地铁浅埋半地下车站自然通风与排烟方案研究

孙超

1 城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室2 中国铁路设计集团有限公司

0 引言

近年来，地铁逐渐成为居民日常出行的常用交通工具，地铁车站是相对封闭的地下空间，车站在运营中一旦发生火灾等紧急情况，人员救援和疏散都较为困难，特别是地下车站，建筑结构形式较为特殊，如不采取有效措施进行通风排烟，将造成严重后果。

目前针对地铁项目地下空间区域的通风排烟方案，以地铁浅埋区间隧道自然通风排烟为主[1-2]，而对浅埋车站地下公共区自然通风排烟方案无可参考的类似工程先例。本文结合巴基斯坦拉合尔轨道交通橙线项目某浅埋半地下车站的实际特点，经方案比选，提出车站站台公共区采用自然通风与自然排烟的方案，并对方案的效果进行了模拟分析。

1 工程概况

巴基斯坦拉合尔轨道交通橙线项目某车站（以下简称车站）为二层结构形式，站厅层位于地面层，站台层位于地下一层，站台层形式为典型的侧式站台，考虑到站台层采用自然通风与自然排烟需开孔与地面相通，经过与相关专业配合，形成站厅层一分为二，分布于车站两侧的车站形式，如图1 所示。车站建筑面积约7500 m2，其中左端站厅公共区面积1020 m2，右端站厅公共区面积940 m2，上行线、下行线站台公共区面积各550 m2。车站站厅层净高5.6 m，站台层净高5.3 m，局部净高6 m。车站地下部分埋深较浅，覆土埋深0.5 m 左右。车站两端风井出地面处分别设置活塞/机械风亭2 座，排风亭2 座，新风亭1 座。

图1 车站结构示意图

2 车站通风排烟方案分析

针对类似形式的地下车站公共区，目前环控系统常规的通风排烟方案为：对于地面层，采用自然通风与自然排烟模式。对于地下层，采用机械通风与机械排烟模式[3]。

本车站站厅层分居车站左右两端，采用常规自然通风与自然排烟方案。站台层位于地面以下，可考虑采用常规机械通风排烟方案。同时由于站台层中间区域上方为地面且无建筑物，此范围内有在地面开排烟孔的条件，因此可以考虑对地下站台层公共区采用自然通风及自然排烟的方案。以下将对上述两种通风与排烟方案应用在本车站的可行性和适用性进行比较分析。

2.1 机械通风及机械排烟方案

夏季工况时，站台层公共区采用变制冷剂流量多联机空调系统，在公共区设置多联机空调室内机，在地面设置室外机。站台层每端各设置一台风量为1200 m3/h 的新风处理机组，提供夏季工况站台公共区的新风量，新风机组室外机设置于地面。在站台两端的环控机房分别设置一台风量为16050 m3/h 的送、排风机，用于过渡季节通风。

如图2 所示，阴影区域为站台层公共区防烟分区一和防烟分区二，面积均为550 m2，每个防烟分区计算排烟量为33000 m3/h，车站左右两端各设置一台风量为39600 m3/h 的排烟风机，与过渡季节送排风机共用公共区管路。

图2 站台层防烟分区示意图

2.2 自然通风及自然排烟方案

经过与相关专业配合，把站厅层一分为二，分别设置于左右两端，在站台层中间区域上方设置自然排烟天窗。如图3 为站台层自然通风排烟天窗平剖面示意图，左、右线两侧站台分别设置8 个天窗，可根据不同模式电动开启和关闭。天窗尺寸为2300 mm×1800 mm，面积为4.14 m2，共16 个，天窗最大开启角度为80°。

图3 站台层自然通风排烟天窗示意图

车站站台层公共区夏季采用变制冷剂流量多联机空调系统，在公共区设置多联机空调室内机。夏季工况时，利用每端各一台风量为1200 m3/h 的新风处理机组为公共区提供新风量，自然通风排烟天窗处于关闭状态。过渡季节时站台层开启通风天窗自然通风，实现节能运行。考虑到自然通风方案易受外界气温、风速等不确定性因素的影响，可根据站台公共区的温度，湿度和CO2浓度测点监测值控制夏季工况与过渡季工况的转换。

当站台层公共区发生火灾时，控制电动开启自然通风排烟天窗，实现站台层自然排烟。根据《全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调·动力》（2009 版）4.9.6 条内容，当天窗开启角度大于70°时，排烟净面积可按天窗面积计算。由此可计算出，排烟天窗面积为站台层公共区面积的6%，符合规范要求。

