全高安全門地鐵車站火災時煙氣流動特性的模型實驗

楊英霞，陳 超，許 磊，康國青

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

全高安全門地鐵車站火災時煙氣流動特性的模型實驗

楊英霞，陳 超，許 磊，康國青

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

搭建了安裝全高安全門系統(tǒng)的雙層島式地鐵車站1∶8模型實驗臺，通過比例模型實驗，重點研究了軌道區(qū)一端發(fā)生火災，煙氣在站臺軌道區(qū)以及站臺公共區(qū)的流動特性．結(jié)果表明，在火災的增長階段，如果機械排煙系統(tǒng)不開啟，軌道區(qū)煙氣會通過全高安全門頂端空隙擴散到站臺公共區(qū)，并阻斷距火源較近的樓梯口的疏散通道；當機械排煙系統(tǒng)開啟時，煙氣向站臺公共區(qū)的擴散速度得到明顯控制，但由于站臺軌頂各排煙口排煙特性的不均勻性，遠離排煙風機的火源附近，煙氣通過全高安全門頂端空隙擴散到了站臺公共區(qū)．如果能使各排煙口排風量均勻，則將提高控制煙氣向站臺公共區(qū)擴散的效果．

雙層島式地鐵車站；全高安全門；站臺軌道區(qū)火災；煙氣流動；模型實驗

為了保證乘客的候車安全、提高乘客的候車環(huán)境質(zhì)量，同時從空調(diào)節(jié)能的角度考慮，地鐵車站站臺屏蔽門和安全門逐漸被采用．對于安裝了屏蔽門的地鐵車站，屏蔽門將站臺公共區(qū)和軌道區(qū)完全隔開，當?shù)罔F列車或站臺發(fā)生火災時，屏蔽門的開啟將對煙氣流動產(chǎn)生影響，國內(nèi)外學者對此開展了相關研究[1-4].對于安裝了安全門的地鐵車站，站臺公共區(qū)和軌道區(qū)部分隔開，目前國內(nèi)外關于安全門對地鐵車站火災時煙氣流動特性影響的研究鮮見報道．

為此，筆者采用模型實驗的研究方法，以安裝了全高安全門(高度2.5,m左右)系統(tǒng)的北京某新建雙層島式地鐵車站為研究對象，重點研究軌道區(qū)地鐵列車發(fā)生火災時，全高安全門對車站內(nèi)煙氣擴散和沉降的影響規(guī)律，以及對機械排煙系統(tǒng)排煙性能的影響．

1 地鐵車站火災模型實驗

1.1 模型實驗臺

搭建的全高安全門系統(tǒng)的雙層島式地鐵車站模型實驗臺如圖1所示．圖2為模型實驗臺結(jié)構示意．模型實驗臺外圍護結(jié)構采用雙鋼板制作，內(nèi)夾高性能保溫材料；安全門采用有機玻璃制作；站臺層與站廳層采用聚苯乙烯板(厚度0.01,m)隔開．

圖1 模型實驗臺示意Fig.1 Scale model of subway station

圖2 模型實驗臺結(jié)構示意 (單位：cm)Fig.2 Structure of the scale model station (unit：cm)

根據(jù)現(xiàn)行設計方法，對于采用了全高安全門的地鐵車站，在軌道區(qū)頂部設置排煙口(圖2(a))，站臺公共區(qū)火災時，利用全高安全門頂端的空隙，排走煙氣．軌道區(qū)火災時，煙氣直接經(jīng)排煙口排除，利用全高安全門頂端的空隙補充新風，抑制煙氣向站臺公共區(qū)的擴散．

1.2 實驗方案

考慮實驗臺的耐溫性能以及地鐵火災的規(guī)模等因素，實驗的火源采用電加熱器(見圖3)與發(fā)煙物質(zhì)結(jié)合的方法．電加熱器功率可以3檔調(diào)節(jié)(6.9,kW、8.5,kW和16,kW)，電加熱器從冷態(tài)到達穩(wěn)定發(fā)熱功率需要幾分鐘的預熱時間；發(fā)煙物質(zhì)采用影視煙餅(鋸末、硫磺為其主要成分)，受熱時將產(chǎn)生大量的乳白色煙氣．本實驗重點研究火災發(fā)生的增長階段(見圖4)．實驗時，點燃煙餅并同時開啟電加熱器，煙餅燃燒結(jié)束，加熱停止．火源位于軌道區(qū)上行列車的尾部(見圖5)．

