消防水炮對高鐵站候車廳火災煙氣流動規律影響研究

顧 滿

(上海富士特消防安全咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

一般來講，大空間建筑是指空間高大、單層面積大、跨度大、缺少或無設置實體分隔的建筑[1]。近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，人口密度和流動性不斷增加，城市之間的交往日益密切，高鐵站候車廳、機場航站樓等大空間建筑逐漸增多。但由于建筑結構和使用功能的限制，傳統規范已經不適用于劃分這類空間的防火、防煙分區。此外，高鐵站作為交通樞紐，建筑內人流量大、建筑結構復雜，內部設施多，存在大量易燃或可燃物，一旦發生火災，極易造成嚴重的人員傷害，對社會造成不良影響[2]。

消防水炮是指以水為噴射介質，以射流形式噴射，流量大于16 L/s的滅火裝置[3]。按其固定方式，可以分為固定式消防水炮和移動式消防水炮[4]。固定式消防水炮因其流量大、射程遠、沖擊力大、定位準等特點，多被用在保護面積大、火災危險性高、熱輻射強等重點防火區域[4]。

大空間建筑由于建筑結構和功能的特殊性，火災往往具有難探測、快蔓延、難疏散等特點[5]，以往自動噴淋系統的噴水滅火效果不能滿足消防安全的需求，而流量大、射程遠的消防水炮便成為大空間建筑的主要應用設備。因此，對作為大空間建筑滅火重要工具的消防炮進行研究，有著較強的實用價值和現實意義[6]。

1 水滅火系統設計

水滅火系統主要包括室內外消火栓系統、自動噴水滅火系統和水噴霧滅火系統等。但由于高鐵站屬于大空間建筑，且建筑結構復雜，人員密集，常用水噴霧滅火系統無法滿足消防安全的需求，而消防炮滅火系統具有保護半徑大、管線簡單、火場穿透力強、不易霧化等優點[6-7]。因此，該高鐵站水滅火系統設計主要包括室內外消火栓系統、自動噴水滅火系統、固定消防水炮自動滅火系統，具體設計情況如下。

1)室外消防管網與生活用水管網共用。基本站臺、站房周圍架空層和旅客活動平臺布設消火栓，室內采用臨時高壓制消火栓滅火給水系統，屋面設置消防水箱。

2)除了不能用水保護的設備用房、設置固定消防水炮的房間、面積小于5 m2的衛生間外，其余場所均設置自動噴水滅火系統。

3)對于房間凈高超過12 m的站房集散廳、商業夾層、二層候車室及旅客服務等場所，設置固定消防水炮系統。

2 FDS模型建立及場景設定

2.1 FDS軟件簡介

火災動力學模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于場模擬的火災模擬軟件，主要采用先進的大渦模擬技術或直接數值模擬兩種方法來模擬火災場景中流體動力學、傳熱學、燃燒學、火災動力學、熱力學等基本問題。它主要是對描述一組低速流動的煙霧和傳熱的Navier-Stokes方程進行數值求解。FDS不僅能模擬溫度場的分布，也能模擬碳煙粒子、一氧化碳和能見度等參數的變化情況。

2.2 FDS模型建立

依據該高鐵站站房工程的各項設計資料、技術文件及平、剖面圖紙建立FDS全尺寸模型。其中，站房一層標高+0.0 m，站房二層標高+8.2 m。站房二層東西兩側局部設置商業夾層，夾層底部標高+13.20 m。圖1是站房FDS模擬仿真模型。

圖1 某高鐵站FDS全尺寸模型

2.3 場景設定

2.3.1 火災場景設定

火災場景的設置會直接影響火災發生時煙氣的蔓延[8]，本文模擬了消防水泡失效和消防水泡有效兩種工況，分析了兩種工況下煙氣流動和環境參數變化情況，其中環境參數主要包括CO濃度、CO2濃度和能見度，通過觀察這些參數在某一指定平面上的變化情況來確定危險區域的大小變化情況。

2.3.2 火源功率

本模擬中，多功能候車座椅是模擬的火災來源，布置在站房二層左右兩側候車廳，各4組，每組設置2排，每排12臺，共192臺。單個座椅著火時的最大熱釋放速率為156.02 kW，當整組多功能候車座椅均處于充分燃燒階段時，最大熱釋放速率為24×156.02 kW=3 754 kW，消防水炮有效時在180 s內正常啟動，并且及時有效地控制了火災發展，共有11個座椅發生燃燒。

3 結果分析

3.1 煙氣流動分析

圖2為消防水炮系統失效和有效時火災發生后煙氣發展蔓延的過程。可以看出，火災發生后，煙氣在浮力的作用下逐漸上升并不斷卷吸周圍的冷空氣，羽流向上運動總的質量不斷增加。當羽流受到房間頂棚的阻擋后，便以同心圓的形狀在頂棚下方向擴散開來，在向外擴展的過程中，也要不斷卷吸其下方的冷空氣，煙氣層厚度逐漸增加。隨著火源功率逐漸增加到最大，煙氣層的發展逐漸趨于穩定，形成穩定的熱煙氣層在房間頂部。

圖2 消防水炮失效、有效時煙氣蔓延分布示意圖

對比消防水炮失效和有效兩種場景煙氣蔓延分布圖，可以發現，相對于消防水炮失效的場景，消防水炮有效時可顯著降低環境中煙氣的濃度。此外，消防水炮失效時，煙氣流動由于不會受到水炮的制約，熱煙氣在空間內可迅速傳播，上層煙氣層和下層空氣有明顯的界面，顯示了煙氣在空間內呈分層狀態。

3.2 CO濃度分析

圖3為消防水炮失效、有效時，距站房二層地面3.0 m高度處與距商業夾層地面2.0 m處CO濃度分布。

圖3 消防水炮失效、有效時不同切片位置CO分布示意圖

觀察圖3可以看出，候車廳CO的濃度隨著火災發生時間的增加，由最初的只在火源附近濃度較高發展到逐漸充滿整個候車廳，且建筑右側部分CO濃度高于左側。對比發現，消防水炮有效，可降低CO對人員安全疏散的影響；若消防水炮失效時，距站房二層地面3.0 m高度處在764.3 s時、距商業夾層地面2.0 m處在567.4 s時，CO濃度達到了影響人員安全疏散的設定條件(255 mg/L)。而當水炮系統有效時，除著火的多功能候車座椅附近，上述兩處的CO在1 200 s內始終保持在225 mg/L以下。

3.3 能見度分析

能見度是指視力正常的人能將目標物從背景中識別出來的最遠距離，由于高溫煙氣中存在大量懸浮微粒，這些微粒使環境中的能見度降低，從而影響人員的疏散[9]。圖4是消防水炮失效、有效時不同切片處能見度分布情況。

觀察圖4可以看到，總體上能見度隨著火災發生時間的增加而逐漸降低，火災發生初期，低能見度主要存在于火源附近和建筑內某些角落中，且站房二層3.0 m處的能見度略高于商業夾層2.0 m處。對比兩種場景可以看出，水炮系統有效時，除火源附近區域外，整個候車廳的能見度始終處于較高水平，這表明水炮可有效改善火災環境中人員的能見度。

4 結語

本文以某高鐵站候車廳為背景，采用FDS模擬的方法研究了消防水炮失效、有效兩種火災場景下候車廳火災煙氣流動、CO濃度和能見度的變化情況。模擬結果表明：消防水炮系統有效時，環境中煙氣濃度、煙氣蔓延速度、CO濃度均降低，而能見度增加。

圖4 消防水炮失效、有效時不同切片位置能見度示意圖