地鐵系統(tǒng)消防排煙自動(dòng)控制技術(shù)研究

摘 要：為了提升地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的消防安全，進(jìn)行了排煙理論分析和排煙性能測(cè)試。在排煙理論分析中，給定了地鐵系統(tǒng)合理建筑高度、主火點(diǎn)火焰模型的設(shè)計(jì)過(guò)程。在進(jìn)一步的理論分析中，針對(duì)火情發(fā)生后的排煙量、排煙體積、排煙溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了柵格化的仿真環(huán)境設(shè)定。隨著主火點(diǎn)影響區(qū)域的不斷擴(kuò)散，煙霧向兩側(cè)邊界區(qū)域集中，并在有效排煙下測(cè)試了CO的濃度和溫度場(chǎng)的變化。

關(guān)鍵詞：地鐵系統(tǒng)；消防；排煙；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：U 231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地鐵是現(xiàn)代化城市重要的交通方式之一，對(duì)緩解城市交通壓力、減少交通系統(tǒng)地面用地面積都具有非常重要的意義[1]。自20世紀(jì)初以來(lái)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都興建了自己的地鐵系統(tǒng)。從我國(guó)來(lái)看，北京、上海、廣州等一線城市很早就進(jìn)行了地鐵建設(shè)，并且擁有多條線路形成的地鐵網(wǎng)絡(luò)。在21世紀(jì)初開(kāi)始的城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，很多具有建設(shè)條件的大城市也開(kāi)始了地鐵系統(tǒng)建設(shè)。地鐵系統(tǒng)的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，極大地提升了城市日常的客運(yùn)能力，在城市發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用[2]。但是，地鐵系統(tǒng)因?yàn)樽陨淼募夹g(shù)性限制，也存在很多安全隱患。地鐵系統(tǒng)整體位于地下，導(dǎo)致運(yùn)行環(huán)境局促封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)等重大險(xiǎn)情，不僅不利于乘客和工作人員疏散，也很難利用自然風(fēng)力排除空間內(nèi)的煙霧和粉塵，這就給地鐵系統(tǒng)帶來(lái)極大的威脅[3]。在本文的研究工作中，針對(duì)地鐵系統(tǒng)的消防工作重點(diǎn)，對(duì)排煙問(wèn)題展開(kāi)針對(duì)性研究，以便給出切實(shí)可行、便于操作的技術(shù)方案。

1 地鐵系統(tǒng)排煙模型與理論分析

從消防救援的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，在火情發(fā)生后導(dǎo)致重大傷亡的主要原因是煙氣濃度不斷升高、有毒氣體導(dǎo)致窒息，而不是因火焰或空氣的高溫灼傷?；鹎榘l(fā)生后，很多建筑和裝潢材料因不能充分燃燒，都會(huì)產(chǎn)生CO氣體。而CO氣體和人體血紅蛋白結(jié)合就會(huì)導(dǎo)致血液內(nèi)載氧量大大降低，進(jìn)而造成死亡。因此，當(dāng)火情發(fā)生后，能否及時(shí)地將產(chǎn)生的煙霧排出是提升消防安全的關(guān)鍵。地鐵系統(tǒng)的主體都建在地下，整個(gè)空間環(huán)境相對(duì)封閉，因此地鐵系統(tǒng)的高度、空間體積，就成為地鐵系統(tǒng)能否有效排煙的關(guān)鍵。

1.1 地鐵系統(tǒng)排煙的安全邊界

在地鐵系統(tǒng)內(nèi)，一旦發(fā)生火情，環(huán)境內(nèi)的能見(jiàn)度決定了人員能否清晰觀察周圍的情況，環(huán)境凈高度決定了煙霧能否有效排除。當(dāng)然，地鐵系統(tǒng)的平均溫度如果因火情急劇升高，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如果下列3種情況發(fā)生其中之一，地鐵系統(tǒng)就處于嚴(yán)重危險(xiǎn)的狀態(tài)。第一，地鐵系統(tǒng)內(nèi)部平均溫度超過(guò)了60℃。第二，地鐵系統(tǒng)的空間內(nèi)能見(jiàn)度在10m以內(nèi)。第三，地體系統(tǒng)內(nèi)部的CO濃度超過(guò)了1.3mg/L。

地鐵系統(tǒng)的合理建筑高度與地鐵車輛的高度密切相關(guān)，二者之間滿足的關(guān)系如公式（1）所示。

Hq=1.6+0.1H （1）

式中：H為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的凈高度；Hq為地鐵車輛與系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境匹配的合理高度。

