北京某地铁车站通风排烟系统现场实测与最佳通风排烟模式研究

第31卷第2期 铁 道 学 报 V01．31No．2 2009年4月 JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY April2009 文章编号：1001—8360(2009)02一0137～06 北京某地铁车站通风排烟系统现场实测与 最佳通风排烟模式研究 杨英霞， 陈 超， 樊洪明 (北京工业大学建筑工程学院， 屈 璐， 北京 100022) 任明亮 摘要：2005年11月对北京地铁1号和2号线某典型单层岛式车站通风排烟系统的风速以及站台区域的速度 场进行现场实测调查。根据实测结果并结合数值模拟的方法，对车站内的气流流动现状进行与评估。并在 此基础上，进一步分析车站发生火灾时，不同通风排烟模式下烟气的速度场、温度场和浓度场的分布规律，提出车 站火灾发生时的最佳通风排烟模式，以期为现行的地铁通风排烟系统运行方式以及将来的地铁通风排烟系统设 计提供参考。 关键词：地铁车站；火灾；通风排烟模式；现场实测；数值分析 中图分类号：U231：X932文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1001—8360．2009．02．025 SiteMeasurementofExtractionSystemofaBeijingSubway StationandResearchonOptimalExtractionMode YANGYing—xia，CHENChao，FANHong—ming，QuLu， RENMing—liang (SchoolofArchitectureandCivilEngineering。BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022·China) Abstract：Theflowrateoftheextractionsystemandvelocityfieldontheplatformofatypicalmonolayerisland stationofLinel andLine2 oftheBeijingMetroweremeasuredinDecember2005．Basedonthemeasuredval- ues。numericalanalysiswasmadetoevaluatethecurrentflowstatesinthestation．Moreover，thesmokeveloc— ity。temperatureandconcentrationdistributionincaseofstationfireunderdifferentextractionmodeswereana- lyzed，thentheoptimalsmokeextractionmodewasproposed．Referencewasofferedfortherunningmodesof theexistingsubwayextractionsystemandthedesignofthefuturesubwayextractionsystem． Keywords：subwaystation；fire；extractionmode；sitemeasurement；numericalanalysis 地铁足缓解城市交通紧张的有效工具。在北京市 最新的发展公共交通政策中，其中一个重要举措就是 全力推进轨道交通建设。然而，在地铁的建设和营运 中有一个不可忽视的潜在问题，就是如何有效地防范 和应急处理地铁火灾的问题，保证地铁的安全施工和 运营。 目前关于地铁火灾的研究手段主要有3种：①实 体实验研究；②缩尺实验研究；③计算机模拟研究。对 于火灾研究来讲，实体燃烧实验是最理想、最有说服力 的，但由于实验条件和实验环境等受到严格限制，目前 采用比较多的方法是：①通过冷态发烟的实验方法，分 收稿日期：2007—04—02：修回日期：2008—04—26 基金项目：北京市科技项H(I)0604004040211) 作者简介：杨英霞(1975一)，女．