楊英霞，陳 超，許 磊，康國(guó)青

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

全高安全門(mén)地鐵車(chē)站火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)特性的模型實(shí)驗(yàn)

楊英霞，陳 超，許 磊，康國(guó)青

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

搭建了安裝全高安全門(mén)系統(tǒng)的雙層島式地鐵車(chē)站1∶8模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)比例模型實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了軌道區(qū)一端發(fā)生火災(zāi)，煙氣在站臺(tái)軌道區(qū)以及站臺(tái)公共區(qū)的流動(dòng)特性．結(jié)果表明，在火災(zāi)的增長(zhǎng)階段，如果機(jī)械排煙系統(tǒng)不開(kāi)啟，軌道區(qū)煙氣會(huì)通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙擴(kuò)散到站臺(tái)公共區(qū)，并阻斷距火源較近的樓梯口的疏散通道；當(dāng)機(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，煙氣向站臺(tái)公共區(qū)的擴(kuò)散速度得到明顯控制，但由于站臺(tái)軌頂各排煙口排煙特性的不均勻性，遠(yuǎn)離排煙風(fēng)機(jī)的火源附近，煙氣通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙擴(kuò)散到了站臺(tái)公共區(qū)．如果能使各排煙口排風(fēng)量均勻，則將提高控制煙氣向站臺(tái)公共區(qū)擴(kuò)散的效果．

雙層島式地鐵車(chē)站；全高安全門(mén)；站臺(tái)軌道區(qū)火災(zāi)；煙氣流動(dòng)；模型實(shí)驗(yàn)

為了保證乘客的候車(chē)安全、提高乘客的候車(chē)環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)從空調(diào)節(jié)能的角度考慮，地鐵車(chē)站站臺(tái)屏蔽門(mén)和安全門(mén)逐漸被采用．對(duì)于安裝了屏蔽門(mén)的地鐵車(chē)站，屏蔽門(mén)將站臺(tái)公共區(qū)和軌道區(qū)完全隔開(kāi)，當(dāng)?shù)罔F列車(chē)或站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，屏蔽門(mén)的開(kāi)啟將對(duì)煙氣流動(dòng)產(chǎn)生影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究[1-4].對(duì)于安裝了安全門(mén)的地鐵車(chē)站，站臺(tái)公共區(qū)和軌道區(qū)部分隔開(kāi)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于安全門(mén)對(duì)地鐵車(chē)站火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)特性影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道．

為此，筆者采用模型實(shí)驗(yàn)的研究方法，以安裝了全高安全門(mén)(高度2.5,m左右)系統(tǒng)的北京某新建雙層島式地鐵車(chē)站為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究軌道區(qū)地鐵列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，全高安全門(mén)對(duì)車(chē)站內(nèi)煙氣擴(kuò)散和沉降的影響規(guī)律，以及對(duì)機(jī)械排煙系統(tǒng)排煙性能的影響．

1 地鐵車(chē)站火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)

1.1 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)

搭建的全高安全門(mén)系統(tǒng)的雙層島式地鐵車(chē)站模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示．圖2為模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意．模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙鋼板制作，內(nèi)夾高性能保溫材料；安全門(mén)采用有機(jī)玻璃制作；站臺(tái)層與站廳層采用聚苯乙烯板(厚度0.01,m)隔開(kāi)．

圖1 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意Fig.1 Scale model of subway station

圖2 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意 (單位：cm)Fig.2 Structure of the scale model station (unit：cm)

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法，對(duì)于采用了全高安全門(mén)的地鐵車(chē)站，在軌道區(qū)頂部設(shè)置排煙口(圖2(a))，站臺(tái)公共區(qū)火災(zāi)時(shí)，利用全高安全門(mén)頂端的空隙，排走煙氣．軌道區(qū)火災(zāi)時(shí)，煙氣直接經(jīng)排煙口排除，利用全高安全門(mén)頂端的空隙補(bǔ)充新風(fēng)，抑制煙氣向站臺(tái)公共區(qū)的擴(kuò)散．

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的耐溫性能以及地鐵火災(zāi)的規(guī)模等因素，實(shí)驗(yàn)的火源采用電加熱器(見(jiàn)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(dá)穩(wěn)定發(fā)熱功率需要幾分鐘的預(yù)熱時(shí)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(shí)將產(chǎn)生大量的乳白色煙氣．本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究火災(zāi)發(fā)生的增長(zhǎng)階段(見(jiàn)圖4)．實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)燃煙餅并同時(shí)開(kāi)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(chē)的尾部(見(jiàn)圖5)．

圖3 電加熱器Fig.3 Electrical heater

圖4 完整火災(zāi)模型曲線Fig.4 Full curve of fire model

機(jī)械排煙量的取值，是根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，即“站臺(tái)火災(zāi)時(shí)的排煙量，應(yīng)根據(jù)一個(gè)防煙分區(qū)的建筑面積按照1,m3/(m2·min)計(jì)算．”具體的實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1．表中test,4是根據(jù)站臺(tái)建筑面積的設(shè)計(jì)排煙量，test,5是設(shè)計(jì)排煙量的1.2倍．

