地鐵站臺火災通風設計論文

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摘要本文采用了理論分析、CFD數值模擬分析等方法對某地鐵單層站臺發生火災時的通風排煙系統的各種可能運行模式進行了分析，分析結果表明，不同的模式下通風排煙效果相關很大，同時火災發生的位置不同，相應的最優通風排煙模式也有所不同。我國的《地下鐵道設計規范》提供了站臺火災排煙的基本規范，但具體采用何種通風排煙模式應結合站臺和防排煙系統的實際情況分析確定。

關鍵詞地鐵站臺火災排煙通風模式計算流體力學（CFD）

1引言

在地鐵營建與運營過程中，地鐵火災是不容忽視的問題。1987年11月18日在倫敦King''''sCross地鐵站發生一起大火，造成31人死亡，大量人員傷亡，成為震驚世界的重大火災事故[1]。由于地鐵建筑與外界的聯系只有車站的出入口，而且站臺和車廂內人員密集，一旦發生火災危害極大。所以，雖然地鐵火災的發生是一個小概率事件，但必須引起人們的重視，并在地鐵系統設計階段就給予充分的考慮。

地下鐵道火災事故通常可以分為兩種情況：車站火災和區間隧道火災；當列車在隧道發生火災時應力爭將列車開至臨近車站疏散乘客，此時可按照車站站臺火災工況進行處理。一旦發生火災不同的特點，應制定防排煙系統相應的優化運行模式。本文將以某一實際工程的地鐵列車發生火災集靠在單層站臺作為研究對象，利用理論分析和CFD的數值模擬分析等方法探討最優的通風排煙模式。

自1974年計算流體力學（ComputationalFluidDynamics:CFD）如用于通風空調領域擬分析以來，CFD技術越來越多地應用于指導空調通風建筑的氣流場和溫度場院的設計及分析。利用CFD技術，通過計算機求解流體流動所遵循的控制方程，可以獲得流體流動區域內的流速、溫度、組分濃度等物理量的詳細分布情況，從而指導和優化設計。本次模擬采用的是由清華大學建筑環境與設備研究所開發的通風三維流動、傳熱與燃燒的數值模擬軟件STACH-3，其曾應用于地鐵隧道區間的火災模擬分析，其模擬結果在火源附近以外的區域均與實測結果有較好的吻合[2]。

2研究對象物理模型

2．1站臺土建結構

研究對象為一單層側式站臺，有效空間中長120m，寬16.8m，高4.65m，其斷面示意圖如圖1所示。站臺有四個出入口。

圖1站臺斷面示意圖

2．2站臺通風系統

本站臺利用機械通風來保持站臺合適溫度，帶走負荷。正常環控工況下，站臺兩端上方各設1臺軸流風機（可反轉）向站臺送風，如圖2的示；同時各設有1臺軸流風機負責從站臺地板下空間抽取排風，形成了站臺端部集中送風、站臺地板下空間作為回/排風道，均勻排風的站送、站排的通風形式。每臺風機風量為60m3/s左右，全壓1000Pa。

圖2站臺正常工況通風系統示意圖（平面圖）

當站臺發生火災時，將利用正常工況下的集中送風口作為集中排煙風口使用，由車站進出口時風。此時，通過閥門的切換，可以將正常工況下的回風機與送風機并聯運行，通過原集中送風口將站臺的煙氣及時排向地面。鄰近站臺的通風系統與此站臺一致。

2．3火源強度設定

火災強度的合理設定一直是地鐵火災工況模擬分析中的難點。目前由于權威的實測數據，所以在本次模擬計算中參考了國內其他地鐵設計采用的火災強度，為10.5MW。

3可能的通風模式

站臺發生火災時主要依靠的是布置在站臺兩端的正常工況下的集中送風口進行排煙，由于排煙口的集中布置，不同的風機運行模式對通風排煙的效果相差很大，而且列車發生火災位置不同也會有很大的影響。因此需要針對不同的火災發生位置，研究如何合理調動站臺的四臺風機，以保證有最大的安全區和安全疏散通道，讓乘客和工作人員安全撤離火災現場。利用CFD軟件模擬火災發生時的氣流場和溫度場，為研究和分析合理的風機運行模式提供了有利的手段。

按照我國的《地下鐵道設計規范》[3]基本要求，考慮列車兩種位置（列車頭部、中部）發生火災的情況，分別制定了站臺防排煙系統的可能運行模式，如表1所示。在這些運行模式中，只考慮鄰近區間或者站臺的風機聯合工作，其他區間或者站臺風機運行工況影響較小，可以不予考慮。圖3為模擬站臺列車火災采用的物理模型。