河北赵县人，工程师．博士研究 生。 E-mall：yangyx．．．751119@163．COEa 析烟气流动规律，为火灾时烟气流动规律的研究提供 参考；②采用模型实验和数值模拟的研究方法，研究地 铁火灾时的烟气流动特性及通风防排烟系统模式。例 如韩国的Park等[1]对一双层地铁车站进行现场实测， 并以实测的速度值作为数值模拟的边界条件，研究车 站发生火灾时的通风和烟气流动特性。中国安全生产 科学研究院的钟茂华、史聪灵等¨。30建立比例尺为1： 10的地铁深埋车站实验模型；并针对地铁站台列车火 灾进行实验。Hasemi等[4]用池盘火来研究在地铁站 台发生火灾时的热特性。Miclea和Mekinney[53针对 装有屏蔽门的地铁车站系统，通过CFD模拟软件 CFX，对站台发生火灾时，紧急通风系统控制火灾产生 的烟气的能力进行评价。Dong—HoRie等[61通过数值 模拟和比例模型的方法，对地铁车站列车发生火灾时， ww w. zh ul on g. co m Administrator 新建图章 138 铁 道 学 报 第31卷 3种通风模式进行对比研究，得出最佳的通风模式。 笔者于2005年11月对北京地铁1号和2号线某 典型单层岛式车站通风排烟系统的风速以及站台区域 的速度场进行了现场实测调查。本文将根据实测结 果，结合数值模拟的方法，研究地铁车站发生火灾时， 不同通风排烟模式下烟气的速度场、温度场和浓度场 的分布规律，以期得到火灾时通风排烟系统的最佳运 行模式，为地铁车站通风排烟系统的设计提供参考。 1 现场实测 I．1测试目的 本文试图通过现场实测的方法，一方面对现有的 地铁通风排烟系统的运行状况有一个基本的了解；另 外，可将实测数据作为火灾数值模拟的边界条件。在 以往的研究中，通常都是假定边界条件研究地铁车站 内发生火灾时的烟气流动状况，这对于分析实际地铁 火灾时的烟气流动特性，以及制定相应的火灾应急预 案都是有较大影响的。 1．2测试车站基本构造 测试车站为北京地铁1号和2号线的某典型单层 岛式车站，见图1。车站总长148．8ITI，宽20．3m，高 6．7rn；中部为站台，长109．15m，高6．7m；两个站厅 位于车站的两端，分别通过东西侧楼梯与站台直接相 连，站厅比站台高3．65rfl，站厅距室外地面的垂直高 度为13．6m。其中，西站厅有两个出入口(A和C)与 外界相连，东站厅有一个出入口B与外界相连。车站 的设备房和工作人员房间分别位于站台两端。 “)车站纵断面 (b)车站结构平面 图l 北京某地铁车站结构 I．3测试车站通风防排烟系统 由于测试车站建设年代比较早，车站的通风和排 烟系统共用一套风机系统，即通风和排烟系统均由相 同的风机、消音器、风口、风道和风亭组成，通过风机的 正转或反转来实现系统的送风或排烟。车站内没有设 置专门的送风风道和排烟风道。正常工况时，车站的 风机正转按送风模式运行；火灾工况时，风机切换为反 转，按排烟模式运行，同时两侧区间隧道的风机开启以 辅助通风或排烟，站台内的烟气沿站台水平方向流动 (图2)。 下行方向 上行方向 (a)风机位置 泼X×泼 ××X× 殁X×× K××× (b)形-、M、矽z、Ⅳ2测点布置 图2测试车站风机位置和测点布置 1．4实测条件及方法 (1)实测时间：2005—11—15夜间凌晨0：30～4：30 (列车停运以后)； (2)实测地点：车站站台及车站两侧的区间隧道； (3)实测方法：采用型号为SH-4500的舞台烟雾 机作为发烟装置发烟，观测车站内不同通风模式时的 气流情况； (4)实测内容：车站内风速、与车站相连的隧道口 风速； (5)测试仪器：手持式热球风速仪(德国TESTp 405一V1)。 隧道口的测试位置及测点布置见图2：与车站相 接的4个隧道测试断面WI、NI、W2、N2距车站100 m；测试断面尺寸为4．1m×4．35m。隧道断面的平 均风速实测值见表l。 