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

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experiment scheme

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1) 溫度

各溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示．即在站臺(tái)中部和著火側(cè)軌道區(qū)布置若干個(gè)T型熱電偶．熱電偶沿高度方向，距站臺(tái)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(shí)表明煙氣填充到該高度位置[6]．

3) 排煙風(fēng)機(jī)排風(fēng)量

采用數(shù)字式交流變頻調(diào)制器可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速控制，可通過(guò)安裝在送、排風(fēng)管上的調(diào)節(jié)閥裝置調(diào)節(jié)排煙口風(fēng)門(mén)開(kāi)度，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量．排煙風(fēng)機(jī)位于站臺(tái)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(duì)同一物理現(xiàn)象，地鐵車(chē)站火災(zāi)的模型實(shí)驗(yàn)即滿(mǎn)足這一要求．在此基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)兩物理現(xiàn)象的相似，還必須滿(mǎn)足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、力相似、熱相似，以及初始條件與邊界條件相似，在滿(mǎn)足這些相似條件的前提下，原型和模型的對(duì)應(yīng)參數(shù)大小成比例且方向相同，由各參數(shù)組成的同名無(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)相等，這樣才能保證模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推廣到原型[7]．

地鐵火災(zāi)時(shí)決定性準(zhǔn)則為弗諾德數(shù)Fr與雷諾數(shù)Re．但實(shí)際上這2個(gè)準(zhǔn)則數(shù)是很難同時(shí)滿(mǎn)足的．地鐵火災(zāi)時(shí)，由于火源對(duì)流換熱(或機(jī)械排煙)的影響，煙氣流動(dòng)一般處于紊流狀態(tài)，可以認(rèn)為煙氣進(jìn)入了流動(dòng)自模區(qū)，只需模型和原型的Fr相等，即可實(shí)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(zhǎng)度，m；u為速度，m/s．

因此，作為地鐵火災(zāi)煙氣流動(dòng)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(guān)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(shí)間，s；腳標(biāo)m和r分別代表模型和原型．

考慮到模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性及經(jīng)濟(jì)性，參考美國(guó)NFPA推薦的幾何比例尺取值，模型實(shí)驗(yàn)采用1∶8的幾何比例尺．

2 模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原型應(yīng)用

2.1 自然排煙時(shí)的煙氣流動(dòng)特性

2.1.1 軌道區(qū)

1)煙氣層高度

根據(jù)測(cè)試斷面(點(diǎn))煙氣溫度是否開(kāi)始持續(xù)上升，判斷煙氣是否到達(dá)該斷面(點(diǎn))．圖6所示的是test3時(shí)，軌道區(qū)各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的變化．可見(jiàn)，隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)，軌道區(qū)熱電偶樹(shù)TG1～TG5各測(cè)點(diǎn)(圖6(a)～(c))煙氣溫度呈不斷上升趨勢(shì)，表征對(duì)應(yīng)條件下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的煙氣量在增加；隨著距離火源位置的變化，遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度呈遞減趨勢(shì)，表征對(duì)應(yīng)條件下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的煙氣量在減少．

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后第180,s(原型508,s)時(shí)(圖6(c))，TG1、TG2、TG3測(cè)點(diǎn)組中，距站臺(tái)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(shí)有了較大幅度的上升，而在距站臺(tái)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(shuō)明120,s(原型338,s)之后煙氣仍然主要積聚在距站臺(tái)地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置．

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，距地面位置越近，煙氣的溫度越低，說(shuō)明煙氣層不斷向下沉降．這樣在煙氣層界面上，存在一個(gè)與空氣層之間 “摻混過(guò)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(kuò)散速度

圖7為test,1～test,3時(shí)，軌道區(qū)距離站臺(tái)地面0.35,m(原型2.8,m)處煙氣前鋒擴(kuò)散到測(cè)試點(diǎn)位置的時(shí)間．可見(jiàn)，距離火源位置越遠(yuǎn)，煙氣前鋒到達(dá)的時(shí)間也越長(zhǎng)，煙氣擴(kuò)散速度越?。蚴钱?dāng)機(jī)械排煙系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，煙氣的流動(dòng)是受熱浮升力驅(qū)動(dòng)的自然流動(dòng)．煙氣距離火源水平距離越遠(yuǎn)，沿途卷吸周?chē)目諝饬恳苍蕉?，?dǎo)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(dǎo)致煙氣前鋒擴(kuò)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(dǎo)致煙氣的擴(kuò)散速度增加．test,3的煙氣擴(kuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，距離火源位置越遠(yuǎn)，溫度開(kāi)始升高需要的時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明煙氣到達(dá)該位置的時(shí)間越長(zhǎng)，煙氣的擴(kuò)散速度越來(lái)越慢．但當(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，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(shí)刻站臺(tái)軌道區(qū)煙氣溫度的變化Fig.6 Temperature change with time in track area

