通风窗开启模式对火灾烟气影响的数值模拟

王露宁，周家秀，刘雪洁，崔 苗，郭健翔，张敬奎,*(.青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 66033; .大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 604)

地铁因为具有准时、客容量大、方便等优点，已经成为现代城市的一种重要交通方式.地铁车站一般位于地下，若发生火灾，烟气会在水平方向和垂直方向快速蔓延，同时新鲜空气很难迅速进入站内稀释烟气，大量烟气会造成人员呼吸困难以及能见度降低，增加人员疏散的困难，也给消防工作带来难度.地铁火灾往往会造成重大的人员伤亡以及财产损失，因此关于地铁火灾的研究有重要意义.

此次研究的某地下三层分离岛式站台，是一个站厅、站台竖向分离、左右线水平分离的暗挖车站，群洞效应明显，发生火灾后的烟气流动复杂.自动开闭的站台门是为了分隔站台候车区与地铁轨行区而设置的，目前主要分为半高安全门、安全门、屏蔽门以及结合安全门和屏蔽门的优点提出的可调通风型站台门.

近些年来，可调通风型站台门因在空调季节可关闭通风窗降低站台区空调运行费用，而在非空调季节可打开通风窗节约车站风机运行能耗的特点而被广泛应用.本文研究对象青岛市某地下三层分离岛式站台即采用了可调通风型站台门.可调通风型站台门与屏蔽门形式相同，不同的是可调通风型站台门在门体的上部或下部设置了通风窗[1].这种通风窗的设置，不仅可以通风换气和降低空调运行费用，而且当地铁站发生火灾时，也可以辅助排烟.

目前关于地铁站内火灾蔓延规律的研究越来越多.TSUKAHARA等[2]利用FDS对某大型地铁站火灾进行了模拟研究，通过分析比较火灾后烟气密度、温度、CO以及CO2浓度，确定了发生火灾后人员疏散的最佳通道.陶平等[3]利用FDS模拟了某岛式站台端部的火灾情景，揭示了地铁站不同端门开启模式对能见度、CO浓度、烟气温度、热辐射和新风风速的影响规律.丁伟等[4]利用FDS软件分析了地铁站不同端门开启模式下火灾温度、沉降高度、扩散区域、楼梯口风速以及安全疏散时间的演化规律，并获得了屏蔽门不同开启模式的影响效果.徐伟等[5]利用BIM(Building Information Modeling)以及PyroSim软件模拟了地铁站三处不同起火位置的火灾情景，对比分析了三种通风模式下的排烟效果.陈柯成等[6]利用FDS揭示了广州某地铁站发生火灾后的烟气扩散规律.高艺伟等[7]采用PyroSim以及Pathfinder进行了火灾模拟和六种疏散方案的比较，确定了地铁站火灾后最佳的人员疏散方案.近年来，有学者也开始研究地铁站发生火灾后屏蔽门的辅助排烟作用.周汝等[8]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟了列车中央以及站台左侧两楼梯中间位置着火情况下的烟气扩散情况，比较了屏蔽门对站台层火灾烟气扩散的效果.QU等[9]揭示了在地铁站人流高峰时期发生火灾后屏蔽门的紧急疏散效果.阮天鹏等[10]采用Fluent软件对某地铁站台端部发生火灾后的工况进行数值模拟，获得了不同屏蔽门开启模式对烟气速度、浓度和温度的影响.然而，目前对于复杂三层岛式地铁站内的可调通风型站台门通风窗的辅助排烟效果研究较少.因此，本文以青岛某在建地下三层岛式地铁车站为研究对象，设置发生于站台层楼梯口处一定功率的火源，利用数值模拟手段，研究可调通风型站台门上方通风口的不同开启模式对站台层烟气的流动、温度、CO浓度、可见度的影响，揭示站台门通风窗开启模式对三层岛式地铁站内火灾烟气蔓延的影响规律，为该地铁站和同类型其他地铁站发生火灾事故时通风窗的开启模式提供理论依据.

1 模型的建立

1.1 车站物理模型

以青岛某在建岛式地下三层车站为研究对象，构建1∶1模型(图1).车站设计总建筑面积15 784 m2.整个车站站台区域尺寸为168 m×32 m×7 m(长×宽×高);站台层通往站厅层共有2个楼梯口，尺寸都为40 m×19 m(水平横跨长度和垂直高度).

