边部呼吸区对撞送风隧道火灾逃生系统

苏义成 韩欧 苟立

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

火灾烟气对隧道人员逃生会产生巨大危害，因此国内外学者[1-3]针对隧道火灾烟气控制进行了大量的研究，从而提出了现今流行的五种隧道通风系统，如图1所示。

图1 传统隧道通风原理图

当火灾发生时，用于逃生的隧道空间其实是隧道的下部2 m 以下的逃生空间，并不是整个隧道空间。因此只需要保证隧道下部空间，甚至是下部空间的局部是清洁干净的[4]。因此，本文提供了一种水平垂直送风相结合的呼吸区对撞送风隧道火灾逃生系统HVES（A horizontal and vertical combination of breathing zone collision air tunnel fire evacuation system）。这种通风系统从本质上讲是一种具有局部个性化送风的通风系统，能够提供一个干净、无烟、安全的隧道边部疏散逃生通道[5-6]。

1 模型构建与参数设置

1.1 模型构建

一种水平垂直送风相结合的呼吸区对撞送风隧道火灾逃生系统（HVES），包括静压箱，送风风管和风口。静压箱的上端设置有第一喷口，出风朝向为水平方向，向人员呼吸区送风，保证逃生人员的新风需求。静压箱靠近隧道内水平设置有第二喷口，出风朝向为竖直向下，在人员逃生区域形成正压，将偶然脉动进入的热烟气挤出逃生通道。第二喷口与第一喷口的出风朝向垂直，如图2 所示[7]。

图2 HVES 剖面结构图示意

本设计所述第一喷口上下边沿所处的高度分别为2.0 m 和2.5 m，喷口的宽度为0.5 m，第一喷口位于隧道壁面上。第二喷口为水平方向，其宽度为0.5 m，高度为2.5 m。为了简化模型，选取隧道公共行车空间作为对象，依据FDS 建立一条矩形隧道，隧道的尺寸选取为200 m（长）×14 m（宽）×5 m（高），其边部安装了HVES 系统，隧道底部和顶部安装了送风口和排风口，风口面积为2 m×2 m，见图3。模型隧道能完全实现传统五种隧道通风方式的模拟，从而比较不同隧道火灾通风方式的效果。

图3 模型隧道结构示意

1.2 模型设置

火灾流动数值模拟中涉及的条件主要包括：火源热释放率、火源模型选择、进出口边界条件、安全疏散特征时间等。

1）在模拟隧道火灾中，火源边界条件是重要参数。一般数值模拟火源功率采用火源燃料的质量流量损失来计算，根据燃料质量损失曲线和热释放率关系可表示为：

式中：Q 为热释放率，kW；mf质量损失速率，kg/s；hc为燃料热值，J/kg；β 为燃烧效率。

表1 隧道车辆火灾最大热释放率

我国现执行的《道路隧道设计规范》[8]中依据隧道交通功能，交通量以及交通组织情况等，给定了隧道中火灾最大热释放率应该按表1 确定。根据以上规定，本文模拟中采用火灾规模范围为中型火灾5～35 MW。

2）火灾模型分为稳态火灾和非稳态火灾。火源的热释放率不随时间变化的是稳态火灾。热释放率随时间不断变化的火灾为非稳态火灾。本文采用非稳态火。根据火灾增长系数的不同，美国NFPA 规范定义了4 种火源类型，见表2。本文采用的火源是汽油属于油池火。

表2 t2 火源火灾功率增长系数表

在火灾设计时，常常不考虑阴燃阶段，因此火灾增长模型可以简化为[9]：

式中：Q 为火灾功率，kW；a 为火灾增长系数，kW/s2；t为着火的时间，s；t1则为达到最大火源热释放率的时间，s。

3）隧道纵向通风进口为速度边界，出口边界条件与其他通风模式相同，隧道流场出口边界由连续性条件确定，最常用的出口边界为自然通风“Open”边界即为沿流动方向各流动参数的导数为零。隧道内空气初始温度，各固体表面的初始温度以及环境温度均为20 ℃。

4）在我国现执行的《道路隧道设计规范》中规定，隧道内乘行人员的安全疏散时间不宜小于15 min，因此选取模拟时间为900 s[8]。

1.3 模拟验证

为了验证FDS 软件对模拟效果的可靠性，本文将将沿隧道进深方向的火灾烟气温度，CO 浓度与Lee（2006）[10-11]，Hu（2006）[12-13]实验数据进行对比，如图4。通过对比发现数值模拟计算的预测值与实验数据的吻合性比较好，证明了本文研究数值模拟方法与预测结果正确性和合理性。