圖3 電加熱器Fig.3 Electrical heater

圖4 完整火災模型曲線Fig.4 Full curve of fire model

機械排煙量的取值，是根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》[5]，即“站臺火災時的排煙量，應根據(jù)一個防煙分區(qū)的建筑面積按照1,m3/(m2·min)計算．”具體的實驗方案見表1．表中test,4是根據(jù)站臺建筑面積的設計排煙量，test,5是設計排煙量的1.2倍．

圖5 站臺公共區(qū)及軌道區(qū)溫度測點布置 (單位：cm)Fig.5 Temperature measure points in platform and track area (unit：cm)

表1 實驗方案Tab.1 Experiment scheme

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1) 溫度

各溫度測點布置如圖5所示．即在站臺中部和著火側(cè)軌道區(qū)布置若干個T型熱電偶．熱電偶沿高度方向，距站臺地面的距離分別為0.15,m、0.20,m、0.25,m,和0.35,m；數(shù)據(jù)采集周期為5,s．

2) 煙氣層高度

采用熱電偶法判斷煙氣層高度，熱電偶出現(xiàn)溫升時表明煙氣填充到該高度位置[6]．

3) 排煙風機排風量

采用數(shù)字式交流變頻調(diào)制器可對風機進行無級調(diào)速控制，可通過安裝在送、排風管上的調(diào)節(jié)閥裝置調(diào)節(jié)排煙口風門開度，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)風量．排煙風機位于站臺3、4出口側(cè)．

1.4 模型與原型的相似性

根據(jù)相似理論，相似必須針對同一物理現(xiàn)象，地鐵車站火災的模型實驗即滿足這一要求．在此基礎上，要實現(xiàn)兩物理現(xiàn)象的相似，還必須滿足幾何相似、運動相似、力相似、熱相似，以及初始條件與邊界條件相似，在滿足這些相似條件的前提下，原型和模型的對應參數(shù)大小成比例且方向相同，由各參數(shù)組成的同名無因次準則數(shù)相等，這樣才能保證模型的實驗結(jié)果可以推廣到原型[7]．

地鐵火災時決定性準則為弗諾德數(shù)Fr與雷諾數(shù)Re．但實際上這2個準則數(shù)是很難同時滿足的．地鐵火災時，由于火源對流換熱(或機械排煙)的影響，煙氣流動一般處于紊流狀態(tài)，可以認為煙氣進入了流動自模區(qū)，只需模型和原型的Fr相等，即可實現(xiàn)模型和原型相似．

式中：g為重力加速度，m/s2；l為特征長度，m；u為速度，m/s．

因此，作為地鐵火災煙氣流動控制的相似模型研究，選用弗諾德模型律．根據(jù)得出各參數(shù)模型和原型的相似關系如下．

式中：t 為溫度，℃；Q為火源熱釋放速率，kW；V為排煙體積流量，m3/s；τ為時間，s；腳標m和r分別代表模型和原型．

考慮到模型實驗結(jié)果的科學性及經(jīng)濟性，參考美國NFPA推薦的幾何比例尺取值，模型實驗采用1∶8的幾何比例尺．

2 模型實驗結(jié)果及原型應用

2.1 自然排煙時的煙氣流動特性

2.1.1 軌道區(qū)

1)煙氣層高度

根據(jù)測試斷面(點)煙氣溫度是否開始持續(xù)上升，判斷煙氣是否到達該斷面(點)．圖6所示的是test3時，軌道區(qū)各測點煙氣溫度的變化．可見，隨著燃燒時間的延長，軌道區(qū)熱電偶樹TG1～TG5各測點(圖6(a)～(c))煙氣溫度呈不斷上升趨勢，表征對應條件下對應測點的煙氣量在增加；隨著距離火源位置的變化，遠離測點的煙氣溫度呈遞減趨勢，表征對應條件下對應測點的煙氣量在減少．

當火災發(fā)生后第180,s(原型508,s)時(圖6(c))，TG1、TG2、TG3測點組中，距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度的煙氣溫度比120,s(原型338,s)時有了較大幅度的上升，而在距站臺地面0.15,m(原型1.2,m)和2.0,m(原型1.6,m)高度的煙氣溫度上升幅度仍然很小，說明120,s(原型338,s)之后煙氣仍然主要積聚在距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置．

