地铁站台火灾排烟通风模式分析

    1 引言
   
    在地铁营建与运营过程中，地铁火灾是不容忽视的问题。1987年11月18日在伦敦King's Cross 地铁站发生一起大火，造成31人死亡，大量人员伤亡，成为震惊世界的重大火灾事故[1]。由于地铁建筑与外界的联系只有车站的出入口，而且站台和车厢内人员密集，一旦发生火灾危害极大。所以，虽然地铁火灾的发生是一个小概率事件，但必须引起人们的重视，并在地铁系统设计阶段就给予充分的考虑。
    地下铁道火灾事故通常可以分为两种情况：车站火灾和区间隧道火灾；当列车在隧道发生火灾时应力争将列车开至临近车站疏散乘客，此时可按照车站站台火灾工况进行处理。一旦发生火灾不同的特点，应制定防排烟系统相应的优化运行模式。本文将以某一实际工程的地铁列车发生火灾集靠在单层站台作为研究对象，利用理论分析和CFD的数值模拟分析等方法探讨最优的通风排烟模式。
    自1974年计算流体力学（Computational Fluid Dynamics: CFD）如用于通风空调领域拟分析以来，CFD技术越来越多地应用于指导空调通风建筑的气流场和温度场院的设计及分析。利用CFD技术，通过计算机求解流体流动所遵循的控制方程，可以获得流体流动区域内的流速、温度、组分浓度等物理量的详细分布情况，从而指导和优化设计。本次模拟采用的是由清华大学建筑环境与设备研究所开发的通风三维流动、传热与燃烧的数值模拟软件STACH-3，其曾应用于地铁隧道区间的火灾模拟分析，其模拟结果在火源附近以外的区域均与实测结果有较好的吻合[2]。
   
    2 研究对象物理模型
   
    2.1 站台土建结构
    研究对象为一单层侧式站台，有效空间中长120m，宽16.8m，高4.65m，其断面示意图如图1所示。站台有四个出入口。
   
    图1 站台断面示意图
   
    2.2 站台通风系统
    本站台利用机械通风来保持站台合适温度，带走负荷。正常环控工况下，站台两端上方各设1台轴流风机（可反转）向站台送风，如图2的示；同时各设有1台轴流风机负责从站台地板下空间抽取排风，形成了站台端部集中送风、站台地板下空间作为回/排风道，均匀排风的站送、站排的通风形式。每台风机风量为60m3/s左右，全压1000Pa。
   
    图2 站台正常工况通风系统示意图（平面图）
   
    当站台发生火灾时，将利用正常工况下的集中送风口作为集中排烟风口使用，由车站进出口时风。此时，通过阀门的切换，可以将正常工况下的回风机与送风机并联运行，通过原集中送风口将站台的烟气及时排向地面。邻近站台的通风系统与此站台一致。
    2.3 火源强度设定
    火灾强度的合理设定一直是地铁火灾工况模拟分析中的难点。目前由于权威的实测数据，所以在本次模拟计算中参考了国内其他地铁设计采用的火灾强度，为10.5MW。
   
    3 可能的通风模式
   
    站台发生火灾时主要依靠的是布置在站台两端的正常工况下的集中送风口进行排烟，由于排烟口的集中布置，不同的风机运行模式对通风排烟的效果相差很大，而且列车发生火灾位置不同也会有很大的影响。因此需要针对不同的火灾发生位置，研究如何合理调动站台的四台风机，以保证有最大的安全区和安全疏散通道，让乘客和工作人员安全撤离火灾现场。利用CFD软件模拟火灾发生时的气流场和温度场，为研究和分析合理的风机运行模式提供了有利的手段。
    按照我国的《地下铁道设计规范》[3]基本要求，考虑列车两种位置（列车头部、中部）发生火灾的情况，分别制定了站台防排烟系统的可能运行模式，如表1所示。在这些运行模式中，只考虑邻近区间或者站台的风机联合工作，其他区间或者站台风机运行工况影响较小，可以不予考虑。图3为模拟站台列车火灾采用的物理模型。
   