图4 模拟值与经典实验数据对比

2 结果与讨论

2.1 不同通风系统效果分析

为了分析HVES 与传统五种通风模式（均有水平挡烟板）的烟气控制效果，针对不同通风系统，各个通风系统设置如下：

工况一：HVES，第一喷口为0.8 m/s，第二喷口为0.2 m/s，横截面1 与横截面2 均为自由出流。

工况二：自然通风，横截面1 与横截面2 均为自由出流。

工况三：纵向通风，横截面1 为2.0 m/s，横截面2为自由出流。

工况四：排风式横向通风，排风口为4.0 m/s，横截面1 与横截面2 均为自由出流。

工况五：送风式横向通风，送风口为4.0 m/s，横截面1 与横截面2 均为自由出流。

工况六：全横向通风，送风口、排风口均为4.0 m/s，横截面1 与横截面2 均为自由出流。

当HRR 为35 MW 时，采用HVES 后逃生通道内近火源点能见度均值明显比采用其他传统系统的能见度值高。采用HVES 后的隧道边部能见度降低率是自然通风系统后的8.35%，是采用纵向通风系统后能见度降低率的4.37%，是采用排风型半横向通风系统后能见度降低率的7.27%，是采用送风型半横向通风系统后能见度降低率的4.72%，是采用全横向通风系统后能见度降低率的8.49%，见图5（a）。采用不同通风模式逃生通道内近火源温度是不断上升的，见图5（b），除工况三外，HVES 系统边部逃生通道内整体温度低于其他的通风模式，而纵向通风无法控制隧道下游区的火灾烟气，清洁干净的空气从隧道一端流入，流经火源带走火源产生的火灾烟气，然后从隧道的另一端流出，这就使得流经火源的空气必然和烟气充分混合，下游区充满烟气，人员只能从上游疏散，这是不利于隧道火灾人员疏散逃生的。图5（c）给出了CO 浓度变化趋势，工况二是自然通风，烟气的流动动力是烟气本身的浮升力向上运动并在顶棚形成射流，没有机械通风的扰动，所以2 m 高度处的测点CO 浓度较低。工况四是由于半横向排烟风机的抽吸作用降低了CO 浓度，工况三、五和六机械通风模式不利于人员逃生。

图5 不同通风系统边部通道近火源点参数对比

HVES 能够营造一个非常明显的无烟气的边部逃生通道。相比于其他传统隧道通风系统，应用HVES后隧道内的烟气主要集中在上部空间，而3 m 以下空间整体保持15 m 以上的能见度，边部逃生方向仅有少量高温烟气的进入，能见度保持在30 m 左右。边部的逃生系统通道的温度场和CO 浓度场比传统的五种通风方式更低，见图6～8，边部通道内的整体温度保持在60 ℃以下，仅在近火源点局部小范围内升高达到117 ℃。另外CO 浓度整体保持在10 ppm 以下。

图6 不同通风系统下隧道能见度等值线（y=-6.5 m、x=10 m）

图7 不同通风系统下隧道温度等值线（y=-6.5 m、x=10 m）

虽然传统通风系统降低了隧道内火灾烟气的平均浓度，提高逃生通道内的能见度，降低了隧道的温度和CO 浓度，为人员逃生提供了疏散途径，但是传统通风系统作用的是整个隧道，隧道下部空间仍然具有较高的烟气浓度，这非常不利于人员的逃生。而HVES是专门针对隧道的下边部局部空间设计的，其主旨就是通过送风形成一个干净清洁的空气隔烟通道，而不是仅仅去排除隧道内的烟气，所以HVES 相对于传统系统更有利于人员进行疏散。

2.2 HVES 喷口风速比的优化

为了获得两喷口送风速度的最优速度比，本文模拟实验了不同的送风比率。第一喷口速度V1从0 m/s递增为1 m/s，第二喷口速度V2从1 m/s 递减为0 m/s。火源功率均为35 MW，火源高度Z=1 m。

第一喷口V1与第二喷口V2是不同的，安装在侧墙上的呼吸区送风喷口V1是用来保证呼吸区新鲜空气的，而安装挡烟板下的送风喷口V2是用来保证通道内正压并排除由于脉动性进入的部分烟气。因此第一及第二喷口的送风速度应该是不同的，当V1:V2=0.7:0.3=2.33 时，是逃生通道内近火源点处能见度，CO 浓度和温度的转折点，随着V1增大V2减小，逃生通道内能见度均值保持在29 m，CO 浓度均值下降到10 ppm以下，温度均值下降到90 ℃以下，见图9。但是无论V1与V2喷口送风风速的比值为多少，逃生通道内的能见度，CO 浓度以及温度值均能满足人员逃生要求。

图9 喷口送风风速优化

2.3 火源高度对HVES 的影响

隧道内火灾发生高度是影响烟气流动扩散的一个重要因素，考虑隧道内主要是车辆通行后由于某些原因车辆底部，车身以及车顶发生火灾，因此本文火源高度设置了四种工况（Z=0 m、Z=1 m、Z=2 m 与Z=3 m），火源功率均为35 MW，火源设置在隧道正中间，且HVES 中喷口V1与喷口V2的速度比为V1:V2=1 m/s:0 m/s，即为侧送风形式，逃生通道上方有水平挡烟。