ww w. zh ul on g. co m 第2期 北京某地铁车站通风排烟系统现场实测与最佳通风排烟模式研究 139 表l 风机动作模式与隧道断面风速实测值 Casel (设计模式)停 Case2停 Case3排 Case4送 排96 停 排97 送 排99 送 排100 送 送0．94送0．77送0．55送0．59 送0．40送0．43送1．84送1．82 排0．34排0．30送1．84送1．92 送0．88送0．52送1．78送1．92 1．5实测值与计算值比较 1．5．1数学模型 建立标准的k-e湍流模型，其中浮力模型采用非 线性Boussinesq假设。采用商用CFD模拟软件 PHOENICS进行数值求解。 控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及 k、￡方程与仇式。 通用的控制方程为 掣+div(pU9一Dgrad9)=S9(1) 式中，9为通用变量，代表U、t，、础、k、e、T等求解变量； lD为密度；U为速度矢量；B为广义扩散系数；S，为广 义源项。 湍流黏性系数 碾一c础2／e (2) 对控制方程离散求解时采用有限容积法，动量方 程采用交错网格，扩散项的离散采用迎风与中心相结 合的一阶精度混合格式(HybridScheme)，求解方法 为SIMPLE算法，计算网格采用结构化网格。 1．5．2物理模型 根据实测对象的实际尺寸建立全尺寸的物理模型 (图1(b))，坐标系原点为计算域原点，X轴与车站长 度方向平行，3，轴与车站宽度方向平行，z轴与车站高 度方向平行。车站内的物体均不设材料的属性，不考 虑壁面的摩擦。壁面设为绝热边界条件。采用表1中 Case3的隧道断面风速作为速度边界条件进行冷烟情 况的数值模拟。 1．5．3结果比较分析 西楼梯yOz断面处不同高度各测点位置风速的 实测值与计算值的比较结果见图3：楼梯yOz断面上 的风速沿高度方向产生速度分层现象，z=3．675m处 的风速大于2=4．675m处的风速；沿楼梯宽度方向， 楼梯中心处风速最大，向两侧逐渐减小，速度在1．5～ 1．om／s范围内变化。 f 2 P 喜1 趟 增O f 2 乎 堇l 瑙 制O 距断面中心的距离，m (a)z--4．675m高度处的风速 一3 —2 —1 O 1 2 3 距断面中心的距离，m (b)z=3．675m高度处的风速 图3西楼梯yOz断面处不同高度的风速分布+实测值： +计算值。 东楼梯yOz断面处不同高度各测点位置风速的 实测值与计算值的比较结果见图4：楼梯yOz断面处 的风速较小，基本都在1．0m／s以下。 p2 P 星1 世 艘0 —3 —2 一l O 1 2 3 距断面中心的距离／m (a)z=4．675m高度处的风速 一3 —2 —1 O 1 2 3 距断面中心的距离佃 ∞z=3．675m高度处的风速 图4东楼梯yOz断面处不同高度的风速分布 ——-～实侧值；——·一计算值。 西楼梯的风速之所以大于东楼梯的风速，与该车 站的结构有关，因为西站厅有两个出入口(A和C)与 外界相连，两个出口通道的风向均是由外界流向车站， 并同时经过西楼梯流向站台，使得通过西楼梯的补风 量较大，风速亦较大；而东站厅只有一个出入口B与 外界相连，因此通过东楼梯补风量较小，风速也较小。 另外，由图3和图4可见，实测过程中，尽管受现 场实测条件、测试仪器误差、风机运行的不稳定性、以 及计算误差等因素的影响，但计算值与实测值的平均 相对误差为3％～25％，说明计算结果与实测结果吻 合较好。 ww w. zh ul on g. co m 140 铁 道 学 报 第31卷 2地铁车站火灾时最佳通风排烟模式 地铁车站列车发生火灾时，车站通风排烟系统的 运行模式对于烟气的控制起着重要的作用。本文将以 测试车站作为研究对象，通过数值模拟的方法，研究该 地铁车站列车发生火灾时，不同通风排烟模式下的烟 气流动规律，以期得到该地铁车站火灾时最佳通风排 烟模式；进而对现行的地铁通风排烟系统的运行方式 提出改进意见。 2．1通风排烟模式设定 车站通风排烟系统按4种运行模式考虑，即表1 中的Casel～Case4，其中Casel为设计的排烟模式。 