地鐵淺埋半地下車站自然通風(fēng)與排煙方案研究

孫超

1 城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測評技術(shù)國家工程實驗室2 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司

0 引言

近年來，地鐵逐漸成為居民日常出行的常用交通工具，地鐵車站是相對封閉的地下空間，車站在運(yùn)營中一旦發(fā)生火災(zāi)等緊急情況，人員救援和疏散都較為困難，特別是地下車站，建筑結(jié)構(gòu)形式較為特殊，如不采取有效措施進(jìn)行通風(fēng)排煙，將造成嚴(yán)重后果。

目前針對地鐵項目地下空間區(qū)域的通風(fēng)排煙方案，以地鐵淺埋區(qū)間隧道自然通風(fēng)排煙為主[1-2]，而對淺埋車站地下公共區(qū)自然通風(fēng)排煙方案無可參考的類似工程先例。本文結(jié)合巴基斯坦拉合爾軌道交通橙線項目某淺埋半地下車站的實際特點，經(jīng)方案比選，提出車站站臺公共區(qū)采用自然通風(fēng)與自然排煙的方案，并對方案的效果進(jìn)行了模擬分析。

1 工程概況

巴基斯坦拉合爾軌道交通橙線項目某車站（以下簡稱車站）為二層結(jié)構(gòu)形式，站廳層位于地面層，站臺層位于地下一層，站臺層形式為典型的側(cè)式站臺，考慮到站臺層采用自然通風(fēng)與自然排煙需開孔與地面相通，經(jīng)過與相關(guān)專業(yè)配合，形成站廳層一分為二，分布于車站兩側(cè)的車站形式，如圖1 所示。車站建筑面積約7500 m2，其中左端站廳公共區(qū)面積1020 m2，右端站廳公共區(qū)面積940 m2，上行線、下行線站臺公共區(qū)面積各550 m2。車站站廳層凈高5.6 m，站臺層凈高5.3 m，局部凈高6 m。車站地下部分埋深較淺，覆土埋深0.5 m 左右。車站兩端風(fēng)井出地面處分別設(shè)置活塞/機(jī)械風(fēng)亭2 座，排風(fēng)亭2 座，新風(fēng)亭1 座。

圖1 車站結(jié)構(gòu)示意圖

2 車站通風(fēng)排煙方案分析

針對類似形式的地下車站公共區(qū)，目前環(huán)控系統(tǒng)常規(guī)的通風(fēng)排煙方案為：對于地面層，采用自然通風(fēng)與自然排煙模式。對于地下層，采用機(jī)械通風(fēng)與機(jī)械排煙模式[3]。

本車站站廳層分居車站左右兩端，采用常規(guī)自然通風(fēng)與自然排煙方案。站臺層位于地面以下，可考慮采用常規(guī)機(jī)械通風(fēng)排煙方案。同時由于站臺層中間區(qū)域上方為地面且無建筑物，此范圍內(nèi)有在地面開排煙孔的條件，因此可以考慮對地下站臺層公共區(qū)采用自然通風(fēng)及自然排煙的方案。以下將對上述兩種通風(fēng)與排煙方案應(yīng)用在本車站的可行性和適用性進(jìn)行比較分析。

2.1 機(jī)械通風(fēng)及機(jī)械排煙方案

夏季工況時，站臺層公共區(qū)采用變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，在公共區(qū)設(shè)置多聯(lián)機(jī)空調(diào)室內(nèi)機(jī)，在地面設(shè)置室外機(jī)。站臺層每端各設(shè)置一臺風(fēng)量為1200 m3/h 的新風(fēng)處理機(jī)組，提供夏季工況站臺公共區(qū)的新風(fēng)量，新風(fēng)機(jī)組室外機(jī)設(shè)置于地面。在站臺兩端的環(huán)控機(jī)房分別設(shè)置一臺風(fēng)量為16050 m3/h 的送、排風(fēng)機(jī)，用于過渡季節(jié)通風(fēng)。