    图3 侧式站台列车火灾通风排烟物理模型
   
    防排烟系统的各种可能运行模式 表1

    表2 详细给出了在上述各种模式下，由网络流动计算模型计算得出的从出入口和站台左右隧道进入站台的风量。
   
    表2

    注：1. 表格中风量的单位均为m3/s，风速的单位为m/s;
    2. 数值前如有负号，表示为出风状态。
   

    4 分析与讨论
   
    对于站台火灾问题，选取最佳的通风方式首先应该满足两个基本原则，1）从进出口来的风要保证一定的速度，以有效压制烟气的扩散，保证人员撤离通道安全。2）尽可能不要让烟过多扩散进入周围隧道，否则这将会为后期周围隧道烟气处理带来麻烦。按照上述的原则，首先对上述两种火灾工况下的各种模式进行比选。对于火灾工况1，模式1.3和模式1.4都由于邻近的区间或站台排风机的作用，使得从出入口进来的新鲜气流迅速被隧道带走，同时也将带走大量的烟气，虽然进出口风速很大，排烟效果却不好。对于模式1.1和模式1.2，后者从出入口和隧道的来流风速大约是前者的2倍，而且在模式1.2中出入口平均风速达到2.3m/s，更加安全。
    图4和图5比较了模式1.1和模式1.2的三维温度场在站台人头部水平高度的断面的分布情况，从图中可知，由于隧道主要靠在站台两端的风口排烟，而且火源在列车中部，所以在站台中央温度高，聚集了大量的热量和烟气。相反，在出入口到站台两侧，新鲜气流较多，相对来说是比较安全的区域。对比模式1.1和模式1.2，可知模式1.1由于从进出口来流风量不够，不能有效带走聚集于站台中央的热量和烟气，导致在出入口到站台两侧的区间温度和烟气浓度均较高，这样在整个站台的安全区域就几乎没有，给人员的逃生带来极大的危险。而模式1.2由于从进出口的风速比较模式1.1提高了一倍，能较有效带走热量和烟气，能形成较大的安全区域，相对而言更有利于乘客逃生和救生人员开展灭火救灾工作。以上分析说明，对于工况1通风模式1.2是最优的。
   
    图4 模式1.1在站台人头部水平高度的温度分布等温线图
   
    图5 模式1.2在站台人头部水平高度的温度分布等温线图
   
    对于工况2，模式2.4进出口风速过低，首先舍去。模式2.5，有一定量的烟气扩散到右边隧道，也不可取。比较模式2.2和模式2.3，后者从进出口和左边隧道的来流风速都高于前者，虽然模式2.3会有少量的烟气扩散到右边隧道中，但综合比较模式2.3是更好的方案。
    图6和图7比较了模式2.1和模式2.3的三维温度场在站台人头部水平高度的断面的分布。从图中可知，由于火灾发生在列车的头部，所以产生的高温烟气能很快从临近火源的端部风口迅速排出。对于这种送排风系统的地铁站台，列车头部（尾部）发生火灾是比中部的安全区域，而模式2.3的安全区域大于模式2.1，更有利于乘客逃生。以上分析说明，对于工况2通风模式2.3是最优的。
   
    图6 模式2.1在站台人头部水平高度的温度分布等温线图
   
    图7 模式2.3在站台人头部水平高度的温度分布等温线图
   
    5 结论
   
    综上所述，针对本文研究的单层站台列车火灾问题有以下几点结论：
    1） 发生火灾事故时候，风机的启停和转动方向均应根据火灾发生的实际情况来确定，不同的通风方式，其效果可能相差很大。利用CFD的模拟分析软件，可以直观有效地判断通风方式的优劣。
    2） 如果列车中部发生火灾，建议采取模式1.2的通风方式，即站台两端的四台风机均作排风使用。
    3）如果列车头部发生火灾，建议采取上述所述的模式1.3，即靠近火灾一侧开启两台排风机，另一端两风机均关闭；同时开启一台邻近火灾的区间风机或者站台风机排风。
    本实例选取的是偏大的火灾强度，是偏安全的设计。由于火灾强度直接影响模拟分析结果，同时影响通风模式的选取，从而影响系统的经济性，所以确定作为设计标准的符合实际情况的列车火灾强度是亟待研究的问题。
   
   
    参考文献
   
    1 K.Moodie, King's Cross Fire. Damage assessment and overview of the technical investigation, Fire Safety Journal, 18 (1) 1992 p13～33
    2 Xian Ting Li, QiSen Yan, Field model of fires in subway tunnels, 2nd International symposium on HVAC, Beijing 1995, p392～399
    3 地下铁道设计规范-中华人民共和国国家标准（GB 50157-92）。国家技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布，1992-06-13发布