地铁站厅火灾不同排烟模式下的排烟效率研究

篮 杰,范乐乐,余伟之,王 艳,王 健,张 帅

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院暖通所, 武汉 430063； 2.中原工学院能源与环境专业,郑州 450000； 3.郑州市轨道交通有限公司, 郑州 450000)

由于地铁具有速度快、能耗低、运量大等优点，现已成为缓解城市交通压力的主要措施之一[1-3]。但是地铁车站是一个内部相对密闭、狭长的地下空间，发生火灾时，人员仅能通过较少的出入口安全疏散至室外，且火灾产生的烟气和热量也难以排除，故发生火灾时人员的疏散及救援难度大。因此地铁火灾成为地铁安全运营所面临的重要问题。相关研究表明：地铁发生火灾时，均会产生大量有毒烟气，70% 以上的人员因为吸入过多有毒烟气而导致昏迷、死亡[4-7]。因此越来越多学者致力于地铁内部排烟方案的研究。

以郑州某地铁车站为研究对象，针对站厅层公共区设计了不同的排烟工况，利用 FDS软件对不同的排烟工况进行数值模拟。通过比较不同排烟工况下站厅层人眼特征高度[8]处温度、能见度、CO浓度数据，找出站厅层公共区最佳的排烟方案，为地铁建设及消防安全提供参考。

1 模型建立及工况设计

1.1 物理模型(图1)

该地铁站站厅层公共区长101.2 m，宽18.7 m，高4.8 m；设4个宽度均为6.6 m，高度均为3.8 m的出入口；采用镂空格栅吊顶。

如图1所示，以站厅层公共区左下角为坐标原点，建立1∶1的物理模型，其中x轴平行于站厅层长度方向，y轴平行于站厅层宽度方向，z轴平行于站厅层高度方向。站厅层公共区长度方向上，以x=51.6 m为面两侧对称，宽度方向上，以y=9.35 m为面两侧对称。这两个面将站厅层公共区划分为4个区域：A、B、C、D。4个区域A、B、C、D内各设置1根金属排烟管(宽度为1.25 m，高度为0.50 m，底高程为4.20 m)和金属送风管，以及FAS、BAS、通信等电缆桥架。为稳固起见，在站厅层公共区长度方向上每隔9 m设置1根1.2 m×0.8 m(长×宽)的柱子，共计12根。顶板下方设置下翻梁，其中x∈(0，10.6 m)∩y∈(8.95，9.35 m)及x∈(93.2，103.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)区域结构梁下翻0.3 m，x∈(10.6 m，93.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)区域结构梁下翻1.2 m。同时，x∈(51.5，51.6 m)∩y∈(0，18.7 m)区域设置挡烟垂壁，挡烟垂壁底高程为2.9 m。

该地铁车站站厅层公共区面积为1 888.9 m2，根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)第28.4.10条[9]规定，计算得出站厅层的总排烟量为1.13×105m3/h。考虑0.2的漏风系数，则每根排烟管的排风量为3.4×104m3/h。

图1 地铁车站站厅层公共区物理模型

1.2 火源设置

因该地铁车站站厅层公共区内装修主要采用不燃材料，且该车站未设置商业开发，因此站厅层公共区的主要火灾荷载为乘客随身携带的行李物品。对于行李物品引发的火灾，结合相关文献[10-12]，火源热释放速率设定为3 MW。

将火源位置设定在排烟系统的最不利点，即排烟管末端且距排烟风口最远处。火源大小2 m×2 m，中心坐标为(46.6，8.25，0.6) m。

火源热释放速率可用下式表达[13]

Q=αt2

(1)

式中Q——火源热释放速率，kW；

α——火源热释放速率的增长系数，按NFPA 中的超快速增长火考虑[14]，火灾增长系数α=0.187 8 kW/s2；

t——时间，s。

由火源热释放速率为3 MW，计算可得火源功率约在126.4 s时达到峰值后保持稳定燃烧。

1.3 系统工况设定

根据研究目标，设定如下5个站厅层公共区排烟工况。

工况Ⅰ：排烟管上开设下排烟口，每根排烟管上设置6个500 mm×400 mm的排烟口，两排烟口间距为8 m；着火1 min后，开启排烟风机，依靠出入口自然补风，下文简称为下排烟口。

工况Ⅱ：排烟管上开设侧排烟口，每根排烟管上设置6个500 mm×400 mm的排烟口，两排烟口间距为8 m；着火1 min后，开启排烟风机，依靠出入口自然补风，下文简称为侧排烟口。

工况Ⅲ：排烟管上开设顶排烟口，每根排烟管上设置6个500 mm×400 mm的排烟口，两排烟口间距为8 m；着火1 min后，开启排烟风机，依靠出入口自然补风，下文简称为顶排烟口。

工况Ⅳ：排烟管上开设侧排烟口，每根排烟管上设置3个1 000 mm×400 mm的排烟口，两排烟口间距为16 m；着火1 min后，开启排烟风机，依靠出入口自然补风，下文简称为3个侧排烟口。

