地铁车站站台与站厅间临界通风速度的研究
摘要:地铁站台发生火灾时,会产生大量的有毒高温烟气.一旦烟气通过站台与站厅间的楼梯向站厅扩散,将会给人员疏散和救援工作带来极大的困难.在分析了地铁站台火灾时烟气流场变化规律的基础上,提出了临界通风速度的概念.利用FDS场模拟软件,对不同条件下站台与站厅间所必需的临界通风速度进行了计算机模拟研究.研究表明:临界通风速度与火灾热释放速率成正比,与站台和站厅间楼梯口处的挡烟垂壁高度成反比.
关键词:地铁;烟气;火灾;临界通风速度
城市地铁作为一种快速、环保、舒适、客运能力大的城市交通工具愈来愈受到人们的关注.自上世纪90年代以来,随着我国经济的快速发展和综合国力的不断增强,我国城市地铁交通体系也随之进入大发展时期.目前已有北京、上海、广州3个城市的9条地铁线路投入运营,南京、天津、深圳3个城市的地铁一号线已经建成,即将投入运营.
根据区间遂道乘客安全疏散方案,列车在站间区间遂道内发生火灾时,应尽量将列车开往前方车站进行扑救[1].因此,一旦发生地铁火灾,地铁车站将是人员疏散、火灾扑救的主要场所.
为节约地铁车站建设用地,新型的地铁车站大多采用站台与站厅双层结构,站台与站厅间楼梯是人员安全疏散和灭火救援的必经之路,同时也是有毒高温烟气由站台向站厅扩散和蔓延的通道.有毒高温烟气一旦进入站厅,将给人员的疏散和火灾的救援工作造成灾难性的后果.在火灾发生后,可以通过控制站厅向站台的通风速度来防止烟气进入站厅.但风速应控制在多大范围,才能保证满足安全疏散和救灾条件,目前还缺少理论依据,有关设计规范也没有明确规定.本文将通过计算机模拟的方法,对这一问题进行探讨,希望能为地铁的设计和火灾救援方案的制定提供有益的参考.
1 火灾时地铁车站内烟气的控制
1.1 烟气的形成过程
由于设备故障或人为的原因,在地铁运营过程中,可能会由于车辆、车站的电器设备、旅客的行李等着火引起火灾.火灾发生后,将会产生大量的有毒高温烟气[2].这些高温烟气在热浮力的作用下向上腾升,在楼层顶板积聚形成一定厚度的烟气层并不断地向外扩散.随着燃烧的时间的延长,烟气积聚愈来愈多,烟气层厚度不断加大[3].如果不能有效的控制,烟气将很快充满整个车站室内空间.如果火灾发生在站台内,烟气将很快在站台层顶板下积聚并通过站台与站厅间的楼梯通道向站厅扩散.
1.2 烟气的控制
当车站站台火灾发生后,乘客和工作人员将通过站台与站厅间的楼梯到达站厅,向地面疏散,救援人员也必须通过该楼梯进入站台进行火灾扑救.因此,为了保证乘客和工作人员的安全疏散,就必须防止烟气通过站台与站厅间的楼梯通道向站厅扩散.
烟气的控制可以通过车站的通风控制系统来实现.一旦发生火灾,通风控制系统将自动进入事故通风状态,车站内所有小系统通风设备将停止运行.如果火灾发生在站台,系统将通过设在站台顶板两侧靠近轨道处的若干个排风口向地面排出烟气.在负风压的作用下,站台与站厅间的楼梯口处将形成与人员疏散和烟气蔓延方向相反的新鲜风流,如图1所示.火灾发生后,烟气首先在站台顶板积聚并向四周扩散,如果在楼梯口上方加设一定高度的挡烟垂壁(如图1所示),则可以推迟烟气向站厅扩散的时间,减少烟气的扩散量,从而可以降低进风口的通风速度,节约能源.
因此,如果进风口通风速度合适,就可以控制烟气通过站台与站厅间的楼梯通道向站厅扩散,保证乘客和工作人员的安全疏散.
进风口通风流量[3]为
∑Q进j=vj×Aj, (1)
式中:Q进j为第j个站台与站厅间的楼梯口的进风量,m3/s;vj为第j个站台与站厅间的楼梯口进风速度,m/s;Aj为第j个站台与站厅间的楼梯进风口面积,m2.
由式(1)可知,如果vj愈大,则进入进风口的风量就愈大,烟气通过楼梯口进入站厅的可能性愈小,人员疏散愈安全,但∑Q进j也就愈大,系统所需要的能量愈大;同时,进入燃烧区域的新鲜空气也愈多,可能助长火灾的进一步扩大,增加扑救的难度.如果vj太小,则烟气就有可能通过楼梯口进入站厅,给人员的疏散工作造成严重的后果.因此,确定出能保证火灾时防止烟气通过站台与站厅间的楼梯通道向站厅扩散的最小风速vj(即火灾时地铁车站站台与站厅间临界通风速度,以下通称为v*),具有非常重要的现实意义.
