地鐵站臺點型感煙火災探測器的火災響應性能分析

莊永寧

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢//高級工程師)

目前，地鐵站臺公共區域設置的火災探測器多為感煙型。文獻[1-7]對點型感煙、吸氣式感煙及線型光束感煙等火災探測器在地鐵車站的設計及應用進行了仿真模擬試驗和實體試驗。本文以最常見的點型感煙火災探測器為研究對象，對其火災響應性能進行分析。

1 仿真模擬試驗

1.1 建立仿真模型

采用動態火災模擬(FDS)軟件,以某地鐵站臺一端的典型區域為原型，建立仿真模型(如圖1所示)。設定模型環境為停運無機械通風環境。模型長為35.0 m，寬為18.0 m，高度為4.5 m。站臺門高2.7 m，間距為10.5 m。站臺一端為設備間，另一端設有與站廳層連通的樓梯。站臺格柵的鏤空率是煙氣火災探測器報警的重要影響因素。文獻[8-10]已對此作了詳盡論述，為簡化模型，本文不再贅述。故模型中未設置格柵。整個計算區域采用絕熱、無滑的壁面邊界條件，其初始溫度設為20 ℃。

圖1 典型站臺區域仿真模型

模擬工況按火源類型可分為油池火、聚氨酯泡沫塑料明火和棉繩陰燃火3種工況。油池火工況下，每平方米油池火的熱釋放速率初始值約為844 kW，并與t2成正比關系增長(t為燃燒時間)。CO的生成比例設置為0.011，碳煙的生成比例設置為0.038。棉繩陰燃火工況參照GB 4715標準SH2等級試驗火設定。根據文獻[8]，1束(90根)標準棉繩的最大熱釋放速率為3.2 kW，達到最大熱釋放速率的時間為120 s，熱釋放速率同樣與t2成正比。模擬試驗中設置為3束棉繩。聚氨酯泡沫塑料明火工況參照GB 4715標準SH3等級試驗火設定。根據文獻[8]，3塊標準聚氨酯泡沫的最大熱釋放速率為59 kW，達到最大熱釋放速率的時間為135 s。

如圖1所示，火源位置分別設定于設備間外側(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(F3)及區域中部(F4)等4處。由于F4處沒有設備設施，故火源在F4的油池火可判定為人為縱火。每個工況的模擬時間為600 s。

感煙探測器共10個沿站臺門對稱布置(見圖1)，均吸頂安裝，其縱向間距為6.2～8.5 m，橫向間距為7.5 m。由于在火災發展初期煙氣的產生與運動較為復雜，難以預測，因此，模型以煙氣濃度為單一參數建立了理想化虛擬點型感煙探測器。探測器響應的煙氣濃度臨界值為3.28%/m，報警時間為自起火始至探測器響應的時間。

1.2 仿真模擬試驗結果分析

各工況仿真模擬試驗的結果如表1所示。

表1 數值模擬探測器報警時間表

從仿真模擬試驗結果可以看出，油池火工況與聚氨酯火工況中的10個點型感煙火災探測器全部報警，而棉繩火工況中只有1～2個探測器報警。火源位置、火源功率及火源類型是影響探測器火災響應性能的重要因素，對試驗結果均有影響。

1.2.1 火源位置

各工況中，第1個與第2個發出警報的探測器都是距火源最近的2個探測器：F1對應3#和8#探測器，F2對應4#和9#探測器，F3對應8#和9#探測器。

從火源位置來分析，無論火源類型如何，其他3處起火均比F1處起火的報警時間長，相對較晚。究其原因，一方面，F1靠近設備間墻壁，使煙氣更易飄向3#和8#探測器方向；另一方面，F3靠近樓梯口，部分煙氣易從樓梯口向上擴散至站廳層。

另外，在第1個警報與第2個警報的時間差方面，火源位于F1時，油池火工況約為16 s，聚氨酯火工況約為19 s；火源位于F2時，油池火工況為0 s，聚氨酯火約為8 s；火源位于F3時，由于火源處于3#和8#探測器下方的正中間，故油池火和聚氨酯火工況的第1個警報與第2個警報幾乎同步。

