基于數(shù)值模擬的地鐵站移動排煙風機排煙效能研究

掌孝夫 錢宗琦 王二中

摘要：以某地鐵站為研究對象，建立FDS火災仿真模型，分析站臺區(qū)域內(nèi)排煙系統(tǒng)與移動式排煙風機耦合作用下的煙氣特征。通過分析站臺區(qū)域內(nèi)頂棚處及清晰高度處的溫度、能見度及CO濃度等火災特征參數(shù)的變化規(guī)律，探討移動式排煙風機的位置和風量對排煙效果的影響。結(jié)果表明：增設移動排煙風機能有效提升地鐵站的排煙能力，對降低著火空間內(nèi)的溫度、提高清晰高度處的能見度有一定促進作用，當移動式排煙風機的位置處于火源正上方時，排煙效果較好，能為人員疏散提供更為良好的條件。

關鍵詞：地鐵站臺；火災；排煙方案；移動排煙風機

中圖分類號：X913.4? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）09-0093-03

在很多大型城市中，交通擁堵問題一直困擾著城市的發(fā)展，而地鐵因其運量大、準點率高、舒適性高、能耗低等優(yōu)點，逐漸成為解決城市交通問題的首要途徑，對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。與此同時，在大量乘客選擇地鐵出行的前提下，地鐵安全顯得尤為重要，特別是地鐵火災事故，由于其疏散難度大、撲救難度大、逃生時間短等特點，一旦發(fā)生就可能造成嚴重后果，因此眾多國內(nèi)外學者對此展開了研究[2]。

隨著城市的發(fā)展，地鐵的客流量快速增加，特別是節(jié)日假等高峰時期，其客流量極易超過早期規(guī)劃建設的最大客流量，這導致了地鐵站相關消防設施不能完全滿足超大客流量火災條件下的消防安全需求[3-4]。為確?；馂臈l件下的人員安全疏散環(huán)境，需進一步提升地鐵站臺層的排煙能力，保證地鐵清晰高度下的溫度、能見度及CO濃度不會危害到該區(qū)域的人員疏散，本文以某地鐵站為研究對象，基于PyroSim構(gòu)建仿真模型，模擬站臺火災的場景，增加移動式排煙風機，研究移動式排煙風機的位置及風量對排煙效果的影響，提出更有效的排煙方案。

1 項目概況及模擬工況設置

1.1? 項目概況

某地鐵站為地下二層島式車站，車站有效站臺長為120m，寬為14m，外包長為254.2m，標準段外包寬度為23.1m，站廳公共區(qū)和站臺層公共區(qū)合為一個防火分區(qū)，面積4559.5m2。地下一層為站廳層，站廳非付費區(qū)共設置3個直出地面的出入口，付費區(qū)共設置3組樓扶梯、1部垂直電梯與站臺層連通，其中2部樓梯寬度均為1.6m，5部自動扶梯，寬度為1.0m。

1.2? 模擬工況設置

本文設定仿真條件為地鐵站臺層火災，火源置于站臺上，火源面積為2m×2m，火源功率為2MW，火源采用t2增長，在206s時達到最大功率并保持穩(wěn)定，每一種工況模擬時間1200s。環(huán)境溫度為20℃。在站臺層一側(cè)的上方有排煙口，離地面3.5m，離站臺層頂棚0.5m，共計12個，在火災發(fā)生后60s開啟，排煙風量為2.1m3/s。

為保證仿真的有效性，火源附近區(qū)域設置網(wǎng)格為0.25m×0.25m×0.25m，此時無量綱網(wǎng)格尺寸滿足4<D*<16的要求[5]。同時為提高計算機的計算效率，模型其余部分的網(wǎng)格設定為0.5m×0.5m×0.5m。

為提高火災后的排煙效率，地鐵站運營單位購買了移動式排煙風機，考慮著火后在火源附近增加移動式排煙風機，風口豎直放置，上端離頂棚0.25m，風口面積0.5m×0.5m。發(fā)生火災后，地鐵站微型消防站人員到達現(xiàn)場至裝設好移動排煙風機大約需要3min，故模擬中移動式排煙風機在火災發(fā)生后180s開啟。運營單位所購買的移動排煙風機風量為4800m3/h，為研究移動式排煙風機的位置對排煙效果的影響，分別考慮排煙風機距火源的距離為0m、1m、2m、3m和4m，系統(tǒng)機械排煙的風量是90000m3/h，該工況中通過站臺與展廳的樓梯自然補風，移動排煙風機設置在火源的下風口位置。

