高速列车火灾热释放速率计算方法研究

李智国， 厉志强， 刘伟明

(中车青岛四方股份机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266000)

中国高速铁路是目前世界上最大规模的高速铁路网，始建设于2004年，至今总里程2.2万km, 到2020年中国速度在200 km/h以上的高速铁路里程将会超过3万km。同时中国的高铁正在走出国门，参与了多个国家项目的竞标，如美国 、俄罗斯、 印尼等。为了提升高速列车的竞争力，列车的消防安全性能越来越被重视。这其中热释放速率便是列车消防安全设计指标中非常重要的一个参数，由于列车的热释放速率参数标准与列车构造、材料属性等因素有关，目前在国际上虽然对此有很多研究，但影响因素较为复杂，对此设计参数并未有统一的设计标准。

在20世纪， 国内外的铁路基础建设发展迅速，为了隧道工程、列车站台建筑的火灾安全，于是在其内部设计了排烟系统。根据火灾工程原理，排烟系统设计中关键的参数之一便是火灾热释放速率， 烟气的产生量与热释放速率有直接的关系。在这期间国内外的火灾工程专家为了保证列车建设的基础设施(隧道、站台等)的安全，对列车热释放速率进行了的广泛的研究。为了保证在这些基础设施上运营的列车可符合其列车热释放速率的要求，本文将从列车设计、制造角度出发分析研究列车热释放速率，分析采用哪种合适的方法来说明列车的热释放速率特性，以表明列车的安全性能与基础设施的设计有完善的衔接，保证整体安全。

1 列车火灾热释放速率参数的意义及影响

热释放速率指的是单位时间内的热释放量， 这个参数除了在上面简单提及对排烟的设计影响外，主要对以下的几方面设计有影响：

1.1 引导人员安全及救援设计

人员在火灾情况下是否能安全疏散与列车的热释放速率有很大关系，火灾产生的高温、烟气浓度等直接影响人员安全疏散环境的因素，因此对列车隧道、站台及列车内部的的疏散系统设计(疏散门、安全救援点)等具有指导意义。

1.2 引导排烟系统的设计

根据火灾工程原理，排烟系统的设计中关键的参数之一便是火灾热释放速率， 烟气的产生量与热释放速率有直接的关系。热释放速率直接关系到排烟量的设计，排烟风机的选型等。

1.3 引导结构耐火设计

列车的隧道、桥梁、站台等结构设计常常比较复杂，火灾情况下尤为甚之，其结构的力学性能与平常设计情况下有区别，所以热释放速率的确定对结构耐火设计也有很大的意义。

1.4 引导设备的耐高温设计

在列车运行的基础设施中隧道、站台等很多设备是需要在火灾情况下仍然保持其运行能力，列车内部的设备也会有同样的要求。 研究清楚列车的热释放速率对列车这些设备的耐高温作业设计有着很大的指导作用。

可见高速列车热释放速率的研究对工程设计多方面都很有意义。

2 列车火灾热释放速率研究方法

国内外对乘客列车的热释放速率做了很多的研究，研究方法主要可分为以下几类：

2.1 理论模型—平均热释放速率计算方法Average HRR Calculation

在此方法中，对车厢内外所有的可燃材料的热值进行计算。方法中将火灾发展分成若干个阶段，在每个时间内认为的热释放速率是一定的，热释放速率需假设燃烧时间及燃烧效率，某时间段内的热释放速率可由以下公式计算获得：

Q=ηH/t

其中，Q为热释放速率(MW)；η为燃烧效率；H为总的热值(MJ)。

为了使其更加能反应的火灾热释放速率曲线，此方法中会对各个时间阶段消耗的总热量进行理论分配，通过一系列的理论假设得出车厢的火灾规模。KCRC香港铁路公司在其中项目中便利用了此方法对列车的火灾热释放速率进行计算。

2.2 试验数据结合理论模型

2.2.1Duggan方法

Gary J Duggan方法认为当火灾发展到轰燃阶段时火灾热释放速率达到其峰值，所以研究轰燃阶段的火灾热释放速率是列车火灾热释放速率计算的最不利场景。

在此方法中利用锥形量热仪测得列车内各种非金属材料不同平面材料单位面积内热释放速率随时间变化的曲线。部件或某平面的总热释放速率为单位面积热释放速率乘以面积。对每个部件或平面的热释放速率叠加后可以得出车厢内总的热释放速率。为了使总的热释放曲线更符合实际情况，会对曲线进行平滑处理，处理后的曲线认定为列车车厢的热释放速率曲线。

