高层建筑消防电梯井烟气蔓延及控制分析

关键词：高层建筑，消防电梯井, 烟气蔓延, 烟气控制

　　前言

　　全球各国每年发生的火灾事故次数不断增加，涉及的火灾类型有天然气管道火灾、油罐起火爆炸、森林大火、建筑火灾等等，其中建筑火灾涉及各个功能的建筑类型，比如商业楼、家具厂、居民楼、高层建筑等。在各类事故中，火灾事故是损失最严重和救援最困难的事故之一，而其中高层建筑火灾问题尤为突出。世界各国对高层建筑定义不同，在我国超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。随着城市用地逐渐紧张，建筑规模不断扩大，高层建筑、超高层建筑如雨后春笋般出现，高层建筑在减少用地的同时也给防灾问题上带来了难题。现高层建筑事故发生的数量和频率不断增加，由于其内部竖井多、火灾荷载大、人员密集的特点使得一旦发生火灾，火势将迅速蔓延，人员疏散困难，因此将造成严重的人员伤亡和财产损失。

　　一、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、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。

　　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。

　　3、火灾扑救难

　　从国内外很多高层建筑火灾事故案例中可以发现，依靠外力扑救高层建筑火灾非常困难，会遇到很多客观问题，如消防云梯高度不够，水泵水压不足，直升飞机送水灭火水量不够等等。若再加上高层建筑内部喷淋设施、消火栓不完善，高层建筑自救能力低，高层建筑火灾扑救将极为困难。另外，若因消防电梯故障等原因电梯关闭，消防救援人员将携带大量灭火装备通过爬楼梯灭火，耗尽体力，不但不利于灭火，消防人员的生命安全也受到了威胁。

　　4、人员密集，疏散困难

　　高层建筑物体积大，容纳的人数多，一旦发生火灾，众多人员同时段疏散易造成踩踏和群死群伤事件。同时，人员疏散路径长，因此疏散时间长，长时间的疏散过程中极极易受到火灾烟气的威胁，造成人员因中毒窒息而受伤或死亡。

　　二、高层建筑内烟气蔓延

　　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。

　　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然，导致门窗破裂，引起轰然，烟气将从破裂缺口扩散至其他区域。

　　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。烟囱效应通过加速室内外空气对流和改变空气卷吸影响着火房间的燃烧，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。

　　3、活塞效应

　　当列车在隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车运行前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用[36]。同理，由于电梯井内空间封闭狭小，电梯轿厢上下运行时，像活塞推挤和抽吸空气一样，在轿厢后方会不断从壁面缝隙抽吸外界空气，轿厢前方会推挤井内的气流运动，若发生火灾，推挤和抽吸作用将影响电梯井、前室压力变化，从而影响烟气的蔓延，这就是“活塞效应”。轿厢驶离火灾层的短时间内，活塞效应使压差减小，极限状态下可能导致火灾烟气卷入电梯前室。