地鐵復合式屏蔽門系統(tǒng)火災特性分析

陳青云，朱詠輝

（紹興市軌道交通集團有限公司，浙江紹興 312000）

1 研究背景

通風空調及防排煙系統(tǒng)是地鐵機電系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著對地鐵站內空氣溫度、濕度、空氣流速、壓力等涉及空氣品質參數的調節(jié)任務，是地鐵舒適乘車環(huán)境的重要保障。同時，在火災情況下，可迅速轉換為火災工況，進行排煙、送風或協(xié)助滅火，保障乘客安全和設備安全。

目前，國內地鐵的地下車站與軌行區(qū)之間主要采用全高全封閉屏蔽門系統(tǒng)(以下簡稱“屏蔽門系統(tǒng)”)，或采用半高非封閉安全門系統(tǒng)(以下簡稱“安全門系統(tǒng)”)，兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為站臺門系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)對于地鐵通風系統(tǒng)的作用各有利弊，不同氣候條件下的節(jié)能差異性較大。例如，采用屏蔽門系統(tǒng)，由于隔絕了站臺與車站軌行區(qū)，有效減少了活塞風對站臺的影響，在空調季能更好地滿足乘客的舒適性，同時具有節(jié)能優(yōu)勢；在過渡季和冬季，為了保障車站公共區(qū)的通風換氣要求，需適當增加車站機械通風量，導致風機等運行能耗的增加。采用安全門系統(tǒng)，在過渡季和冬季引進列車活塞風，減少了機械通風量，可使風機等運行能耗減少；在空調季由于車站公共區(qū)冷量流失進入車站軌行區(qū)甚至區(qū)間，使空調系統(tǒng)能耗大大增加。為整合這兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，國內各高校學者及行業(yè)專家對復合式屏蔽門系統(tǒng)的自然通風及節(jié)能特性進行了深入的研究。如李鵬[1]對帶可控風口的屏蔽門系統(tǒng)進行了數值模擬，分析得出，在過渡季節(jié)，開啟屏蔽門上方的可控風口，關閉車站的軌頂、軌底排熱風機及活塞風井內的風機，利用列車運行的活塞風，增加車站與室外的通風換氣，在一定程度上可以節(jié)省風機的運行時間，縮短夏季空調運行時間，具有節(jié)能的潛力。陳瑤[2]對屏蔽門開口的換氣特性進行了研究，并計算了不同風口位置、面積、相鄰風口個數等參數，分析行車密度、隧道區(qū)間長度、活塞風井位置對地鐵車站換氣特性及車站換氣量的影響。鐘星燦[3]通過軟件模擬，得出復合式屏蔽門系統(tǒng)全年運行能耗均低于屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)(安全門系統(tǒng))，且從南到北具有廣泛的適用性。目前，復合式屏蔽門系統(tǒng)通風及節(jié)能特性的研究較多[4-8]，但火災特性的研究較少。筆者通過參與復合式屏蔽門系統(tǒng)項目的實際應用經歷，分析火災工況下復合式屏蔽門系統(tǒng)的排煙特性，并重點討論在新規(guī)范要求下這種系統(tǒng)對站臺火災的適應性。

2 系統(tǒng)組成

復合式屏蔽門系統(tǒng)主要是在全高全封閉屏蔽門系統(tǒng)上方安裝通風裝置，通風裝置主要由組合式的電動風閥、控制系統(tǒng)及裝飾面板等組成。組合式的電動風閥安裝在屏蔽門頂梁上方(見圖1)，由結構專業(yè)根據通風專業(yè)提資預留風閥的開孔，開孔數量及尺寸根據車站形式、站臺風速要求及該車站通風換氣量等進行核算[9-11]。電動組合式風閥由電動執(zhí)行機構、風閥及密封件組成，電動執(zhí)行機構包括執(zhí)行器、傳動機構及限位裝置組成，具備遠程控制和就地控制功能，具有開啟/關閉狀態(tài)反饋及故障報警功能。所有控制和反饋信號接入馬達控制中心(MCC)，由MCC 接入環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)并上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)，與車站其他組合式電動風閥接口形式基本一致。以國內某一城市地鐵6B 車型線路的地下車站為例，站臺兩側每側屏蔽門上方設置28 套電動組合式風閥，每3 套或4 套組成一組，每組風閥開啟、關閉動作均保持一致，接受上位機發(fā)送過來的統(tǒng)一控制信號，并統(tǒng)一上傳反饋信息。

