不同地鐵車站吊頂形式對(duì)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響
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張亦昕1，李炎鋒1，張 仁1，王奕然2，劉 壺2，侯昱晟1
（1．北京工業(yè)大學(xué)，北京100124；2．北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037）
摘要：針對(duì)實(shí)吊頂以及鏤空率格柵吊頂裝修形式的典型地鐵車站站廳，采用大渦模擬的方法計(jì)算出不同鏤空率吊頂在不同火源功率下的煙氣層高度，分析評(píng)估鏤空吊頂對(duì)煙氣層沉降和溫度分布。研究結(jié)果表明，火災(zāi)發(fā)生360 s內(nèi)，格柵吊頂?shù)男顭熥饔糜兄趯煔鈱泳S持在安全高度，且隨著鏤空率增加維持煙氣層在安全高度的效果越明顯。但是鏤空吊頂上方由于煙氣溫度較高，容易對(duì)吊頂內(nèi)的各類設(shè)備產(chǎn)生危害。
關(guān)鍵詞：格柵吊頂；煙氣控制；地鐵車站；火災(zāi)
中圖分類號(hào)：X932 doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 022
0 引 言
近年來，越來越多的新建地鐵線路投入運(yùn)營，地鐵車站在站內(nèi)裝修方面各有特色。在實(shí)際工程中，車站實(shí)吊頂和格柵吊頂最為常見。地鐵車站吊頂上方空間各種風(fēng)管及電纜橋架等設(shè)備排布錯(cuò)綜復(fù)雜，實(shí)吊頂有一定的隔離空間的作用，而格柵吊頂發(fā)生電氣火災(zāi)的隱患較大。兩種不同裝修形式對(duì)站內(nèi)消防安全的影響引起了廣泛關(guān)注。
《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50157 - 2013)及《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50116 - 2013)沒有對(duì)格柵吊頂及實(shí)吊頂裝修形式所應(yīng)采取的相應(yīng)火災(zāi)安全保護(hù)措施作明確規(guī)定。王婉娣針對(duì)無吊頂或開口率較大的鏤空吊頂形式空間，研究不同的排煙口設(shè)置方式所產(chǎn)生的不同煙氣控制效果。陳南通過對(duì)格柵吊頂對(duì)火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)特性影響的研究，制定出指導(dǎo)火災(zāi)探測(cè)器設(shè)計(jì)安裝的原則。李玉幸研究得出影響火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)速度的原因是吊頂鏤空率不同。目前已有的研究主要集中在鏤空吊頂對(duì)探測(cè)裝置反應(yīng)的影響，沒有針對(duì)吊頂上方的蓄積煙氣具體情況展開深入研究。
采用全尺寸試驗(yàn)或者比例模型試驗(yàn)研究地鐵車站火災(zāi)會(huì)耗費(fèi)巨大人力、財(cái)力。由于火災(zāi)工況復(fù)雜，開展有限次的實(shí)驗(yàn)無法得到全面結(jié)果。相較于試驗(yàn)方法，數(shù)值模擬方法更加簡單，易于實(shí)現(xiàn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地鐵火災(zāi)研究。
本文采取數(shù)值模擬方法研究格柵吊頂上部空間煙氣流動(dòng)規(guī)律及溫度分布規(guī)律，同時(shí)分析吊頂鏤空率對(duì)煙氣溫度分布和煙氣層高度的影響，研究結(jié)果有助于提出科學(xué)合理的措施來設(shè)置火災(zāi)探測(cè)裝置和預(yù)防吊頂上方設(shè)備發(fā)生火災(zāi)。
1 研究對(duì)象的物理模型
1.1 格柵吊頂鏤空率
吊頂鏤空部分的面積與吊頂總面積之比被稱為格柵吊頂鏤空率。在工程實(shí)際中，為了達(dá)到美觀的效果，通常采用格柵吊頂?shù)溺U空率為50%。因此，結(jié)合北京地區(qū)的車站裝飾工程實(shí)際需求，選取鏤空率為50010格柵吊頂車站站廳為重點(diǎn)研究對(duì)象，同時(shí)分析格柵不同鏤空率對(duì)煙氣擴(kuò)散以及溫度分布的影響。
