基于数值模拟的地铁站移动排烟风机排烟效能研究

掌孝夫 钱宗琦 王二中

摘要：以某地铁站为研究对象，建立FDS火灾仿真模型，分析站台区域内排烟系统与移动式排烟风机耦合作用下的烟气特征。通过分析站台区域内顶棚处及清晰高度处的温度、能见度及CO浓度等火灾特征参数的变化规律，探讨移动式排烟风机的位置和风量对排烟效果的影响。结果表明：增设移动排烟风机能有效提升地铁站的排烟能力，对降低着火空间内的温度、提高清晰高度处的能见度有一定促进作用，当移动式排烟风机的位置处于火源正上方时，排烟效果较好，能为人员疏散提供更为良好的条件。

关键词：地铁站台；火灾；排烟方案；移动排烟风机

中图分类号：X913.4      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）09-0093-03

在很多大型城市中，交通拥堵问题一直困扰着城市的发展，而地铁因其运量大、准点率高、舒适性高、能耗低等优点，逐渐成为解决城市交通问题的首要途径，对城市的可持续发展具有重要意义[1]。与此同时，在大量乘客选择地铁出行的前提下，地铁安全显得尤为重要，特别是地铁火灾事故，由于其疏散难度大、扑救难度大、逃生时间短等特点，一旦发生就可能造成严重后果，因此众多国内外学者对此展开了研究[2]。

随着城市的发展，地铁的客流量快速增加，特别是节日假等高峰时期，其客流量极易超过早期规划建设的最大客流量，这导致了地铁站相关消防设施不能完全满足超大客流量火灾条件下的消防安全需求[3-4]。为确保火灾条件下的人员安全疏散环境，需进一步提升地铁站台层的排烟能力，保证地铁清晰高度下的温度、能见度及CO浓度不会危害到该区域的人员疏散，本文以某地铁站为研究对象，基于PyroSim构建仿真模型，模拟站台火灾的场景，增加移动式排烟风机，研究移动式排烟风机的位置及风量对排烟效果的影响，提出更有效的排烟方案。

1 项目概況及模拟工况设置

1.1  项目概况

某地铁站为地下二层岛式车站，车站有效站台长为120m，宽为14m，外包长为254.2m，标准段外包宽度为23.1m，站厅公共区和站台层公共区合为一个防火分区，面积4559.5m2。地下一层为站厅层，站厅非付费区共设置3个直出地面的出入口，付费区共设置3组楼扶梯、1部垂直电梯与站台层连通，其中2部楼梯宽度均为1.6m，5部自动扶梯，宽度为1.0m。

1.2  模拟工况设置

本文设定仿真条件为地铁站台层火灾，火源置于站台上，火源面积为2m×2m，火源功率为2MW，火源采用t2增长，在206s时达到最大功率并保持稳定，每一种工况模拟时间1200s。环境温度为20℃。在站台层一侧的上方有排烟口，离地面3.5m，离站台层顶棚0.5m，共计12个，在火灾发生后60s开启，排烟风量为2.1m3/s。

为保证仿真的有效性，火源附近区域设置网格为0.25m×0.25m×0.25m，此时无量纲网格尺寸满足4<D*<16的要求[5]。同时为提高计算机的计算效率，模型其余部分的网格设定为0.5m×0.5m×0.5m。

为提高火灾后的排烟效率，地铁站运营单位购买了移动式排烟风机，考虑着火后在火源附近增加移动式排烟风机，风口竖直放置，上端离顶棚0.25m，风口面积0.5m×0.5m。发生火灾后，地铁站微型消防站人员到达现场至装设好移动排烟风机大约需要3min，故模拟中移动式排烟风机在火灾发生后180s开启。运营单位所购买的移动排烟风机风量为4800m³/h，为研究移动式排烟风机的位置对排烟效果的影响，分别考虑排烟风机距火源的距离为0m、1m、2m、3m和4m，系统机械排烟的风量是90000m³/h，该工况中通过站台与展厅的楼梯自然补风，移动排烟风机设置在火源的下风口位置。

