地铁站台火灾不同排烟模式下排烟效果的数值模拟研究

毛　婷，朱常琳

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安　710055)



地铁站台火灾不同排烟模式下排烟效果的数值模拟研究

毛婷，朱常琳

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055)

摘要：运用火灾动力学模拟软件FDS，对广州某一地铁车站岛式站台端部发生5MW火灾的情况进行数值模拟研究，对比分析不同排烟模式下地铁站内的顶棚温度分布、人眼特征高度处温度、能见度、CO浓度分布以及楼梯口风速分布情况，分析其排烟效果是否满足人员安全疏散的要求。结果表明，对于顶棚温度和人眼特征高度处能见度而言，3种排烟模式都能满足要求。对于楼梯口新风风速而言，排烟口为11个的排烟模式不满足要求。比较3种模式下温度和CO浓度的扩散范围，发现排烟口为22个的排烟模式的控烟效果较好，更有利于人员的安全疏散。

关键词：地铁；站台火灾；数值模拟；排烟模式；排烟效果

地铁由于具有运量大、速度快、低污染、低能耗、方便快捷、安全舒适等优点，成为缓解城市交通拥堵比较有效的措施[1-3]。地铁的快速发展，虽然缓解了城市面临的交通拥挤问题，但与此同时也带来了一些新的问题，比如发生火灾时救援和疏散人员比较困难。由于地铁车站处于地下深处，发生火灾时，救火、疏散乘客都很困难，因此火灾事故成为地铁运营期间非常重要的安全问题。火灾燃烧过程中会产生大量的浓烟和有毒物质，这是导致人员伤亡最主要的原因之一。众多的地铁火灾案例统计结果表明，70%以上的人员死亡源于烟气，其中大部分都是吸入烟气及有毒物质昏迷后导致死亡[4-7]。

地铁车站是一个内部空间相对密闭且狭长的地下空间，与外界的联系主要为出入口，客流量大，人员比较集中，当发生火灾时，人员只能从较少的出入口疏散撤离，火灾烟气和热量也很难排出，对乘客和工作人员的安全逃生造成很大的威胁[8]。因此，研究地铁内部更有利的排烟条件成为许多学者关注的重点。

以广州某地铁岛式站台为研究对象，设计了不同排烟工况，通过利用FDS软件对不同模式的排烟效果进行数值模拟，并对楼梯通道处的温度和CO浓度进行监测。通过比较不同排烟模式的数值模拟结果，找出最佳通风排烟模式，为地铁的建设和消防安全研究提供参考。

1模型建立及工况设计

1.1　物理模型

站台的有效长度为120 m，宽度为12 m，高度为4 m。该站台与站厅连接之间有两个楼梯和两个自动扶梯，如图1所示。4个楼梯水平投射在平面上的长度分别为8.36、7.68、7.68 m和8.36 m，宽度分别为3、1.8、1.8 m和3 m。在站台顶部两侧对称设置尺寸为0.5 m×0.5 m的送风口44个；同时在站台顶部中间设有尺寸为0.6 m×0.9 m的排烟口22个。站台内部分别设有通风管网系统和排烟管网系统。为稳固起见，在站台两侧对称设置2排截面尺寸为0.8 m×0.5 m的柱子34个。

图1　地铁站台模型三维图

本文设定火源位置在站台端部，如图1所示。火灾情况下地铁站台的排烟模式为站台顶部22个排烟口进行排烟，总排烟量为72.4 m3/s，排烟速度为6 m/s。对于站台火灾，为方便分析，同时考虑偏于安全的情况，分析过程中人眼特征高度取1.8 m[9]。地铁火灾人员安全疏散环境评价指标[9-12]主要有：顶棚烟气温度不超过180 ℃，人眼特征高度1.8 m处温度不超过60 ℃，CO浓度低于250 ppm，能见度不低于10 m，楼梯口中形成向下不小于1.5 m/s的气流，若其中任一条件不满足要求，则认为该区域的环境将不利于人员疏散的安全。

1.2　火源设置

由于地铁车站是一个特殊场所，考虑到乘客携带的行李可能发生火灾、人为纵火等情况，并结合参考文献[13]，火源热释放速率可设定为5 MW，火源大小为2 m×2 m。火源热释放速率随时间的变化用Q=αt2[14]表示，其中，α为火源热释放速率的增长系数，按NFPA中的超快速增长火考虑，火灾增长系数α=0.187 8 kW/s2[15]，经计算可得火源功率约162 s达到峰值后保持稳定燃烧。

