城市轨道交通列车客室火灾主动预测报警装置布置方案研究*

张克姝 厉志强 李大燕

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 266111， 青岛； 2.奥雅纳工程咨询(上海)有限公司， 200031， 上海∥第一作者， 正高级工程师)

城市轨道交通列车内部空间较小，若发生火灾，产生的烟尘及热气容易在车厢内快速累积并沉降至人员活动空间。采取技术防范措施，在火灾初期对车厢环境进行探测并及时采取控制措施，可提高列车的安全性，确保乘客人身安全。

目前，对城市轨道交通列车火灾探测报警系统的设计及安装，业内并没有制定详细的要求。有些标准仅提出火灾探测报警设备的布置位置，但在探测器数量及类型等方面均无明确的规定。本文对列车客室区域的主动预测报警装置的布置方案进行深入研究。

1 车厢特点及对探测系统的特殊要求

城市轨道交通列车具有特殊的空间特点及运营特点，其火灾也具有特殊性。为保证人员的生命安全，需确保火灾探测系统早期探测和报警的准确性。

1.1 列车客室车厢特点

1) 列车车厢狭长封闭。客室车厢为狭长的密闭型空间，一旦发生火灾，所产生的烟气和热量容易蓄积，进而影响人员的安全。

2) 列车载客数量多。1列城市轨道交通列车在满负荷运营时，A型车的定员可达2 500人，B型车的定员可达1 500人。一旦发生火灾，容易造成大量人员伤亡。

3) 列车可燃物的特殊性。列车内部的主要可燃物包括座椅、内饰板、电器件等，如图1所示。此外，乘客行李也是引发列车内火灾的主要可燃物，其组成物质与燃烧特性不固定。

4) 列车由若干节车厢连接构成。火灾探测系统的信号探测和联动均需要传输至中央控制平台(一般位于司机室)，因而，各车厢间的连接也是火灾探测系统设计时需要重点关注的问题。

图1 列车内可燃物占比分析Fig.1 Analysis of the proportion of combustible matter in train

1.2 火灾探测系统的适用性分析

列车火灾防护设计时，考虑人员如何不受到火、烟的威胁尤为重要。目前国内外城市轨道交通列车多采用烟温复合探测器和吸气式感烟火灾探测器，这些探测器响应灵敏，可用于不同的探测环境。

由于车厢材料及乘客行李燃烧特性具有多样化的特征，故在火灾早期阶段其主要燃烧产物并不固定，建议可针对车厢内的烟气及温度进行复合式探测。城市轨道交通线路的站间距一般较小，列车进站后车厢门开启频繁，对车厢内气流组织的稳定性有一定的影响。因此，建议可采用吸气式感烟探测系统，以便在早期探测到火灾发生。

根据列车客室区域发生火灾的特点，以及各类探测器的适用范围和优缺点，本文对各类探测器的适用性进行分析，如表1所示。

2 列车火灾探测布置方案火灾动力学模拟分析

本文采用CFD(计算流体力学)模拟方式，以列车的端部车厢为例，分析列车客室区域内可能发生火灾的部位及燃烧材料的特性，并开展必要的火灾场景模拟，以获取火场烟气、温度等参数随时间的发展变化趋势，在此基础上进一步分析火灾探测器的布置方案。仿真模拟所采用的CFD软件为FDS (火灾动力学模拟软件)。