圖1 復合式屏蔽門系統(tǒng)車站工程實例Fig. 1 Example of a composite platform screen door system station project

3 火災特性

當站廳公共區(qū)發(fā)生火災時啟動站廳排煙模式，并聯動關閉車站空調系統(tǒng)、小系統(tǒng)模式、隧道區(qū)間模式。由于區(qū)間不參與站廳排煙工況，復合式屏蔽門上方的組合式電動風閥聯動關閉，與傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)制式類似。

3.1 傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)站臺火災排煙方案

一般地下標準地鐵島式車站站臺面積為1 200 m2，劃分為單一防煙分區(qū)，在傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)制式下，站臺火災模式是唯一的。在此之前，國內絕大多數設計單位所設計的站臺火災模式均是啟動大系統(tǒng)兩端的排煙風機(或回排風機兼用)來進行站臺排煙，手動打開屏蔽門系統(tǒng)兩側首尾滑動門(或通過IBP 盤上的按鈕啟動)，同時啟動車站軌行區(qū)兩端的隧道風機進行排煙。另外，為盡可能地增大排煙量，有些設計方案還會要求同時啟動兩端的軌道排熱風機，通過軌頂排風道進行輔助排煙。由于需要人工操作打開首尾兩側滑動門，此種方案一定程度上增加了緊急情況下的運營管理難度。同時，該方案對于火源位于站臺兩側端部時的排煙效果較為明顯，若火源位于站臺中部樓扶梯處，兩側樓扶梯口的向下氣流會使該區(qū)域形成一定的負壓，將造成煙氣集聚，排除比較困難。

3.2 復合式屏蔽門系統(tǒng)站臺排煙方案

在復合式屏蔽門系統(tǒng)制式下，由于站臺上、下行側屏蔽門上方均設置了組合式電動風閥，所以火災時將風閥的動作要求統(tǒng)一納入火災模式，即可解決緊急情況下人員操作的不確定性，減輕運營管理難度。采用復合式屏蔽門系統(tǒng)制式，站臺火災時聯動開啟的風閥位置有3 種方案：方案1，只開啟首尾兩側滑動門上方的組合式電動風閥；方案2，開啟站臺兩側屏蔽門上方所有組合式電動風閥；方案3，根據火災發(fā)生的位置，選擇性開啟和關閉不同位置的組合式電動風閥。

通過工程項目現場實測發(fā)現：方案1 的問題與手動操作開啟首尾兩側滑動門的情況類似，無法解決站臺中部樓扶梯口排煙困難的問題；方案2 與方案1 相比，除了能減弱站臺端部火災的排煙效果(實際現場測試發(fā)現站臺端部火災排煙效果仍是較為理想)，同樣難以很好地解決站臺中部樓扶梯口排煙困難的問題。為此，通過優(yōu)化提出了方案3，以兩側樓扶梯與站臺平面交界處為界限，將站臺劃分為站臺端部和站臺中部，當站臺發(fā)生火災時，通過火災報警系統(tǒng)(FAS)識別第一個火災報警探頭的邏輯地址，從而確定火災發(fā)生在站臺端部還是站臺中部，根據火源位置的不同，FAS 發(fā)送不同的火災模式號給BAS(須滿足同一防煙分區(qū)內兩點報警的條件)，由BAS 執(zhí)行不同的火災模式指令。

3.2.1 站臺端部火災模式設計

當站臺端部發(fā)生火災時，開啟兩端的大系統(tǒng)排煙風機，并打開站臺兩側端部屏蔽門上方的組合式電動風閥，關閉站臺兩側中部屏蔽門上方的組合式電動風閥，同時啟動兩端的隧道風機，從而更好地對站臺端部的著火點進行排煙。站臺端部火災的主要設備動作模式如表1 所示。其中，“○”表示開啟，“×”表示關閉，反轉表示隧道風機反轉排煙，風機啟動默認同步開啟排煙管道上連鎖風閥。