1.3  探测点布置及模拟工况设置

探测点都设置于站台之上，探测数据包括顶棚处的温度，清晰高度处（2m）的温度、能见度和CO浓度。具体的布置如图1所示，从图中可以看到分别在站台两侧以及火源上方设置了探测点，站台两侧的探测点间距为5m，火源上方探测点间距为1m。

2 烟气扩散过程

通过无移动式排烟风机介入的工况1的仿真结果可以看到，当火灾在站台上发生后，立即会有烟气产生，烟气受到浮力影响形成向上的羽流，在15s左右时烟气与站台顶棚发生碰撞产生射流并向周围蔓延，由于火源的设定位置靠近站台右端，烟气在60s左右抵达站台右端边界，随后右端有烟气积聚，此时站台上的排烟风机开启，烟气蔓延速度放缓，在230s左右烟气抵达站台左端并在左端也开始出现烟气积聚，在360s左右仿真达到稳定状态，并保持至1200s仿真结束，从站台左端温度探测点的数据也能看出在360s左右之后保持稳定。

达到稳定状态之后在站台的两端有大量的烟气积聚，而在挡烟垂壁处，由于烟气在蔓延过程中与挡烟垂壁碰撞，部分烟气获得动量向下运动一段距离后再上浮，所以挡烟垂壁处的烟气厚度会大于周围区域。

3 仿真结果分析

3.1  温度场影响分析

从图2a可看出，火源轴线位置的温度最高，距离火源越远，其温度越低，且对应位置两侧测点温度基本一致。从不同工况下的温度曲线可以看出，未增设移动排烟风机时，同一位置测点的温度均高于其他设置排烟风机的工况。设置移动排烟风机后，整个顶棚区域的烟气层温度有所下降，其中排烟风机位于火源正上方时，其温度最低。越靠近火源区域，两个工况之间的温度差越大，其最远端的温度差约为10℃，火源轴线上的温度差接近30℃，这说明移动排烟风机对降低火灾条件下的顶棚温度有一定作用。

随着移动排烟口与火源的距离增大，站台层顶棚区域的温度减弱趋势变小，这是由于排烟口处于火源正上方时，火灾烟气仅向上的驱动力加速了烟气的排出，而当排烟口远离火源时，排烟口虽处于储烟舱内，但该区域烟气受顶棚射流驱动力影响，对排烟效率有一定影响。

无移动排烟风机工况下的顶棚温度及清晰高度处的温度均高于其他工况，增设移动排烟风机后，随着排烟口与火源的距离越近，各测点温度下降越多，这与站台顶棚两侧的温度曲线趋势保持一致。

图2b随着排烟风口的位置发生改变，其排烟口设置的顶部测点的温度远小于其他工况条件，如当排烟口距火源1m时，其距火源1m处测点温度为190℃，其他工况该测点的温度处于250～300℃之间，但随着排烟口与火源之间的距离增大，其相同测点的温度下降趋势减小。

3.2  站台能见度影响分析

火灾处于稳定阶段后，无移动排烟风机工况下，在火源上下风向6m范围内测点的能见度均处于10m以下，不利于该区域的人员安全疏散，特别是火源上风向区域6m处为疏散楼梯，部分站台人员疏散需通过该处的楼梯疏散至站厅层。

增设移动排烟风机后，各测点的能见度均有增大，距离排烟风口越近，其能见度增大越明显，且移动排烟口正下方范围内的能见度远高于其他测点位置的能见度；当移动排烟口位于火源正上方时，除火源下风向1m处能见度较低外，火源上下风向6m范围的能见度基本处于10m以上，能给该区域的人员疏散提供良好的视野。图3a展示了距离火源-2m处测点能见度曲线，从单个测点不同时间的能见度分布图也可看出，排烟风口距火源越近，其排烟能力越强，能有效提高清晰高度处的能见度水平。

