地鐵站廳火災不同排煙模式下的排煙效率研究

籃 杰,范樂樂,余偉之,王 艷,王 健,張 帥

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司城地院暖通所, 武漢 430063； 2.中原工學院能源與環(huán)境專業(yè),鄭州 450000； 3.鄭州市軌道交通有限公司, 鄭州 450000)

由于地鐵具有速度快、能耗低、運量大等優(yōu)點，現(xiàn)已成為緩解城市交通壓力的主要措施之一[1-3]。但是地鐵車站是一個內(nèi)部相對密閉、狹長的地下空間，發(fā)生火災時，人員僅能通過較少的出入口安全疏散至室外，且火災產(chǎn)生的煙氣和熱量也難以排除，故發(fā)生火災時人員的疏散及救援難度大。因此地鐵火災成為地鐵安全運營所面臨的重要問題。相關研究表明：地鐵發(fā)生火災時，均會產(chǎn)生大量有毒煙氣，70% 以上的人員因為吸入過多有毒煙氣而導致昏迷、死亡[4-7]。因此越來越多學者致力于地鐵內(nèi)部排煙方案的研究。

以鄭州某地鐵車站為研究對象，針對站廳層公共區(qū)設計了不同的排煙工況，利用 FDS軟件對不同的排煙工況進行數(shù)值模擬。通過比較不同排煙工況下站廳層人眼特征高度[8]處溫度、能見度、CO濃度數(shù)據(jù)，找出站廳層公共區(qū)最佳的排煙方案，為地鐵建設及消防安全提供參考。

1 模型建立及工況設計

1.1 物理模型(圖1)

該地鐵站站廳層公共區(qū)長101.2 m，寬18.7 m，高4.8 m；設4個寬度均為6.6 m，高度均為3.8 m的出入口；采用鏤空格柵吊頂。

如圖1所示，以站廳層公共區(qū)左下角為坐標原點，建立1∶1的物理模型，其中x軸平行于站廳層長度方向，y軸平行于站廳層寬度方向，z軸平行于站廳層高度方向。站廳層公共區(qū)長度方向上，以x=51.6 m為面兩側對稱，寬度方向上，以y=9.35 m為面兩側對稱。這兩個面將站廳層公共區(qū)劃分為4個區(qū)域：A、B、C、D。4個區(qū)域A、B、C、D內(nèi)各設置1根金屬排煙管(寬度為1.25 m，高度為0.50 m，底高程為4.20 m)和金屬送風管，以及FAS、BAS、通信等電纜橋架。為穩(wěn)固起見，在站廳層公共區(qū)長度方向上每隔9 m設置1根1.2 m×0.8 m(長×寬)的柱子，共計12根。頂板下方設置下翻梁，其中x∈(0，10.6 m)∩y∈(8.95，9.35 m)及x∈(93.2，103.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)區(qū)域結構梁下翻0.3 m，x∈(10.6 m，93.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)區(qū)域結構梁下翻1.2 m。同時，x∈(51.5，51.6 m)∩y∈(0，18.7 m)區(qū)域設置擋煙垂壁，擋煙垂壁底高程為2.9 m。

該地鐵車站站廳層公共區(qū)面積為1 888.9 m2，根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)第28.4.10條[9]規(guī)定，計算得出站廳層的總排煙量為1.13×105m3/h。考慮0.2的漏風系數(shù)，則每根排煙管的排風量為3.4×104m3/h。

圖1 地鐵車站站廳層公共區(qū)物理模型

1.2 火源設置

因該地鐵車站站廳層公共區(qū)內(nèi)裝修主要采用不燃材料，且該車站未設置商業(yè)開發(fā)，因此站廳層公共區(qū)的主要火災荷載為乘客隨身攜帶的行李物品。對于行李物品引發(fā)的火災，結合相關文獻[10-12]，火源熱釋放速率設定為3 MW。

將火源位置設定在排煙系統(tǒng)的最不利點，即排煙管末端且距排煙風口最遠處。火源大小2 m×2 m，中心坐標為(46.6，8.25，0.6) m。

火源熱釋放速率可用下式表達[13]

Q=αt2

(1)

式中Q——火源熱釋放速率，kW；

α——火源熱釋放速率的增長系數(shù)，按NFPA 中的超快速增長火考慮[14]，火災增長系數(shù)α=0.187 8 kW/s2；

t——時間，s。

由火源熱釋放速率為3 MW，計算可得火源功率約在126.4 s時達到峰值后保持穩(wěn)定燃燒。

1.3 系統(tǒng)工況設定

根據(jù)研究目標，設定如下5個站廳層公共區(qū)排煙工況。

工況Ⅰ：排煙管上開設下排煙口，每根排煙管上設置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風機，依靠出入口自然補風，下文簡稱為下排煙口。

