地铁列车火灾轰然时热释放速率计算

朱中杰 毕海权 罗开强 陈 霖



地铁列车火灾轰然时热释放速率计算

朱中杰1毕海权1罗开强2陈 霖1

（1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031；2.中车唐山机车车辆有限公司 唐山 063000）

采用统计法的原理对地铁列车发生轰燃时的热释放速率大小进行计算。以锥形量热仪中测试得到的各材料热释放曲率曲线为基础，并根据各材料的表面积及用量统计结果，计算得到整个地铁车辆的热释放曲率曲线，为车辆防火设计时可燃材料的选取及布置提供依据，以及为隧道通风系统设计容量提供依据。

地铁列车火灾；轰燃；热释放速率；HRR

0 引言

火灾热释放速率[1]是可燃物燃烧时单位时间内释放出的热量[2]，它随时间的变化而变化，能够表征火灾[3]大小，预测有关火焰蔓延速度[4]、热量及烟气产生量，提供可用于安全疏散的时间以及扑灭火灾可釆取的最有效方法等信息，同时，火灾热释放速率也是比较火灾行为以及评价火灾对附近其它可燃物影响最可靠的数据，是描述火灾最重要的参数。在火灾数值模拟中，火场的可见度[5]、温度场、氧气浓度、烟气层高度、火羽流的卷吸[6]特性等参数都是以火灾热释放速率为基础进行计算的。在消防工程设计中确定了火灾热释放速率的变化规律可以定量评估分析建筑物的火灾危险性。在消防性能化设计[7]中的关键步骤是火灾场景的设定以及定量分析火灾发生过程，这些都是以热释放速率随时间变化为基础而展开的，热释放速率设定越接近实际情况，计算得到的结果越准确可靠。因此，在我国地铁高速发展的情况下，进行地铁车辆热释放速率[8]研究具有非常重要的现实意义。

图1是地铁车辆火灾发展的基本规律。从图1中可以看出，在火灾进入全盛期之前，热释放速率、温度、产烟量快速上升的阶段为轰燃阶段。

图1 地铁车辆火灾发展基本规律

在地铁车辆火灾热释放速率研究中，轰燃阶段的热释放速率研究尤为重要。轰燃现象发生后，室内所有可燃物会在短时间内全面着火，燃烧速率和温度急剧上升，火场人员逃生和消防员灭火难度极大。因此，预测轰燃时的热释放速率大小，对火灾初期抑制轰燃发生和根据轰燃后火灾变化规律及时调整灭火战术有着非常重要的意义。轰燃阶段的热释放速率大小不同于局部燃烧的热释放速率大小，它是指该空间内所有可燃材料一起燃烧所达到的热释放速率，虽然是一种理想化的燃烧状态，在现实火灾场景中很难发生，但所计算得到的结果能够为车辆防火设计时可燃材料的选取及布置提供依据，以及为隧道通风系统设计容量提供依据。

1 地铁火灾轰燃计算方法分析

本文将采用统计法对某城市地铁列车发生轰燃时可能达到的最大热释放速率进行计算。

《ISO 5660数据在英国铁路标准和火灾安全案例中的应用》中特别介绍了隧道中运行的机车车辆在最坏情况下着火的热释放速率评估方法，主要用于评估列车发生轰燃时的热释放速率。该应用中主要介绍了两种评估列车功率载荷的方法。

一种是用给出的汽车总热量除以燃烧停止的时间来评估列车火灾（热量）载荷的趋势。但是，此方法的有效性有待商榷。首先，热载荷没有给出可靠的能量指标；其次，燃烧停止的时间通常选择事件发生之后的时间，只给出了一个适当的输出功率。故此方法很少采用。

另一种评估列车火灾载荷的方法是以常见的探测技术为基础进行评估。该评估方法要求列车内饰表面按照ISO 5660标准进行测试，得到热输出随时间的变化曲线，然后根据面积缩放到汽车内部各种各样的可燃材料表面，最后根据汽车内部表面的面积按照比例计算得到输出功率后再求和。

以数学的形式表述此计算过程，其形式如下：

（2）

式中：q表示在某时刻的单位面积热释放速率；A表示某材料的表面积；Q表示在某时刻燃烧的热释放速率；表示所有可燃材料在某时刻燃烧的热释放速率。

以图表的形式表述此研究过程如图2所示。在时刻，=1+2+3；图中的总热释放速率随时间变化曲线为各曲线1、2、3随时间变化的叠加。

因此根据材料单位面积热释放速率随时间变化曲线和其表面积，就可以计算出整车可燃材料一起点燃时的热释放速率随时间变化曲线。采用统计法对地铁车辆轰燃时热释放速率进行计算时，需要通过实验确定可燃材料的释放速率曲线和统计出各可燃材料的表面积。

2 材料热释放速率测试

2.1 可燃材料热释放速率测试

本文通过采用锥形量热仪对地铁列车各可燃材料进行燃烧实验，得到各可燃材料燃烧随时间变化曲线，图3为进行燃烧实验的锥形量热仪。

锥形量热仪测量非金属材料的热释放速率曲线是基于氧消耗原理。氧消耗原理是指大多数固体材料完全燃烧每消耗一单位质量的氧气所释放的热量基本相同（13.1±0.05MJ/kg·O2）。实验通过测定设在烟气排放干管内的烟气流经孔板前后的压差和孔板处的烟气温度，然后利用式（3）计算烟气的质量流量。