1.3　系统模式设定

本文所建立地铁车站站台的模型，排烟口的个数为22个，排烟口之间的间距为5 m。当站台发生火灾时，可以通过改变排烟口的个数(即改变排烟口间距)改变排烟模式，将新的排烟模式与原来的排烟模式的模拟结果进行对比分析，选出更有利的排烟模式。因此，根据排烟口个数的不同可分为3种排烟模式：排烟口为22个，排烟口间距不变即为5 m的排烟模式(模式1)；排烟口为11个，排烟口间距为原来的一倍即为10 m的排烟模式(模式2)；排烟口为44个，排烟口间距为原来的一半即为2.5 m的排烟模式(模式3)。

1.4　基本假设

在假设条件下，利用FDS对火灾工况下不同排烟模式进行数值模拟，假设条件为：(1)火灾发生后，烟气在站台内不发生化学反应；(2)不考虑站台屏蔽门开启的情况，即站台屏蔽门关闭，且站台内屏蔽门不传热；(3)墙体以及室内温度默认为20 ℃，忽略车站内照明以及其他设备对火灾的影响。

1.5　网格划分

在FDS数值模拟过程中，网格的密度对计算结果有重要的影响，网格划分越精细，模拟结果就越准确，但同时会增加模拟的时间。FDS指导手册中提出来用于确定网格的公式为[16]

(1)

其中，D为火源特征直径，m；Q为火源热释放速率，kW；ρ为空气密度，1.2 kg/m3；cp为空气比热容，1.014 kJ/(kg·K)；T为环境温度，293 K；g为重力加速度，9.8 m/s2。

根据公式(1)，设置火源的热释放速率Q=5 MW时，计算得到火源的特征直径为2 m。并结合国内外的参考文献，表明当网格尺寸采用0.1D时，模拟结果比较准确。由此可知，火源特征直径设为2 m时对应的网格尺寸为0.2 m。分析过程中总的计算网格数为720 000个。

2模拟结果及分析

火源位于站台端部，火源中心坐标为(14，6，0.2)。当站台端部发生火灾时，4个楼梯中只有1号楼梯和2号楼梯离火源位置相对较近，其中1号楼梯离得最近。若记作火源中心为0点，则1号楼梯的位置在离火源中心8～17 m，2号楼梯的位置在离火源中心31～39 m。

2.1　比较各种排烟模式的模拟结果

2.1.1顶棚温度和人眼特征高度处温度分布

由于站台有吊顶，为了判断顶棚烟气层的高温辐射是否会对人体构成伤害，本文取高度3.6 m为烟气层。由人员安全疏散环境评价指标可知，当烟气温度超过180 ℃时会对人体构成伤害。火灾工况时，取站台顶部沿轴向方向的59个点进行监测，3种模式下的温度分布如图2所示，其中0点表示火源中心位置，图2中的实线表示不同排烟模式下站台顶部的温度分布曲线。由图2可知，3种模式下的站台顶部烟气层最高温度都出现在火源位置，其中模式3的温度最高且高达480 ℃。从整体看，3种模式的温度变化趋势很相似，且火源右侧顶棚温度降到安全温度180 ℃时，距火源中心的距离分别为4、6 m和4 m。

图2　纵向温度分布曲线

根据人员安全疏散评价指标，当人体吸入的烟气温度超过60 ℃时就会造成吸入性损伤，甚至导致死亡，因此需要对人体吸入烟气的温度进行监测。取距地面1.8 m高度作为监测高度，在该高度沿火源轴向方向取点进行监测，温度分布见图2，其中0点表示火源中心位置，图2中的虚线表示人眼特征高度处的温度分布曲线。由图可知，3种模式下的最高温度都出现在火源位置，其中模式2的温度最高，高达270 ℃。从整体看，3种模式的温度变化趋势很相似，且火源右侧人眼特征高度处温度降到安全温度60 ℃时，距火源中心的距离分别为6、10 m和8 m。但是在距火源中心15～25 m(即1号楼梯通道处附近)之间，模式2和模式3下有几个监测点的温度高于60 ℃，对人员安全疏散有一定的影响。在火源左侧，温度先降低后增加的原因是：当热气流向站台左侧流动时，受到左侧站台墙壁的阻碍而开始聚集，从而使得温度升高。

每当我们遇到同行的时候，大家往往都会先想他们是不是我的竞争者，其实我们的老祖宗早就告诉我们“物之不齐，物之情也”这个道理，我们不能因为别人的优点而让自己意志消沉，也不能因为同行而让自己走进竞争的死胡同。在行业发展的大潮中，企业与个人要想寻求长久、辉煌的发展，要有大格局和奉献精神。拥抱一个行业，没有保留地投入，当回头的那一刻，你会发现，你已经走在了行业的前端。

