地铁站台点型感烟火灾探测器的火灾响应性能分析

庄永宁

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 430063， 武汉//高级工程师)

目前，地铁站台公共区域设置的火灾探测器多为感烟型。文献[1-7]对点型感烟、吸气式感烟及线型光束感烟等火灾探测器在地铁车站的设计及应用进行了仿真模拟试验和实体试验。本文以最常见的点型感烟火灾探测器为研究对象，对其火灾响应性能进行分析。

1 仿真模拟试验

1.1 建立仿真模型

采用动态火灾模拟(FDS)软件,以某地铁站台一端的典型区域为原型，建立仿真模型(如图1所示)。设定模型环境为停运无机械通风环境。模型长为35.0 m，宽为18.0 m，高度为4.5 m。站台门高2.7 m，间距为10.5 m。站台一端为设备间，另一端设有与站厅层连通的楼梯。站台格栅的镂空率是烟气火灾探测器报警的重要影响因素。文献[8-10]已对此作了详尽论述，为简化模型，本文不再赘述。故模型中未设置格栅。整个计算区域采用绝热、无滑的壁面边界条件，其初始温度设为20 ℃。

图1 典型站台区域仿真模型

模拟工况按火源类型可分为油池火、聚氨酯泡沫塑料明火和棉绳阴燃火3种工况。油池火工况下，每平方米油池火的热释放速率初始值约为844 kW，并与t2成正比关系增长(t为燃烧时间)。CO的生成比例设置为0.011，碳烟的生成比例设置为0.038。棉绳阴燃火工况参照GB 4715标准SH2等级试验火设定。根据文献[8]，1束(90根)标准棉绳的最大热释放速率为3.2 kW，达到最大热释放速率的时间为120 s，热释放速率同样与t2成正比。模拟试验中设置为3束棉绳。聚氨酯泡沫塑料明火工况参照GB 4715标准SH3等级试验火设定。根据文献[8]，3块标准聚氨酯泡沫的最大热释放速率为59 kW，达到最大热释放速率的时间为135 s。

如图1所示，火源位置分别设定于设备间外侧(F1)、楼梯口(F2)、安全门侧(F3)及区域中部(F4)等4处。由于F4处没有设备设施，故火源在F4的油池火可判定为人为纵火。每个工况的模拟时间为600 s。

感烟探测器共10个沿站台门对称布置(见图1)，均吸顶安装，其纵向间距为6.2～8.5 m，横向间距为7.5 m。由于在火灾发展初期烟气的产生与运动较为复杂，难以预测，因此，模型以烟气浓度为单一参数建立了理想化虚拟点型感烟探测器。探测器响应的烟气浓度临界值为3.28%/m，报警时间为自起火始至探测器响应的时间。

1.2 仿真模拟试验结果分析

各工况仿真模拟试验的结果如表1所示。

表1 数值模拟探测器报警时间表

从仿真模拟试验结果可以看出，油池火工况与聚氨酯火工况中的10个点型感烟火灾探测器全部报警，而棉绳火工况中只有1～2个探测器报警。火源位置、火源功率及火源类型是影响探测器火灾响应性能的重要因素，对试验结果均有影响。

1.2.1 火源位置

各工况中，第1个与第2个发出警报的探测器都是距火源最近的2个探测器：F1对应3#和8#探测器，F2对应4#和9#探测器，F3对应8#和9#探测器。

从火源位置来分析，无论火源类型如何，其他3处起火均比F1处起火的报警时间长，相对较晚。究其原因，一方面，F1靠近设备间墙壁，使烟气更易飘向3#和8#探测器方向；另一方面，F3靠近楼梯口，部分烟气易从楼梯口向上扩散至站厅层。

另外，在第1个警报与第2个警报的时间差方面，火源位于F1时，油池火工况约为16 s，聚氨酯火工况约为19 s；火源位于F2时，油池火工况为0 s，聚氨酯火约为8 s；火源位于F3时，由于火源处于3#和8#探测器下方的正中间，故油池火和聚氨酯火工况的第1个警报与第2个警报几乎同步。