工况Ⅴ：排烟管上开设侧排烟口，每根排烟管上设置12个400 mm×250 mm的排烟口，两排烟口间距为4 m；着火1 min后，开启排烟风机，依靠出入口自然补风，下文简称为“12个侧排烟口”。

1.4 基本假设

为方便利用FDS软件对不同排烟工况进行数值模拟分析，进行以下假设：(1)火灾发生之后，烟气在站厅层公共区内不发生化学反应；(2)站厅层公共区室内及墙体温度默认为20 ℃；(3)忽略车站内照明及其他设备对火灾的影响。

2 数值模拟计算理论及方法

2.1 FDS火灾模拟软件理论基础

本文采用的FDS数值模拟软件是由美国国家标准与技术研究所(NIST)研发的一款主要用于火灾中热量传递及烟气流动的计算流体力学模拟程序，该模拟软件采用计算流体力学方法来求解一组热驱动力作用下的低速流动Navier-Stokes方程(粘性流体方程)，重点关注火灾中热量传递及烟气流动过程。FDS软件通过将计算空间离散成为多个三维长方体计算单元，通过将每个计算单元内气体的温度、密度、压力、速度及组分浓度等用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程的偏微分方程进行有限差分求解，来模拟预测火灾中烟气的产生及分布。FDS软件处理湍流流动有以下两种方法，即直接模拟(DNS)方法和大涡模拟(LES)方法。直接模拟(DNS)方法是通过直接求解控制方程以得到模拟计算结果，其计算量过大；大涡模拟(LES)方法是在流场的大尺度结构与小尺度结构之中选取一个滤波宽度对控制方程进行滤波，进而把所需的变量分为大尺度量和小尺度量，计算量相对较小。本文采用大涡模拟(LES)方法进行数值求解，模拟求解之后即可获取相关测点处温度、能见度、CO浓度、CO2等一系列相关数据。

控制方程如下。

质量守恒方程

(2)

动量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

组分守恒方程：

(5)

式中u——速度矢量；

Yi——第i种组分的质量分数；

Di——第i种组分的扩散系数；

qw——热通量矢量；

ρ——密度；

P——压力；

2.2 网格划分

在 FDS 数值模拟计算过程中，网格划分对计算结果有重要影响，网格划分的越精细，模拟结果就越准确，但同时也会增加模拟过程的时间。FDS指导手册[15]中用于确定网格的公式如下

(6)

(7)

式中D*——火源特征直径，m；

Q——火源热释放速率，kW；

ρ——空气密度，1.2 kg/m3；

cp—空气比热容，1.014 kJ/(kg·K)；

T——环境温度，293 K；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

δx——网格尺寸，m。

根据式(6)、式(7)，火源的热释放速率Q=3 MW时，计算得到火源的特征直径为 1.485 m，取D*/δx=10，则对应的网格尺寸为0.148 5 m。

3 模拟结果及分析

3.1 人员安全疏散时间指标

地铁车站发生火灾时，人员能否安全疏散至室外涉及到两个重要的时间参数，即：安全疏散所需时间和安全疏散可用时间，为了人员能够安全疏散，则必须满足安全疏散可用时间>安全疏散所需时间。根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)中规定：当地铁车站火灾发生时，安全疏散所需时间不应小于6 min。

对于地铁车站站厅火灾，考虑安全的同时为了方便分析，分析过程中取人眼特征高度为1.8 m[8]。参考前人研究成果，地铁车站发生火灾时，人员安全疏散环境的评价指标如下：人眼特征高度1.8 m处温度≤60 ℃，CO浓度<250×10-6，能见度>10 m[16-17]。为了人员安全疏散，必须满足以上所有条件。

3.2 下排烟口、侧排烟口、顶排烟口排烟工况的对比分析

从图2～图4可以看出：(1)工况Ⅰ～工况Ⅲ中，在6 min内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域1.8 m高度以下温度均不超过60 ℃；(2)60 s时，工况Ⅰ～工况Ⅲ三种排烟工况下，温度分布相同；随着时间推移，工况Ⅱ、工况Ⅲ中温度高于60 ℃的区域明显比工况Ⅰ中的少；(3)在6 min内，工况Ⅱ和工况Ⅲ的温度分布状况差别不大。

图2 工况Ⅰ中站厅纵向截面不同时刻温度高于60 ℃区域云图

图3 工况Ⅱ中站厅纵向截面不同时刻温度高于60 ℃区域云图

图4 工况Ⅲ中站厅纵向截面不同时刻温度高于60 ℃区域云图

从图5～图7中可以看出：(1)工况Ⅰ～工况Ⅲ中，在6 min内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域1.8 m高度以下能见度均超过10 m；(2)60 s时，工况Ⅰ～工况Ⅲ三种排烟工况下能见度分布相同；随着时间推移，工况Ⅱ、工况Ⅲ中能见度低于10 m的区域明显比工况Ⅰ中的少；(3)工况Ⅱ和工况Ⅲ的能见度分布差别不大。