根據(jù)上述關(guān)系模型，當(dāng)?shù)罔F系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的凈高度為10m時(shí)，可以計(jì)算地鐵車輛的合理高度為2.6m。此時(shí)，地鐵車輛不會(huì)對(duì)整個(gè)環(huán)境造成嚴(yán)重遮擋，使地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境保持較高的清晰度。

1.2 地鐵系統(tǒng)內(nèi)部主火點(diǎn)建模

當(dāng)?shù)罔F系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)火情時(shí)，一般會(huì)存在一個(gè)主火點(diǎn)。這個(gè)主火點(diǎn)是火情強(qiáng)度的重要判定條件，它決定了此次火情的波及范圍和火情導(dǎo)致的煙霧總量。對(duì)主火點(diǎn)的物理特征描述一般選擇其直徑的大小進(jìn)行刻畫(huà)，如公式（2）所示。

（2）

式中：D為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)的直徑；Q為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒時(shí)所引發(fā)的總熱量；ρ為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒時(shí)波及的空氣密度；C為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒時(shí)波及的空氣比熱；T為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒時(shí)波及的空氣溫度；g為重力加速度。

在仿真環(huán)境中，設(shè)定地鐵空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)主火源釋放的總熱量大小為8000kW，地鐵空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)主火源周圍環(huán)境的空氣密度為1.2kg/m3，地鐵空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)主火源周圍環(huán)境的空氣比熱為1.0kJ/kg·K，地鐵空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)主火源周圍環(huán)境的空氣溫度為293K，地鐵空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)周圍環(huán)境的重力加速度為9.8m/s2，由此可以反推出主火源的直徑大小為2.14m。

1.3 地鐵系統(tǒng)排煙量分析

為了提升地鐵系統(tǒng)的消防安全等級(jí)，能夠?qū)鹎榘l(fā)生時(shí)的煙霧進(jìn)行及時(shí)排除是關(guān)鍵。排煙控制的一個(gè)最佳目標(biāo)，就是將火情引發(fā)的總煙量全部排出。因此，通過(guò)計(jì)算火情引發(fā)的總煙量，即可以得到排煙總量的理論值。為了計(jì)算火情引發(fā)的總煙量，需要掌握主火點(diǎn)周圍的火場(chǎng)形狀。根據(jù)消防經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主火點(diǎn)周圍的煙場(chǎng)一般具備羽毛形特征，這種特征又有對(duì)稱和非對(duì)稱的區(qū)別。對(duì)地鐵系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛静淮嬖趶?fù)雜的障礙，所以主火點(diǎn)周圍的煙場(chǎng)都符合對(duì)稱形態(tài)。以此為依據(jù)，可以對(duì)地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)的排煙量進(jìn)行計(jì)算，如公式（3）所示。

（3）

式中：M為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間排煙量；Q1為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間總熱量；Q2為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)對(duì)流煙場(chǎng)的單位時(shí)間總熱量；z為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒面與煙層底部的距離；z1為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)火焰的最大高度。

根據(jù)排煙量模型，可以計(jì)算煙層的平均溫度，如公式（4）所示。

（4）

式中：T為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的空氣溫度；Q1為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間總熱量；M為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間排煙量；C為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)燃燒時(shí)波及的空氣比熱；T0為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍的初始溫度。

根據(jù)煙層的平均溫度，還可以計(jì)算地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境排煙量的總體體積，如公式（5）所示。

（5）

式中：V為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間排煙體積；M為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的單位時(shí)間排煙量；T為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的空氣溫度；T0為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍的初始溫度；ρ為地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中主火點(diǎn)周圍煙場(chǎng)的空氣密度。

2 地鐵系統(tǒng)排煙自動(dòng)控制測(cè)試試驗(yàn)

通過(guò)前面的理論分析，已經(jīng)建立了地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境火情發(fā)生后的排樣量模型，并對(duì)排樣量對(duì)應(yīng)的體積、環(huán)境溫度、主火點(diǎn)直徑等進(jìn)行數(shù)學(xué)建模?；谶@些理論模型，當(dāng)設(shè)計(jì)地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境時(shí)，充分考慮各種因素的影響，實(shí)現(xiàn)消防排煙的自動(dòng)控制。這里，要進(jìn)行地鐵系統(tǒng)排煙的自動(dòng)控制測(cè)試試驗(yàn)，首先進(jìn)行場(chǎng)景建模，其試驗(yàn)效果如圖1所示。