其中香港的多条地铁线的列车火灾功率由Gary J Duggan 提出的计算方法确定。此种计算方法假设了车厢内设有0.5 MW的行李火以引燃车厢。同时获取列车车厢内暴露在火灾下的平面及部件的材料种类及其面积，用锥形量热仪测出不同材料的热释放速率。图1为机场快线列车车厢的热释放速率曲线。

图1 机场快线列车车厢的热释放速率曲线

由于Duggan方法假设车厢内所有的可燃材料同时着火，但实际情况中车内的可燃材料会逐步被引燃，至轰然阶段时才会使所有的可燃物都着火。所以在起火的初始阶段，实际火灾的功率会比Duggan方法获得的火灾功率小。 Duggan方法还有一个不足之处是在计算车厢火灾的时只考虑了车厢内部的可燃物，但没有考虑车厢底部的设备。所以这种方法只能确定车厢内部的火灾功率。

2.2.2CSIRO方法

CSIRO (Common wealth Scientific& Industrial Research Organization (Australia)) 曾对已有的列车车厢进行火灾规模分析研究。其采用的方法与Duggan确定火灾规模的方法类似，即采用锥形量热仪测得车内不同材料单位面积的热释放速率，再乘以材料面积确定材料的热释放速率，车厢内部所有材料总的热释放速率为各种材料热释放速率的叠加。但有别于Duggan 方法，此方法中对于车厢内较大的部件如座椅，则采用家具锥形量热仪测量单个座椅的热释放速率，所有座椅的热释放速率即为单个座椅的热释放速率乘以座位数，同时CSIRO在计算列车火灾功率时也考虑了列车车厢底部的可燃物。 CSIRO方法中同时还认为列车发生火灾后， 并不是所有可燃物马上全部参与燃烧，而是按照一定速率蔓延，逐步至列车车厢内轰然。

试验数据结合理论计算的方法中各种较为全面地考虑了列车内部各种非金属材料的热释放速率， 较理论模型可真实的反应列车的设计情况。 同时本方法的成本对于列车制造商而言并不是很高，具有可操作性，值得注意的是本方法中在理论计算部分还是设置了若干的理论假设条件，其于实际情况的符合性还有待进一步研究分析。

CSIRO计算方法中火灾蔓延的顺序是假设的，呈现了火灾情况下的火灾发展及可能发生的事件。基于假设的事件顺序可获得热释放速率曲线。列车车厢总的热释放速率包含的不同场景下的热释放速率曲线。图2为其中某场景的火灾热释放速率曲线图。

图2 火灾热释放速率曲线图

CSIRO方法中计算车厢的热释放速率需要获取每种材料的火灾特性及热释放速率，及可燃材料的具体尺寸或数量。CSIRO方法中车厢总的热释放速率还考虑了车厢底部可燃物，但在CSIRO的方法中其火灾的蔓延速率是假设的，其真实性还有待更多的研究确定。

2.3 计算机CFD模拟

目前国内外学者也有采用CFD软件FDS对列车的热释放速率进行计算机模拟。计算机可以比较方便分析各种变量对列车热释放速率的影响。国内Jun-min Chen 等对动车的一等车厢、二等车厢和餐车进行了FDS 的模拟得出在不同场景下一节车厢的热释放速率范围为1.89～18.40 MW。加拿大George Hadjisophocleous 等在他们的科研项目中研究了对列车车厢的火灾，利用FDS和实际试验分别研究列车在隧道内的火灾特性，在他们的FDS中一节列车车厢的火灾功率约为25～40 MW。同时在研究中指出计算机模拟时材料的属性输入对结果影响很大。

利用计算机模拟的方法是一种计算列车火灾热释放速率比较方便的方法，因其可重复性，用这种方法分析列车热释放速率的影响因素很有效。但其计算结果很大程度依赖操研究者的输入，研究人员需要掌握充分的列车材料热学基础数据才会得到比较符合实际情况的结果。同时在研究中发现计算机模型中无法反应材料经过阻燃处理后的火灾特性。