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

2.1.2 站臺(tái)公共區(qū)煙氣層高度

圖8所示的是test,3時(shí)站臺(tái)公共區(qū)各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度隨時(shí)間的變化．可見(jiàn)，隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)，公共區(qū)熱電偶樹(shù)T1～T6各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度呈不斷上升趨勢(shì)，說(shuō)明煙氣通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙擴(kuò)散到了站臺(tái)公共區(qū)，并且煙氣在站臺(tái)頂棚下聚集．隨著距離火源位置的變化，距離越遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度呈遞減趨勢(shì)，表征對(duì)應(yīng)條件下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的煙氣量在減少．

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后第180,s(原型508,s)時(shí)(圖8(,c))，T,1～T,5測(cè)點(diǎn)組中，距站臺(tái)地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度時(shí)，煙氣溫度比120,s(原型338,s)時(shí)有了較大幅度的上升，而在距站臺(tái)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(shuō)明120,s之后煙氣仍然主要聚集在距站臺(tái)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(dāng)站臺(tái)軌道區(qū)發(fā)生火災(zāi)(模型實(shí)驗(yàn)火源熱釋放速率為16,kW(原型2.9,MW))且站臺(tái)軌道區(qū)機(jī)械排煙系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，在站臺(tái)公共區(qū)人眼特征高度(1.5,m)處，雖不會(huì)受到煙氣的威脅，但在通往站廳層樓梯口1(T2測(cè)點(diǎn)組)處距站臺(tái)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(kuò)散，阻斷了人員的疏散通道(見(jiàn)圖9)．

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

圖9 機(jī)械排煙系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)煙氣在車(chē)站內(nèi)的擴(kuò)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(kāi)啟機(jī)械排煙系統(tǒng)．另外，根據(jù)煙氣層高度隨時(shí)間的變化規(guī)律，煙氣層在火災(zāi)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(kuò)散和沉降，在火災(zāi)發(fā)生120,s(原型338 s)之前對(duì)煙氣的有效控制是最有意義的．

2.2 機(jī)械排煙時(shí)的煙氣流動(dòng)特性

圖10和圖11為test,4和test,5實(shí)驗(yàn)條件下，第180,s(原型508 s)時(shí)軌道區(qū)和站臺(tái)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(jiàn)，機(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)啟后，煙氣的擴(kuò)散得到了比較明顯的控制．在軌道區(qū)，僅TG1測(cè)點(diǎn)組中，距站臺(tái)地面0.35,m(原型2.8,m)的排煙口處有煙氣流動(dòng)，其他測(cè)試斷面(點(diǎn))幾乎都沒(méi)有煙氣．在站臺(tái)公共區(qū)，在T,1測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)組距站臺(tái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于全高安全門(mén)的地鐵車(chē)站，軌道區(qū)的一端列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為防止煙氣向其他車(chē)廂部位擴(kuò)散，應(yīng)控制煙氣的縱向擴(kuò)散速度．通過(guò)合理設(shè)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(zāi)產(chǎn)生的煙氣，抑制煙氣通過(guò)全高安全門(mén)擴(kuò)散到站臺(tái)公共區(qū)．

另外，由圖12可見(jiàn)，軌頂排煙管道的各排煙口的排煙風(fēng)量如果不均勻，就有可能在全高安全門(mén)與頂棚間的空隙間形成不同的風(fēng)壓．顯然，離排煙風(fēng)機(jī)越近的風(fēng)口，在全高安全門(mén)處形成的壓差大，抵抗煙氣侵入的能力越強(qiáng)；而較遠(yuǎn)的風(fēng)口(靠近火源)處的風(fēng)壓差小，即抵抗煙氣侵入的能力也?。虼?，應(yīng)通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，以確保各排煙口的排煙風(fēng)量的均勻性，使得距風(fēng)機(jī)不同位置處的風(fēng)口處形成的壓差均勻，提高控制煙氣擴(kuò)散的能力．

圖10 機(jī)械排煙時(shí)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(jī)械排煙時(shí)站臺(tái)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(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)控制煙氣流動(dòng)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(shí)，如果機(jī)械排煙系統(tǒng)不開(kāi)啟，在火災(zāi)的增長(zhǎng)階段，軌道區(qū)煙氣將通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙擴(kuò)散到站臺(tái)公共區(qū)，并在距站臺(tái)地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度位置聚集，經(jīng)連接站臺(tái)層和站廳層的疏散樓梯不斷地向站廳擴(kuò)散．

(2) 最大火源熱釋放速率為16,kW(原型2.9 MW)時(shí)， 如果開(kāi)啟機(jī)械排煙系統(tǒng)，煙氣通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙向站臺(tái)公共區(qū)的擴(kuò)散得到明顯控制，但由于站臺(tái)軌頂區(qū)各排煙風(fēng)口排煙特性的不均勻性，使得遠(yuǎn)離排煙風(fēng)機(jī)的火源附近，煙氣通過(guò)全高安全門(mén)頂端空隙擴(kuò)散到了站臺(tái)公共區(qū)．對(duì)于軌頂機(jī)械排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如果能通過(guò)合理設(shè)計(jì)確保各排煙口的排風(fēng)量均勻，將能夠提高排煙風(fēng)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(xiàng)目(ZZ0740)．

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

陳 超，chenchao@bjut.edu.cn.