Casel、Case2和Case4时，W1、N1、Ⅳ2、N2处yOz断 面的气流方向均是由隧道流向车站，而Case3时，W1、 N1处yOz断面的气流方向是由车站流向隧道。 2．2边界条件设置 (1)温度边界条件。按夏季工况考虑，3个出入 口及车站连接两个区间隧道的4个隧道口的温度，根 据《北京地铁环境年鉴))2004年北京市气象资料，取7 ～8月份的平均温度26．2℃；壁面均设为绝热边界条 件。 (2)速度边界条件。车站连接两个区间隧道的4 个隧道口的风速及风向见表1。 (3)压力边界条件。3个出人口边界相对压力为 0(设大气压P=100kPa) (4)车站风机。两台风机并联运行，排风。4种 情况下的运行风量见表1。 2．3火源模型的设定 火源模型可以是稳态或非稳态，但在缺乏放热量 设计资料的情况下，可以假定火灾为稳态过程，这会使 设计的系统更加可靠。本计算采用的火源强度参考国 内外其他地铁的设计参数，取为10MW；并假定火源 为一个热和烟的体积源，火源大小设为2．7m×2．65 m(列车宽)×2m，火源位置见图1(b)(z=92．9m，Y 一79．7m，z一1．5m)。计算不考虑具体的燃烧过程， 不考虑辐射的影响；计算为非稳态流动，计算时间长度 为o～600s(10rain)。 2．4模拟结果分析 地铁车站火灾时，要保证人员安全疏散到安全区 域，必须满足以下要求。 (1)风速。在地铁车站发生火灾时，车站的防排 烟系统应保证地铁内形成微负压的环境，从地铁出入 口通道的风速应由外界流向车站，并保证一定的速度， 以有效控制烟气的扩散，保证人员迎着新鲜空气的气 流方向疏散。《地铁设计规范》规定[7]，当车站站台发 生火灾时，应保证站厅到站台的楼梯和扶梯口处具有 不小于1．5m／s的向下气流。 (2)温度。美国NFPAl30规定[8]，在地铁车站发 生火灾时，应保证人员疏散路线上的烟气温度不超过 60℃。另据文献E93，当烟气层界面高于人眼特征高度 (1．5m)时，上部烟气层温度达180"C，就可对人构成 辐射灼伤危险。 (3)浓度。当烟气层界面低于人眼特征高度(1．5 m)时，烟气中CO的体积百分数达到0．25％，就可对 人构成中毒危险。根据文献[10]，本文取中心烟气体 积百分数5％为烟气层的边界。 2．4．1速度场 图6为4种通风排烟模式下，时间r=600s时，车 站I—I(图5)zOx断面的速度场分布云图。 A口 丁T呷rr丌盯 西站厅^薛婚姊I l—I I椿蝴肆赤站厅 ￡心 站台 Ⅲ ， 图5车站各计算点分布 图6车站I—I断面速度分布云图 口 由图6可见，车站火灾时，虽然4种通风模式均可 在西楼梯处形成大于1．5m／s的向下风速，亦满足《地 铁设计规范》关于车站火灾时楼梯口的风速要求，但 Casel时的风速最大；另外，东楼梯处的风速均低于1． 5m／s，不能满足《地铁设计规范》的要求。笔者认为这 主要是受车站结构、火源所在位置以及通风排烟模式 不同的影响。例如，车站的西站厅有两个出口(A口和 ww w. zh ul on g. co m 第2期 北京某地铁车站通风排烟系统现场实测与最佳通风排烟模式研究 C口)与外界相通，而车站的东站厅只有‘一个出口(B 口)与外界相通，这就造成了车站东、西楼梯处的空气 流动阻力不平衡，进而导致其风速及其速度场分布也 不同。对于这种情况，建议在楼梯口处设置围挡设施， 以增加楼梯口的风速。 此外，对于出口C和出口A，4种通风模式都可以 使通过这两个出口的气流由外界流人车站，特别是 Casel模式时的风速可达口=3．0m／s，能够较好的控 制烟气的扩散；但其他3种通风模式时的风速仅为 口一1．0m／s左右，对烟气扩散的控制能力较弱。对于 出口B，仅在Case3模式时，通过该出口的气流速度超 过。一3m／s，且方向是由外界流向车站，能够有效地 控制烟气的扩散；其他3种通风模式时的气流速度均 在u=0．5m／s左右，且通道上部的气流方向与下部气 流方向相反，不能有效地控制烟气的扩散。笔者认为 这与计算车站的结构形式以及通风排烟系统的设置方 式有关。