考慮地鐵系統(tǒng)內(nèi)部空間以立方體空間為主，對(duì)其進(jìn)行柵格化建模。在圖1所示的試驗(yàn)場(chǎng)景中，主火點(diǎn)設(shè)置在中心位置處。從圖1中也可以看到，整個(gè)場(chǎng)景區(qū)域都進(jìn)行了柵格化，以便于更好地建模和精確定位。設(shè)定的仿真條件是具有一定的排煙量，排煙量為30m3/s，且有防火墻配置。隨著火情逐步蔓延，火情從主火點(diǎn)所在位置的核心區(qū)域逐漸擴(kuò)散到相鄰的左右2個(gè)區(qū)域，效果如圖2所示。

隨著火情不斷蔓延和加劇，火焰會(huì)進(jìn)一步形成溢出，向左右兩側(cè)的邊界區(qū)域擴(kuò)散，這種視覺(jué)效果如圖3所示。

從圖2和圖3中的情況可以看出，因?yàn)樵O(shè)計(jì)了防火墻，所以火焰沒(méi)有向防火墻以外的區(qū)域蔓延，煙霧向兩側(cè)邊界區(qū)域集中，這里做好排煙配置，就可以實(shí)現(xiàn)有效排煙的目標(biāo)。

這里的排煙量以CO的濃度為代表。因此，觀察火情發(fā)生后，4種情況下一氧化碳濃度的變化曲線如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)最中心位置為0點(diǎn)，向左分別設(shè)置了-20m、-40m、-60m、-80m這4個(gè)觀察刻度，向右分別設(shè)置了20m、40m、60m、80m這4個(gè)觀察刻度?？v坐標(biāo)分別設(shè)置了0mg/L、0.05mg/L、0.1mg/L、0.15mg/L、0.2mg/L、0.25mg/L、0.3mg/L 7個(gè)觀察刻度。此外，圖4繪制了4組不同的曲線，分別代表了圖1中所設(shè)定的4種場(chǎng)景。從圖4中各條曲線的變化情況可以看出，從距離主火源遠(yuǎn)近來(lái)看，一氧化碳濃度呈羽型變化，在左右30m的位置處達(dá)到最大值，其后又下降并保持相對(duì)穩(wěn)定。從排煙方案來(lái)看，在排煙量為0且有防火墻的情況下，一氧化碳濃度最高，表明排煙效果不好。因此，設(shè)定排煙量為30m3/s且舍棄防火墻的阻擋，排煙效果會(huì)最好。

進(jìn)一步觀察排煙過(guò)程，地鐵空間的溫度場(chǎng)變化如圖5所示。

圖5中，橫坐標(biāo)最中心位置為0點(diǎn)，向左分別設(shè)置了-20m、

-40m、-60m、-80m4個(gè)觀察刻度，向右分別設(shè)置了20m、40m、60m、80m4個(gè)觀察刻度?？v坐標(biāo)分別設(shè)置了20℃、30℃、40℃、50℃、60℃5個(gè)觀察刻度。從圖5的曲線變化可以看出，與圖3中的一氧化碳濃度曲線趨勢(shì)基本相同，距離主火源左右20m～40m的溫度超過(guò)50℃，最危險(xiǎn)。其他區(qū)域的溫度也比正常狀態(tài)高。在排煙量為0且有防火墻的情況下，溫度曲線處在最高的位置。而設(shè)定為排煙量30m3/s且舍棄防火墻的阻擋，溫度場(chǎng)最低，排煙效果也最好。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵是我國(guó)大型城市的重要交通方式，但因內(nèi)部空間相對(duì)封閉，當(dāng)火情發(fā)生時(shí)面臨更嚴(yán)峻的安全隱患。如何實(shí)現(xiàn)地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的有效排煙是一項(xiàng)急需解決的技術(shù)難題。本文從主火點(diǎn)、排煙量、排煙體積、溫度場(chǎng)等方面進(jìn)行理論分析并完成建模。根據(jù)理論分析的成果進(jìn)行排煙自動(dòng)控制效果測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)場(chǎng)景建模、火情逐步擴(kuò)散仿真，觀測(cè)了排煙控制后CO濃度的變化、溫度場(chǎng)的變化，證實(shí)了本文工作的有效性。

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