轨顶排烟口对地铁地下车站火灾排烟效果影响研究*

李 建，史聪灵，胥 旋，车洪磊

(中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012)

0 引言

地铁因具有运量大、速度高、准点率高、能耗低和污染少等优点而成为城市客流输送的主要工具。火灾安全一直是地铁安全设计中的重要方面，当前在地铁火灾研究方面主要采用火灾试验研究和数值模拟研究，其中火灾试验又分为全尺寸试验和缩尺寸试验。在试验研究方面，Takeuchi等[1]采用1∶20小尺寸模型研究自然通风隧道火灾情况下隧道内烟气温度分布；史聪灵等[2-4]通过建立1∶10的地铁站台模型，研究车站公共区及轨行区火灾工况的烟气扩散规律，分析了烟气控制方案；王太晟等[5]搭建地铁站台液体缩尺模型试验台，发现地铁车站内烟气蔓延规律，和活塞风对烟气蔓延的影响规律。在计算机模拟方面，Shafee和Yozgatligil[6]采用CFD数值模拟，研究了隧道坡度、阻塞比等对隧道烟气蔓延的影响；史聪灵等[7-9]对深埋站点、集运系统、长大区间、多线换乘等多种特殊结构车站进行了数值模拟，对屏蔽门开启模式及区间隧道排烟模式等进行了专项研究；李炎锋等[10]结合换乘站内部结构特征和国内外相关规范，探讨了换乘站防排烟系统设计和运行的技术难点，指出了换乘站火灾场景设计以及多因素耦合烟气扩散规律是未来开展换乘站防排烟系统研究的重点方向。针对取消轨底/轨顶排烟口和车站隧道排热/排烟风机，学者从不同方面开展了研究。刘伊江[11]研究得出轨顶排风道实际排热效率很低，隧道内热沉积有其固有规律，不需要轨顶风道排热，当列车火灾停靠站台时，轨顶排风道作用较小，因此建议取消轨顶排风道；张雄[12]采用SES软件进行模拟计算，验证地下车站排热系统取消轨顶风道、仅保留轨底风道的可行性，发现取消轨底风道后隧道内最高温度有小幅上升，但取消轨底风道后，需增大轨顶风道的断面面积；唐凯[13]采用实测、数值模拟等方法，发现取消轨底风道后隧道内温度变化不明显，但冷凝器上方温度较高，不利于列车空调正常运转，建议制动效率为40%时，对于时速80 km/h的列车，可取消轨底风道，但对于25%制动效率或者时速为100 km/h或更高的列车，不建议取消轨底风道。

目前，学者们主要从车辆排热及节能角度开展对取消轨底/轨顶排烟口和排热风机的研究，认为在满足一定条件后，可以考虑取消轨底/轨顶风口。但是，取消轨底/轨顶排烟口和排热风机后，发生火灾的情况下，车站和区间隧道排烟系统能否满足排烟和车站人员疏散要求，目前鲜有研究涉及。本文将采用数值模拟的方法，研究取消轨顶风口和车站隧道排热风机对车站火灾排烟效率的影响。

1 地铁站物理模型

数值模拟选取的车站为目前国内投入使用的典型地下2层岛式车站，其中地下1层为站厅层，地下2层为站台层。站台有效长度为120 m，有效宽度为11 m，站台层高度约为5.1 m。站台与站厅之间设置3组楼扶梯，设置1座直梯。沿着站台边缘设置全封闭站台门或者全高站台门。

2 模拟工况及测点测面设置

针对全封闭站台门系统和全高站台门系统，分别在站台公共区火灾和车站列车火灾2种火灾位置的情况下，比较轨顶排烟口对车站排烟的影响，数值模拟工况如表1所示。其中：SEF为车站公共区排烟风机，风量为30 m3/s；TVF为区间隧道风机，风量为60 m3/s；TEF为车站隧道排热风机，风量为40 m3/s。

表1 模拟工况设置Table 1 Simulated working conditions settings

站台火灾的可燃物多为乘客所携带行李，火源功率一般不超过2 MW[14]，但为了考虑最不利情况，将火源功率设置为2.5 MW。火源采用t2增长火，500 s时火源功率达到设定值，并保持稳定。车站列车火灾中，火源功率设置为国内地铁设计中普遍采用的7.5 MW，其火灾升温曲线约10 min达到峰值。

站台火灾火源面积为0.8 m×0.8 m，火源位置为站台中央；列车火灾按照1节车厢着火，并考虑50%冗余，因此火源面积为36 m×2.8 m。参考现有文献[15]，网格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，总网格数为5 062 500个。发生站台公共区火灾时，全封闭站台门情况下，开启站台两侧两端各1扇滑动门；全高站台门情况下，不开启站台门。车站列车火灾可能需要疏散乘客，因此开启一侧所有站台门滑动门。站台火灾危险高度Hs[16]为：

Hs=1.6+0.1H

(1)

式中：Hs为危险高度，m；H为建筑高度，m。模拟计算车站高度为5.1 m，因此危险高度Hs为2.11 m。

测点设置如图1所示。测点包括：纵向测点，在站台两侧每隔10 m设置热电偶树(图中圆圈)，每束热电偶最大高度接近站台层有效高度，即5 m，按照0.5 m的间隔共设置10个热电偶，站台两侧共设置有24个热电偶树；水平测点，在站台每侧危险高度处，每隔10 m设置测点，测量参数包括烟气温度、CO浓度、可见度。

