得尤为重要.本文将对电梯井进行送风防烟研究,该研究具有一定的实用意义和经济意义,将对规范的改进起到重要作用,并对消防员开展灭火救援及楼内人员利用电梯进行安全疏散有重要的技术论证作用.

关 键 词：高层建筑；电梯；活塞效应；火灾烟气

中图分类号：TU998文献标识码：A

1高层建筑火灾特点

高层建筑因功能复杂、楼层多、竖井多、人员密集等特点使得其火灾危险性比普通建筑大,其主要表现在：

1.1火灾、烟气蔓延影响因素多

高层建筑楼层高、竖井多,因此在发生火灾时,受到的影响因素复杂,如竖井的烟囱效应、电梯轿厢活塞效应、外环境风力影响等,使得火灾烟气迅速从着火层蔓延至其他楼层.

1.2功能复杂,起火因素多

很多高层建筑是集多种功能为一体,涉及商店、娱乐区、办公间、设备间等,功能越多,起火因素越复杂,且高层建筑用电量大、装修复杂,一旦因短路漏电等问题形成点火源,极易引发火灾,造成巨大损失.

2高层建筑内烟气蔓延

烟气由燃烧或热解作用产生的气体、悬浮颗粒和卷吸的空气组成.有关调查表明,烟气是火灾中造成伤亡的最主要原因之一.烟气对人体的危害性主要有毒性、减光性、恐怖性和高温.火灾燃烧会消耗大量烟气,当环境中含氧量下降时人易因缺氧出现头晕、四肢无力、呼吸急促等症状,严重时甚至使人窒息死亡,同时,不同的燃烧物在燃烧时会分解出不同的物质,若燃烧物在燃烧时产生有毒物质氰化物、甲醛等,或腐蚀性物质硫化氢、氯化氢等,或刺激性物质氯气、氨等,被人体吸入后会发生不同程度的化学性中毒事故.火灾烟气中的烟粒子对可见光有遮挡作用,大大降低了能见距离,再加之若有刺激性气体对眼睛的刺激作用,将严重影响人员辨识疏散标志、疏散路径的能力,减慢疏散速度,增加了伤亡概率.人处于火灾中,看到滚滚浓烟,听到轰燃等造成的巨响,会产生强烈的恐惧感,失去理智,不知所措,易酿成踩踏、坠楼等事故.同时,随着燃烧的进行,烟气温度迅速上升达到几百度甚至上千度,严重超出人体忍受极限,造成灼伤事故.

3高层建筑内烟气流动驱动力

高层建筑高度高、竖井多、设施功能复杂等特点使得火灾烟气蔓延途径多、蔓延速度快,若发生火灾,烟气将通过这些竖井迅速蔓延到其他楼层,对人员构成危害,造成严重的经济损失.高层建筑消防电梯井内烟气蔓延的特殊性给防火防烟带来了困难与挑战,在对电梯井加压送风模拟和试验研究前,分析烟气运动规律具有重要的意义.烟气流动的驱动力主要有浮力和膨胀力、烟囱效应、风的作用、通风系统的影响、电梯的活塞效应等.

3.1浮力和膨胀力

对于高层建筑,着火房间产生的高温烟气使得该房间内的温度高于周围冷空气的温度,相邻流体之间存在温度梯度,便会出现密度梯度,密度小的高温流体不断上升流动,从房间内的上部开口处流出,同时冷空气从下部开口处流入房间,即产生浮力效应.同时,烟气的流动速度与温度有关,温度越高流动越快.烟气因浮力作用不断上升,在上升过程中会受到墙壁等维护结构的冷却而有下沉趋势,到达顶棚后转向水平扩散,随着火势发展,烟气量不断增加,造成上部烟气层增厚.当到达门窗等开口时,烟气通过开启的开口向其他区域扩散,若门窗等开口关闭,室内热量大量积累,热烟气层厚度和温度逐渐增加,达到一定临界条件后易引起轰燃,导致门窗破裂,引起轰燃,烟气将从破裂缺口扩散至其他区域.

3.2烟囱效应

烟囱效应是在垂直的围护结构中,由于气流对流作用,促使烟尘和热气流向上流动的效应.是室内外温差形成的热压及室内外风压共同作用的结果,通常以前者为主,室内外温差越大、建筑高度越高,烟囱效应越明显.高层建筑中存在大量的竖直通道,如楼梯井、电梯井、电缆井、管道井等,在这些竖井内流动的气体,其烟囱效应十分显著.根据建筑物内外温度的高低,主要分为正烟囱效应和逆烟窗效应,如在夏季,由于室内空调系统的运行使竖井内温度低于周围环境温度,气流通过中性层以上的开口流入,下部开口流出,竖井内气流向下运动,将这种内部气流下降的现象称为逆烟囱效应,反之当建筑竖井内温度高于周围环境温度,气流通过中性层以下的开口流入,上部开口流出,竖井内气流向上运动,将内部气流下降的现象称为逆烟囱效应.随着火灾的发生,烟气温度越高,在竖井蔓延烟囱效应越明显,烟囱效应一方面加速了烟气的扩散速度,使其快速蔓延至其他非着火区域,造成更严重的事故后果,一方面烟囱效应形成的气流流动,使得外界空气不断进入,火源卷吸新鲜空气将使得燃烧更加猛烈,加剧火势的发展.

4烟气控制方法

有关研究表明,建筑火灾中烟气沿垂直方向的扩散速度比沿水平方向的流动度大得多,几分钟内烟气就可扩散到几十层的楼层中,从而对起火点之外向其他区域的人员构成危害.因此,为保护疏散通道的安全,为消防救援提供条件,应采取有效的方法控制烟气.烟气控制指的是所有可以单独或组合起来使用以减轻或消除火灾烟气危害的方法.烟气控制的途径主要有两条:一是挡烟,二是排烟.挡烟是指用某些耐火性能好的物体或材料把烟气阻挡在某些限定区域,不让它流到可对人对物产生危害的地方.排烟是指使烟气沿着对人和物没有危害的渠道排到建筑外,从而消除烟气的有害影响.烟气控制方式主要有:

4.1非燃化防烟

从燃烧条件的三要素考虑,减少燃烧反应的发生概率,降低烟气的产生量,比如可燃物远离火源:将可燃物与氧气隔开,使之窒息缺氧而燃烧终止:建筑物使用的建筑材料、室内装饰、管道的保温材料、日用家具等尽量采用不燃或难燃材料,从根本上杜绝烟源,若使用了可燃或易燃材料,可采用涂防火涂料、添加阻燃剂同时加入抑烟剂等方法达到消烟、阻燃的目的.

4.2阻碍隔烟

在烟气流动路径上,设置各种阻碍,阻止烟气的蔓延,将其阻止在限定区域内,削弱着火区烟气对其他区域的影响.阻碍烟气的措施有很多,比如利用具有一定耐火性能的墙壁、门窗等固定结构挡烟；采用挡烟垂壁、挡烟梁等挡烟构件对建筑进行防烟分区以达到挡烟目的；在有各种管道或设备穿越的楼板、墙壁空隙处采用封堵材料进行填塞以减少烟气蔓延途径.