1.2.2 不同火源功率

火源在F4处的油池火(人为纵火)工况最大火源功率约为1.4 MW，其报警时间最短。在其它火源位置,油池火工况的最大火源功率约为135 kW，第一警报时间也不超过1 min。聚氨酯火工况的最大火源功率约为59 kW，明显小于油池火工况，但其3个火源位置的第1次警报时间均无显著差距,且不超过1 min。棉绳火工况的最大火源功率约为 9.6 kW，由于其为阴燃火，故其3个火源位置的第一次警报时间最长。

1.2.3 不同火源类型

从报警时间的试验结果来看，人为纵火工况因其火源面积较大，早期产生的烟气较多、温度较高，故其第1次警报时间最短，为35 s，其余的油池火和聚氨酯火工况的第1次警报时间均为40～51 s。而棉绳火工况的第1次警报时间则为1～3 min。这主要是由于棉绳火为阴燃火，烟气温度较低，在空间内蔓延速度较慢。比较第2次警报时间，除人为纵火工况外，油池火工况的第2次警报时间在48～56 s之间；聚氨酯火工况的第2次警报时间相对要长一些，为52～65 s；棉绳火只有F1起火时有2个探测器报警，第2次警报时间则超过7 min，其它2个火源位置只有1个探测器发出报警。可以看出，火源类型对报警响应时间的影响相对较大。

2 实体试验

2.1 实体试验模型

实体试验搭建了简易模型，如图2所示。简易模型四面为封闭墙体。模型纵向长13 m，宽12 m，顶板高度为3.5 m，纵向一端顶部设有1个纵向长1 m、宽5 m的开口来代替站台楼梯口。模型吸顶安装了4个点型感烟火灾探测器，其纵向及横向间距均为8 m，其位置相当于仿真模型中的3#、4#、8#、9#探测器。

图2 典型站台区域实体试验简易模型

火源类型与仿真模拟试验相同，分为油盘火、聚氨酯明火和棉绳阴燃火3种，其中，聚氨酯明火及棉绳阴燃火分别参照GB 4715标准SH3和SH2试验火布置。

火源位置与仿真模拟试验对应分别设在设备间外侧(F1)、楼梯口(F2)、安全门侧(F3)及区域中部(F4)。

2.2 实体试验结果

火源位置为F1、F2及F3的实体试验结果与仿真模拟试验结果比较如表2所示。

表2 实体试验与数值模拟报警对比表

由表2可知，油池火工况下，实体试验的第1次警报时间略小于仿真模拟试验；其他火源类型时，实体试验的第1次警报时间均远长于仿真模拟试验的(基本超过100 s)。

其原因为：① 实体试验在封闭的室内环境进行，与仿真模拟试验的环境边界条件不同；而且，二者空间高度等尺寸有较大差异。可见，起火环境差异较大。油池火初始功率很大，其热烟气受起火环境影响较小，而聚氨酯火和棉绳阴燃火的初始功率较小，其烟气温度相对较低，易受到起火环境的影响。② 仿真模拟感烟火灾探测器的报警以烟气浓度作为唯一的判定参数。而实际的感烟火灾探测器，为了防止误报，其响应报警设有较为复杂的算法，并非由单一参数判定的。

F4火源正上方还设置了1个11#点型感烟火灾探测器，以单独测试F4处不同火源的报警时间，并与仿真模拟试验结果对比(如表3所示)。

从表3可以看出，油池火报警时间的实测值与模拟值基本一致，而聚氨酯火和棉绳火的实测报警时间则明显长于模拟值。这再次表明，仿真计算点型感烟火灾探测器的报警时间时，油池火工况相对准确，聚氨酯火工况及棉绳阴燃火工况的模拟符合性欠佳。

表3 单个探测器实体试验与模拟数值试验报警时间对比

3 结论与建议

本文通过仿真模拟试验和实体试验对比，研究了地铁站台典型区域中点型感烟火灾探测器对不同火源的响应性能，并得出以下结论：

(1) 不同的火源类型、火源位置和火源功率对点型感烟探测器的报警响应时间都有一定影响。其中，影响较大的因素是火源类型。从实体试验结果来看，点型感烟火灾探测器对油池火的探测响应速度较快，而对聚氨酯火及棉绳阴燃火的探测响应速度则相对较慢。