2 火灾模拟场景设计
2.1 火灾热释放速率的确定
火灾热释放速率是描述火灾强度的主要指标.关于各种车辆的热释放速率仅有很少的公开数据.对于旧式车厢,由于其内部结构和坐椅是用可燃材料做成的,其最大热释放速率可达15MW[1],甚至更大.对于国内新投入运行的地铁车辆,由于其结构都是不燃或阻燃材料组成,考虑安全系数,车辆着火时热释放速率取为7.5MW.而旅客的行李着火时,其最大热释放速率一般认为不超过2MW.为简化运算,各方案计算时没有考虑火灾的发展过程,热释放速率取最大值计算.
2.2 模拟场景设计
模拟将以典型的双层地铁车站为背景,选择其中一个楼梯口(受计算机资源所限)为模拟对象,对火灾时地铁车站站台与站厅间临界通风速度进行研究.
模拟空间的基本尺寸[4]为:1)地铁车厢(长×宽×高)为22m×3m×3.8m;2)站台公共区(模拟区:长×宽×高)为50m×16m×3m;3)楼梯口高度(即进风口高度)(H)2.3m;4)楼梯口处宽度(B)2m;5)挡烟垂壁高度(Hc≤Hz-H)0～0.7m.
3 模拟方法及结果分析
3.1 FDS场模拟软件
FDS(firedynamicssimulator)是由NIST开发的计算机场模拟软件,适用于因火灾引起的烟雾和热传输规律的研究[5-6],其基本原理是将模拟空间进一步划分为许多微元控制体(可能有成千上万个),以微元控制体为基本计算单位.假设各微元控制体内的物理量(如:温度、压力,速度、密度、热释放速率、烟雾组分等)是同一的,它们随时间的变化而变化.利用计算流体动力学基本方程(连续性方程、动量方程、能量方程、化学组分方程和状态方程)进行求解,计算出不同时间不同位置的各种物理量(如:烟气的温度、组分和速度等).FDS具有功能强大,模拟结果可靠等特点.本文将利用FDS软件对不同条件下站台与站厅间所必需的临界通风速度进行模拟研究.
3.2 模拟方法
根据上面确定的模拟场景,借助FDS场模拟软件进行模拟.首先固定火灾热释放速率或挡烟垂壁高度等条件,通过反复改变排风口的通风量大小来考察楼梯口的烟气流场,直到烟气恰好被控制住为止,则此时的通风量即为该火灾热释放速率或挡烟垂壁高度等条件的临界通风量.根据软件所具有的功能,可以查出该条件下的地铁车站站台与站厅间通风速度v*,即为该条件下的临界通风速度v*.然后改变火灾热释放速率和挡烟垂壁高度等条件,再按前述方法求得临界通风速度.反复上述步骤,即可得到不同火灾热释放速率或挡烟垂壁高度等条件下的地铁车站站台与站厅间临界通风速度的变化规律.
3.3 火灾热释放速率和挡烟垂壁高度对临界通风速度的影响
如上所述,分别改变热释放速率和挡烟垂壁高度,确定出不同热释放速率和挡烟垂壁高度条件下通过站台与站厅间的楼梯通道向站厅扩散的烟气量为零时的临界通风速度v*,就可以得出不同的热释放速率、挡烟垂壁高度与临界通风速度相对关系,如表1所示.
根据表1,可得挡烟垂壁高度、热释放速率与临界通风速度的关系如下(其相关度R达0.975)
v*=1.462-0.647Hc 0.257q, (2)
式中:v*为临界通风速度,m/s;q为火灾热释放速率,MW;He为挡烟垂壁高度,m.
分析表1和式(2)可以看出:火灾热释放速率和挡烟垂壁高度的大小是影响火灾时地铁车站站台与站厅间临界通风速度v*的主要因素.临界通风速度v*不是一个定值,它与火灾热释放速率成正比,挡烟垂壁高度成反比.
因此,地铁车辆应尽量选用难燃的材料,以降低火灾时的热释放速率;虽然挡烟垂壁高度受站台净空高度和楼梯口高度的限制,可能的取值范围很小,但也应尽量增加挡烟垂壁高度.
根据规定[4],站厅与站台间的楼梯口处宜设挡烟垂壁,挡烟垂壁下缘至楼梯踏步的垂直距离不应小于2300mm.因此,为增加挡烟垂壁的高度,楼梯口的高度应尽量降低,取规范规定的最小值2.3m为宜.
图2和3分别为改变楼梯口宽度而引起临界通风速度和供风量的变化情况(Hc=0.5m),从图中可以看出,虽然随着楼梯口宽度的增加临界通风速度有所降低,但由于楼梯口面积的增加,所需要的供风量却提高了.由此可见,通过增加楼梯口宽度来降低临界通风速度是不经济的.
通过以上分析得出结论,楼梯口的高度应取规范规定的最小值2.3m,楼梯宽度的确定只要考虑满足远景客流量和火灾时人员疏散速度即可.