1.3? 探測點布置及模擬工況設置

探測點都設置于站臺之上，探測數(shù)據(jù)包括頂棚處的溫度，清晰高度處（2m）的溫度、能見度和CO濃度。具體的布置如圖1所示，從圖中可以看到分別在站臺兩側(cè)以及火源上方設置了探測點，站臺兩側(cè)的探測點間距為5m，火源上方探測點間距為1m。

2 煙氣擴散過程

通過無移動式排煙風機介入的工況1的仿真結(jié)果可以看到，當火災在站臺上發(fā)生后，立即會有煙氣產(chǎn)生，煙氣受到浮力影響形成向上的羽流，在15s左右時煙氣與站臺頂棚發(fā)生碰撞產(chǎn)生射流并向周圍蔓延，由于火源的設定位置靠近站臺右端，煙氣在60s左右抵達站臺右端邊界，隨后右端有煙氣積聚，此時站臺上的排煙風機開啟，煙氣蔓延速度放緩，在230s左右煙氣抵達站臺左端并在左端也開始出現(xiàn)煙氣積聚，在360s左右仿真達到穩(wěn)定狀態(tài)，并保持至1200s仿真結(jié)束，從站臺左端溫度探測點的數(shù)據(jù)也能看出在360s左右之后保持穩(wěn)定。

達到穩(wěn)定狀態(tài)之后在站臺的兩端有大量的煙氣積聚，而在擋煙垂壁處，由于煙氣在蔓延過程中與擋煙垂壁碰撞，部分煙氣獲得動量向下運動一段距離后再上浮，所以擋煙垂壁處的煙氣厚度會大于周圍區(qū)域。

3 仿真結(jié)果分析

3.1? 溫度場影響分析

從圖2a可看出，火源軸線位置的溫度最高，距離火源越遠，其溫度越低，且對應位置兩側(cè)測點溫度基本一致。從不同工況下的溫度曲線可以看出，未增設移動排煙風機時，同一位置測點的溫度均高于其他設置排煙風機的工況。設置移動排煙風機后，整個頂棚區(qū)域的煙氣層溫度有所下降，其中排煙風機位于火源正上方時，其溫度最低。越靠近火源區(qū)域，兩個工況之間的溫度差越大，其最遠端的溫度差約為10℃，火源軸線上的溫度差接近30℃，這說明移動排煙風機對降低火災條件下的頂棚溫度有一定作用。

隨著移動排煙口與火源的距離增大，站臺層頂棚區(qū)域的溫度減弱趨勢變小，這是由于排煙口處于火源正上方時，火災煙氣僅向上的驅(qū)動力加速了煙氣的排出，而當排煙口遠離火源時，排煙口雖處于儲煙艙內(nèi)，但該區(qū)域煙氣受頂棚射流驅(qū)動力影響，對排煙效率有一定影響。

無移動排煙風機工況下的頂棚溫度及清晰高度處的溫度均高于其他工況，增設移動排煙風機后，隨著排煙口與火源的距離越近，各測點溫度下降越多，這與站臺頂棚兩側(cè)的溫度曲線趨勢保持一致。

圖2b隨著排煙風口的位置發(fā)生改變，其排煙口設置的頂部測點的溫度遠小于其他工況條件，如當排煙口距火源1m時，其距火源1m處測點溫度為190℃，其他工況該測點的溫度處于250～300℃之間，但隨著排煙口與火源之間的距離增大，其相同測點的溫度下降趨勢減小。

3.2? 站臺能見度影響分析

火災處于穩(wěn)定階段后，無移動排煙風機工況下，在火源上下風向6m范圍內(nèi)測點的能見度均處于10m以下，不利于該區(qū)域的人員安全疏散，特別是火源上風向區(qū)域6m處為疏散樓梯，部分站臺人員疏散需通過該處的樓梯疏散至站廳層。

