地鐵封閉式聲屏障頂部排煙口對(duì)降噪性能影響研究

張曉杰，吳斌

（正升環(huán)境科技股份有限公司 環(huán)境工程研究院，四川 成都 611130）

0 引言

聲屏障是當(dāng)前解決鐵路和城市軌道交通噪聲污染、保護(hù)沿線聲環(huán)境敏感目標(biāo)的重要措施之一[1-2]，按照結(jié)構(gòu)形式可分為直立式、半封閉式和全封閉式3類，直立式聲屏障應(yīng)用最為廣泛，但僅對(duì)聲影區(qū)有較好的降噪效果；半封閉聲屏障在城市軌道交通中較為常見，對(duì)鄰側(cè)噪聲敏感點(diǎn)有較好的降噪效果；全封閉聲屏障應(yīng)用相對(duì)較少。

國(guó)內(nèi)已有許多學(xué)者針對(duì)全封閉式聲屏障的降噪性能開展研究，全封閉聲屏障可有效降低列車通過的噪聲且不存在聲亮區(qū)，對(duì)不同高度的受聲點(diǎn)降噪效果均有保證[3]，但未考慮其排煙性能；部分學(xué)者采用基于流體動(dòng)力學(xué)的三維數(shù)值仿真方法，研究地鐵全封閉聲屏障的自然排煙性能[4]，但未考慮百葉吸聲體對(duì)排煙性能的影響。為此，本文對(duì)安裝百葉吸聲體后如何保證全封閉式聲屏障的排煙性能進(jìn)行研究。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51298—2018)[5]和《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[6]的相關(guān)要求，采用全封閉聲屏障頂部應(yīng)設(shè)計(jì)不少于水平投影面積5%的自然排煙口，故在其頂部通常設(shè)置了拉通的消防排煙口。根據(jù)組合隔聲量公式計(jì)算可知，滿足上述規(guī)范要求的消防排煙口的設(shè)計(jì)一般會(huì)使全封閉聲屏障的整體隔聲量下降約5～6 dB。在頂部自然排煙口位置安裝百葉吸聲體有利于改善全封閉聲屏障的整體降噪效果。

各類可排煙式百葉吸聲體的幾何樣式復(fù)雜各異，煙氣流通通路的路徑和長(zhǎng)度也不盡相同，降噪量及其局部阻力系數(shù)也不同，并不能簡(jiǎn)單用可排煙式百葉吸聲體外表面供煙氣流通的所有開口的總面積來(lái)表征其有效排煙面積，而且國(guó)內(nèi)尚無(wú)專門針對(duì)此類全封閉式聲屏障可排煙式吸聲體有效排煙面積的確定方法。因此，采用空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積作為衡量全封閉式聲屏障頂部純開口及可排煙式百葉吸聲體排煙效能的指標(biāo)，并通過數(shù)值模擬和公式計(jì)算的方法對(duì)2種隔音性能較好的可排煙式百葉吸聲體的排煙性能進(jìn)行分析研究。

1 全封閉聲屏障及可排煙式吸聲體概況

全封閉式聲屏障頂部投影面的寬度為9 900 mm，則根據(jù)上述規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[5-6]的要求，若該聲屏障頂部采用沿線路行車方向全部貫通的純開口形式進(jìn)行自然排煙，開口寬度應(yīng)至少為9 900 mm的5%，即495 mm。由于聲屏障頂部垂直于地鐵行車方向每隔2 000 mm均設(shè)置有寬度為200 mm的鋼柱，對(duì)自然排煙口產(chǎn)生了部分遮擋，故將自然排煙口的寬度設(shè)計(jì)為600 mm，以確保有效排煙面積滿足要求。

本次研究分析的可排煙式百葉吸聲體有A型和B型2種，均為交錯(cuò)排列的吸聲模塊與排煙通道所構(gòu)成的組合體(見圖1和圖2)。A型吸聲模塊的厚度與排煙通道的寬度均為100 mm，且二者幾何形式均為方向朝左的箭頭形，整個(gè)吸聲體的高度為200 mm。B型吸聲模塊的厚度為25 mm，幾何形式為一字型與匡字型組合而成的異形結(jié)構(gòu)，排煙通道的寬度為175 mm，幾何形式為向右平躺的U字型，整個(gè)吸聲體的高度425 mm?？膳艧熚曮wA或B安裝剖面示意如圖3所示。

圖1 可排煙式吸聲體A結(jié)構(gòu)剖面(單位：mm)