由上所述，将两种方案进行对比，如表1 所示。

表1 机械通风排烟与自然通风排烟方案对比表

由表1 可知，自然通风排烟方案所需机房面积小，可节省土建及设备投资，降低后期运营维护成本。而机械通风排烟方案设备费用较高，所需机房面积大，且公共区管线布置复杂。综上对比分析，本工程地下单层车站公共区确定采用自然通风排烟方案。

3 车站自然通风及自然排烟方案模拟计算

3.1 自然通风工况模拟计算

针对车站过渡季节站台层利用通风天窗自然通风工况，根据自然通风相关公式[4-5]及Fluent 软件，对车站进行三维流场稳态计算。车站内部空间以六面体网格为基础进行网格划分。站厅外门外窗、站台通风窗等设置为outlet-vent 边界，闸机、人员、广告牌、照明等发热量设置为wall 边界。

经计算，随着室外温度升高，室内外温差上升约0.23 ℃，为平均温差的6.5%。通风量略下降约1.15 kg/s，为平均换气量的4.7%，可认为基本不变。当车站采用自然通风时，可维持室内、外温差维持在3.5 ℃左右，室外温度与室内平均温度呈线性关系。通过自然通风产生的通风换气量约108000 m3/h。该风量可满足3600 人的新风要求，远大于高峰时段车站内客流人数。在室外温度低于22 ℃时，采用自然通风可满足室内公共区温度与人员新风量的要求。

3.2 自然排烟工况模拟计算

本次模拟火灾规模取2.5 MW，燃烧物为行李[6]，位于站台层中部。本次拟研究火灾发生并发展至稳定的过程，故应选用非稳态火灾。结合模型，车站采用0.25 m×0.25 m×0.25 m 的网格。车站两个出入口及站厅层通风窗设置为自由边界，环境温度取夏季通风室外计算温度39.3 ℃。本次模拟采用FDS 默认的聚氨酯材料烟气生成量[7]。

根据《地铁设计规范》（GB 50157-2013）28.2.11 的规定，可认为6 min 时全部乘客已疏散完毕[8]，由此确定排烟工况模拟时间取360 s 即可。经模拟计算，站台层烟气示意图如图4 所示。

图4 站台层烟气示意图

由图5 可知，站台层火灾工况下，人员疏散高度处温度未超过60 ℃，满足人员疏散高度温度的要求，高温气体经由排烟窗直接排至室外，站台层60 ℃以上高温气体范围仅存在于火源周围至上方两个排烟窗附近，满足人员疏散高度温度的要求[9]。火灾产生的烟气集中于火源上方两个排烟窗附近，烟气由上方排烟窗排至室外，人员疏散处环境能见度大于10 m。

图5 站台层360 s 时刻温度云图

根据在站台设置的CO 浓度测点计算结果可知，站台层火灾工况时，人员疏散高度CO 浓度未超过450 ppm，满足疏散时人体的耐受要求[10]。除火源附近的测点外，几乎未监测到环境中有CO。

综上所述站台层火灾工况采用自然排烟从环境温度、能见度、CO 浓度等各个方面，均可满足人员疏散要求。

4 结论

1）针对浅埋半地下车站，通过方案对比分析，机械通风及机械排烟方案设备费用较高，所需机房面积大，且公共区管线布置复杂。自然通风及自然排烟方案所需机房面积小，可节省土建和设备投资，降低后期运营维护成本。本文结合车站形式，地面条件及经济性综合分析，站台层公共区采用自然通风及自然排烟作为最终方案。

2）通过自然通风计算及模拟，过渡季节站台层采用天窗自然通风，在室外温度低于22 ℃时，可满足室内公共区温度与人员新风量的要求。由于自然通风方案易受外界环境及室内负荷大小的影响，从而影响自然通风效果，当站台公共区的温湿度、CO2浓度达不到设计要求时，可控制系统对夏季工况与过渡季工况进行转换。

3）通过自然排烟模拟，站台层火灾时采用自然排烟方案从环境温度、能见度、CO 浓度等方面可满足疏散要求。

4）本文结合工程实际对具有地面开孔条件的地下车站站台采用自然通风与自然排烟方案，可以为类似工程的设计提供参考和借鉴。