工況Ⅱ：排煙管上開設側排煙口，每根排煙管上設置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風機，依靠出入口自然補風，下文簡稱為側排煙口。

工況Ⅲ：排煙管上開設頂排煙口，每根排煙管上設置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風機，依靠出入口自然補風，下文簡稱為頂排煙口。

工況Ⅳ：排煙管上開設側排煙口，每根排煙管上設置3個1 000 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為16 m；著火1 min后，開啟排煙風機，依靠出入口自然補風，下文簡稱為3個側排煙口。

工況Ⅴ：排煙管上開設側排煙口，每根排煙管上設置12個400 mm×250 mm的排煙口，兩排煙口間距為4 m；著火1 min后，開啟排煙風機，依靠出入口自然補風，下文簡稱為“12個側排煙口”。

1.4 基本假設

為方便利用FDS軟件對不同排煙工況進行數(shù)值模擬分析，進行以下假設：(1)火災發(fā)生之后，煙氣在站廳層公共區(qū)內(nèi)不發(fā)生化學反應；(2)站廳層公共區(qū)室內(nèi)及墻體溫度默認為20 ℃；(3)忽略車站內(nèi)照明及其他設備對火災的影響。

2 數(shù)值模擬計算理論及方法

2.1 FDS火災模擬軟件理論基礎

本文采用的FDS數(shù)值模擬軟件是由美國國家標準與技術研究所(NIST)研發(fā)的一款主要用于火災中熱量傳遞及煙氣流動的計算流體力學模擬程序，該模擬軟件采用計算流體力學方法來求解一組熱驅動力作用下的低速流動Navier-Stokes方程(粘性流體方程)，重點關注火災中熱量傳遞及煙氣流動過程。FDS軟件通過將計算空間離散成為多個三維長方體計算單元，通過將每個計算單元內(nèi)氣體的溫度、密度、壓力、速度及組分濃度等用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程的偏微分方程進行有限差分求解，來模擬預測火災中煙氣的產(chǎn)生及分布。FDS軟件處理湍流流動有以下兩種方法，即直接模擬(DNS)方法和大渦模擬(LES)方法。直接模擬(DNS)方法是通過直接求解控制方程以得到模擬計算結果，其計算量過大；大渦模擬(LES)方法是在流場的大尺度結構與小尺度結構之中選取一個濾波寬度對控制方程進行濾波，進而把所需的變量分為大尺度量和小尺度量，計算量相對較小。本文采用大渦模擬(LES)方法進行數(shù)值求解，模擬求解之后即可獲取相關測點處溫度、能見度、CO濃度、CO2等一系列相關數(shù)據(jù)。

控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程

(2)

動量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

組分守恒方程：

(5)

式中u——速度矢量；

Yi——第i種組分的質(zhì)量分數(shù)；

Di——第i種組分的擴散系數(shù)；

qw——熱通量矢量；

ρ——密度；

P——壓力；

2.2 網(wǎng)格劃分

在 FDS 數(shù)值模擬計算過程中，網(wǎng)格劃分對計算結果有重要影響，網(wǎng)格劃分的越精細，模擬結果就越準確，但同時也會增加模擬過程的時間。FDS指導手冊[15]中用于確定網(wǎng)格的公式如下

(6)

(7)

式中D*——火源特征直徑，m；

Q——火源熱釋放速率，kW；

ρ——空氣密度，1.2 kg/m3；

cp—空氣比熱容，1.014 kJ/(kg·K)；

T——環(huán)境溫度，293 K；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

δx——網(wǎng)格尺寸，m。

根據(jù)式(6)、式(7)，火源的熱釋放速率Q=3 MW時，計算得到火源的特征直徑為 1.485 m，取D*/δx=10，則對應的網(wǎng)格尺寸為0.148 5 m。

3 模擬結果及分析

3.1 人員安全疏散時間指標

地鐵車站發(fā)生火災時，人員能否安全疏散至室外涉及到兩個重要的時間參數(shù)，即：安全疏散所需時間和安全疏散可用時間，為了人員能夠安全疏散，則必須滿足安全疏散可用時間>安全疏散所需時間。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)中規(guī)定：當?shù)罔F車站火災發(fā)生時，安全疏散所需時間不應小于6 min。