如圖2 所示，陰影區(qū)域為站臺層公共區(qū)防煙分區(qū)一和防煙分區(qū)二，面積均為550 m2，每個防煙分區(qū)計算排煙量為33000 m3/h，車站左右兩端各設(shè)置一臺風(fēng)量為39600 m3/h 的排煙風(fēng)機(jī)，與過渡季節(jié)送排風(fēng)機(jī)共用公共區(qū)管路。

圖2 站臺層防煙分區(qū)示意圖

2.2 自然通風(fēng)及自然排煙方案

經(jīng)過與相關(guān)專業(yè)配合，把站廳層一分為二，分別設(shè)置于左右兩端，在站臺層中間區(qū)域上方設(shè)置自然排煙天窗。如圖3 為站臺層自然通風(fēng)排煙天窗平剖面示意圖，左、右線兩側(cè)站臺分別設(shè)置8 個天窗，可根據(jù)不同模式電動開啟和關(guān)閉。天窗尺寸為2300 mm×1800 mm，面積為4.14 m2，共16 個，天窗最大開啟角度為80°。

圖3 站臺層自然通風(fēng)排煙天窗示意圖

車站站臺層公共區(qū)夏季采用變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，在公共區(qū)設(shè)置多聯(lián)機(jī)空調(diào)室內(nèi)機(jī)。夏季工況時，利用每端各一臺風(fēng)量為1200 m3/h 的新風(fēng)處理機(jī)組為公共區(qū)提供新風(fēng)量，自然通風(fēng)排煙天窗處于關(guān)閉狀態(tài)。過渡季節(jié)時站臺層開啟通風(fēng)天窗自然通風(fēng)，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行?？紤]到自然通風(fēng)方案易受外界氣溫、風(fēng)速等不確定性因素的影響，可根據(jù)站臺公共區(qū)的溫度，濕度和CO2濃度測點監(jiān)測值控制夏季工況與過渡季工況的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)站臺層公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，控制電動開啟自然通風(fēng)排煙天窗，實現(xiàn)站臺層自然排煙。根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 暖通空調(diào)·動力》（2009 版）4.9.6 條內(nèi)容，當(dāng)天窗開啟角度大于70°時，排煙凈面積可按天窗面積計算。由此可計算出，排煙天窗面積為站臺層公共區(qū)面積的6%，符合規(guī)范要求。

由上所述，將兩種方案進(jìn)行對比，如表1 所示。

表1 機(jī)械通風(fēng)排煙與自然通風(fēng)排煙方案對比表

由表1 可知，自然通風(fēng)排煙方案所需機(jī)房面積小，可節(jié)省土建及設(shè)備投資，降低后期運(yùn)營維護(hù)成本。而機(jī)械通風(fēng)排煙方案設(shè)備費(fèi)用較高，所需機(jī)房面積大，且公共區(qū)管線布置復(fù)雜。綜上對比分析，本工程地下單層車站公共區(qū)確定采用自然通風(fēng)排煙方案。

3 車站自然通風(fēng)及自然排煙方案模擬計算

3.1 自然通風(fēng)工況模擬計算

針對車站過渡季節(jié)站臺層利用通風(fēng)天窗自然通風(fēng)工況，根據(jù)自然通風(fēng)相關(guān)公式[4-5]及Fluent 軟件，對車站進(jìn)行三維流場穩(wěn)態(tài)計算。車站內(nèi)部空間以六面體網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。站廳外門外窗、站臺通風(fēng)窗等設(shè)置為outlet-vent 邊界，閘機(jī)、人員、廣告牌、照明等發(fā)熱量設(shè)置為wall 邊界。

經(jīng)計算，隨著室外溫度升高，室內(nèi)外溫差上升約0.23 ℃，為平均溫差的6.5%。通風(fēng)量略下降約1.15 kg/s，為平均換氣量的4.7%，可認(rèn)為基本不變。當(dāng)車站采用自然通風(fēng)時，可維持室內(nèi)、外溫差維持在3.5 ℃左右，室外溫度與室內(nèi)平均溫度呈線性關(guān)系。通過自然通風(fēng)產(chǎn)生的通風(fēng)換氣量約108000 m3/h。該風(fēng)量可滿足3600 人的新風(fēng)要求，遠(yuǎn)大于高峰時段車站內(nèi)客流人數(shù)。在室外溫度低于22 ℃時，采用自然通風(fēng)可滿足室內(nèi)公共區(qū)溫度與人員新風(fēng)量的要求。