图1 地铁车站结构

1.2 火源场景

此地铁车站的站厅层面积为1910 m2，共划为1个防烟分区(第一防烟分区).站台层的面积为1317 m2，共划为1个防烟分区(第二防烟分区),排烟量均按1 m3/(m2·min)设置.地下三层为站台层，站台内部设有空调通风系统，火灾时兼做排烟系统.分别在两端空调机房内各设一台排烟风机，风量均为29 m3/s.站台层有3个位于排烟管底部的排烟口，尺寸为0.8 m×0.8 m；有20个在排烟管侧面的排烟口，尺寸为0.8 m×0.8 m.在列车轨行区设置轨顶排风系统，轨道每端风机风量为40 m3/s，轨顶排风道均采用土建式风道.隧道通风系统有4台隧道风机，每台风机的风量为60 m3/s.站台门上方0.5 m处设通风窗，发生火灾时作为辅助排烟口，高度为0.5 m，站台单侧通风窗总长度107 m，即每侧屏蔽门上方通风窗有效开口面积53.5 m2.

按同一时间只有一处火灾的情况考虑，并考虑最不利人员疏散的情况，火源位置设置于左侧楼梯口附近，火源位置及2 m高度监测点位置如图2所示.考虑到地铁站台火灾发生的原因可能为行李失火、人为纵火等因素，将火源的热释放速率定为2.5 MW，火源燃烧面积为1 m×1 m.

图2 火源位置(红色圆框处)和监测点位置(黄色圆点处)

2 通风窗开启模式

安装有通风型站台门的站台层发生火灾时，启动地铁车站两端大系统排烟风机对站台层进行排烟，同时开启隧道风机进行辅助排烟.开启隧道风机后，只需打开可调通风型站台门上方的通风窗就能让隧道排热排风系统辅助排出站台的烟气.这种方式不需打开屏蔽门让烟气排入隧道，从而减少人员疏散时的安全隐患.

由于车站结构复杂，发生火灾时开启可调通风型站台门上方通风口的具体排烟效果有待分析.根据屏蔽门上方通风口的开启数量和位置，研究四种模式的排烟效果，见表1.

表1 站台层发生火灾时通风型站台门通风窗的开启模式

3 模拟结果对比分析

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)的要求，发生火灾后，在客流高峰期人流量(包括列车上、站台公共区候车乘客和工作人员)或远期规划高峰人流量情况下，站内人员能够在6 min内全部疏散到安全区域.因此，主要分析火灾发生后360 s内的烟气蔓延规律.

为了避免站台起火产生的烟气向上蔓延，《地铁设计规范》(GB 50157—2013)要求在疏散楼梯口形成不小于1.5 m/s的向下气流，以便于逃生人员可以迎着新风方向疏散.地铁站台发生火灾后，站厅层送风以及楼梯口处设置空气幕使得疏散楼梯口有大于1.5 m/s的向下气流.

3.1 烟气蔓延分析

图3—5分别显示了地铁站在不同通风窗开启模式下发生火灾后60，180和360 s时的烟气分布.由图3可以看出，发生火灾60 s后，四种模式下的烟气都主要分布在靠近火源处的楼梯口附近，烟气浓度分布差异不大.这是因为大部分烟气此时还未进入通风窗.由图4可以看出，发生火灾180 s后，四种模式下的烟气都开始从楼梯口处向两侧的站台候车区蔓延.烟气分布结果显示，模式一的排烟效果最差，烟气浓度最高，远离火源侧的候车区烟气蔓延范围明显高于其他三种模式.模式二次之，有部分烟气从单侧开启的通风口进入隧道.模式三再次之，模式三虽开启了双侧占一半的通风口，但180 s内部分烟气主要从近火源单侧的通风口进入隧道.模式四的烟气从两侧通风口进入隧道，排烟效果最好，烟气蔓延范围最小.由图5可以看出，发生火灾360 s后，四种模式下烟气都蔓延到了中间的疏散通道，但都没有进入站厅层.模式一的烟气蔓延范围最大，通风口未开侧的全部站台等候区都已充满烟气，仅少量烟气进入隧道，辅助排烟效果不明显.模式二次之，有部分烟气从单侧开启的通风口进入隧道，具有一定的辅助排烟效果.而模式三、四的大量烟气从双侧通风口进入隧道，远处站台候车区的烟气浓度较小，这两种模式的辅助排烟效果显著.

图3 60 s时各工况的烟气蔓延

图4 180 s时各工况的烟气蔓延

图5 360 s时各工况的烟气蔓延

3.2 通风窗开启模式对烟气平均温度的影响

站台的初始环境温度设为20 ℃.火灾发生后，分别研究了四种通风窗开启模式下站台层各监测点温度随时间的变化.因为靠近火源的监测点温度高，远离火源的监测点温度低，为了全面准确地反映火灾的影响，取各监测点温度的平均值进行定量分析，CO浓度和可见度也是如此分析.