3.3  CO浓度影响分析

图3b展示了站台清晰高度处的CO浓度分布情况。在5个工况中，站台的机械排烟风机均正常开启，且站台能通过3个与站厅层连通的楼梯口进补风，因此整个空间内的CO浓度相对较低，在无移动排烟风机的情况下，均未超过500μmol/mol。增设移动排烟风机后，对整个空间内的CO浓度降低有一定影响，但由于移动排烟风机的排烟量远小于固定机械排烟风机排烟量，因此对CO的浓度影响相对较小。

3.4  可用疏散时间对比分析

为分析地铁站的消防安全性，需确定在火灾条件下能保证人员安全疏散的时间，常用方法主要是监测疏散空间内清晰高度处的温度、能见度和CO浓度临界值。设置移动排烟风机对提升安全可用时间有一定帮助，其距离火源越远，提升效率越低，当排烟风口位于火源正上方时，其提升效率达到13.4%，可为火场人员延长疏散时间约1min。

4 结论

采用数值模拟的方法，针对移动式排烟风机的排烟效果进行研究，得到的结论如下：

①站臺火灾发生后，烟气向两端蔓延，在360s左右达到稳定，烟气在两端聚集，站台中间部分在挡烟垂壁处烟气较厚。

②移动式排烟口的位置在移动过程中，对火源上下风向6m范围的温度、能见度影响较为明显，距离火源纵向间距越大，位置对温度和能见度的影响越小，而CO浓度受排烟风机位置变化影响较小。

③移动式排烟风口的位置直接影响整个站台区域的可用安全疏散时间，当排烟风口位于火源正上方时，能大幅延长该场所的可用安全疏散时间，为地铁站火灾条件下的人员安全疏散提供更多保障。

参考文献：

[1]史聪灵，钟茂华，何理，等.地铁车站及隧道全尺寸火灾实验研究（1）-实验设计[J].中国安全生产科学技术，2012，8（6）：22-28.

[2]Li Y.Z.，Lei B.，Ingason H.The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires[J].Fire Safety Journal. 2011，46（4）：204-210.

[3]Chen L F，Hu L H，Tang W，et al.Studies on buoyancy driven two-directional smoke flow layering length with combination of point extraction and longitudinal ventilation in tunnel fires[J].Fire Safety Journal.2013，59（jul.）：94-101.

[4]成琳娜，徐华菁，张梓峰，等.地铁车站火灾排烟模式仿真研究[J].现代城市轨道交通，2020（4）：65-70.

[5]纪杰.地铁站火灾烟气流动及通风控制模式研究[D].合肥：中国科学技术大学，2008.

Research on smoke exhaust efficiency of mobile smoke exhaust fan in subway station based on numerical simulation

Zhang Xiaofu， Qian Zongqi， Wang Erzhong

（Operation Branch of Suzhou Rail Transit Group Co.， Ltd.， Jiangsu Suzhou 215000）

Abstract： Taking a subway station as the research object， an FDS fire simulation model is established to analyze the flue gas characteristics under the coupling action of the smoke exhaust system and the mobile smoke exhaust fan in the subway platform area. By analyzing the variation law of fire characteristic parameters such as temperature， visibility and CO concentration at the roof and clear height in the subway platform area， the influence of the position and air volume of the mobile smoke exhaust fan on the smoke exhaust effect is discussed. The results show that the addition of a mobile smoke exhaust fan can effectively improve the smoke exhaust capacity of the subway station， and has a certain promotion effect on reducing the temperature in the fire space and improving the visibility at a clear height. When the position of the mobile smoke exhaust fan is directly above the fire source， the smoke exhaust effect is better， which can provide better conditions for personnel evacuation.

Keywords： subway platform; fire; smoke exhaust scheme; mobile smoke exhaust fan