表1 站臺端部火災的主要設備動作模式Tab. 1 Action mode of major equipment when a fire takes place in the end of the platform

3.2.2 站臺中部火災模式設計

當站臺中部發(fā)生火災時，同樣開啟兩端的大系統(tǒng)排煙風機，并打開站臺兩側中部屏蔽門上方的組合式電動風閥，關閉站臺兩側端部的屏蔽門上方的組合式電動風閥，同時啟動兩端的隧道風機，從而更好地對站臺中部著火點進行排煙。站臺中部火災的主要設備動作模式如表2 所示。

該方案通過實際項目，在地下車站不同位置的放煙測試中發(fā)現，站臺端部的排煙效果跟方案1 基本相同并優(yōu)于方案2，而站臺中部的排煙效果比方案1 和方案2 均有大幅提升，且人員疏散所需的清晰高度、樓扶梯口的風速等均較為理想。該方案針對站臺發(fā)生火災時火源的位置不同，有針對性地啟動不同的排煙模式，很好地解決了站臺中部樓扶梯口處排煙困難的問題。

表2 站臺中部火災主要設備動作模式Tab. 2 Action mode of major equipment when a fire takes place in the middle of the platform

4 規(guī)范適應性

各規(guī)范對于站臺排煙方案的設計均有相應的描述。根據《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)第28.4 條規(guī)定：地下車站的站廳和站臺應設置機械防煙、排煙設施，排煙量應根據一個防煙分區(qū)的建筑面積按1 m3/(m2·min)計算。當車站站臺發(fā)生火災時，應保證站廳到站臺的樓梯和扶梯口處具有能夠有效阻止煙氣向上蔓延的氣流，且向下氣流速度不應小于1.5m/s。根據《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》(GB51251—2017)，排煙口的設置應符合下列規(guī)定：排煙口宜設置在頂棚或靠近頂棚的墻面上；排煙口應設在儲煙倉內，但走道、室內空間凈高不大于3 m 的區(qū)域，排煙口可設置在其凈空高度的1/2 以上，當設置在側墻時，吊頂與其最近距離不應大于0.5 m?！兜罔F設計防火標準》(GB51298—2018)第8.1.3 條規(guī)定：當對站臺進行排煙時，應能防止煙氣進入站廳、地下區(qū)間、換乘通道等鄰近區(qū)域；第8.2.3 條規(guī)定：車站公共區(qū)發(fā)生火災、駛向該站的列車需要越站時，應聯動關閉全封閉站臺門。以上規(guī)范要求，對各地占絕大多數的手動操作開啟屏蔽門的站臺排煙方案影響較大，所以研究既滿足規(guī)范又有實際排煙效果的站臺排煙方案變得尤為迫切。

4.1 傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)制式下站臺排煙方案

通過以上規(guī)范條文的分析可知，采用傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)制式打開首尾兩側滑動門，雖能很好地滿足站廳到站臺樓扶梯口向下1.5 m/s 風速要求，但打開的兩側首尾滑動門作為新的排煙口，不滿足《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》中關于排煙口設置的規(guī)定。無論是站廳還是站臺發(fā)生火災，地鐵在運營過程中，特別是高峰時段，隧道內很可能有列車正向發(fā)生火災的車站行駛。此時，原則上正常行駛的列車不能停站，需要在調度協(xié)調下越站運行。為了防止列車過站對站內煙層的巨大擾動，根據《地鐵設計防火標準》，應聯動關閉全封閉站臺門。在這種情況下，只有等列車過站后才能操作打開兩側首尾的滑動門，難以在第一時間達到預設的排煙模式，不利于乘客安全疏散。而且，手動開啟滑動門的最佳時機成為了運營需要全面考慮的一個難題，對緊急情況下的行車調度組織要求較高。

4.2 設置獨立小室的集中排煙方案

國內部分設計單位在新建地鐵線路設計中，為了更好地滿足規(guī)范對站臺排煙的要求，提出了集中排煙方案。這種方案在站臺每端設置獨立排煙小室，由排煙小室至站臺敷設1～2 根集中排煙管，排煙管上設置站臺集中排煙口及控制閥，單端管道總面積不小于2.5 m2。當站臺發(fā)生火災時，保持站臺門的關閉狀態(tài)，除啟動大系統(tǒng)兩端的排煙風機外，同時通過兩端排熱風機接管至站臺候車區(qū)，利用軌道排熱風機和大系統(tǒng)排煙風機共同承擔站臺排煙。該方案排煙口完全滿足規(guī)范的要求，設置在儲煙倉內，有效地將煙氣限制在站臺候車范圍內，阻止煙氣向其他區(qū)域蔓延。在部分6B 車型的地鐵地下標準車站運用該方案，通過實際測試結果了解到，該方案增大了站臺排煙量，使樓扶梯口風速達到1.8～2.3 m/s，基本滿足規(guī)范要求；且該方案理論上對列車過站無影響，過站列車可基本在無煙環(huán)境中越行本站至下游車站疏散，對站臺內煙層影響也較小。但是，該方案由于需在車站兩端設置排煙小室和集中排煙管，需增加一定的土建規(guī)模，在一般車站的設備非集中端較易實現，而在設置變電所的設備集中端布置將增加綜合管線的壓力與土建施工的難度，對通風空調系統(tǒng)中管路布置的合理性提出了更高的要求。另外，在國內某城市6A 編組地鐵線路的地下車站，使用集中排煙方案進行站臺火災測試發(fā)現，樓扶梯口風速難以達到規(guī)范要求的1.5 m/s。

4.3 復合式屏蔽門系統(tǒng)制式下站臺排煙方案

通過上述分析可知，復合式屏蔽門系統(tǒng)制式下，站臺發(fā)生火災時屏蔽門保持關閉，有效避免了由于開啟滑動門而可能帶來的二次安全隱患。另外，站臺火災排煙可針對火災發(fā)生位置的不同，有針對性地啟動相應的排煙模式，有效地解決了站臺中部樓扶梯口發(fā)生火災時排煙困難的問題。通過各地實際測試結果了解到，樓扶梯口的風速基本在3.5～5 m/s，部分車站甚至更高，完全滿足規(guī)范1.5 m/s 的風速要求。由國內某城市6A 編組地鐵線路的地下車站測試情況了解到，利用復合式屏蔽門系統(tǒng)進行站臺火災排煙，能很好地滿足規(guī)范對樓扶梯口風速的要求；且站臺屏蔽門上方設置電動排煙口，較好地滿足了排煙口應設置在儲煙倉內的規(guī)范要求，避免了煙氣的沉降。在正常情況下，大部分煙氣通過排煙口進入車站軌行區(qū)之后，即被車站兩端的隧道風機通過兩端的活塞風井排出站外，在一定程度上仍可將煙氣控制在一定的空間范圍內，防止煙氣進入地下區(qū)間等其他區(qū)域。同時，該方案僅在屏蔽門上方結構頂梁開孔設置組合式電動風閥，對土建及車站管線布置基本無要求；所有設備的動作要求全部納入模式控制，響應時間快，對緊急情況下的行車調度組織要求較低。唯一要說明的是，使用復合式屏蔽門系統(tǒng)，當啟動站臺火災排煙模式時，煙氣會通過電動排煙口進入站臺軌行區(qū)，對此時過站的列車仍會產生影響，同時過站列車所形成的活塞效應會作用到站臺，對站臺的煙層造成一定的破壞，但由于排煙口設置在儲煙倉內，這些影響相對較小。

5 結語

通過以上分析可知，在正常通風工況下，復合式屏蔽門系統(tǒng)能通過關閉屏蔽門上方組合式電動風閥，防止空調季車站冷量的流失，保障乘客的舒適性，起到節(jié)能的作用；在冬季和過渡季打開屏蔽門上方風閥，或輔以車站的機械通風，可滿足車站通風換氣的需要，在國內具有廣泛的適應性。在火災工況下，復合式屏蔽門系統(tǒng)針對站臺火災排煙，除了具有較強的實用功能和較好的適應性外，也能較好地滿足各規(guī)范的要求。由于不同城市不同線路的差異性，通風空調及防排煙系統(tǒng)的設計均存在一定的區(qū)別，但筆者認為，地下車站復合式屏蔽門系統(tǒng)不失為一種較好的方式，應大力推廣并不斷完善。