当火源在0～3 m 高度上变化时，逃生通道内近火源点处的温度，能见度以及CO 浓度变化趋势近似一致，只有Z=0 m 时温度上升趋势较小，这是由于热烟气在火羽流的作用下，到达隧道顶棚受阻后冲击顶棚后呈放射状水平运动，当烟气与两侧壁碰撞后向下运动，到达测点位置所经历的流动路程较长，热烟气的温度沿流动方向是逐渐降低的。而CO 和能见度均保持高度的一致性，CO 浓度保持在10 ppm 以下，能见度保持在29 m 以上，说明逃生通道内并没有烟气的脉动进入，见图10。因此当火源高度不同时，HVES 内均能保持清洁、安全的逃生通道。

图10 不同火源高度对HVES 的影响

2.4 火源功率对HVES 的影响

热释放率Heat Release Rate 简称HRR，是火灾发生时由火源产生热量的速率。它是影响隧道火灾中烟气生成量的一个重要参数。本文考虑了（5 MW、15 MW、25 MW、35 MW）四种火源功率下HVES 内的温度、可见度和CO 浓度变化，见图11。

图11 不同HRR 对HVES 的影响

从图11 中可以看出，随着火源功率的增加，HVES 通道内近火源点处的温度与CO 浓度是逐渐增加的，而能见度略有下降。当HRR 分别为5 MW，15 MW，25 MW 与35 MW 时，逃生通道内的温度则从20 ℃随时间增长逐渐增加，250 s 后温度值趋于稳定，稳定后时均值分别为24.3 ℃，35.6 ℃，62.7 ℃和101.7 ℃。CO 浓度在前150 s 为0，400 s 后趋于稳定，这是由于火灾刚发生烟气上升并水平流动后还未出现反浮射流，而后通道内的CO 浓度逐渐升高，稳定后时均值分别为0 ppm，0.04 ppm，2.5 ppm 和6.8 ppm，这里将上限值规定在10 ppm 以内，也即采用HVES 系统后，其内部空间的CO 均能低于OSHA 标准5 倍的范围内[11，13]。对于逃生内的能见度变化，只有当HRR超过25 MW 时，才会出现烟气的脉动进入，稳定后能见度时均值为30 m，30 m，29.9 m 和28.4 m，均高于规范要求的10 m 能见度。因此当火源功率为35 MW时，才会出现少量高温烟气脉动性进入。

2.5 排烟与HVES 相结合作用下效果分析

为了选择出最优的烟气控制效果，本文在HVES个性化通风的基础上，增加了排风式半横向通风系统。图12 给出了基于HVES 情况下，增加排风式半横向通风逃生通道内的温度和能见度随时间的变化曲线以及隧道顶棚边部（逃生通道侧）的CO 浓度曲线。当增加了排风式半横向通风系统时逃生通道内距离火源最近点的温度从117 ℃降到60 ℃。能见度由无排烟时的脉动性进入到有排烟时无烟气进入逃生通道内，始终维持在30 m 的能见度。而且隧道边部顶棚的CO 浓度也有较大幅度降低，顶棚浓度1300 ppm 下降到800 ppm。因此，在HVES 的基础上，增加排风式半横向通风系统后降低隧道内整体高温烟气浓度，可减少人员伤亡，这是非常有利于逃生通道内人员疏散。

图12 有无排烟对比

3 结论

基于HVES 与传统隧道火灾通风方式数值模拟结果对比，分析了不同喷口风速比、不同火源高度、不同HRR 以及HVES 中有无排烟对HVES 性能的影响，得出如下结论：

1）HVES 能够营造一个非常明显的无烟气的边部逃生通道。边部通道内的整体温度保持在60 ℃以下，仅在近火源点局部小范围内有升高达到117 ℃。另外CO 浓度保持在10 ppm 以下。能见度保持在29 m 的高度。

2）HVES 逃生通道中的能见度在第一与第二喷口的送风比例V1:V2＞2.33 时，逃生通道内近火源测点能见度均值保持在29 m，CO 浓度均值下降到10 ppm 以下，温度均值下降到90 ℃以下。火源高度Z=0～3 m时，HVES 内均能保持清洁干净的安全的逃生通道。

3）随着火源功率HRR 的增加，HVES 近火源点的温度和CO 浓度是逐渐增加的，而能见度有所下降，但是均能满足人员逃生要求。

4）在HVES 个性化通风的基础上，当增加了排风式横向通风系统时逃生通道内距离火源最近点的温度从117 ℃降到60 ℃。顶棚边部CO 浓度1300 ppm下降到800 ppm，降低了隧道内的烟气浓度，这是非常有利于逃生通道内人员疏散的。