图1 站台火灾和车站列车火灾温度测点布置Fig.1 Temperature measuring point distributions of subway platform fire and train fire

3 取消轨顶排烟口对站台火灾防排烟影响

图2～4为全封闭站台门系统在站台火灾期间顶棚烟气温度分布和危险高度烟气温度、CO浓度和可见度分布。从图2可知，无轨顶排烟口工况下烟气最高温度稍高于有轨顶排烟口工况，例如在10 min时刻，前者最高温度为109℃，后者最高温度为91℃。

图2 站台火灾期间顶棚烟气温度分布Fig.2 Ceiling temperature distribution during platform fire

图3 站台火灾3 min后危险高度处烟气温度、CO浓度 和可见度分布Fig.3 Smoke temperature, CO concentration, visibility in 3 min of the platform fire

图4 站台火灾10 min后危险高度处烟气温度、CO浓度 和可见度分布Fig.4 Smoke temperature, CO concentration, visibility in 10 min of the platform fire

从图3～4中可知，有无轨顶排烟口对危险高度烟气温度和CO浓度影响不大。例如，3 min和10 min时刻无轨顶排烟口工况下危险高度烟气温度相差不大。但有轨顶排烟口工况下危险高度可见度高于无轨顶排烟口工况。以上结果为全封闭站台门系统下有无轨顶排烟口的影响。从数值模拟结果来看，全高站台门系统下影响规律类似。

有轨顶排烟口工况下站台公共区顶棚烟气温度稍低于无轨顶排烟口工况，且危险高度可见度高于无轨顶排烟口，而危险高度烟气温度和CO浓度则差别不大。站台公共区火灾期间，公共区排烟口、风机起主要排烟作用，区间隧道风口、风机和车站隧道轨顶排烟口、风机起辅助排烟作用。从数值模拟结果来看，取消轨顶排烟口对站台公共区火灾排烟效果影响有限。

4 取消轨顶排烟口对车站列车火灾防排烟影响

图5为全封闭站台门系统和全高站台门系统下车站列车火灾期间顶棚烟气温度分布。从图5中看出，无论是全封闭站台门系统还是全高站台门系统、火灾发展阶段(3 min)还是火灾稳定阶段(10 min)，有轨顶排烟口工况下站台顶棚烟气最高温度和蔓延范围远低于无轨顶排烟口工况。如图5(d)中，有轨顶排烟口工况下，站台公共区烟气最高温度约为43℃，烟气蔓延范围约为20 m；而无轨顶排烟口工况下，站台公共区烟气最高温度约为94℃，烟气蔓延范围约为80 m。

图5 车站列车火灾期间顶棚烟气温度分布Fig.5 Ceiling temperature distribution of station train fire

图6(a)和6(c)分别为3 min时，全封闭站台门系统有轨顶排烟口和无轨顶排烟口工况下危险高度处烟气温度分布，可以看出，无轨顶排烟口工况下，列车附近危险高度处热烟气蔓延范围远大于有轨顶排烟口工况。图6(b)和6(d)也有类似结果，即无轨顶排烟口工况下危险高度热烟气蔓延范围远大于有轨顶排烟口工况。图7和图8分别为CO浓度分布和可见度分布，由图可知，无轨顶排烟口工况下，危险高度CO浓度远高于有轨顶排烟口工况，可见度远低于有轨顶排烟口工况。

以上结论主要针对全封闭站台门系统，从模拟结果来看，全高站台门系统也有类似规律。

图6 车站列车火灾危险高度处烟气温度分布Fig.6 Smoke temperature at danger height during station train fire

图7 车站列车火灾危险高度处CO浓度分布Fig.7 Smoke CO concentration at danger height during station train fire

图8 车站列车火灾危险高度处可见度分布Fig.8 Smoke visibility at danger height during station train fire

总之，车站列车火灾期间，无论是全封闭站台门系统还是全高站台门系统、火灾发展阶段(3 min)还是火灾稳定阶段(10 min)，有轨顶排烟口工况下，站台公共区排烟效果远好于无轨顶排烟口工况。因为车站列车火灾期间，列车顶部的轨顶排烟口起到主要排烟作用，公共区排烟口、风机和区间隧道排烟口、风机起辅助排烟作用。一旦取消了轨顶排烟口，列车产生的烟气无法及时排除，导致大量烟气蔓延至站台公共区，使得站台公共区烟气大量聚集，蔓延范围远高于有轨顶排烟工况。

5 结论

1)站台公共区火灾期间，无轨顶排烟口工况下，顶棚烟气最高温度、烟气蔓延范围、危险高度CO浓度等与有轨顶排烟口工况下差别不大，但无轨顶排烟口工况下危险高度可见度低于有轨顶排烟口。

2)车站列车火灾期间，无论是全封闭站台门系统还是全高站台门系统、火灾发展阶段还是火灾稳定阶段，有轨顶排烟口工况下，站台公共区烟气温度、危险高度CO浓度、可见度等指标远优于无轨顶排烟口工况。

3)根据数值模拟结果，相对于当前主流有轨顶排烟口设计，取消轨顶排烟口对站台公共区火灾排烟效果影响有限，但是会显著降低车站列车火灾排烟效果。