喷淋和排烟系统对地铁站台火灾的影响研究

彭溢悦 秦华礼

(东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110819)

0 引言

地铁站普遍建于繁华区域的地下，一旦发生火灾，短时间内容易造成大量烟气聚集，同时高温、热辐射以及产生的有毒气体会对人员和设备造成较大影响，尤其是火源顶部最易受到高温和热辐射的破坏，给灾后重建和修复造成很大阻碍。地铁灭火设施中使用较多的有自动喷水灭火系统(即喷淋系统)和排烟系统。我国《地铁设计防火标准》中明确规定了站内排烟系统的排烟量标准；自动喷水灭火系统可以有效扑灭初期火灾，因此也得到广泛的使用。

自地下轨道投入使用以来，国内外曾发生多次地铁事故，学者们针对地铁火灾展开了大量的研究，主要方法有小尺寸试验和数值模拟。钟茂华等[1-3]建立了1∶10的小尺寸试验模型，对不同换乘形式车站进行火灾场景模拟和危险参数测量；TEODOSIU C I等[4]分析了不同的通风模式对人员疏散的影响；朱常琳等[5]采用FDS数值模拟，研究了车厢内部着火时不同的排烟道高度、排烟风速、排烟口开启个数对隧道内烟气控制的影响，同时综合考虑了排烟效果和挖掘成本；程学庆等[6]对地铁屏蔽门夹人事故进行了分析，提出对红外探测系统和警示灯进行改进以减少事故；ROH J S等[7]通过火灾逃生模拟，评估了地铁屏蔽门及通风在地铁火灾中对人员疏散的影响，在地铁列车发生火灾时，屏蔽门使乘客的逃生时间多出约350 s；王暨璇等[8]研究了地铁站火灾工况下风口相对风管位置设置和风口尺寸对地铁站厅层火灾烟气流动的影响,得到风口位置位于风管上部的效果优于侧部和下部的，通风量一定时,不同风口面积对烟气流动影响较小;丁谢镔等[9]通过对某场所火灾中CO浓度变化情况进行数值模拟分析，对各项改进措施的改善程度进行比较，结果表明，CO浓度超标是造成人员大量伤亡的主要原因，在室内设置自动水喷淋系统也能对火灾起到较好的抑制作用。在关于地铁火灾时喷淋和排烟系统等防火设施对站台的影响方面，相关文献较缺乏。地铁站站台高度一般在4～5 m，在站台顶棚下方要布置大量的设备如排烟管道、送风管道、照明设备等，一旦地铁站内发生火灾，高温烟气就可能对顶棚下方的各种设备造成破坏。如果火源功率较大，火焰甚至会直接灼烧到站台顶棚，对站台的结构产生破坏性影响，因此研究火灾时顶棚的温度十分必要。笔者以沈阳某新建地下二层岛式车站为原型，基于FDS数值模拟方法建立等比例模型，分析在不同火源位置下，喷淋和排烟系统的开启对火灾发生时站台顶棚和2 m高度处的影响，为地铁站防火措施及火灾时人员疏散方案提供参考。

1 构建几何模型

以沈阳某新建地铁站为例，该站为标准地下二层岛式车站，站台层高度为4.7 m，长度为120 m，宽度为12 m，两侧隧道宽度各为4 m；站厅层高度为5.3 m，长度为120 m，宽度为20 m；站台至站厅之间有3组楼梯，包括两侧2部上行自动扶梯、2部楼梯，中部设有1部楼梯。根据《地铁设计防火标准》要求，火灾时运行方向与人员疏散方向一致的扶梯可以兼做疏散用，且同一组扶梯和楼梯坡度相同，模拟时将扶梯简化为楼梯；车站公共区共划分为2个防火分区，其中站厅层和站台层各为1个防火分区，每个防火分区划分为2个防烟分区，站厅层至地面有4个出入口通道；站台层公共区的楼、扶梯口周围设有挡烟垂帘，垂帘高度为0.5 m。

2 模型设置

2.1 火源设置

根据《地铁设计防火标准》要求，车站公共区小型火灾火源功率为1.0～2.5 MW，如行李或小型商铺的火灾，模拟场景考虑燃烧物主要为乘客行李，由木材、尼龙、泡沫塑料等组成，考虑有乘客携带较多或较大行李的情况，火源功率取2.5 MW；站台火灾较站厅火灾危险性更大、人员逃生更困难，火源位置分别取距站台左侧端部15 m处和中部楼梯与右侧楼梯的中点处，如图1所示，火源范围为1 m×1 m，反应为聚氨酯燃烧反应[10]。

图1 模型示意

2.2 网格设置

网格是FDS的最小计算单位，网格的大小决定了模拟的精度和时间，网格划分按照FDS用户指导手册中的计算方法得到火灾特征直径，再根据火灾特征直径选定网格大小，计算得到火源特征直径为1.38 m。研究表明，火灾特征直径与网格尺寸的比值建议在4～16。参考WENG M C等[11]对网格精度验证计算的结果，采用多网格划分方法，火源周围网格尺寸取0.2 m×0.2 m×0.2 m，其余部分网格尺寸取0.5 m×0.5 m×0.5 m。