(2) 对于聚氨酯火、棉绳阴燃火而言，当火源位于探测器正下方时，报警响应时间明显较短；当火源位于2个探测器之间下方区域时，报警响应时间明显较长。

(3) 从仿真模拟试验与实体试验结果对比可以看出：油池火工况的模拟结果与实体试验的结果较吻合，而聚氨酯火、棉绳阴燃火的实测报警时间明显长于模拟报警时间。

站台层一般不设置自动灭火系统，当站台层发生火灾时，需消防人员救火，且人员疏散时间长、难度大，因此，尽早发现站台层的火灾对地铁车站灭火救援极其重要。为了更早发现火灾，对地铁站台层的火灾探测器提出如下建议：

(1) 适当减小点型感烟火灾探测器纵向间距。从实体试验结果可见，火源离火灾探测器越近，报警时间越快，减小火灾探测器间距可使得站台烟气能更快地被探测到。

(2) 关键区域增设点型感烟火灾探测器。与站厅层连接的楼梯是站台层人员疏散的唯一通道。一旦楼梯口发生火灾，将严重影响人员疏散速度。在站台楼梯口等关键区域增设火灾探测器，将有助于尽早发现该区域的火灾。

(3) 可积极引入可视图像早期火灾报警系统对站台层进行保护。可视图像早期火灾报警系统利用既有的安防视频系统，通过计算机模式识别技术能有效识别、监测视频中出现的火焰或烟雾图像，从而快速准确地判断出火灾，并发出报警信号。该系统具有同时探测火焰与烟雾、火灾准确定位、可视化等优点，非常适合于地铁站应用。

此外，由于点型感烟火灾探测器对不同类型火源的报警时间有明显差别，对不同位置的聚氨酯火、棉绳阴燃火的报警时间也有明显差别。因此，建议在消防验收时应选择不同类型的火源进行测试(如聚氨酯火和棉绳阴燃火)。同时，建议选择关键区域和火灾探测“最不利点”进行测试。这样更有助于检测出火灾自动报警系统的整体性能。

[1] 李宏文, 刘旭, 张昊, 等. 地铁车站空调通风季火灾探测器性能试验研究[J]. 建筑电气，2011, 30(10): 58.

[2] 张昊, 赵金勇, 李宏文, 等. 地铁运营工况点型探测器探测性能试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(8): 43.

[3] 王燕平, 李宏文, 张昊, 等. 地铁车站不同工况下吸气式感烟火灾探测器探测性能试验研究[J]. 消防技术与产品信息, 2012(1): 42.

[4] 成燕平, 李宏文, 魏幼平. 地铁站火源位置对吸气式报警系统的影响[J]. 消防科学与技术，2013(2): 168.

[5] 张戈. 吸气式探测器在地铁中的布置[J]. 消防科学与技术，2013, 32(7): 769.

[6] 何晶. 空气采样早期烟雾探测系统在地铁火灾防护中的应用[J]. 城市轨道交通研究，2012(5): 52.

[7] 宋伟锋, 岳云涛, 毕小玉. 地铁站线型光束感烟探测器响应性能研究[J]. 北京建筑工程学院学报，2014, 30(2): 60.

[8] 李玉幸. 地铁车站格栅吊顶对探测器响应性能影响的研究[D]. 北京：北京建筑大学，2013.

[9] 李宁宁, 陈南, 张天巍. 格栅式吊顶场所火灾探测器安装设计的研究[J]. 消防科学与技术，2009, 28(9): 661.

[10] 陈南. 悬空式格栅吊顶场所感烟火灾探测报警试验研究[J]. 火灾科学，2012, 21(4): 216.

[11] 史聪灵, 钟茂华, 罗燕萍, 等. 地铁车厢汽油火灾的模拟计算与分析[J]. 中国安全科学学报，2006, 16(10): 32.