由图2知，3种模式下不同高度的温度降到21 ℃以下的距离分别为56，76 m和60 m，这也是温度的扩散范围。其中模式2由于排烟口数目比较少，且排烟口之间的间距比较大，使得排烟口不能及时地排除烟气，导致一部分烟气在排烟口之间聚集，一部分烟气沿着顶棚向右继续蔓延，向右继续蔓延的烟气遇到周围温度较低的气流会下沉，从而使得人眼特征高度处温度的扩散范围较大。不同高度上的温度最高值都出现在火源位置，不同模式下的顶棚温度明显高于人眼特征高度处的温度。但是从整体看，在火源中心轴向方向，不同高度的温度均随着距离的增大而减小，最后趋于稳定。

2.1.2人眼特征高度处CO浓度分布

为了避免人员烟气中毒，因此需要对有毒气体的浓度进行监测，以确保有毒气体的浓度在安全范围内。选取距地面1.8 m的高度，沿火源轴向方向取点对CO浓度进行监测，结果如图3所示，其中0点表示火源中心位置。

图3　人眼特征高度处纵向CO浓度分布曲线

由图3可知，3种模式下的CO浓度最高值都出现在火源位置，其中模式2的CO浓度最高，高达1 000 ppm。3种模式的CO浓度降到10 ppm以下的距离分别为56，76 m和60 m，这也是CO浓度的扩散范围。其中模式2由于排烟口数目比较少，且排烟口之间的间距比较大，使得排烟口不能及时的排除烟气，导致一部分烟气在排烟口之间聚集，一部分烟气沿着顶棚向右继续蔓延，向右继续蔓延的烟气遇到周围温度较低的气流会下沉，从而使得人眼特征高度处CO浓度的扩散范围偏大。从整体上看，3种模式CO浓度的变化趋势基本一致，且火源右侧人眼特征高度处CO浓度降到安全浓度250 ppm时，距火源中心的距离分别为4、10 m和8 m。但是在距火源中心15～25 m(即1号楼梯通道处附近)之间，模式2和模式3有几个监测点的CO浓度高于250 ppm，在人员疏散时会有一定的影响。在火源左侧，CO浓度先降低后增加的原因是当烟气向站台左侧蔓延时，受到左侧站台墙壁的阻碍而开始聚集，从而使得CO浓度升高。

2.1.3人眼特征高度处能见度分布

为了保证疏散人员能迅速找到指示牌，通过指示牌找到逃生路线并在安全的时间内撤离火灾现场，需要对站台内的能见度进行监测。选取距地面1.8 m的高度并沿火源轴向方向取点进行监测，结果如图4所示，其中0点表示火源中心位置。由图可知，3种模式下能见度的最小值都出现在火源位置。从整体上看，3种模式下的能见度变化趋势很相似，在火源中心轴向方向，3种模式能见度高于10 m时，距火源中心的距离分别为2、6 m和2 m。在距火源中心4～26 m之间，由于楼梯风速和排烟系统的共同影响，烟气流动不是很稳定，使得能见度在一定范围内波动，但是从整体看，3种模式的能见度基本都高于10 m。

图4　人眼特征高度处纵向能见度分布曲线

在安全逃生时间内，对人员逃生时的楼梯口处新风风速进行监测。在每个楼梯口处各布置15个监测点，取第360 s时的模拟值并求其平均值。以1号楼梯为例，在1号楼梯口布置15个监测点(图5)，速度监测点的新风风速如表1所示，根据监测点所测的值求平均值得到2.02 m/s。根据上述方法可求得其余楼梯口的新风风速见表2。3种不同排烟方式下的新风风速如表2，由表2可知，只有模式2的2号楼梯口处的速度小于1.5 m/s，因此，该模式下风速要求不符合《地铁设计规范》[10]中楼梯口应具有向下不小于1.5 m/s的风速。

图5　1号楼梯口监测点的布置示意

表1　1号楼梯监测点新风风速m/s

表2　4个楼梯口的新风风速平均值　m/s

2.2　不同系统模式下监测点的对比分析

通过在楼梯通道处设置4个监测点，监测各模式下火灾发生6 min内的温度、速度及烟气浓度的变化情况。因为在火源位置相同的条件下，各模式的排烟条件不同，所以温度、速度和烟气浓度随时间的变化可能会不同。因此，研究它们的变化量和变化趋势是非常有必要的。

