地铁系统消防排烟自动控制技术研究

摘 要：为了提升地铁系统内部环境的消防安全，进行了排烟理论分析和排烟性能测试。在排烟理论分析中，给定了地铁系统合理建筑高度、主火点火焰模型的设计过程。在进一步的理论分析中，针对火情发生后的排烟量、排烟体积、排烟温度场进行数学建模。在测试试验过程中，进行了栅格化的仿真环境设定。随着主火点影响区域的不断扩散，烟雾向两侧边界区域集中，并在有效排烟下测试了CO的浓度和温度场的变化。

关键词：地铁系统；消防；排烟；自动控制

中图分类号：U 231 文献标志码：A

地铁是现代化城市重要的交通方式之一，对缓解城市交通压力、减少交通系统地面用地面积都具有非常重要的意义[1]。自20世纪初以来，世界主要发达国家都兴建了自己的地铁系统。从我国来看，北京、上海、广州等一线城市很早就进行了地铁建设，并且拥有多条线路形成的地铁网络。在21世纪初开始的城镇化建设过程中，很多具有建设条件的大城市也开始了地铁系统建设。地铁系统的覆盖范围不断扩大，极大地提升了城市日常的客运能力，在城市发展过程中发挥了巨大的作用[2]。但是，地铁系统因为自身的技术性限制，也存在很多安全隐患。地铁系统整体位于地下，导致运行环境局促封闭，一旦发生火灾等重大险情，不仅不利于乘客和工作人员疏散，也很难利用自然风力排除空间内的烟雾和粉尘，这就给地铁系统带来极大的威胁[3]。在本文的研究工作中，针对地铁系统的消防工作重点，对排烟问题展开针对性研究，以便给出切实可行、便于操作的技术方案。

1 地铁系统排烟模型与理论分析

从消防救援的实际工作经验可知，在火情发生后导致重大伤亡的主要原因是烟气浓度不断升高、有毒气体导致窒息，而不是因火焰或空气的高温灼伤。火情发生后，很多建筑和装潢材料因不能充分燃烧，都会产生CO气体。而CO气体和人体血红蛋白结合就会导致血液内载氧量大大降低，进而造成死亡。因此，当火情发生后，能否及时地将产生的烟雾排出是提升消防安全的关键。地铁系统的主体都建在地下，整个空间环境相对封闭，因此地铁系统的高度、空间体积，就成为地铁系统能否有效排烟的关键。

1.1 地铁系统排烟的安全边界

在地铁系统内，一旦发生火情，环境内的能见度决定了人员能否清晰观察周围的情况，环境净高度决定了烟雾能否有效排除。当然，地铁系统的平均温度如果因火情急剧升高，也会导致严重的安全问题。经验数据表明，如果下列3种情况发生其中之一，地铁系统就处于严重危险的状态。第一，地铁系统内部平均温度超过了60℃。第二，地铁系统的空间内能见度在10m以内。第三，地体系统内部的CO浓度超过了1.3mg/L。

地铁系统的合理建筑高度与地铁车辆的高度密切相关，二者之间满足的关系如公式（1）所示。

Hq=1.6+0.1H （1）

式中：H为地铁系统内部环境的净高度；Hq为地铁车辆与系统内部环境匹配的合理高度。

根据上述关系模型，当地铁系统内部环境的净高度为10m时，可以计算地铁车辆的合理高度为2.6m。此时，地铁车辆不会对整个环境造成严重遮挡，使地铁系统内部环境保持较高的清晰度。

1.2 地铁系统内部主火点建模

当地铁系统内部出现火情时，一般会存在一个主火点。这个主火点是火情强度的重要判定条件，它决定了此次火情的波及范围和火情导致的烟雾总量。对主火点的物理特征描述一般选择其直径的大小进行刻画，如公式（2）所示。

（2）

式中：D为地铁系统内部环境中主火点的直径；Q为地铁系统内部环境中主火点燃烧时所引发的总热量；ρ为地铁系统内部环境中主火点燃烧时波及的空气密度；C为地铁系统内部环境中主火点燃烧时波及的空气比热；T为地铁系统内部环境中主火点燃烧时波及的空气温度；g为重力加速度。

在仿真环境中，设定地铁空间发生火灾时主火源释放的总热量大小为8000kW，地铁空间发生火灾时主火源周围环境的空气密度为1.2kg/m3，地铁空间发生火灾时主火源周围环境的空气比热为1.0kJ/kg·K，地铁空间发生火灾时主火源周围环境的空气温度为293K，地铁空间发生火灾时周围环境的重力加速度为9.8m/s2，由此可以反推出主火源的直径大小为2.14m。

1.3 地铁系统排烟量分析

为了提升地铁系统的消防安全等级，能够对火情发生时的烟雾进行及时排除是关键。排烟控制的一个最佳目标，就是将火情引发的总烟量全部排出。因此，通过计算火情引发的总烟量，即可以得到排烟总量的理论值。为了计算火情引发的总烟量，需要掌握主火点周围的火场形状。根据消防经验数据，主火点周围的烟场一般具备羽毛形特征，这种特征又有对称和非对称的区别。对地铁系统的内部环境来说，因为基本不存在复杂的障碍，所以主火点周围的烟场都符合对称形态。以此为依据，可以对地铁系统内部环境中主火点的排烟量进行计算，如公式（3）所示。