增設移動排煙風機后，各測點的能見度均有增大，距離排煙風口越近，其能見度增大越明顯，且移動排煙口正下方范圍內(nèi)的能見度遠高于其他測點位置的能見度；當移動排煙口位于火源正上方時，除火源下風向1m處能見度較低外，火源上下風向6m范圍的能見度基本處于10m以上，能給該區(qū)域的人員疏散提供良好的視野。圖3a展示了距離火源-2m處測點能見度曲線，從單個測點不同時間的能見度分布圖也可看出，排煙風口距火源越近，其排煙能力越強，能有效提高清晰高度處的能見度水平。

3.3? CO濃度影響分析

圖3b展示了站臺清晰高度處的CO濃度分布情況。在5個工況中，站臺的機械排煙風機均正常開啟，且站臺能通過3個與站廳層連通的樓梯口進補風，因此整個空間內(nèi)的CO濃度相對較低，在無移動排煙風機的情況下，均未超過500μmol/mol。增設移動排煙風機后，對整個空間內(nèi)的CO濃度降低有一定影響，但由于移動排煙風機的排煙量遠小于固定機械排煙風機排煙量，因此對CO的濃度影響相對較小。

3.4? 可用疏散時間對比分析

為分析地鐵站的消防安全性，需確定在火災條件下能保證人員安全疏散的時間，常用方法主要是監(jiān)測疏散空間內(nèi)清晰高度處的溫度、能見度和CO濃度臨界值。設置移動排煙風機對提升安全可用時間有一定幫助，其距離火源越遠，提升效率越低，當排煙風口位于火源正上方時，其提升效率達到13.4%，可為火場人員延長疏散時間約1min。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，針對移動式排煙風機的排煙效果進行研究，得到的結(jié)論如下：

①站臺火災發(fā)生后，煙氣向兩端蔓延，在360s左右達到穩(wěn)定，煙氣在兩端聚集，站臺中間部分在擋煙垂壁處煙氣較厚。

②移動式排煙口的位置在移動過程中，對火源上下風向6m范圍的溫度、能見度影響較為明顯，距離火源縱向間距越大，位置對溫度和能見度的影響越小，而CO濃度受排煙風機位置變化影響較小。

③移動式排煙風口的位置直接影響整個站臺區(qū)域的可用安全疏散時間，當排煙風口位于火源正上方時，能大幅延長該場所的可用安全疏散時間，為地鐵站火災條件下的人員安全疏散提供更多保障。

參考文獻：

[1]史聰靈，鐘茂華，何理，等.地鐵車站及隧道全尺寸火災實驗研究（1）-實驗設計[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2012，8（6）：22-28.

[2]Li Y.Z.，Lei B.，Ingason H.The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires[J].Fire Safety Journal. 2011，46（4）：204-210.

[3]Chen L F，Hu L H，Tang W，et al.Studies on buoyancy driven two-directional smoke flow layering length with combination of point extraction and longitudinal ventilation in tunnel fires[J].Fire Safety Journal.2013，59（jul.）：94-101.

[4]成琳娜，徐華菁，張梓峰，等.地鐵車站火災排煙模式仿真研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（4）：65-70.

[5]紀杰.地鐵站火災煙氣流動及通風控制模式研究[D].合肥：中國科學技術(shù)大學，2008.

Research on smoke exhaust efficiency of mobile smoke exhaust fan in subway station based on numerical simulation

Zhang Xiaofu， Qian Zongqi， Wang Erzhong

（Operation Branch of Suzhou Rail Transit Group Co.， Ltd.， Jiangsu Suzhou 215000）

Abstract： Taking a subway station as the research object， an FDS fire simulation model is established to analyze the flue gas characteristics under the coupling action of the smoke exhaust system and the mobile smoke exhaust fan in the subway platform area. By analyzing the variation law of fire characteristic parameters such as temperature， visibility and CO concentration at the roof and clear height in the subway platform area， the influence of the position and air volume of the mobile smoke exhaust fan on the smoke exhaust effect is discussed. The results show that the addition of a mobile smoke exhaust fan can effectively improve the smoke exhaust capacity of the subway station， and has a certain promotion effect on reducing the temperature in the fire space and improving the visibility at a clear height. When the position of the mobile smoke exhaust fan is directly above the fire source， the smoke exhaust effect is better， which can provide better conditions for personnel evacuation.

Keywords： subway platform; fire; smoke exhaust scheme; mobile smoke exhaust fan