虽然模式2和模式3的个别指标不符合设计规范，但是为了研究地铁站台内温度和烟气浓度的变化，本文仍然对该模式下的监测结果进行对比分析。

由于模式1、模式2和模式3的火源位于站台端部左侧，距离1号楼梯口比较近，发生火灾时，1号楼梯口的温度和烟气浓度变化比较大，而其他3个楼梯口离火源比较远，这3处的温度和CO浓度变化均不大，因此，只需对1号楼梯通道处的监测点进行对比分析。监测点的坐标为(31，4，1.8)，在火灾发生时，监测点的温度和CO浓度会随着燃烧的时间而发生变化，本文以400 s作为模拟时间，监测结果如图6、图7所示。

图6　监测点温度对比

图7　监测点CO浓度对比

由图6可知：模式1、模式2和模式3的温度分别在火灾发生90、120 s和120 s后开始逐渐升高，在火灾发生250 s时，3种模式的温度开始趋于稳定，在45～65 ℃之间上下波动。这主要是因为，开始发生火灾时，由于监测点离火源位置有一定的距离，火源释放的大量热经过一段时间才会蔓延至1号楼梯通道处。从整体上看，3种排烟模式下温度变化趋势相似，在火灾发生250 s前，3种模式下温度的变化不是很明显，但火灾发生250 s后模式1的温度明显低于模式2与模式3的温度。

由图7可知，在监测点的位置，模式1、模式2和模式3的CO浓度分别在火灾发生90、100 s和100 s后开始逐渐升高，之后呈波动变化。这主要是由于楼梯口处有向下的气流，在楼梯口速度和排烟系统的作用下，致使该位置周围的气流可能存在涡流，从而使CO浓度出现上下波动的现象。从整体上看，3种模式下CO浓度变化趋势相似，但在火灾发生250 s后模式1的CO浓度明显低于模式2，略低于模式3。因此，在该位置模式1的排烟条件发挥了较好的效果。

3结论

通过对不同排烟模式的模拟结果进行对比分析，得出以下结论。

(1)不同的排烟模式下顶棚温度和人眼特征高度处能见度均满足人员安全疏散的评价指标，有利于人员安全疏散。因此，对于顶棚温度和能见度要求，3种模式均符合地铁设计规范。

(2)当排烟口数目减少为原来的一半时(即排烟口为11个的排烟模式)，2号楼梯口的新风风速小于1.5 m/s，不符合地铁设计规范(即楼梯口应具有向下不小于1.5 m/s的风速)，因此，模式2不利于人员安全疏散。

(3)当火源位于站台端部时，通过比较站台顶部温度、人眼特征高度处温度和CO浓度的扩散范围可知，排烟口的个数不一样时扩散范围也不一样，其中模式1的排烟效果较好。

(4)当火源位于站台端部时，通过对3种排烟模式下的模拟结果进行对比分析，只有模式1可以达到人员安全疏散的各个评判指标，可以确保人员的安全疏散。通过对比分析1号楼梯处的监测点，3种模式下的温度和CO浓度发展趋势很相似，其中模式1的温度和CO浓度略低于其他两种模式，因此，模式1的排烟效果较好。

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Numerical-simulation-based Study on Metro Station Platform Fire Smoke Discharging Effect of Different Ventilation Modes

MAO Ting， ZHU Chang-lin

(School of Environmental and Municipal Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China)

Abstract：The occurrence of 5MW fire at the end of the island platform in a Guangzhou metro station is studied with fire dynamics simulation software (FDS). Ceiling temperature distribution， temperature and visibility at the height of human eye， carbon monoxide concentration distribution and wind speed distribution at the stairs are analyzed and compared in different ventilation modes to evaluate the compliance of smoke discharging effect with the requirements for safe evacuation. The results show that all the three modes meet the requirements for ceiling temperature and visibility at the height of human eye; the mode with 11 exhaust ports fails to meet the requirements for new wind speed at the stairs. The comparison of diffusion scope of temperature and CO concentration of the three modes finds that the mode with 22 exhaust ports is more effective for smoke control and evacuation.

Key words：Subway; Station platform fire; Numerical simulation; Ventilation mode; Smoke Exhaust effect

作者简介：毛婷(1989—)，女，硕士研究生，E-mail：maximt@163.com。

基金项目：陕西省教育厅自然科学基金项目(12JK0569)；西安建筑科技大学自然科学基金项目(JC1208)；陕西省科技厅自然科学基金项目(2015JM5226)

收稿日期：2015-05-31； 修回日期：2015-06-22

中图分类号：U231+.5

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.027

文章编号：1004-2954(2016)01-0122-06