图5 工况Ⅰ中站厅纵向截面不同时刻能见度低于10 m区域云图

图6 工况Ⅱ中站厅纵向截面不同时刻能见度低于10 m区域云图

图7 工况Ⅲ中站厅纵向截面不同时刻能见度低于10 m区域云图

从图8～图10可以看出：(1)工况Ⅰ～工况Ⅲ中，在6 min内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域1.8 m高度以下CO浓度均不超过250×10-6；(2)随着时间的推移，工况Ⅰ～工况Ⅲ三种排烟工况下，CO浓度分布差别不大。

图8 工况Ⅰ中站厅纵向截面不同时刻CO浓度高于250×10-6区域云图

图9 工况Ⅱ中站厅纵向截面不同时刻CO浓度高于250×10-6区域云图

图10 工况Ⅲ中站厅纵向截面不同时刻CO浓度高于250×10-6区域云图

结合图2～图10可知：(1)下排烟口、侧排烟口、顶排烟口中，在6 min的疏散时间内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域均能满足人员的疏散要求；(2)侧排烟口、顶排烟口比下排烟口的排烟效果要好；(3)侧排烟口和顶排烟口的排烟效果基本相同。

分析认为：据钟委等人的研究成果[18]，排烟口在临界高度下方时，随着排烟口高度的提升，机械排烟系统的排烟效率不断提高；当排烟口在临界高度上方时，随着排烟口的提升，机械排烟效率基本不变。同时据Hinckley等的相关研究[19-20]，经计算得知，本文侧排烟口、顶排烟口在临界高度上方，而下排烟口在临界高度下方。故侧排烟口、顶排烟口比下排烟口的排烟效果好，顶排烟口和侧排烟口的排烟效率基本相同。鉴于排烟管顶部开排烟口不便于检修，故推荐采用侧排烟口。

3.3 6个侧排烟口、3个侧排烟口、12个侧排烟口排烟工况的对比分析

由图3、图11、图12可以看出：(1)工况Ⅱ、工况Ⅳ、工况Ⅴ三种排烟工况中，在6 min内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域1.8 m高度以下温度均不超过60 ℃；(2)60 s时，工况Ⅱ、工况Ⅳ、工况Ⅴ三种排烟工况下，温度分布相同；随着时间推移，工况Ⅱ、工况Ⅳ中温度高于60 ℃的区域明显比工况Ⅴ中的少；(3)工况Ⅱ和工况Ⅳ的温度分布差别不大。

图11 工况Ⅳ中站厅纵向截面不同时刻温度高于60 ℃区域云图

由图6、图13、图14可以看出：(1)工况Ⅱ、工况Ⅳ、工况Ⅴ三种排烟工况中，在6 min内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域1.8 m高度以下能见度均超过10 m；(2)60 s时，工况Ⅱ、工况Ⅳ、工况Ⅴ三种排烟工况下能见度分布相同；随着时间推移，工况Ⅱ、工况Ⅳ中能见度低于10 m的区域明显比工况Ⅴ中的少；(3)工况Ⅱ和工况Ⅳ的能见度分布差别不大。

图13 工况Ⅳ中站厅纵向截面不同时刻能见度低于10 m区域云图

图14 工况Ⅴ中站厅纵向截面不同时刻能见度低于10 m区域云图

结合图3、图6、图11～图14可知：(1)工况Ⅱ、工况Ⅳ、工况Ⅴ三种排烟工况中，在6 min的疏散时间内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域均能满足人员的疏散要求；(2)6个侧排烟口、3个侧排烟口比12个侧排烟口的排烟效果要好；(3)6个侧排烟口和3个侧排烟口的排烟效果基本相同。

分析认为：由于着火点位于站厅层公共区中部，烟气自着火点上升至顶板后沿着顶板逐渐扩散至站厅层端部，故而在烟气上升至顶板后，越早的将其排除，烟气扩散的就越少，越有利于人员的疏散。为了尽早地排除烟气，站厅层公共区中部的排烟口总面积就显得格外重要。而3个侧排烟口和6个侧排烟口在站厅层中部的排烟口总面积比12个侧排烟口要大，3个侧排烟口和6个侧排烟口在站厅层中部的排烟口总面积基本相当。故3个侧排烟口和6个侧排烟口相对12个侧排烟口，能够更快的排除站厅层中部的烟气；且3个侧排烟口和6个侧排烟口的排烟效率基本相当。

4 结论

模拟分析结果如下。

(1)工况Ⅰ～工况Ⅴ中，在6 min的疏散时间内，除了着火点周围3 m范围内，其他区域均能满足人员的安全疏散要求。

(2)侧排烟口、顶排烟口比下排烟口的排烟效果好，侧排烟口和顶排烟口的排烟效果基本相同，鉴于排烟管顶部开排烟口不便于检修，故推荐采用侧排烟口。

(3)6个侧排烟口、3个侧排烟口比12个侧排烟口的排烟效果好，6个侧排烟口与3个侧排烟口的排烟效果基本相同。

鉴于郑州市轨道交通1号线二期工程，采用3个侧排烟口的排烟方案，显著地提高了站厅层公共区的排烟效果，进一步验证了本文研究成果的正确性与可行性。