（3）

式中：M为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间排烟量；Q1为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间总热量；Q2为地铁系统内部环境中主火点对流烟场的单位时间总热量；z为地铁系统内部环境中主火点燃烧面与烟层底部的距离；z1为地铁系统内部环境中主火点火焰的最大高度。

根据排烟量模型，可以计算烟层的平均温度，如公式（4）所示。

（4）

式中：T为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的空气温度；Q1为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间总热量；M为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间排烟量；C为地铁系统内部环境中主火点燃烧时波及的空气比热；T0为地铁系统内部环境中主火点周围的初始温度。

根据烟层的平均温度，还可以计算地铁系统内部环境排烟量的总体体积，如公式（5）所示。

（5）

式中：V为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间排烟体积；M为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的单位时间排烟量；T为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的空气温度；T0为地铁系统内部环境中主火点周围的初始温度；ρ为地铁系统内部环境中主火点周围烟场的空气密度。

2 地铁系统排烟自动控制测试试验

通过前面的理论分析，已经建立了地铁系统内部环境火情发生后的排样量模型，并对排样量对应的体积、环境温度、主火点直径等进行数学建模。基于这些理论模型，当设计地铁系统内部环境时，充分考虑各种因素的影响，实现消防排烟的自动控制。这里，要进行地铁系统排烟的自动控制测试试验，首先进行场景建模，其试验效果如图1所示。

考虑地铁系统内部空间以立方体空间为主，对其进行栅格化建模。在图1所示的试验场景中，主火点设置在中心位置处。从图1中也可以看到，整个场景区域都进行了栅格化，以便于更好地建模和精确定位。设定的仿真条件是具有一定的排烟量，排烟量为30m3/s，且有防火墙配置。随着火情逐步蔓延，火情从主火点所在位置的核心区域逐渐扩散到相邻的左右2个区域，效果如图2所示。

随着火情不断蔓延和加剧，火焰会进一步形成溢出，向左右两侧的边界区域扩散，这种视觉效果如图3所示。

从图2和图3中的情况可以看出，因为设计了防火墙，所以火焰没有向防火墙以外的区域蔓延，烟雾向两侧边界区域集中，这里做好排烟配置，就可以实现有效排烟的目标。

这里的排烟量以CO的浓度为代表。因此，观察火情发生后，4种情况下一氧化碳浓度的变化曲线如图4所示。

图4中，横坐标最中心位置为0点，向左分别设置了-20m、-40m、-60m、-80m这4个观察刻度，向右分别设置了20m、40m、60m、80m这4个观察刻度。纵坐标分别设置了0mg/L、0.05mg/L、0.1mg/L、0.15mg/L、0.2mg/L、0.25mg/L、0.3mg/L 7个观察刻度。此外，图4绘制了4组不同的曲线，分别代表了图1中所设定的4种场景。从图4中各条曲线的变化情况可以看出，从距离主火源远近来看，一氧化碳浓度呈羽型变化，在左右30m的位置处达到最大值，其后又下降并保持相对稳定。从排烟方案来看，在排烟量为0且有防火墙的情况下，一氧化碳浓度最高，表明排烟效果不好。因此，设定排烟量为30m3/s且舍弃防火墙的阻挡，排烟效果会最好。

进一步观察排烟过程，地铁空间的温度场变化如图5所示。

图5中，横坐标最中心位置为0点，向左分别设置了-20m、

-40m、-60m、-80m4个观察刻度，向右分别设置了20m、40m、60m、80m4个观察刻度。纵坐标分别设置了20℃、30℃、40℃、50℃、60℃5个观察刻度。从图5的曲线变化可以看出，与图3中的一氧化碳浓度曲线趋势基本相同，距离主火源左右20m～40m的温度超过50℃，最危险。其他区域的温度也比正常状态高。在排烟量为0且有防火墙的情况下，温度曲线处在最高的位置。而设定为排烟量30m3/s且舍弃防火墙的阻挡，温度场最低，排烟效果也最好。

3 结语

地铁是我国大型城市的重要交通方式，但因内部空间相对封闭，当火情发生时面临更严峻的安全隐患。如何实现地铁系统内部环境的有效排烟是一项急需解决的技术难题。本文从主火点、排烟量、排烟体积、温度场等方面进行理论分析并完成建模。根据理论分析的成果进行排烟自动控制效果测试。试验过程中，通过场景建模、火情逐步扩散仿真，观测了排烟控制后CO浓度的变化、温度场的变化，证实了本文工作的有效性。

参考文献

[1]郑锴.基于地铁消防车与列车一体化调度的地铁火灾生命线快速生成方法研究[D].苏州：苏州大学，2023.

[2]李国威.常规地铁车站消防给水系统及群组车站消防给水系统的探讨[J].铁路轨道安全学报，2023，20（4）：372-374.

[3]卢锋.地铁区间隧道消防应急照明与疏散指示系统设计研究[J].城市轨道交通研究，2023，26（2）：128-134.