圖2 可排煙式吸聲體B結(jié)構(gòu)剖面(單位：mm)

圖3 可排煙吸聲體A或B安裝剖面(單位：mm)

2 理論基礎(chǔ)

在A型、B型2類可排煙式吸聲體的吸聲模塊與排煙通道既有幾何結(jié)構(gòu)及尺寸不變的前提下，以國(guó)際上廣泛使用的空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積作為排煙性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？諝鈩?dòng)力學(xué)有效排煙面積Ae通過下式[7]進(jìn)行計(jì)算，即

式中：ρ為流經(jīng)自然排煙純開口或可排煙式吸聲體的氣體密度，kg/m3；Δp為自然排煙純開口或可排煙式吸聲體兩側(cè)的壓差，Pa；Q為流經(jīng)自然排煙純開口或可排煙式吸聲體的氣體體積流量，m3/s。

Δp的計(jì)算公式為

式中：ζ為排煙吸聲體局部阻力系數(shù)；V為流經(jīng)自然排煙純開口或可排煙式吸聲體的氣體流速，m/s。

3 排煙吸聲體性能分析

3.1 模擬方案

采用模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)對(duì)不同寬度的2類排煙吸聲體和寬度為600 mm的自然排煙純開口的排煙性能進(jìn)行模擬研究，為了使各計(jì)算工況均在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行比較，擬通過構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置的形式進(jìn)行模擬分析。構(gòu)建方法部分參照BS EN 12101-2:2017中自然排煙窗有效排煙面積的測(cè)試方法，將自然排煙純開口及可排煙式吸聲體設(shè)置于一立方體形測(cè)試腔體的頂部中心位置，通過腔體內(nèi)部底面輸送風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試[8]。

由于沿線路行車方向全部貫通的純開口被逐一平行排列的寬度為200 mm的鋼柱所分隔，所形成的每個(gè)沿線路行車方向長(zhǎng)度為1 800 mm的矩形開口的幾何結(jié)構(gòu)是完全相同的，故將該測(cè)試腔體的長(zhǎng)度設(shè)置為1 800 mm。在封閉式聲屏障拱形剖面寬度方向上，以自然排煙口中心為中點(diǎn)的左右3 000 mm范圍內(nèi)封閉式聲屏障弧度較小，可近似視為水平，故將該測(cè)試腔體的寬度設(shè)置為6 000 mm。為了確保有足夠且盡量精簡(jiǎn)的空間以計(jì)算腔體內(nèi)部的氣體流場(chǎng)，將該測(cè)試腔體的高度設(shè)置為500 mm。此外，由于自然排煙純開口及可排煙式吸聲體A的高度均為200 mm，可排煙式吸聲體B的高度為425 mm，故將與其相連接的封閉式聲屏障頂棚的厚度也分別設(shè)置為相應(yīng)尺寸，測(cè)試腔體如圖4至圖6所示。

圖4 自然排煙純開口后的測(cè)試腔體(單位：mm)

圖5 安裝可排煙式吸聲體A后的測(cè)試腔體(單位：mm)

圖6 安裝可排煙式吸聲體B后的測(cè)試腔體(單位：mm)

3.2 模擬工況及計(jì)算結(jié)果

自然排煙的效果與熱驅(qū)動(dòng)力的大小密切相關(guān)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，隨著火源功率的逐漸增大，煙氣上升的浮力也愈發(fā)充足。擬針對(duì)火災(zāi)初期火源熱驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)這一自然排煙較為不利的場(chǎng)景進(jìn)行分析，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251—2017)[9]表4.6.3，當(dāng)采用頂開窗排煙時(shí)，自然排煙口的風(fēng)速可按側(cè)窗口部風(fēng)速的1.4倍計(jì)算，而該表中給出的各類場(chǎng)景側(cè)窗口部風(fēng)速的最小值為0.64 m/s，則計(jì)算可得相應(yīng)的頂窗口部風(fēng)速的最小值為0.896 m/s。對(duì)于安裝自然排煙純開口的工況，長(zhǎng)1 800 mm、寬600 mm的幾何開口面積為1.08 m2，故以該開口口部風(fēng)速為0.9 m/s時(shí)的排煙口風(fēng)量作為各模擬工況自然排煙量(即腔體內(nèi)部底面送風(fēng)量)的設(shè)定值，經(jīng)計(jì)算可得該值為0.972 m3/s。