1.2.2 不同火源功率

火源在F4處的油池火(人為縱火)工況最大火源功率約為1.4 MW，其報警時間最短。在其它火源位置,油池火工況的最大火源功率約為135 kW，第一警報時間也不超過1 min。聚氨酯火工況的最大火源功率約為59 kW，明顯小于油池火工況，但其3個火源位置的第1次警報時間均無顯著差距,且不超過1 min。棉繩火工況的最大火源功率約為 9.6 kW，由于其為陰燃火，故其3個火源位置的第一次警報時間最長。

1.2.3 不同火源類型

從報警時間的試驗結果來看，人為縱火工況因其火源面積較大，早期產生的煙氣較多、溫度較高，故其第1次警報時間最短，為35 s，其余的油池火和聚氨酯火工況的第1次警報時間均為40～51 s。而棉繩火工況的第1次警報時間則為1～3 min。這主要是由于棉繩火為陰燃火，煙氣溫度較低，在空間內蔓延速度較慢。比較第2次警報時間，除人為縱火工況外，油池火工況的第2次警報時間在48～56 s之間；聚氨酯火工況的第2次警報時間相對要長一些，為52～65 s；棉繩火只有F1起火時有2個探測器報警，第2次警報時間則超過7 min，其它2個火源位置只有1個探測器發出報警。可以看出，火源類型對報警響應時間的影響相對較大。

2 實體試驗

2.1 實體試驗模型

實體試驗搭建了簡易模型，如圖2所示。簡易模型四面為封閉墻體。模型縱向長13 m，寬12 m，頂板高度為3.5 m，縱向一端頂部設有1個縱向長1 m、寬5 m的開口來代替站臺樓梯口。模型吸頂安裝了4個點型感煙火災探測器，其縱向及橫向間距均為8 m，其位置相當于仿真模型中的3#、4#、8#、9#探測器。

圖2 典型站臺區域實體試驗簡易模型

火源類型與仿真模擬試驗相同，分為油盤火、聚氨酯明火和棉繩陰燃火3種，其中，聚氨酯明火及棉繩陰燃火分別參照GB 4715標準SH3和SH2試驗火布置。

火源位置與仿真模擬試驗對應分別設在設備間外側(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(F3)及區域中部(F4)。

2.2 實體試驗結果

火源位置為F1、F2及F3的實體試驗結果與仿真模擬試驗結果比較如表2所示。

表2 實體試驗與數值模擬報警對比表

由表2可知，油池火工況下，實體試驗的第1次警報時間略小于仿真模擬試驗；其他火源類型時，實體試驗的第1次警報時間均遠長于仿真模擬試驗的(基本超過100 s)。

其原因為：① 實體試驗在封閉的室內環境進行，與仿真模擬試驗的環境邊界條件不同；而且，二者空間高度等尺寸有較大差異。可見，起火環境差異較大。油池火初始功率很大，其熱煙氣受起火環境影響較小，而聚氨酯火和棉繩陰燃火的初始功率較小，其煙氣溫度相對較低，易受到起火環境的影響。② 仿真模擬感煙火災探測器的報警以煙氣濃度作為唯一的判定參數。而實際的感煙火災探測器，為了防止誤報，其響應報警設有較為復雜的算法，并非由單一參數判定的。

F4火源正上方還設置了1個11#點型感煙火災探測器，以單獨測試F4處不同火源的報警時間，并與仿真模擬試驗結果對比(如表3所示)。

從表3可以看出，油池火報警時間的實測值與模擬值基本一致，而聚氨酯火和棉繩火的實測報警時間則明顯長于模擬值。這再次表明，仿真計算點型感煙火災探測器的報警時間時，油池火工況相對準確，聚氨酯火工況及棉繩陰燃火工況的模擬符合性欠佳。

表3 單個探測器實體試驗與模擬數值試驗報警時間對比

3 結論與建議

本文通過仿真模擬試驗和實體試驗對比，研究了地鐵站臺典型區域中點型感煙火災探測器對不同火源的響應性能，并得出以下結論：

(1) 不同的火源類型、火源位置和火源功率對點型感煙探測器的報警響應時間都有一定影響。其中，影響較大的因素是火源類型。從實體試驗結果來看，點型感煙火災探測器對油池火的探測響應速度較快，而對聚氨酯火及棉繩陰燃火的探測響應速度則相對較慢。