對于地鐵車站站廳火災，考慮安全的同時為了方便分析，分析過程中取人眼特征高度為1.8 m[8]。參考前人研究成果，地鐵車站發(fā)生火災時，人員安全疏散環(huán)境的評價指標如下：人眼特征高度1.8 m處溫度≤60 ℃，CO濃度<250×10-6，能見度>10 m[16-17]。為了人員安全疏散，必須滿足以上所有條件。

3.2 下排煙口、側排煙口、頂排煙口排煙工況的對比分析

從圖2～圖4可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下溫度均不超過60 ℃；(2)60 s時，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下，溫度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅲ中溫度高于60 ℃的區(qū)域明顯比工況Ⅰ中的少；(3)在6 min內(nèi)，工況Ⅱ和工況Ⅲ的溫度分布狀況差別不大。

圖2 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

圖3 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

圖4 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

從圖5～圖7中可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下能見度均超過10 m；(2)60 s時，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下能見度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅲ中能見度低于10 m的區(qū)域明顯比工況Ⅰ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅲ的能見度分布差別不大。

圖5 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖6 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖7 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

從圖8～圖10可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下CO濃度均不超過250×10-6；(2)隨著時間的推移，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下，CO濃度分布差別不大。

圖8 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

圖9 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

圖10 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

結合圖2～圖10可知：(1)下排煙口、側排煙口、頂排煙口中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的疏散要求；(2)側排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果要好；(3)側排煙口和頂排煙口的排煙效果基本相同。

分析認為：據(jù)鐘委等人的研究成果[18]，排煙口在臨界高度下方時，隨著排煙口高度的提升，機械排煙系統(tǒng)的排煙效率不斷提高；當排煙口在臨界高度上方時，隨著排煙口的提升，機械排煙效率基本不變。同時據(jù)Hinckley等的相關研究[19-20]，經(jīng)計算得知，本文側排煙口、頂排煙口在臨界高度上方，而下排煙口在臨界高度下方。故側排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果好，頂排煙口和側排煙口的排煙效率基本相同。鑒于排煙管頂部開排煙口不便于檢修，故推薦采用側排煙口。

3.3 6個側排煙口、3個側排煙口、12個側排煙口排煙工況的對比分析

由圖3、圖11、圖12可以看出：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下溫度均不超過60 ℃；(2)60 s時，工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況下，溫度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅳ中溫度高于60 ℃的區(qū)域明顯比工況Ⅴ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅳ的溫度分布差別不大。

圖11 工況Ⅳ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

由圖6、圖13、圖14可以看出：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下能見度均超過10 m；(2)60 s時，工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況下能見度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅳ中能見度低于10 m的區(qū)域明顯比工況Ⅴ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅳ的能見度分布差別不大。

圖13 工況Ⅳ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖14 工況Ⅴ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

結合圖3、圖6、圖11～圖14可知：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的疏散要求；(2)6個側排煙口、3個側排煙口比12個側排煙口的排煙效果要好；(3)6個側排煙口和3個側排煙口的排煙效果基本相同。

分析認為：由于著火點位于站廳層公共區(qū)中部，煙氣自著火點上升至頂板后沿著頂板逐漸擴散至站廳層端部，故而在煙氣上升至頂板后，越早的將其排除，煙氣擴散的就越少，越有利于人員的疏散。為了盡早地排除煙氣，站廳層公共區(qū)中部的排煙口總面積就顯得格外重要。而3個側排煙口和6個側排煙口在站廳層中部的排煙口總面積比12個側排煙口要大，3個側排煙口和6個側排煙口在站廳層中部的排煙口總面積基本相當。故3個側排煙口和6個側排煙口相對12個側排煙口，能夠更快的排除站廳層中部的煙氣；且3個側排煙口和6個側排煙口的排煙效率基本相當。

4 結論

模擬分析結果如下。

(1)工況Ⅰ～工況Ⅴ中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的安全疏散要求。

(2)側排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果好，側排煙口和頂排煙口的排煙效果基本相同，鑒于排煙管頂部開排煙口不便于檢修，故推薦采用側排煙口。

(3)6個側排煙口、3個側排煙口比12個側排煙口的排煙效果好，6個側排煙口與3個側排煙口的排煙效果基本相同。

鑒于鄭州市軌道交通1號線二期工程，采用3個側排煙口的排煙方案，顯著地提高了站廳層公共區(qū)的排煙效果，進一步驗證了本文研究成果的正確性與可行性。