圖3側式站臺列車火災通風排煙物理模型

防排煙系統的各種可能運行模式表1

工況1：列車中部發生火災

模式1.1關閉原送風機，站臺兩端各開一臺排風機

模式1.2站臺兩端各開兩臺風機排風，原送風機逆轉作排風機

模式1.3關閉原送風機，站臺兩端各開一臺排風機，鄰近區間或站臺各開1臺排風機

模式1.4站臺兩端各開兩臺風機排風，原送風機逆轉作排風機；鄰近區間或站臺各開1臺排風機

工況2：列車頭部或者尾部發生火災

模式2.1關閉原送風機，站以兩端各開一臺排風機

模式2.2靠近火災一側開啟兩臺排風機，原送風機逆轉作排風機，另一端兩風機均關閉

模式2.3靠近火災一側開啟兩臺排風機，原送風機逆轉作排風機，另一端兩風機均關閉；同時開啟一臺右側鄰近火災區域

的區間風機或者站臺風機排風

模式2.4靠近火災一側開啟兩臺排風機，原送風機逆轉作排風機，另一端開啟一臺送風機

模式2.5靠近火災一側開啟兩臺排風機，原送風機逆轉作排風機，另一端兩風機均關閉；同時開啟一臺右側鄰近火災區域

的區間風機或站臺風機排風

表2詳細給出了在上述各種模式下，由網絡流動計算模型計算得出的從出入口和站臺左右隧道進入站臺的風量。

表2

左隧道進風量右隧道進風量出入口進風總量出入口平均風速

模式1.131.930.962.81.16

模式1.263.461.41252.31

模式1.3-56.3-49.51061.96

模式1.4-85-781633.02

模式2.131.930.962.81.16

模式2.22628621.15

模式2.335-3841.56

模式2.47015.830.80.57

模式2.580-17541

注：1.表格中風量的單位均為m3/s，風速的單位為m/s;

2.數值前如有負號，表示為出風狀態。

4分析與討論

對于站臺火災問題，選取最佳的通風方式首先應該滿足兩個基本原則，1）從進出口來的風要保證一定的速度，以有效壓制煙氣的擴散，保證人員撤離通道安全。2）盡可能不要讓煙過多擴散進入周圍隧道，否則這將會為后期周圍隧道煙氣處理帶來麻煩。按照上述的原則，首先對上述兩種火災工況下的各種模式進行比選。對于火災工況1，模式1.3和模式1.4都由于鄰近的區間或站臺排風機的作用，使得從出入口進來的新鮮氣流迅速被隧道帶走，同時也將帶走大量的煙氣，雖然進出口風速很大，排煙效果卻不好。對于模式1.1和模式1.2，后者從出入口和隧道的來流風速大約是前者的2倍，而且在模式1.2中出入口平均風速達到2.3m/s，更加安全。

圖4和圖5比較了模式1.1和模式1.2的三維溫度場在站臺人頭部水平高度的斷面的分布情況，從圖中可知，由于隧道主要靠在站臺兩端的風口排煙，而且火源在列車中部，所以在站臺中央溫度高，聚集了大量的熱量和煙氣。相反，在出入口到站臺兩側，新鮮氣流較多，相對來說是比較安全的區域。對比模式1.1和模式1.2，可知模式1.1由于從進出口來流風量不夠，不能有效帶走聚集于站臺中央的熱量和煙氣，導致在出入口到站臺兩側的區間溫度和煙氣濃度均較高，這樣在整個站臺的安全區域就幾乎沒有，給人員的逃生帶來極大的危險。而模式1.2由于從進出口的風速比較模式1.1提高了一倍，能較有效帶走熱量和煙氣，能形成較大的安全區域，相對而言更有利于乘客逃生和救生人員開展滅火救災工作。以上分析說明，對于工況1通風模式1.2是最優的。

圖4模式1.1在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

圖5模式1.2在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

對于工況2，模式2.4進出口風速過低，首先舍去。模式2.5，有一定量的煙氣擴散到右邊隧道，也不可取。比較模式2.2和模式2.3，后者從進出口和左邊隧道的來流風速都高于前者，雖然模式2.3會有少量的煙氣擴散到右邊隧道中，但綜合比較模式2.3是更好的方案。

圖6和圖7比較了模式2.1和模式2.3的三維溫度場在站臺人頭部水平高度的斷面的分布。從圖中可知，由于火災發生在列車的頭部，所以產生的高溫煙氣能很快從臨近火源的端部風口迅速排出。對于這種送排風系統的地鐵站臺，列車頭部（尾部）發生火災是比中部的安全區域，而模式2.3的安全區域大于模式2.1，更有利于乘客逃生。以上分析說明，對于工況2通風模式2.3是最優的。

圖6模式2.1在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

圖7模式2.3在站臺人頭部水平高度的溫度分布等溫線圖

5結論

綜上所述，針對本文研究的單層站臺列車火災問題有以下幾點結論：

1）發生火災事故時候，風機的啟停和轉動方向均應根據火災發生的實際情況來確定，不同的通風方式，其效果可能相差很大。利用CFD的模擬分析軟件，可以直觀有效地判斷通風方式的優劣。

2）如果列車中部發生火災，建議采取模式1.2的通風方式，即站臺兩端的四臺風機均作排風使用。

3）如果列車頭部發生火災，建議采取上述所述的模式1.3，即靠近火災一側開啟兩臺排風機，另一端兩風機均關閉；同時開啟一臺鄰近火災的區間風機或者站臺風機排風。

本實例選取的是偏大的火災強度，是偏安全的設計。由于火災強度直接影響模擬分析結果，同時影響通風模式的選取，從而影響系統的經濟性，所以確定作為設計標準的符合實際情況的列車火災強度是亟待研究的問題。

參考文獻

1K.Moodie,King''''sCrossFire.Damageassessmentandoverviewofthetechnicalinvestigation,FireSafetyJournal,18(1)1992p13～33

2XianTingLi,QiSenYan,Fieldmodeloffiresinsubwaytunnels,2ndInternationalsymposiumonHVAC,Beijing1995,p392～399

3地下鐵道設計規范-中華人民共和國國家標準（GB50157-92）。國家技術監督局、中華人民共和國建設部聯合，1992-06-13