2.4 全尺寸模型

随着学术界对列车火灾安全的重视，国际上也有对列车进行全尺寸的试验。比较具有代表性的是1994年开展了EU 499 FIRETUN 项目，其中Haukur Ingaon等人开展了BRANDFORSK 723-924 的子项目，根据氧耗原理在隧道内对多种交通工具进行了热释放速率全尺寸的试验。其中乘客列车的热释放速率14 MW[9]。499 FIRETUN 项目中同样对德国的不同列车进行了全尺寸试验， 其中的快速列车(EXPRESS Railway)最大热释放速率为19 MW , 城际列车(German Intercity Passenger Railway)为13 MW 。George Hadjisophocleous等在2012年也对多种列车进行了全尺寸试验，其中沙发列车(coach train)的最大热释放速率为32 MW。由于全尺寸试验的成本很高，每一次的试验都是毁灭性的，不具有可重复性， 同时对场地及试验设备的要求较为苛刻，因此全球范围内对列车进行全尺寸试验进行列车热释放速率研究的个案很少。

3 影响因素分析

总结上文中提到列车热释放速率研究文献发现，影响列车热释放速率的因素有很多，主要为以下几类：

(1) 列车的可燃物。列车的可燃物热量总值、火灾蔓延能力等都直接影响最终列车的最大热释放速率的结果。如地铁列车内由于座椅等采用的是一些不燃材料，其热释放速率较软座列车的热释放速率就会小。列车的可燃内装饰材料、电器材料等参与燃烧后也会增大列车的热释放速率。

(2) 起火源。在研究文献中发现，起火源热值不同也会对列车的整车的热释放速率有影响。若起火源的能量太小，列车内部不会造成火势的蔓延，起火源大则会加大列车的热释放速率。 除了起火源的能量， 起火位置不同也会对火灾在列车内的蔓延会有影响，蔓延情况不同从而导致整车的列车热释放速率结果不同。

(3) 开口状况。上文提到的列车火灾热释放速率研究有很大一部分是结合隧道进行研究， 其中许多的试验都分析了开口状况对列车火灾速率的影响，包括隧道的通风状况和列车的车厢开口状况。因为列车的空间较小，很容易是通风控制型火灾，即由火灾发生过程中的通风状况决定火灾的发展，因此列车发生火灾门的开启状态、窗户和玻璃的破坏时间都会对热释放试验结果有很大的影响。

(4) 结构耐火。列车因为结构的分隔被分隔成了不同的区域，若没有外界的灭火干预，不同区域的可燃物会先后参与列车的火灾燃烧，因此结构的耐火性能直接影响到火灾在不同空间的蔓延，从而也将影响列车热释放速率的最终输出结果。如列车的车厢底部发生火灾时，火灾在一定时间内只在列车底部进行，但随着时间发展，一旦车厢底部的结构耐火性能失效，火即向车厢内部蔓延，列车内部的可燃物就会参与燃烧。 所以这些不同空间的可燃物以一个什么样的时间顺序参与燃烧，贡献其热量值，会对列车的热释放速率峰值产生很大的影响。

4 小 结

因为目前有对列车热释放速率的设计要求，本文总结分析了几种列车热释放速率的方法，其各有利弊，但从实际可操作性和科学性角度，认为试验结合理论分析同时附以计算机模拟分析方法是一种合理并经济的方法。尤其从列车制造商角度，为了满足安全设计的需求，有必要采用科学论证的方法来展示列车的消防安全性能，同时此方法也不会有巨额的成本。

为了控制列车的热释放速率，全球范围内并没有一个完善的理论体系来说明，国内对其的基础理论研究也甚少，但从各种科学研究中可发现影响其结果的主要为文中分析的几个因素。因此作为列车设计制造商，可从这些影响因素入手对列车的总热释放速率进行控制和修正。

[1] Ricky Carbel. A review of tunnel fire research from Edinburgh[J]. Fire Safety, 2016(5):37-38.

[2] Jun-min Chen. Comparative Study on Heat Release Rate of High-speed Passenger Train Compartments[J]. Procedia Engineering. 2014(71):107-113.

[3] George Hadjisophocleou, Fire Development and Spread in Rail Tunnel. Seventh International Symposium on Tunnel Safety and Security[C]. Montréal, Canada, March 16-18, 2016.

[4] Haukur Ingason. Heat Release Rate Measurement in Tunnel Fires[C]. Fire Technology SP REPORT 1994.

[5] George Hadjisophocleou, Full-scale Experiments for Heat Release Rate Measurements of Rail car fire[C]. Fifth International Symposium on Tunnel Safety and Security, New York, USA, March 14-16, 2012.