(2) 對于聚氨酯火、棉繩陰燃火而言，當火源位于探測器正下方時，報警響應時間明顯較短；當火源位于2個探測器之間下方區域時，報警響應時間明顯較長。

(3) 從仿真模擬試驗與實體試驗結果對比可以看出：油池火工況的模擬結果與實體試驗的結果較吻合，而聚氨酯火、棉繩陰燃火的實測報警時間明顯長于模擬報警時間。

站臺層一般不設置自動滅火系統，當站臺層發生火災時，需消防人員救火，且人員疏散時間長、難度大，因此，盡早發現站臺層的火災對地鐵車站滅火救援極其重要。為了更早發現火災，對地鐵站臺層的火災探測器提出如下建議：

(1) 適當減小點型感煙火災探測器縱向間距。從實體試驗結果可見，火源離火災探測器越近，報警時間越快，減小火災探測器間距可使得站臺煙氣能更快地被探測到。

(2) 關鍵區域增設點型感煙火災探測器。與站廳層連接的樓梯是站臺層人員疏散的唯一通道。一旦樓梯口發生火災，將嚴重影響人員疏散速度。在站臺樓梯口等關鍵區域增設火災探測器，將有助于盡早發現該區域的火災。

(3) 可積極引入可視圖像早期火災報警系統對站臺層進行保護。可視圖像早期火災報警系統利用既有的安防視頻系統，通過計算機模式識別技術能有效識別、監測視頻中出現的火焰或煙霧圖像，從而快速準確地判斷出火災，并發出報警信號。該系統具有同時探測火焰與煙霧、火災準確定位、可視化等優點，非常適合于地鐵站應用。

此外，由于點型感煙火災探測器對不同類型火源的報警時間有明顯差別，對不同位置的聚氨酯火、棉繩陰燃火的報警時間也有明顯差別。因此，建議在消防驗收時應選擇不同類型的火源進行測試(如聚氨酯火和棉繩陰燃火)。同時，建議選擇關鍵區域和火災探測“最不利點”進行測試。這樣更有助于檢測出火災自動報警系統的整體性能。

[1] 李宏文, 劉旭, 張昊, 等. 地鐵車站空調通風季火災探測器性能試驗研究[J]. 建筑電氣，2011, 30(10): 58.

[2] 張昊, 趙金勇, 李宏文, 等. 地鐵運營工況點型探測器探測性能試驗研究[J]. 中國安全科學學報, 2011, 21(8): 43.

[3] 王燕平, 李宏文, 張昊, 等. 地鐵車站不同工況下吸氣式感煙火災探測器探測性能試驗研究[J]. 消防技術與產品信息, 2012(1): 42.

[4] 成燕平, 李宏文, 魏幼平. 地鐵站火源位置對吸氣式報警系統的影響[J]. 消防科學與技術，2013(2): 168.

[5] 張戈. 吸氣式探測器在地鐵中的布置[J]. 消防科學與技術，2013, 32(7): 769.

[6] 何晶. 空氣采樣早期煙霧探測系統在地鐵火災防護中的應用[J]. 城市軌道交通研究，2012(5): 52.

[7] 宋偉鋒, 岳云濤, 畢小玉. 地鐵站線型光束感煙探測器響應性能研究[J]. 北京建筑工程學院學報，2014, 30(2): 60.

[8] 李玉幸. 地鐵車站格柵吊頂對探測器響應性能影響的研究[D]. 北京：北京建筑大學，2013.

[9] 李寧寧, 陳南, 張天巍. 格柵式吊頂場所火災探測器安裝設計的研究[J]. 消防科學與技術，2009, 28(9): 661.

[10] 陳南. 懸空式格柵吊頂場所感煙火災探測報警試驗研究[J]. 火災科學，2012, 21(4): 216.

[11] 史聰靈, 鐘茂華, 羅燕萍, 等. 地鐵車廂汽油火災的模擬計算與分析[J]. 中國安全科學學報，2006, 16(10): 32.