由實驗結(jié)果可知，距地面位置越近，煙氣的溫度越低，說明煙氣層不斷向下沉降．這樣在煙氣層界面上，存在一個與空氣層之間 “摻混過渡層”，該區(qū)域接近環(huán)境空氣溫度，也屬于“煙氣層”，使得采用熱電偶法判斷的煙氣層高度偏高．

2)煙氣前鋒擴散速度

圖7為test,1～test,3時，軌道區(qū)距離站臺地面0.35,m(原型2.8,m)處煙氣前鋒擴散到測試點位置的時間．可見，距離火源位置越遠，煙氣前鋒到達的時間也越長，煙氣擴散速度越小．原因是當機械排煙系統(tǒng)停止運行時，煙氣的流動是受熱浮升力驅(qū)動的自然流動．煙氣距離火源水平距離越遠，沿途卷吸周圍的空氣量也越多，導致煙氣溫度降低、密度增加；隨著煙氣與空氣密度差的減小，浮升力也就越小，導致煙氣前鋒擴散速度減?。S著火源熱釋放速率的增加，煙氣溫度及浮升力也將增加，導致煙氣的擴散速度增加．test,3的煙氣擴散速度為0.05～0.15,m/s(原型0.14～0.42,m/s)，明顯大于test,1和test,2．

根據(jù)圖7實驗結(jié)果，距離火源位置越遠，溫度開始升高需要的時間越長，說明煙氣到達該位置的時間越長，煙氣的擴散速度越來越慢．但當煙氣溫度較低時，煙氣層界面與空氣層之間的溫差較小，使得采用熱電偶法判斷煙氣前鋒存在一定的誤差．

圖6 不同時刻站臺軌道區(qū)煙氣溫度的變化Fig.6 Temperature change with time in track area

圖7 站臺軌道區(qū)煙氣前鋒擴散距離隨時間的變化Fig.7 Change of smoke spread distance with time in track area

2.1.2 站臺公共區(qū)煙氣層高度

圖8所示的是test,3時站臺公共區(qū)各測點煙氣溫度隨時間的變化．可見，隨著燃燒時間的延長，公共區(qū)熱電偶樹T1～T6各測點煙氣溫度呈不斷上升趨勢，說明煙氣通過全高安全門頂端空隙擴散到了站臺公共區(qū)，并且煙氣在站臺頂棚下聚集．隨著距離火源位置的變化，距離越遠測點的煙氣溫度呈遞減趨勢，表征對應條件下對應測點的煙氣量在減少．

當火災發(fā)生后第180,s(原型508,s)時(圖8(,c))，T,1～T,5測點組中，距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度時，煙氣溫度比120,s(原型338,s)時有了較大幅度的上升，而在距站臺地面0.15,m(原型1.2,m)和0.20,m(原型1.6,m)高度的煙氣溫度上升幅度仍然很小，說明120,s之后煙氣仍然主要聚集在距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置．

由上述分析可知，當站臺軌道區(qū)發(fā)生火災(模型實驗火源熱釋放速率為16,kW(原型2.9,MW))且站臺軌道區(qū)機械排煙系統(tǒng)停止運行時，在站臺公共區(qū)人眼特征高度(1.5,m)處，雖不會受到煙氣的威脅，但在通往站廳層樓梯口1(T2測點組)處距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置已有大量煙氣聚集，并不斷地向站廳擴散，阻斷了人員的疏散通道(見圖9)．

圖8 不同時刻站臺公共區(qū)煙氣溫度的變化Fig.8 Temperature change with time in platform area

圖9 機械排煙系統(tǒng)停止運行時煙氣在車站內(nèi)的擴散示意Fig.9 Smoke spread in station when the mechanical extraction system stops

因此，為了保證人員的安全疏散，有必要開啟機械排煙系統(tǒng)．另外，根據(jù)煙氣層高度隨時間的變化規(guī)律，煙氣層在火災發(fā)生120,s(原型338,s)之前的沉降速度較快．為了避免煙氣的迅速擴散和沉降，在火災發(fā)生120,s(原型338 s)之前對煙氣的有效控制是最有意義的．

2.2 機械排煙時的煙氣流動特性

圖10和圖11為test,4和test,5實驗條件下，第180,s(原型508 s)時軌道區(qū)和站臺公共區(qū)的煙氣溫度隨距離火源位置的變化．與圖6(c)和圖8(c)相比可見，機械排煙系統(tǒng)開啟后，煙氣的擴散得到了比較明顯的控制．在軌道區(qū)，僅TG1測點組中，距站臺地面0.35,m(原型2.8,m)的排煙口處有煙氣流動，其他測試斷面(點)幾乎都沒有煙氣．在站臺公共區(qū)，在T,1測點組處，僅有少量煙氣的聚集；隨著排煙量的增加，test,5條件下，T,1測點組距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)處的煙氣量明顯要少于test,4．

上述實驗結(jié)果表明，對于全高安全門的地鐵車站，軌道區(qū)的一端列車發(fā)生火災時，為防止煙氣向其他車廂部位擴散，應控制煙氣的縱向擴散速度．通過合理設置軌頂排煙口的高度、位置及大小，形成合理有組織的垂直排煙氣流，以迅速有效地排除火災產(chǎn)生的煙氣，抑制煙氣通過全高安全門擴散到站臺公共區(qū)．

另外，由圖12可見，軌頂排煙管道的各排煙口的排煙風量如果不均勻，就有可能在全高安全門與頂棚間的空隙間形成不同的風壓．顯然，離排煙風機越近的風口，在全高安全門處形成的壓差大，抵抗煙氣侵入的能力越強；而較遠的風口(靠近火源)處的風壓差小，即抵抗煙氣侵入的能力也小．因此，應通過合理的設計，以確保各排煙口的排煙風量的均勻性，使得距風機不同位置處的風口處形成的壓差均勻，提高控制煙氣擴散的能力．

圖10 機械排煙時軌道區(qū)煙氣溫度隨著距火源位置的變化Fig.10 Temperature change with the distance from fire in track area when mechanical extraction system runs

圖11 機械排煙時站臺公共區(qū)煙氣溫度隨著距火源位置的變化Fig.11 Temperature change with the distance from fire in platform area when mechanical extraction system runs

圖12 軌頂機械排煙系統(tǒng)開啟時控制煙氣流動的示意Fig.12 Control of smoke flow when mechanical extraction system runs

3 結(jié) 論

(1) 最大火源熱釋放速率為16,kW(原型2.9,MW)時，如果機械排煙系統(tǒng)不開啟，在火災的增長階段，軌道區(qū)煙氣將通過全高安全門頂端空隙擴散到站臺公共區(qū)，并在距站臺地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度位置聚集，經(jīng)連接站臺層和站廳層的疏散樓梯不斷地向站廳擴散．

(2) 最大火源熱釋放速率為16,kW(原型2.9 MW)時， 如果開啟機械排煙系統(tǒng)，煙氣通過全高安全門頂端空隙向站臺公共區(qū)的擴散得到明顯控制，但由于站臺軌頂區(qū)各排煙風口排煙特性的不均勻性，使得遠離排煙風機的火源附近，煙氣通過全高安全門頂端空隙擴散到了站臺公共區(qū)．對于軌頂機械排煙系統(tǒng)設計，如果能通過合理設計確保各排煙口的排風量均勻，將能夠提高排煙風量的有效利用系數(shù)．

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Model Experiment on Smoke Flow Characteristics in Subway Station Fire with Full-High Security Doors

YANG Ying-xia，CHEN Chao，XU Lei，KANG Guo-qing
(College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

A 1∶8 scale model of a double-layer-island subway station with full-high security doors was built. Through model experiments，smoke flow characteristics in track and public areas were studied when fire broke out in one end of track area. The results show that，when the fire is at the growth stage，if the mechanical extraction system stops，the smoke in track area will diffuse to the public area through the space at the top of full-high security doors and blocks the evacuation path of stairway near the fire source. When the mechanical extraction system runs，the velocity of smoke diffusing to the public area can be controlled obviously. But due to the nonuniformity of extraction characteristics of vents in the track area，the smoke in the track area will overflow to the public area through the space at the top of full-high security doors near the fire source away from the fans. If smoke flow rates of vents are uniform，smoke will be well controlled from diffusing to the public area.

double-layer-island subway station；full-high security door；platform track area fire；smoke flow；model experiment

U231；X932

A

0493-2137(2010)12-1060-07

2009-06-25；

2009-10-12.

北京市科委博士論文資助項目(ZZ0740)．

楊英霞（1975— ），女，博士，yangyx_751119@163.com.

陳 超，chenchao@bjut.edu.cn.