其次，對(duì)寬度為600 mm的自然排煙純開口及各種寬度下的2類可排煙式吸聲體的排煙性能進(jìn)行模擬研究，并比較各工況空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積的大小。假定可排煙式吸聲體在不同工況下空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積為S1，完全開口600 mm寬時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積為S2。設(shè)計(jì)的吸聲體為若干個(gè)相同的吸聲模塊組成，每塊排煙通道的寬度不變。采用逐漸增加吸聲模塊個(gè)數(shù)的方式增加有效排煙面積，直到S1不小于S2時(shí)，即為滿足規(guī)范要求的可排煙式吸聲體安裝臨界寬度。

開口寬度600 mm，排煙通道數(shù)1個(gè)，空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積S2為0.813 m2。對(duì)于A型吸聲體，排煙通道數(shù)13個(gè)時(shí)(見圖7)，開口寬度2 800 mm，空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積0.806 m2，尚不滿足S1不小于S2；排煙通道數(shù)14個(gè)時(shí)(見圖8)，開口寬度3 000 mm，空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積0.863 m2，已滿足S1不小于S2，則吸聲體A的安裝臨界寬度為3 000 mm。對(duì)于B型吸聲體，排煙通道數(shù)8個(gè)時(shí)(見圖9)，開口寬度為3 135 mm，空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積為0.758 m2，尚不滿足S1不小于S2；排煙通道數(shù)9個(gè)時(shí)(見圖10)，開口寬度3 530 mm，空氣動(dòng)力學(xué)有效排煙面積為0.854 m2，已滿足S1不小于S2，則排煙吸聲體B的安裝臨界寬度為3 530 mm。

圖7 A型開口2 800 mm模擬情況

圖8 A型開口3 000 mm模擬情況

圖9 B型開口3 135 mm模擬情況

圖10 B型開口3 530 mm模擬情況

3.3 可排煙式吸聲體臨界寬度的理論計(jì)算

由于可排煙式吸聲體長(zhǎng)度已確定為1.8 m，要得到臨界寬度需計(jì)算可排煙式吸聲體的面積Av，可根據(jù)公式（3）計(jì)算得出。

式中：Av為自然排煙純開口或可排煙式吸聲體的面積，m2。

Ae取值按水平投影面積5%，取長(zhǎng)度2 m計(jì)算可得0.495×2=0.99(m2)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得可排煙式吸聲體A的局部阻力系數(shù)ζ為28，可排煙式吸聲體B的局部阻力系數(shù)ζ為39.6。結(jié)合公式（3）計(jì)算排煙吸聲體A的臨界寬度為(1+28)0.5×0.99/1.8≈2.96(m)；排煙吸聲體B的臨界寬度為(1+39.6)0.5×0.99/1.8≈3.5(m)，與模擬數(shù)值吻合。

3.4 使用百葉吸聲體的聲屏障效果分析

組合隔聲量R通過下式計(jì)算。

式中：Sn為全封閉聲屏障各個(gè)組成部分的面積，如屏障板、透明窗和頂部開口面積，m2；τn為全封閉聲屏障各個(gè)組成部分的透射系數(shù)。

按照?qǐng)D3中全封閉聲屏障斷面圖尺寸，取長(zhǎng)度1 m計(jì)算組合隔聲量R，屏障板和透明窗的面積為24.4 m2、整體隔聲量通常為25 dB；排煙口面積為0.6 m2、隔聲量按0 dB計(jì)算；則R計(jì)算結(jié)果為15.67 dB。

安裝A型吸聲體后，屏障板和透明窗面積為22 m2、整體隔聲量通常為25 dB；排煙口面積為3 m2、隔聲量按12～15 dB計(jì)算，安裝A型吸聲體R的計(jì)算結(jié)果為19.85～21.82 dB，將提高聲屏障整體隔聲量4.18～6.15 dB。

安裝B型吸聲體后，屏障板和透明窗的面積為21.47 m2、整體隔聲量通常為25 dB；排煙口面積為3.53 m2、隔聲量按12～15 dB計(jì)算，安裝B型吸聲體R的計(jì)算結(jié)果為19.37～21.46 dB，將提高聲屏障整體隔聲量3.70～5.79 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)百葉吸聲體在全封閉聲屏障中的排煙性能進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真模擬研究，2種方法得到的結(jié)果吻合度較高，經(jīng)計(jì)算，采用有效排煙面積的百葉吸聲體聲屏障較原排煙口尺寸的聲屏障整體隔聲量提高約3 dB以上，研究為百葉吸聲體在全封閉式聲屏障中排煙性能的設(shè)計(jì)和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。