消防水炮对高铁站候车厅火灾烟气流动规律影响研究

顾 满

(上海富士特消防安全咨询有限公司，上海 200032)

0 引言

一般来讲，大空间建筑是指空间高大、单层面积大、跨度大、缺少或无设置实体分隔的建筑[1]。近年来，随着我国社会经济的快速发展，人口密度和流动性不断增加，城市之间的交往日益密切，高铁站候车厅、机场航站楼等大空间建筑逐渐增多。但由于建筑结构和使用功能的限制，传统规范已经不适用于划分这类空间的防火、防烟分区。此外，高铁站作为交通枢纽，建筑内人流量大、建筑结构复杂，内部设施多，存在大量易燃或可燃物，一旦发生火灾，极易造成严重的人员伤害，对社会造成不良影响[2]。

消防水炮是指以水为喷射介质，以射流形式喷射，流量大于16 L/s的灭火装置[3]。按其固定方式，可以分为固定式消防水炮和移动式消防水炮[4]。固定式消防水炮因其流量大、射程远、冲击力大、定位准等特点，多被用在保护面积大、火灾危险性高、热辐射强等重点防火区域[4]。

大空间建筑由于建筑结构和功能的特殊性，火灾往往具有难探测、快蔓延、难疏散等特点[5]，以往自动喷淋系统的喷水灭火效果不能满足消防安全的需求，而流量大、射程远的消防水炮便成为大空间建筑的主要应用设备。因此，对作为大空间建筑灭火重要工具的消防炮进行研究，有着较强的实用价值和现实意义[6]。

1 水灭火系统设计

水灭火系统主要包括室内外消火栓系统、自动喷水灭火系统和水喷雾灭火系统等。但由于高铁站属于大空间建筑，且建筑结构复杂，人员密集，常用水喷雾灭火系统无法满足消防安全的需求，而消防炮灭火系统具有保护半径大、管线简单、火场穿透力强、不易雾化等优点[6-7]。因此，该高铁站水灭火系统设计主要包括室内外消火栓系统、自动喷水灭火系统、固定消防水炮自动灭火系统，具体设计情况如下。

1)室外消防管网与生活用水管网共用。基本站台、站房周围架空层和旅客活动平台布设消火栓，室内采用临时高压制消火栓灭火给水系统，屋面设置消防水箱。

2)除了不能用水保护的设备用房、设置固定消防水炮的房间、面积小于5 m2的卫生间外，其余场所均设置自动喷水灭火系统。

3)对于房间净高超过12 m的站房集散厅、商业夹层、二层候车室及旅客服务等场所，设置固定消防水炮系统。

2 FDS模型建立及场景设定

2.1 FDS软件简介

火灾动力学模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于场模拟的火灾模拟软件，主要采用先进的大涡模拟技术或直接数值模拟两种方法来模拟火灾场景中流体动力学、传热学、燃烧学、火灾动力学、热力学等基本问题。它主要是对描述一组低速流动的烟雾和传热的Navier-Stokes方程进行数值求解。FDS不仅能模拟温度场的分布，也能模拟碳烟粒子、一氧化碳和能见度等参数的变化情况。

2.2 FDS模型建立

依据该高铁站站房工程的各项设计资料、技术文件及平、剖面图纸建立FDS全尺寸模型。其中，站房一层标高+0.0 m，站房二层标高+8.2 m。站房二层东西两侧局部设置商业夹层，夹层底部标高+13.20 m。图1是站房FDS模拟仿真模型。

图1 某高铁站FDS全尺寸模型

2.3 场景设定

2.3.1 火灾场景设定

火灾场景的设置会直接影响火灾发生时烟气的蔓延[8]，本文模拟了消防水泡失效和消防水泡有效两种工况，分析了两种工况下烟气流动和环境参数变化情况，其中环境参数主要包括CO浓度、CO2浓度和能见度，通过观察这些参数在某一指定平面上的变化情况来确定危险区域的大小变化情况。

2.3.2 火源功率

本模拟中，多功能候车座椅是模拟的火灾来源，布置在站房二层左右两侧候车厅，各4组，每组设置2排，每排12台，共192台。单个座椅着火时的最大热释放速率为156.02 kW，当整组多功能候车座椅均处于充分燃烧阶段时，最大热释放速率为24×156.02 kW=3 754 kW，消防水炮有效时在180 s内正常启动，并且及时有效地控制了火灾发展，共有11个座椅发生燃烧。

3 结果分析

3.1 烟气流动分析

图2为消防水炮系统失效和有效时火灾发生后烟气发展蔓延的过程。可以看出，火灾发生后，烟气在浮力的作用下逐渐上升并不断卷吸周围的冷空气，羽流向上运动总的质量不断增加。当羽流受到房间顶棚的阻挡后，便以同心圆的形状在顶棚下方向扩散开来，在向外扩展的过程中，也要不断卷吸其下方的冷空气，烟气层厚度逐渐增加。随着火源功率逐渐增加到最大，烟气层的发展逐渐趋于稳定，形成稳定的热烟气层在房间顶部。

图2 消防水炮失效、有效时烟气蔓延分布示意图

对比消防水炮失效和有效两种场景烟气蔓延分布图，可以发现，相对于消防水炮失效的场景，消防水炮有效时可显著降低环境中烟气的浓度。此外，消防水炮失效时，烟气流动由于不会受到水炮的制约，热烟气在空间内可迅速传播，上层烟气层和下层空气有明显的界面，显示了烟气在空间内呈分层状态。

3.2 CO浓度分析

图3为消防水炮失效、有效时，距站房二层地面3.0 m高度处与距商业夹层地面2.0 m处CO浓度分布。

图3 消防水炮失效、有效时不同切片位置CO分布示意图

观察图3可以看出，候车厅CO的浓度随着火灾发生时间的增加，由最初的只在火源附近浓度较高发展到逐渐充满整个候车厅，且建筑右侧部分CO浓度高于左侧。对比发现，消防水炮有效，可降低CO对人员安全疏散的影响；若消防水炮失效时，距站房二层地面3.0 m高度处在764.3 s时、距商业夹层地面2.0 m处在567.4 s时，CO浓度达到了影响人员安全疏散的设定条件(255 mg/L)。而当水炮系统有效时，除着火的多功能候车座椅附近，上述两处的CO在1 200 s内始终保持在225 mg/L以下。

3.3 能见度分析

能见度是指视力正常的人能将目标物从背景中识别出来的最远距离，由于高温烟气中存在大量悬浮微粒，这些微粒使环境中的能见度降低，从而影响人员的疏散[9]。图4是消防水炮失效、有效时不同切片处能见度分布情况。

观察图4可以看到，总体上能见度随着火灾发生时间的增加而逐渐降低，火灾发生初期，低能见度主要存在于火源附近和建筑内某些角落中，且站房二层3.0 m处的能见度略高于商业夹层2.0 m处。对比两种场景可以看出，水炮系统有效时，除火源附近区域外，整个候车厅的能见度始终处于较高水平，这表明水炮可有效改善火灾环境中人员的能见度。

4 结语

本文以某高铁站候车厅为背景，采用FDS模拟的方法研究了消防水炮失效、有效两种火灾场景下候车厅火灾烟气流动、CO浓度和能见度的变化情况。模拟结果表明：消防水炮系统有效时，环境中烟气浓度、烟气蔓延速度、CO浓度均降低，而能见度增加。

图4 消防水炮失效、有效时不同切片位置能见度示意图