Casel时两侧区间隧道风机均停止，只有车 站风机排烟，车站的结构决定了通过出口B的阻力远 大于通过出口C和A的阻力，使得通过出口B的风速 远小于通过出口A和C的风速；而Case3时由于西侧 区间风机按排烟模式运行、东侧区间风机按送风模式 图7距车站站台层地面1．5。处。Or断面的温度分布云图 运行、车站风机按排烟模式运行，由图1(b)可见，通过 出口B的气流流动阻力要小于通过出口A和C的，因 另外，由图7也可见，4种通风模式下的站台西半 而导致B出口的风速增大。由此可见，在地铁车站结 部温度均高于东半部的温度，说明当车站列车中部发 构设计过程中，如果能与通风排烟系统设计有机结合 生火灾时，仅靠位于车站东端的风机排烟，并不能控制 起来，将对地铁系统的安全设计和日后的安全高效运 烟气向站台的西侧流动，烟气仍然由火源点向站台两 行起到至关重要的作用。 侧蔓延，在站台上不能形成有组织的排烟。 2．4．2温度场 2·4·3浓度场 图7为4种通风排烟模式下，时间r一600s时，站 图8为4种通风排烟模式下，时间r一600s时，站 台层人眼特征高度处(距站台地面1．5m)zOy断面的台层人眼特征高度处(距站台地面1·5m)xOy断面的 烟气温度分布。 烟气浓度分布。 可以看出，Casel时，站台层上人日艮特征高度处的 由图8可见，在人眼特征高度处，烟气的浓度场分 烟气温度最低，均低于60'C，满足人员安全疏散的要布与温度场分布具有相似的规律。其中，casel时的 求；Case2和Case4两种模式下的站台层接近西楼梯烟气浓度均低于5％，满足人员安全疏散的要求；而 处的烟气温度均高于60"C，人员不能经由西楼梯向外case2和Case4时站台层距西楼梯较近处的烟气浓度 安全疏散，不过这时的烟气温度场分布倒是比较接近， 大于5％，人员不能经由西楼梯从出口A和出口c向 说明其空气阻力分配基本相同。Case3模式下的站台外安全疏散；Case3时站台层西半部烟气浓度大于 西半部人眼特征高度处的烟气温度由于高于60。C，同 5％，不能满足人员安全疏散对浓度的要求。 样也不能满足人员安全疏散的要求。由于车站西侧区 当地铁车站发生火灾时，综合以上分析结果并结 间隧道口的空气是由车站流向隧道，从而导致气流组 合考虑地铁火灾时人员安全疏散对逃生过程中烟气速 织在车站内的分布不同于Case1、Case2和Case4，使 度、温度和浓度的要求，笔者认为，4种通风模式中， 得通过西侧楼梯向车站的补风量较小，而通过东侧楼 Casel通风模式为最佳通风模式a这种通风模式可为 梯向车站的补风量较大，以致不能控制烟气向站台西 人员从站台到站厅直至地面出口，提供一条比较安全 侧的扩散，造成站台西半部分烟气温度较高的结果。 的疏散通道，确保人员能够迎着新风向外界安全疏散。 ww w. zh ul on g. co m 142 铁 道 学 报 第31卷 图8距车站站台层地面1．5m处xOy断面烟气相对浓度分布云图 3 结论 北京某地铁车站通风排烟系统的现场实测结果表 明：车站的结构形式决定车站内气流的空气动力学特 性；区间隧道风机的运行方式及其通风系统的设置方 式直接影响通过出入口流向车站内风量的大小，进而 影响车站内气流速度场分布的不同。 建议在进行车站结构形式设计时，应充分考虑结 构形式对车站内气流组织的影响；同时，地铁通风排烟 系统的设计也应充分考虑车站结构的特点。 将现场实测值作为数值模拟的边界条件，研究北 京某地铁车站火灾时不同排烟模式下烟气流动特性的 数值模拟。结果表明：综合考虑火灾时人员安全疏散 对于烟气速度、温度和浓度的要求，建议采用车站风机 按排烟模式运行、其他风机均停止运行的通风排烟方 式。 根据现场实测调查以及数值模拟分析，建议地铁 车站的防排烟系统设置专门的排烟风道，以利于形成 合理而有组织的排烟。 参考文献： [1]Won-HeePark，DongHyeonKim，Hee-Chul．Numerical PredictionsofSmokeMovementinaSubwayStationUnder Ventilation[J]．TunnellingandUndergroundSpaceTech— nology，2006．