在实验过程中，同时测定孔板处烟气的组分，用下式计算材料在燃烧过程中的热释放速率。

式中：材料燃烧消耗单位质量氧气放出的能量，13.1MJ/kg；为进入系统空气中O2的摩尔分数；为烟气中O2的摩尔分数。

通过锥形量热仪测试得到各可燃材料热释放速率曲线。以风挡棚布、回风道吸音材、软风道可燃材料单位面积热释放速率曲线为例，各材料单位面积热释放速率实验曲线如图4～图6所示。

2.2 可燃材料表面积

本文以某地铁车辆为研究对象，该地铁车辆可燃材料的种类、表面积如表1所示，从表中可以看出该地铁列车可燃材料中，分布最广的是胶、油漆涂层和防寒材，其次是地板布橡胶、地板橡胶条、车顶供风道隔热材和座椅面板玻璃钢，这些材料布满了整个车厢，一旦引燃，极其容易发生轰燃现象。

表1 地铁车辆可燃材料表面积

3 计算结果

3.1 各可燃材料热释放速率统计结果

以可燃材料风挡棚布、回风道吸音材、软风道为例，计算各材料热释放速率随时间变化曲线。

风挡棚布单车表面积30m2，根据其单位面积热释放速率曲线，计算整车风挡棚布热释放速率随时间变化，计算结果如图7所示，从图中可以看出，整车风挡棚布燃烧时的热释放速率最大值为6.8MW。

回风道吸音材单车表面积30m2，根据其单位面积热释放速率曲线，计算整车回风道吸音材热释放速率随时间变化，计算结果如图8所示，从图中可以看出，整车回风道吸音材燃烧时的热释放速率最大值为3.2MW。

图8 吸音材热释放速率曲线

软风道单车表面积1.32m2，根据其单位面积热释放速率曲线，计算整车软风道热释放速率随时间变化，计算结果如图9所示，从图中可以看出，整车软风道燃烧时的热释放速率最大值为0.45MW。

图9 软风道热释放速率曲线

3.2 整车热释放速率统计结果

根据计算出的各个可燃材料的热释放速率曲线，将所有曲线随时间变化一起叠加，由此得到整车所有可燃材料一起燃烧时的热释放速率曲线，计算结果如图10所示。

图10 地铁整车热释放速率

从图10中可以看出：火灾开始时，由于部分内装材料首先燃烧，热释放速率快速升高并出现第一个峰值；随着部分内装材料的燃烧殆尽，热释放速率开始下降；但是由于燃烧继续进行，其它着火点较高的可燃材料被点燃，热释放速率上升达到峰值；随着可燃材料的燃烧质量下降，热释放速率下降；在大约320s左右，由于电线及电缆燃烧剧烈，使得整车的热释放速率开始回升，并维持在一个稳定值，直至全部可燃材料燃烧殆尽后，火灾熄灭。从图中还可以看出：整车完全燃烧热释放速率最大值约为16.8MW。

热释放速率统计法计算的是列车轰燃时的热释放速率，是在一定条件下，列车上所有可燃材料全部燃烧时的热释放速率。中国矿业大学程元平教授实测地铁车厢发生轰燃时的热释放速率为23.5MW，大多研究学者对地铁列车热释放速率的研究结果集中在5～20MW，发生轰燃时的热释放速率在15～20MW。而在上述计算中得到的某城市地铁车辆发生轰燃时的热释放速率为16.8MW，在合理范围内，因此可知，采用热释放速率统计法对地铁列车轰燃时的热释放速率进行计算是可行的。

4 结论

通过对热释放速率统计法的研究，并且采用此方法对某城市地铁列车热释放速率进行评估，计算得到某城市地铁列车发生轰燃时的最大热释放速率为16.8MW，在合理范围之内。由此可知，此方法能够较为准确、快速地计算地铁车辆发生轰燃时的热释放速率，为隧道通风设计及地铁车辆可燃材料的选取提供依据。

[1] 张山虎.动车组列车火灾安全分析与评估研究[D].成都:西南交通大学,2011:24-32.

[2] 郭瑞璜.分隔空间火灾热量反馈对可燃物放热率的影响[J].消防技术与产品信息,2009,(2):74-78.

[3] 胡顺利,毕海权,何磊.纵向挡烟垂壁在单洞双线隧道中的应用[J].制冷与空调,2014,(1):53-56.

[4] 句芒.森林火灾蔓延速度的计算方法[J].林业科技,1980, (2):27-33.

[5] 王大鹏,刘松涛.火灾环境下空间能见度的计算与模拟[J].建筑科学,2010,26(9):71-74.

[6] 赵媚.溢出火羽流卷吸理论研究[C].高等学校工程热物理全国学术会议,2013.

[7] 赵伟.扁平超大型商业建筑消防性能化设计评估[J].消防科学与技术,2009,28(11):817-819.

[8] 昝文鑫,朱国庆.通风因子对火灾热释放速率影响的数值模拟[J].消防科学与技术,2014,(8):853-856.

The Flashover Heat Release Rate Calculation of Metro Fire

Zhu Zhongjie1Bi Haiquan1Luo Kaiqiang2Chen Lin1

( 1.Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031;2.CRRC Tangshan Co., Ltd, Tangshan, 063000 )

In this paper, by using principle of statistics when flashover occurs on the subway train, intend to calculate the size of HRR(heat release rate). This paper base on various materials heat release rate curve that test in the cone calorimeter, as well as statistical results of surface area and consumption of each material, then calculate to get the heat release curve of curvature for metro vehicles, in order to provide the basis for selecting and arranging the combustible materials when design metro vehicles fire prevention, and provide the basis for tunnel ventilation system design capacity.

metro fire; emergency; heat release rate; HRR

1671-6612（2017）04-355-04

TU998.1

A

朱中杰（1990.7-），男，在读硕士研究生，E-mail：553675193@qq.com

毕海权（1974-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-05-31