3.2 自然排煙工況模擬計算

本次模擬火災(zāi)規(guī)模取2.5 MW，燃燒物為行李[6]，位于站臺層中部。本次擬研究火災(zāi)發(fā)生并發(fā)展至穩(wěn)定的過程，故應(yīng)選用非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。結(jié)合模型，車站采用0.25 m×0.25 m×0.25 m 的網(wǎng)格。車站兩個出入口及站廳層通風(fēng)窗設(shè)置為自由邊界，環(huán)境溫度取夏季通風(fēng)室外計算溫度39.3 ℃。本次模擬采用FDS 默認(rèn)的聚氨酯材料煙氣生成量[7]。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）28.2.11 的規(guī)定，可認(rèn)為6 min 時全部乘客已疏散完畢[8]，由此確定排煙工況模擬時間取360 s 即可。經(jīng)模擬計算，站臺層煙氣示意圖如圖4 所示。

圖4 站臺層煙氣示意圖

由圖5 可知，站臺層火災(zāi)工況下，人員疏散高度處溫度未超過60 ℃，滿足人員疏散高度溫度的要求，高溫氣體經(jīng)由排煙窗直接排至室外，站臺層60 ℃以上高溫氣體范圍僅存在于火源周圍至上方兩個排煙窗附近，滿足人員疏散高度溫度的要求[9]?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣集中于火源上方兩個排煙窗附近，煙氣由上方排煙窗排至室外，人員疏散處環(huán)境能見度大于10 m。

圖5 站臺層360 s 時刻溫度云圖

根據(jù)在站臺設(shè)置的CO 濃度測點計算結(jié)果可知，站臺層火災(zāi)工況時，人員疏散高度CO 濃度未超過450 ppm，滿足疏散時人體的耐受要求[10]。除火源附近的測點外，幾乎未監(jiān)測到環(huán)境中有CO。

綜上所述站臺層火災(zāi)工況采用自然排煙從環(huán)境溫度、能見度、CO 濃度等各個方面，均可滿足人員疏散要求。

4 結(jié)論

1）針對淺埋半地下車站，通過方案對比分析，機(jī)械通風(fēng)及機(jī)械排煙方案設(shè)備費(fèi)用較高，所需機(jī)房面積大，且公共區(qū)管線布置復(fù)雜。自然通風(fēng)及自然排煙方案所需機(jī)房面積小，可節(jié)省土建和設(shè)備投資，降低后期運(yùn)營維護(hù)成本。本文結(jié)合車站形式，地面條件及經(jīng)濟(jì)性綜合分析，站臺層公共區(qū)采用自然通風(fēng)及自然排煙作為最終方案。

2）通過自然通風(fēng)計算及模擬，過渡季節(jié)站臺層采用天窗自然通風(fēng)，在室外溫度低于22 ℃時，可滿足室內(nèi)公共區(qū)溫度與人員新風(fēng)量的要求。由于自然通風(fēng)方案易受外界環(huán)境及室內(nèi)負(fù)荷大小的影響，從而影響自然通風(fēng)效果，當(dāng)站臺公共區(qū)的溫濕度、CO2濃度達(dá)不到設(shè)計要求時，可控制系統(tǒng)對夏季工況與過渡季工況進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3）通過自然排煙模擬，站臺層火災(zāi)時采用自然排煙方案從環(huán)境溫度、能見度、CO 濃度等方面可滿足疏散要求。

4）本文結(jié)合工程實際對具有地面開孔條件的地下車站站臺采用自然通風(fēng)與自然排煙方案，可以為類似工程的設(shè)計提供參考和借鑒。