21：304—309． [23钟茂华，史聪灵，涂旭炜，等．深埋地铁岛式站点火灾模型 实验研究(1)——实验设计[J]．中国安全生产科学技术， 2006，2(1)：3-9． ZH()NGMao-hua。SHICong—ling，TUXu—wei．eta1．Ex— perimentalModelingStudyofDeepBuriedMetroStation Fires(1)——ExperimentalDesign[J]．JournalofSafety ScienceandTechnology，2006，2(1)：3-9． [3]史聪灵，钟茂华，涂旭炜，等．深埋地铁岛式站点火灾模型 实验研究(2)——列车火灾[J]．中国安全生产科学技术， 2006，2(2)：14-18． SHICong—ling，ZHONGMao-hua，TUXu—wei．eta1．Ex— perimentalModelingStudyofDeepBuriedMetroStation Fires(2)TrainFire[J]．JournalofSafetyScienceand Technology，2006，2(2)：14—18． [43HasemiY，MoriyamaS，NamD，eta1．Researchneedson theFireSafetyofSubwayStationFireDisasters，Regula— tions．ResearchEffortsandRecentSmokeMovementTests inSubwayStationsinJapan[C]／／6thAsia-OceaniaSympo— siumonFireScienceandTechnology．Daegu：Asia-Oceania AssociationforFireScienceandTechnology，2004：797— 804． [5]MieleaPC，MckinneyDM．CFDSimulationofAVehicle FireinAStationEquippedwithPlatformScreenDoors [c]／／10thInternationalSymposiumonAerodynamicsand VentilationofVehicleTunnels．BuryStEdmunds：Profes— sionalEngineeringPublishing，2000：305—321． [63Dong—HoRie，Myung—WhanHwang，Seong—JungKim，et a1．AStudyOfOptimalVentModefortheSmokeControl ofSubwayStationFire[J]．TunnellingandUnderground SpaceTechnology，2006，21：300—301． [7]北京城建设计研究总院．GB50157—2003地铁设计规范 Is]．北京：中国计划出版社，2003． [8]USANationalFireProtectionAssociation．NFPA130 StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRail Systems[S]．Quincy：USANationalFireProtectionASSO— eiation，2003． [93霍然．性能化建筑防火分析与设计[M]．合肥：安徽科学技 术出版社，2003． [10]郑志敏，赵相相，周孝清．利用地铁区间隧道间联络通道 排烟的可行性研究[J]．暖通空调，2005，35(12)：68—72． ZHENGZhimin，ZHAOXiangxiang，ZHOUXiaoqing． Feasibilityreaearchofusingthecrosspassagetoexhaust smoke[J]．HV8LAC，2005，35(12)：68—72． ww w. zh ul on g. co m Text1: Text2: Text3: Text4: Text5: