城市軌道交通地下車站站臺層設備區消防問題研究

劉蘇敏

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師)

在城市軌道交通地下車站最為常見的格柵吊頂上方常常布置了通信及通風空調系統的許多線路及風管等設施。一旦發生火災，熱煙氣對這些設施工作性能的影響不可忽視。

目前，站臺公共區域設置的火災探測器多為感煙型。文獻[1-2]就點型感煙探測器在地鐵車站的設計及應用進行了數值模擬。文獻[3]研究了實吊頂及不同鏤空率吊頂對煙氣層沉降和溫度分布的影響。文獻[4]研究了地鐵車站格柵吊頂對探測器響應性能的影響。文獻[5]研究懸空式格柵吊頂場所感煙火災探測報警響應。文獻[6]分析了地鐵站臺點型感煙火災探測器的火災響應性能。

本文采用數值模擬方法，在地鐵站臺公共區模擬研究不同格柵鏤空率、格柵方向、格柵間隙條件下對火災煙氣擴散的影響，為格柵吊頂以及感煙型火災探測器的設計提供參考。

1 數值模擬試驗的設計

1.1 數值模擬方法

本文采用FDS(火災場模擬)軟件模擬燃燒時的煙氣流動過程和傳熱過程，重構火災場景，并使結果可視化。

1.2 試驗的模擬空間模型

根據某地下車站的站臺公共區實際數據，設置模擬區域長8.0 m、寬8.0 m、高4.5 m，格柵吊頂至站臺地板的距離為3.0 m，格柵吊頂至站臺頂棚的距離為1.5 m。站臺層區域頂部全設置為鏤空格柵吊頂。

模擬空間模型如圖1所示。由圖1可見，點型感煙探測器貼頂安裝在站臺頂棚(A系列)和格柵吊頂下部(B系列)，且A系列與B系列探測器的安裝位置上下對應。在探測器A0、B0正下方設置功率為236 kW/m2的40 cm×40 cm聚氨酯火源[7-8]。

圖1 模擬空間模型示意圖

1.3 模擬工況

模擬時長均為100 s。根據不同鏤空率、不同格柵間隙及不同格柵寬度設置6個模擬工況，如表1所示。

表1 模擬工況

2 數值模擬試驗結果分析

不同工況下的探測器響應時間如表2所示。

表2 不同工況下的探測器響應時間

2.1 格柵對煙氣上升過程的影響

格柵間隙為2 cm時，不同鏤空率下頂棚處的探測器響應時間模擬結果如圖2所示。

圖2 不同鏤空率下頂棚位置探測器響應時間曲線

14%鏤空率下頂棚與格柵處的探測器響應時間模擬結果如圖3所示。

圖3 頂棚與格柵位置探測器響應時間曲線(鏤空率14%、格柵間隙2 cm)

由表2可見：A系列探測器的響應時間，在鏤空率為14%(工況1及工況2)時最長，在其他鏤空率工況下較短；在工況1中，tA明顯要小于tB；在工況3、工況4、工況5及工況6中，平行于格柵方向的B11和B12探測器未在模擬時間內發出報警。

進一步分析發現：當鏤空率為14%時，在非火源正上方，格柵處的B21探測器最先報警；當鏤空率為50%時，在非火源正上方，頂棚處的A21探測器最先報警，而平行格柵方向的B11和B12探測器甚至不報警。這表明，在格柵距離頂棚位置相同的條件下，鏤空率的大小對煙氣上升至頂棚處有明顯影響，小鏤空率格柵對煙氣的上升有明顯遮擋效果，會直接影響各處探測器的報警時間。

2.2 格柵間隙對煙氣擴散的影響

由表2可以看出，當鏤空率相同時，2 cm和5 cm格柵間隙的相同位置探測器響應時間差別不大。因此，在本試驗中，格柵間隙大小對探測器的響應時間影響不大。

2.3 格柵方向對煙氣擴散的影響

為了便于觀察格柵方向對煙氣擴散的影響，選擇格柵間隙2 cm、鏤空率相差較大的14%和50%比較觀察。鏤空率為14%、50%時，平行格柵間隙方向和垂直格柵間隙方向的煙氣濃度對比如圖4。

圖4 煙氣沿不同方向擴散對比圖

由圖4可以看出：當模擬時長相同時，無論是頂棚還是格柵下方，垂直格柵間隙方向的煙氣擴散距離更長，而平行格柵間隙方向的煙氣擴散距離較短；鏤空率越小，沿不同方向的煙氣擴散距離差距就越明顯。

格柵間隙2 cm以及不同鏤空率下，沿不同格柵方向的B系列探測器響應時間模擬結果如表3所示。

表3 不同格柵方向的B系列探測器響應時間表

由表3可以看出：當鏤空率為14%時，平行格柵間隙方向安裝的格柵處探測器的響應時間明顯長于垂直格柵間隙方向安裝的探測器；當鏤空率為33%及50%時，平行格柵間隙方向安裝的探測器甚至沒有做出響應。這表明，在格柵下方處，煙氣沿著垂直格柵間隙方向更容易擴散。

格柵間隙2 cm以及不同鏤空率下，沿不同格柵方向的A系列探測器響應時間模擬結果如表4所示。從表4中可以看出，與火源水平距離相同時，垂直于格柵間隙方向的探測器的響應時間也要明顯小于平行于格柵間隙方向探測器響應時間。

表4 頂棚位置探測器響應時間表

3 結語

本文通過數值模擬試驗，研究了地鐵站臺層在不同格柵方向、不同格柵鏤空率下的探測器響應時間，并模擬了煙氣擴散過程，得到如下結論：

1) 當鏤空率為14%時，格柵對煙氣上升過程的阻隔作用較為明顯，格柵位置探測器比頂棚位置探測器響應時間要短；而鏤空率為33%和50%時，格柵對煙氣的阻隔作用較小，格柵位置探測器比頂棚位置探測器的響應時間要長，部分格柵位置的探測器甚至在計算時間內未能響應。

2) 與沿平行格柵方向相比，煙氣更易沿著垂直格柵的方向擴散，且格柵鏤空率越小，現象越明顯；對于格柵下方的探測器，垂直格柵方向比平行格柵方向的響應時間明顯要短；而對于頂棚處探測器，垂直格柵方向比平行格柵方向的響應時間要短。

3) 在鏤空率相同時，2 cm與5 cm格柵間隙的相同位置探測器響應時間沒有明顯差距。

根據上述結論，格柵吊頂的鏤空率及格柵方向對煙氣擴散都會產生一定的影響，進而影響火災探測器的響應時間。因此，建議在地鐵站臺、站廳層中有格柵吊頂的區域安裝點型感煙火災探測器或者其它感煙型火災探測器時，需結合格柵鏤空率、平行與垂直格柵間隔的方向上煙氣的擴散速度，以及相關標準規范的要求，安裝適量探測器。必要時可將探測器同時設置在吊頂上方和下方，也可通過實體試驗來確定具體安裝位置，以提高感煙火災探測器的探測效果。