1.2 車站火災(zāi)工況
圖1給出站廳結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)為平面示意圖，圖1(b)描述的是火源在站廳的具體位置，距站廳壁面距離為5 000 mm。站臺(tái)兩端為設(shè)備間，中間部分是本站的站廳層空間。站廳長為90 m，寬為20 m，層高為4.4 m。由于安檢機(jī)制的正常運(yùn)行，易燃易爆物進(jìn)入站
廳付費(fèi)區(qū)域的可能性很小，因此本次火災(zāi)模擬將火源設(shè)置在非付費(fèi)區(qū)域安檢儀器附近。此處人員及行李物品相對(duì)集中，又有多臺(tái)機(jī)電設(shè)備，發(fā)生火災(zāi)的可能性較大。站廳層通過4個(gè)長50 m，并含有900夾角的出人口通道與外界相通。設(shè)定兩種模擬工況：①在吊頂高度設(shè)置格
柵吊頂，吊頂條形方通的寬度與鏤空間距之比為50mm:50 mm，即鏤空率為50%；②在吊頂高度設(shè)置實(shí)吊頂，將吊頂上下分為兩個(gè)獨(dú)立的空間。兩種站廳火災(zāi)工況中均采用機(jī)械排煙。
1.3數(shù)值模擬方法
大渦模擬（Large Eddy Simulation，簡稱LES）方法，相較于雷諾時(shí)均方法，在復(fù)雜流動(dòng)的模擬中可以得到湍流運(yùn)動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和流動(dòng)圖像。LES方法是指，在大雷諾數(shù)流動(dòng)中，直接模擬計(jì)算大尺度湍流，而利用次網(wǎng)格尺度模型模擬小尺度流動(dòng)對(duì)大尺度湍流的影響，是一
種介于直接模擬和雷諾時(shí)均方程法之間的場(chǎng)模擬方法。
本文采用的FDS軟件是LES方法的代表軟件，被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)研究。該軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所( National Institute of Standards and Technology簡稱NIST)建筑物與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(Building and FireResearch Laboratory)研發(fā)的。經(jīng)過了大量全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，F(xiàn)DS軟件具有較高的可靠度。本文運(yùn)用LES方法對(duì)典型地鐵車站站廳層火災(zāi)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，分析兩種不同的吊頂形式（格柵吊頂和實(shí)吊頂）對(duì)車站頂部蓄煙能力的影響和吊頂附近溫度分布的影響。
1.4邊界條件及網(wǎng)格的劃分
車站站廳內(nèi)空氣溫度設(shè)置為20℃，車站內(nèi)結(jié)構(gòu)壁面設(shè)置為“CONCRETE”。與外界相連的出入口設(shè)置為自由邊界，外部壓力與大氣壓力相同。站廳內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由兩組風(fēng)管負(fù)責(zé)排煙，排風(fēng)量總量為108 000 m3／h，設(shè)置每個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速為1. 23 m/s。格柵吊頂工況的排
煙口位置在格柵上方50 mm處�；鹪丛O(shè)置在安檢儀器附近，火源功率設(shè)為2.0 MW穩(wěn)態(tài)火源，燃燒物為丙烷( C3H8)，單位面積熱釋放率HRRPA( Heat Release Rateper Area)設(shè)置為2 000 kW/m2。網(wǎng)格總數(shù)為620 000個(gè)，火源附近為重點(diǎn)區(qū)域，網(wǎng)格尺寸加密為0.1 mx0.1 m×0.1 m，滿足FDS軟件對(duì)于火災(zāi)工況模擬的網(wǎng)格尺寸要求。
2 模擬結(jié)果及分析
2.1 鏤空率為0和50%情況下煙氣擴(kuò)散的比較
通過模擬計(jì)算，可以得到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，站廳內(nèi)煙氣層的擴(kuò)散情況。格柵吊頂工況的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散情況如圖2(a)~(g)所示�；馂�(zāi)發(fā)生初期，煙氣通過熱浮升力的作用，穿過格柵吊頂上升至站廳上部空間。伴隨火災(zāi)的發(fā)展，煙氣沿站廳縱向快速擴(kuò)散。按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范>( GB50157 - 2013)…規(guī)定，火災(zāi)發(fā)生之后6 min（含1min的反應(yīng)預(yù)警時(shí)間）內(nèi)，在站內(nèi)工作人員的指揮下，所有乘客應(yīng)疏散至安全區(qū)域。從圖2可以看出，火災(zāi)發(fā)展6 min內(nèi)煙氣層始終保持在吊頂高度，即距地面3 m。按照火災(zāi)煙氣層臨界安全高度的公式判斷：
式中：H表示火災(zāi)時(shí)煙氣層的安全高度，m；H c為 火源所在層的層高，m。根據(jù)式(1)計(jì)算，在發(fā)生火災(zāi) 時(shí)，煙氣層臨界安全高度應(yīng)保持在2m以上。在格柵鏤空吊頂工況中，煙氣層的高度能夠滿足臨界安全高度的要求。
圖3(a)~(g)為實(shí)吊頂工況中的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散情況�；馂�(zāi)發(fā)生后，由于吊頂為實(shí)吊頂，站廳層上部與下部被分割為各自獨(dú)立的空間，煙氣無法到達(dá)吊頂上部空間。煙氣層只能在吊頂下方，沿站廳縱向蔓延擴(kuò)散。火災(zāi)模擬過程進(jìn)行到240 s時(shí)，煙氣開始沉降，并逐漸充滿站廳層空間。
2.2 不同鏤空率吊頂上方的煙氣溫度分布以及煙氣層高度
為進(jìn)一步對(duì)比兩種吊頂形式對(duì)防排煙效果的影響，在火源旁邊0.5m處位置設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)如圖1(b)所示，原因是該點(diǎn)上方煙氣分層最為明顯。由圖4中煙氣層模擬數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)格柵吊頂?shù)膶痈邽?.4 m時(shí)，火災(zāi)發(fā)展過程中，觀察點(diǎn)的煙氣層高度在360s內(nèi)保持在3.2 m;而實(shí)吊頂?shù)陌惭b高度為3m時(shí)，觀察點(diǎn)的煙氣層高度保持在2m左右，且穩(wěn)定時(shí)間只能保持240s。圖5給出兩種火災(zāi)工況不同鏤空率吊頂在360s時(shí)觀察一點(diǎn)處的煙氣層高度。H表示煙氣層下緣距地面的高度，x表示鏤空率。可以看出，在1．0MW情況，機(jī)械排煙可以將煙氣層保持在鏤空吊頂上方（H大于3. 0m），隨著鏤空率增加，煙氣層下緣的高度增加，這樣對(duì)人員疏散有利。對(duì)于同樣的鏤空率，隨著火源功率增加，煙氣層高度隨著火源功率在下降。在20%的鏤空率時(shí)，煙氣由于受到鏤空吊頂?shù)挠绊�，煙氣沉降在吊頂下�?H小于3. 0m)，但仍然保持在安全高度之上。因此，采用格柵吊頂裝修的站廳利用了吊頂上部的蓄煙空間，使得火災(zāi)煙氣層保持在較高的高度。但需要注意的時(shí)，如果考慮吊頂上部存在通風(fēng)風(fēng)管及線纜橋架等設(shè)備對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響，實(shí)際鏤空吊頂站廳火災(zāi)時(shí)煙氣層的下緣位置應(yīng)低于計(jì)算值。
2.3 鏤空率對(duì)吊頂上方煙氣溫度分布影響
為了更加直觀的認(rèn)識(shí)火災(zāi)發(fā)生時(shí)格柵吊頂上部的空氣溫度分布情況，在火源上方的吊頂上部空間設(shè)置測(cè)點(diǎn)，具體設(shè)置位置如圖1(b)所示。通過模擬計(jì)算得到3個(gè)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)火災(zāi)過程的溫度見表1。表中平均值是按照1 s取一個(gè)計(jì)算值平均得到。從表中看出，格柵吊頂處溫度較高，超過130℃。格柵吊頂對(duì)空氣溫度的傳導(dǎo)起到一定的阻隔作用，使煙氣在穿過格柵吊頂以后，溫度有大幅度的下降，但是依然在90℃左右。吊頂上方熱煙氣在頂棚重新聚集，使得頂棚溫度增加，達(dá)到130℃以上。因此，為了快速探測(cè)到火災(zāi)工況，吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)當(dāng)貼頂棚進(jìn)行安裝，同時(shí)需要考慮高溫會(huì)對(duì)上方的電氣線路設(shè)備造成危害問題。
圖6給出2.0 MW火災(zāi)情況下，360 s時(shí)不同鏤空率吊頂測(cè)點(diǎn)位置上方吊頂處和吊頂上方1 000 mm處的溫度分布�？梢钥闯�，隨著鏤空率增加，煙氣向上蔓延強(qiáng)烈，熱煙氣聚集在頂棚上方，造成兩點(diǎn)之間的溫差增加。20%的鏤空率由于對(duì)煙氣浮升起到一定的阻擋作用，因此兩點(diǎn)之間的溫差最小�？梢钥闯霭l(fā)生火災(zāi)不同的吊頂形式對(duì)空氣溫度分布也存在影響。由于溫度分布會(huì)影響感溫探測(cè)器的使用效果。而實(shí)吊頂相比格柵吊頂，火源上方的空間要小，因此在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火源上方的空氣溫度要高。但實(shí)吊頂將煙氣及高溫空氣阻擋在吊頂下方，高溫空氣不會(huì)對(duì)吊頂上方的設(shè)備造成損害，但是在火源正上方的高溫空氣集中區(qū)域，高溫?zé)煔饪赡軐?dǎo)致實(shí)吊頂材料損毀。格柵吊頂工況下，高溫空氣伴隨煙氣熱羽流浮升至吊頂上部空間，計(jì)算表明鏤空吊頂站廳火源上部區(qū)域的空氣溫度可以達(dá)到130 0C以上，會(huì)對(duì)吊頂上方的風(fēng)管及線纜橋架造成損害，需要考慮相應(yīng)的防護(hù)措施。
3 結(jié)論
本文通過數(shù)值模擬，研究典型地鐵車站站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)不同鏤空率吊頂（重點(diǎn)研究50%鏤空率）和實(shí)吊頂對(duì)于煙氣層分布效果的影響，得到以下結(jié)論：
1)地鐵車站站廳2.0 MW火災(zāi)工況下，50%的吊頂鏤空率可以使4.4 m高站廳的煙氣層高度保持在3.0m以上，且時(shí)間能維持360 s；普通的實(shí)吊頂（3m高）可以使煙氣層保持在2.0 m以上，時(shí)間維持4 min。研究表明格柵吊頂?shù)难b修方式充分利用了吊頂上部空間，在站廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)，吊頂上部空間可以作為蓄煙空間，可以有效地保持煙氣層的高度，有利于火災(zāi)救援和人員疏散。隨著鏤空率增加，煙氣層保持的高度增加，對(duì)站廳中的人員疏散有利。對(duì)于同樣的鏤空率，隨著火源功率增加，煙氣層保持的高度而下降。但是機(jī)械排煙作用下，20%鏤空率可以將2.0 MW以內(nèi)的火災(zāi)煙氣層維持在吊頂高度附近。
2)采用格柵吊頂?shù)恼緩d，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫空氣會(huì)隨著煙氣上升鏤空吊頂進(jìn)入吊頂上部空間。50%的鏤空吊頂上方1 m處的溫度超過100 0C。隨著鏤空率增加，煙氣向上蔓延強(qiáng)烈，熱煙氣聚集在頂棚上方，造成吊頂以及上方1m處兩點(diǎn)的溫差減少。因此，對(duì)于鏤空率高于50 %情況，建議吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)均應(yīng)當(dāng)貼頂棚進(jìn)行安裝。但是，對(duì)于隔柵吊頂應(yīng)考慮緊鄰火源位置上方處高溫?zé)煔鈺?huì)對(duì)置于吊頂上方的電氣設(shè)備造成一定程度的損害，吊頂上部的風(fēng)管及線纜橋架等設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工況中煙氣層高度高度低于模擬分析值。