将平均温度的结果绘于图6.从图中可以看出：在40 s内，各个模式下平均温度几乎没有变化，这是因为烟气还未到达各监测点.火灾发生后40～360 s内，四种模式下监测点平均温度均随时间迅速升高，且温度随时间呈指数增长趋势.四种模式下0～360 s时烟气平均温度均低于25 ℃.NFPA(National Fire Protection Association)130—2017标准指出：发生火灾后，高温烟气会使人中暑、皮肤受损以及呼吸困难，结合人体承受极限和疏散时间综合考虑，人员疏散路线上的环境温度要在60 ℃以内.因此，四种开启模式下，火灾发生后360 s内地铁站内的环境温度都是安全的.其中模式一条件下平均温度升高最快，在360 s时平均温度约为25.0 ℃；模式二次之，在360 s时平均温度约为24.0 ℃；模式四再次之，在360 s时平均温度约为23.2 ℃；模式三升温速度最慢，在360 s时平均温度约为22.7 ℃.从火灾烟气温度方面考虑，通风窗开启模式三具有优势.

3.3 通风窗开启模式对CO平均浓度的影响

火灾发生后360 s内站台各监测点CO平均浓度随时间的变化趋势如图7所示.从图中可以看出：在0～40 s内，各个模式下CO平均浓度几乎没有变化，这是因为烟气还未到达各监测点.火灾发生后40～360 s内，四种模式下监测点CO平均浓度均随时间迅速升高，且CO平均浓度随时间呈指数增长趋势.四种模式下0～360 s时间内2 m高度的CO平均浓度值均不高于20 mg/m3.根据NFPA 130—2017标准：火灾后空气中的CO浓度不超过190 mg/m3时，普通人群的忍受时间约30 min.因此，360 s安全逃生时间内，各模式下CO浓度不会对站内逃生人员的生命产生威胁.其中模式一条件下CO平均浓度升高最快，在360 s时CO平均浓度约为17.7 mg/m3；模式二次之，在360 s时CO平均浓度约为14.9 mg/m3；模式四再次之，在360 s时CO平均浓度约为10.7 mg/m3；模式三CO平均浓度增加速度最慢，在360 s时CO平均浓度约为9.9 mg/m3.从火灾烟气CO浓度方面考虑，通风窗开启模式三具有优势.

3.4 通风窗开启模式对平均可见度的影响

四种通风窗开启模式下各监测点的平均可见度如图8所示.从图中可以看出：火灾发生前的平均可见度为30 m，在0～40 s内，各个模式下平均可见度几乎没有变化，这是因为烟气还未到达各监测点.40～360 s内，平均可见度迅速下降，且平均可见度随时间呈线性下降趋势.四种模式下，0～360 s时间内2 m高度的平均可见度都高于10 m，符合地铁火灾人员疏散要求，但近火源处可见度低于平均值，因此疏散时要远离火源发生处.在0～300 s的范围内，模式三的平均可见度最高，即模式三最优；在300～360 s时模式四最优，其次是模式三；在火灾发生后的6 min内，模式一的平均可见度情况最差，模式二的效果次差.结合地铁火灾疏散标准，重点考虑火灾发生后的6 min内的情况，综上对可见度的分析，通风窗开启模式三和模式四具有优势.

4 结论

1) 从不同通风窗开启模式下发生火灾后60，180和360 s时的烟气分布图可以看出：模式一的烟气浓度最高、蔓延范围最大，辅助排烟效果不明显；模式二具有一定的辅助排烟效果；模式三与模式四的辅助排烟效果显著，烟气分布差异不大.

2) 在站台门通风窗的四种开启模式下，火灾发生后0～40 s内，2 m高度监测点的烟气平均温度、CO平均浓度均没有太大变化.40～360 s，烟气平均温度和CO平均浓度均随时间指数上升.其中模式一条件下升高最快；模式二次之；模式四再次之；模式三的增加速度最慢.因此，从火灾后站台烟气温度和CO浓度方面考虑，通风窗开启模式三具有优势.

3) 在0～40 s内，各个模式下平均可见度几乎没有变化.40～360 s内，平均可见度迅速下降，且平均可见度随时间呈线性下降趋势.在0～300 s内，模式三最优；在300～360 s时模式四最优，其次是模式三.从可见度方面考虑，通风窗开启模式三和模式四具有优势.

4) 在装有可调通风型站台门的地铁站台发生火灾后，开启站台排烟、站厅送风的同时，综合考虑烟气分布、温度、CO浓度和可见度，开启双侧站台靠近火源的占总通风口面积一半的通风口模式三排烟效果最好.此模式下，仅开启火源侧一半面积的通风窗即可达到显著的辅助排烟效果，从而使该地铁站台在当前的设计条件下达到火灾安全疏散要求.