式中，D*为火灾特征直径，m；Q为火源热释放速率，kW；CP为环境空气比热容，1.014 kJ/(kg·K)；ρ∞为环境空气密度，1.2 kg/m3；T为环境温度，293 K；g为重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 其他条件设置

根据《建筑防烟排烟系统技术标准》[12]要求，建筑空间净高≤6 m的场所，其排烟量应按不小于60 m3/(h·m2)设置，因此车站总排烟量取4 800 m3/min，站台层和站厅层顶部分布两排排烟口，每个排烟口相距6 m，排烟口面积设为1 m×1 m。根据《自动喷水灭火系统设计规范》[13]要求，自动喷水灭火系统的喷头启动温度为74 ℃，喷头之间按边长为3 m的正方形布置。

2.4 模拟工况设计

模拟火灾发生时，隧道轨顶排烟关闭，开启站厅层排烟，出入口和楼梯口设置自然通风，考虑在不同火灾位置下，喷淋系统有效和失效、站台排烟系统开启和关闭8种不同组合的工况，具体设计如表1所示，模拟时间为6 min。

表1 工况设置

3 模拟结果分析

3.1 温度场分析

不同工况下测得的温度和距离的关系如图2、图3所示。由图可知，随着与火源距离的增加，温度降低，在近火源侧温度下降迅速，远火源侧温度下降缓慢。喷淋系统对顶棚处的降温效果最好，可降低近100 ℃，楼梯口4.7 m高处温度明显低于周围，这是由于楼梯口处存在向下气流，且不易聚集烟气，导致温度较周围的低。顶棚处的温度总是高于2 m高度处的，原因是火灾发生时，向上的火羽流受到顶棚阻挡后会向水平方向流动，同时向四周扩散。火源在位置1时，站台层最高温度为180 ℃；火源在位置2时，站台层最高温度接近350 ℃。

图2 火源在位置1时站台层温度分布

图3 火源在位置2时站台层温度分布

3.2 CO浓度分析

不同工况下测得CO体积分数与火源距离的关系如图4、图5所示。由图可知，楼梯口处CO体积分数波动比较明显，普遍较周围的低，原因是在楼梯口位置有站厅层补风，且烟气易扩散至站厅层难以聚集，从而导致CO体积分数比非楼梯口处的低。火源在中部时产生的CO体积分数最高接近0.15%，在端部时产生的CO体积分数最高接近0.09%。在排烟系统开启时CO浓度较低，这是因为排烟系统在排出烟气的同时带走了CO，对减少CO浓度起到主要作用，而喷淋系统对改善CO浓度效果不明显。

图4 火源在位置1时站台层CO体积分数分布

图5 火源在位置2时站台层CO体积分数分布

3.3 热辐射通量分析

火灾产生的强烈热辐射会对周围人员和设备造成损害，研究不同情况下的热辐射通量变化，可为减少灾害造成的损坏提供参考。热辐射对人员和设备造成伤害的准则如表2所示[14]。

表2 热辐射伤害准则

不同工况下，火源正上方高处热通量差异较大，热通量与火源距离关系如图6、图7所示。由图可知，火源在位置1时，工况4热通量最高；火源在位置2时，工况8热通量最高，工况5热通量最低。热通量相差较大的原因是受不同位置周围的影响，烟气的运动和聚积方式不同而形成差异。

3.4 能见度分析

各工况火源所在纵剖面能见度如图8、图9所示。360 s时在4种工况下，火源周围的能见度都为0 m。楼梯在一定程度上可以阻碍烟气的扩散，离火源较近的一侧能见度明显小于另一侧。排烟口开启对能见度的改善效果较好，喷淋对能见度的影响不明显。火源在位置2时烟气扩散范围比在位置1时更广。

图6 热辐射通量与火源距离关系(工况1～4)

图7 热辐射通量与火源距离关系(工况5～8)

图8 火源在位置1时站台层能见度分布

图9 火源在位置2时站台层能见度分布

4 结论

(1)站台层不同位置发生火灾时，烟气分布存在差异，火源位于中部时，烟气更易扩散，影响范围更广。

(2)综合考虑火灾危险性，对比分析喷淋和排烟系统对CO浓度、温度等的影响发现，在降低危险性方面，排烟系统的效果好于喷淋系统。

(3)距火源5 m内，顶棚的热通量比2 m高度处的低；但距火源5 m外，顶棚的热通量比2 m高度处的高。在喷淋和排烟系统的耦合下，最高可将火源正上方热通量降低约10 kW/m2，将距火源较远处热通量降低0.02～0.04 kW/m2。

(4)不同工况下，火源周围的能见度都为零或接近零，开启排烟系统能在很大程度上改善整体能见度。