2.1 创建车厢火灾模型

列车的端部车厢包括驾驶室及客室区。客室区内车厢两侧均设有座椅。列车端部有直流柜，客室区两侧各有5个侧门及4扇玻璃窗。FDS模型的车厢外观如图2所示。

表1 列车客室区域内火灾探测器的适用性分析

图2 FDS模型的车厢外观效果图Fig.2 Rendering of compartment appearance in FDS model

考虑计算域单元格的大小及计算机的计算能力，将车厢内所有可燃物的表面离散为0.04 m2(即边长0.2 m的正方形)的燃料单元，如图3所示。

a) 地板燃料表面离散化示意图

b) 墙面及座椅离散化示意图图3 列车端部车厢内可燃物表面的离散化示意图

车厢FDS模型输入参数见表2，起火源的HRR(热释放速率)随时间变化情况如图4所示。

表2 车厢内可燃物的部分参数

图4 车厢内起火源的HRR-时间曲线Fig.4 HRR-time curve of fire source in compartment

2.2 设计火灾场景及车厢探测器布置方案

在防火安全设计时，需要考虑的两个重要因素为火灾发生的概率和火灾所导致的结果。美国的Coles等研究人员提出了一个城市轨道交通列车火灾风险的评估框架，该框架涵盖了起始火源引发火灾的概率及其可能产生的后果。参考该研究结果，本文选取了两个火灾模拟场景，分别为场景一(火源位置位于车厢中部座椅)和场景二(火源位置位于车厢末端角落地面)，如图5所示。两个场景的具体设定如下：①环境初始温度均为20 ℃；②火灾类型为超快速火；③HRR峰值为 700 kW，持续时间为264 s。

a) 场景一

b) 场景二图5 两个火灾模拟场景火源位置示意图

两个场景下均采用感烟感温复合探测器进行探测。如图6所示，探测器的具体布置方案有3种：①方案一，在回风口设置2个探测器；②方案二，在客室中央设置1排探测器，探测器的总数为5个；③方案三，在客室两侧各设置1排探测器，探测器的总数为10个。

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三图6 客室车厢内感烟感温复合探测器的布置方案

2.3 模拟结果分析

本场景假设发生恐怖袭击，模拟人为纵火、概率极小的极端火灾，火源为3.758 L 汽油(C7H16)，且具有0.25 m2的表面积。

场景一和场景二下各探测器布置方案的响应时间分别如表3和表4所示，两个场景下各探测器布置方案的最短响应时间汇总如表5所示。各模拟场景下CO探测器均未启动。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 不同探测器响应时间分析

在相同的火灾场景下，在相同的探测位置采用不同种类探测器进行探测，其响应时间有明显的区别：感烟探测器的响应时间较短，感温探测器的响应时间较长。由于列车结构和可燃物分布情况，发生不完全燃烧的可能性较低，产生的CO浓度较低，且远低于CO探测器的报警阈值，因此CO探测器均未启动。

表3 场景一下各探测器布置方案的响应时间

表4 场景二下各探测器布置方案的响应时间

表5 两个场景下各探测器布置方案的最短响应时间汇总

对于单节列车车厢来说，在场景一和场景二下，根据不同探测点距离起火源的远近，感烟探测器达到响应阈值的时间差值约为34 s，而布置在不同位置的感温探测器达到响应阈值的时间差值可能超过90 s，最靠近火源的感温探测器达到阈值的时间也需要约42 s。考虑到不同火源位置、不同可燃物布局对火灾蔓延的影响，若仅靠少数感温探测器进行探测，其响应时间可能会超过2 min。

本文所模拟的火灾是起火源较大且火势蔓延迅速的场景，如果起火源较小，那么发生火灾后感温探测器的响应时间将更长。此外，考虑到列车内空调系统的作用，感温探测器可能会出现不报警的情况。

2.4.2 不同探测器布置方案探测结果分析

上文所述的3种不同探测器布置方案中，探测器布置越密集，启动时间则越早。分别沿着车厢长度和宽度方向增加探测器布置密度并进行模拟测试，发现沿车厢长度方向上增加测点对缩短响应时间的效果更为明显。

2.4.3 建议的探测器布置方案

综合考虑在客室内不同位置发生不同功率的火灾场景、车厢内可燃物布局的差异、车厢内空调系统的影响、探测器报警系统的可靠性和经济性等因素，本文建议采用方案二。

3 结语

本文结合城市轨道交通列车火灾的特点，对客室区域内火灾主动预测报警装置方案进行了研究，认为感烟感温复合探测器可在火灾发生初期有效探测到火灾的发生，沿车厢长度方向设置多个探测器是经济、有效的布置方案。