火災工況下地鐵環控流場模擬分析研究

朱明亮 楊 雙

(海軍東海工程設計院，上海 200083)

0 引言

地鐵作為現代文明的標志，為城市的發展創造了前所未有的機遇，地鐵的建設在改善城市環境，緩解交通壓力方面已經成為現代化城市的必備條件之一。在為城市提供出行便利的情況下，地鐵作為如此大的人口密集的場所，安全運營保障市民的人身安全是最為關鍵的因素。地鐵大部分是地下密閉空間，運營時需要地鐵的通風系統保證地下空間的通風換氣，特別是在火災時，需要有效地排出煙氣以利于人員疏散。因此，對地鐵環控系統在火災工況下開展分析研究，對地鐵運行以及人員的安全都有著重大的意義。本項目結合某市地鐵3號線的環控系統運行情況，分別對各地鐵站的環控風機在火災工況下運行頻率、風量、風壓和能耗進行了現場實測，對流場進行了計算機模擬分析，為環控系統故障診斷及運行管理提供了重要依據。

1 地鐵環控風機流場現場測試

1.1 地鐵環控系統介紹

該市地鐵3號線的28個地下站站臺均采用安全門系統，環控系統采用集成式系統，如圖1所示。集成式空調系統中風系統通常分別設置在車站兩側的兩個機房中，兩側的機組分別控制一半公共區的環境溫濕度，與機組相應布置回排風機。站廳和站臺分別設置送風管道和排風管道，區間設置送風口和排風口。

1.2 環控流場測試結果與分析

對新莊站、雞鳴寺站、浮橋站和大行宮站的環控系統風機進行現場測試，測試工況分別為空調工況、區間隧道火災工況和區間站臺火災工況。空調工況下送排風機均為正轉，送風機頻率為40 Hz，風量約180 000 m3/h，排風機頻率為35 Hz，風量約144 000 m3/h；送排風機開啟時，同時開啟區間送風、站臺送風和站廳送風。區間隧道火災工況和區間站臺火災工況下送排風機的運行頻率為50 Hz。

1.2.1區間隧道火災工況流場

區間隧道火災工況下，新莊站A端和B端風機和區間風口風量測試結果見表1，表2。從表1和表2中可以得到，新莊站區間隧道火災工況下，風機風量幾乎全部進入區間，且風量值未超過額定閾值。

表1 新莊站區間隧道火災送風量

表2 新莊站區間隧道火災排風量

1.2.2區間站臺火災工況流場

區間站臺火災工況下，新莊站A端和B端風機和區間風口風量測試結果見表3。從表3中可以得到，新莊站區間站臺火災工況下，風機風量與進入區間和站臺的風量基本持平，未出現風量不平衡的異常現象。

2 CFD環控流場模擬

表3 新莊站區間站臺火災排風量

2.1 模型建立

選取新莊站、雞鳴寺站、浮橋站和大行宮站4個站風機機房的土建參數和布局構造，構建出了相應的CFD幾何模型。風機機房簡化為長為23 m，寬為6.5 m，高為4.6 m的長方體。風機布置在機房的兩端。送、排風口分為站臺、區間和站廳，其中通往站臺和區間的送、排風口位于風機機房的底部，通往站廳的送、排風口位于風機機房的側面。本次模擬采用標準k-ε雙方程模型。

2.2 環控流場模擬結果

2.2.1區間隧道火災工況流場

發生區間隧道火災，新莊站開啟風機排煙時，模擬得到車站風機機房A，B端的排煙速度場：A，B端各機房內的流場類似，僅在各口部風速上存在差異。A端風機機房1在風機口處的排煙風速約為9.9 m/s，區間排煙口部的風速約為8.7 m/s；A端風機機房2在風機口處的排煙風速約為10.5 m/s，區間排煙口部的風速約為9.3 m/s；B端風機機房1在風機口處的排煙風速約為10.5 m/s，區間排煙口部的風速約為9.2 m/s；B端風機機房2在風機口處的排煙風速約為8.6 m/s，區間排煙口部的風速約為8.0 m/s。區間隧道火災時，僅開啟區間火災風閥，區間隧道煙氣只經過區間風閥進入風機房，其余風閥均關閉，相應部位的風速基本為0，形成“滯止區”。

利用Airpak對新莊站A端和B端機房各口部的風量進行統計，結果如表4所示。可以看出，各口部的風量與實測結果接近，風量基本平衡。

綜上可以得到，風機流場穩定，機房內的風道走向設計與布局合理，并未出現渦流和影響排風效果的現象，且風機工作穩定，風量與風速符合要求。

表4 新莊站區間隧道火災模擬排風量

2.2.2區間站臺火災工況流場

發生區間站臺火災，新莊站開啟風機排煙時，模擬得到車站風機機房A，B端的排煙速度場：A，B端各機房內的流場類似，僅在各口部風速上存在差異。A端風機機房1在風機口處的排煙風速約為8.0 m/s，站臺排煙口部的風速約為9.6 m/s，區間排煙口部的風速約為10.5 m/s；A端風機機房2在風機口處的排煙風速約為11.2 m/s，站臺排煙口部的風速約為13.6 m/s，區間排煙口部的風速約為14.8 m/s；B端風機機房1在風機口處的排煙風速約為15.0 m/s，站臺排煙口部的風速約為17.4 m/s，區間排煙口部的風速約為18.7 m/s；B端風機機房2在風機口處的排煙風速約為9.5 m/s，站臺排煙口部的風速約為11.2 m/s，區間排煙口部的風速約為12.1 m/s。

利用Airpak對新莊站A端和B端機房各口部的風量進行統計，結果如表5所示。可以看出，各口部的風量與實測結果接近，風量基本平衡。

綜上可以得到，風機流場穩定，機房內的風道走向設計與布局合理，并未出現渦流和影響送風效果的現象，且風機工作穩定，風量與風速符合要求。

表5 新莊站區間站臺火災模擬排風量

3 結語

本項目對某市地鐵3號線28個地下站的環控系統特點進行分析，并選取新莊、雞鳴寺、浮橋和大行宮4個地鐵站風機流場作為主要研究對象，利用計算流體動力學和風機流動特性理論，建立了在火災工況下的CFD風機流場模擬模型，并在火災工況下，依據設計模式表進行現場實測，除了東大成賢學院站和泰馮路站外，其余各站所有的火災工況時環控風機運行平穩，環控流場穩定，事故斷面排煙風速均滿足地鐵設計規范要求，無風機燒毀現象。這為后期地鐵的環控系統故障診斷以及制定合理高效的運行方案提供了重要的依據。