地铁防排烟系统性能的试验研究

本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。地铁防排烟系统性能的试验研究倪照鹏1阚强1刘万福21公安部天津消防研究所（300381）2天津商学院（300134）摘要：防排烟系统的性能好坏直接关系到地铁火灾中的人员生命安全和消防救援。通过实地试验测试正常情况下各个区域的风流分布情况，并采用冷烟和小木垛与烟饼进行模拟火灾试验，分别测试了无烟、冷烟和热烟3种工况下站台与站厅防烟分区的划分效果和排烟系统的性能，观察了建筑内的烟气流动情况，验证并得到了防止烟气蔓延的临界风速。还采用计算机模拟技术进行了数值分析计算，结果近似。根据试验结果，分析了影响排烟系统和防烟性能的主要因素，提出了改进排烟系统的技术措施以及修订我国现行相关规范有关规定的建议。关键词：地铁防烟排烟试验1引言地铁作为一种快速、舒适、客运能力大的城市交通工具已有一百多年的历史，在世界主要发达国家及地区得到了广泛应用。它对于缓解城市交通压力、发挥城市功能具有重要的作用。但是由于地铁的构造特殊，一旦发生火灾，产生的烟气量大，热量不易散失，灭火施救工作难，因而极易造成较大的人员伤亡。许多国家和地区均发生过各种原因引发的地铁火灾，并造成了人员伤亡和（或）财产损失。在过去的地铁火灾中，烟气是影响人身安全的主要因素。烟气不仅阻碍人员的逃生视线、导致人员窒息，而且影响消防人员有效地开展灭火救援。防排烟系统作为地铁内重要的消防设施，在保障人员生命安全和便于灭火救援方面具有不可替代的作用。为此，公安部天津消防研究所在某城市一新建地铁投入运营前，对其防排烟系统的性能进行了计算机模拟分析，并采用冷烟和小木垛与烟饼模拟无烟、冷烟和热烟3种工况开展了实地试验研究。系统的实地火灾试验和数值模拟分析，不仅可客观、准确地评价地铁内防排烟系统的性能，发现问题、寻找原因，提出改进建议，还可为修订我国现行相关技术规范提供依据。2试验方案2.1地铁站概况该地铁站为双层岛式车站，地下一层为站厅层，站厅共有4个通向地面的出入口，分别为出入口1、2、3、4；地下二层为站台层，站台与站厅之间设有两部楼梯和两部自动扶梯，即楼梯1、2和扶梯1、2。车站的站厅、站台平面布置分别如图1、图2所示。本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。图1站厅层平面示意图图2站台层平面示意图根据设计，该地铁车站站台和站厅分别划分了2个独立的防烟分区A、B和防烟分区C、D，面积分别为537m2、560m2和854m2、856m2。车站站厅设有专用的排烟风管，分两排布置，共52个风口；站台上方回/排风机兼作公共区火灾工况排烟，风口分两排布置，共66个；两条轨道上方的回/排风管兼作排烟风管，每排风管分别设风口54个，共108个。车站防排烟设计主要参数见表1。表1车站防排烟设计主要参数位置防烟分区面积（m2）风机布置与风管、风口布置防烟分区A防烟分区B站台上方轨顶上方站台层537m2560m2两排风管33×2个风口两排风管54×2个风口防烟分区C防烟分区D站厅层854m2856m2两排风管26×2个风口2.2试验方案设计现场实体试验可检验地铁防排烟系统的实际安装与运行效果及与设计之间的偏差。在保证安全的前提下，为尽可能模拟真实的火灾情形，试验采取烟饼发烟并用工业酒精辅助加热增加烟气浮力的方式和利用木垛模拟一定规模的实际火灾2种方式进行。行李火灾是地铁站厅、站台的常见火灾。根据相关研究报道和本课题组根据我国地铁行李火灾荷载调查所进行的预备试验，确定普通行李火灾的平均火灾规模为700kW左右。为能更好地重复试验，在地铁实地火灾试验时利用木垛火模拟此规模的实际火。木垛参照国家标准《推车式灭火器性能要求和试验方法》（GB8109-87）的规定制作。通过利用试验室内大型量热器进行数次不同尺寸木垛的火灾试验，确定实体试验木垛尺寸为：500mm×1300mm×6层，火灾规模为0.5～0.7MW。由于木垛燃烧产生的烟气少，与实际行李火有较大差别，不能达到较好地测试车站防排楼梯1楼梯2扶梯1扶梯2出入口2出入口3出入口1出入口4北端南端楼梯1扶梯1扶梯2楼梯2隧道口2隧道口3隧道口1隧道口4北端南端本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。烟系统性能的目的，因此，热烟试验采用了上述木垛火加烟饼发烟的方法进行。2.3实体试验内容根据试验目的以及车站的结构形式，共在站厅、站台和区间隧道3个区域的不同位置，分别对无烟、冷烟和热烟3种工况下的以下内容进行了试验测试。1）站厅、站台正常情况下的通风状况性能测试：测试正常状态下地铁车站送排风系统的性能及内部环境状况。2)防烟分区性能试验：在站台、站厅火灾工况下，分别在楼梯口、扶梯口、站台与站厅中央等典型位置处进行热烟和冷烟试验，测试防烟分区和挡烟设施的实际效果。3)站厅与站台楼梯口断面风速测量：在站台火灾工况下，分别在楼梯口、扶梯口、站台中央等典型位置处进行热烟和冷烟试验，观察烟气流动情况，并连续测量楼梯口与扶梯口的断面风速。4)区间隧道的断面风速测量：在区间隧道火灾工况下，测试隧道的断面风速。3现场模拟试验3.1站厅火灾3.1.1车站通风排烟系统运行模式站厅火灾工况时，站厅的通风/排烟系统采用排烟模式，停止送风，将站厅烟气通过风亭排至地面。同时，站台的通风/排烟系统采用送风模式，使烟气不会扩散至站台，新风由车站出入口进入站厅，以利于乘客从站厅疏散至地面。站厅火灾烟气控制方式见表2。表2站厅火灾烟气控制方式站厅风机站台风机轨顶上方风机火源位置工况风口数量(个)工况风口数量（个）工况风口数量(个)站厅排烟52补风南端34——3.1.2测试结果站厅火灾工况时的主要测试内容为站厅各个排烟口风速的大小。试验过程中对站厅52个排烟口进行了测试，每个排烟口分别测试了5个不同位置（表3中点1～点5）的风速。经过数据筛选和处理，部分典型测试结果见表3。表3站厅火灾工况排烟口测试数据风口点1点2点3点4点5平均值m/s15.05.47.05.75.75.822.82.23.73.82.73.031.61.73.13.92.12.543.12.83.53.33.43.252.52.72.32.12.42.463.13.04.04.13.43.575.84.53.63.34.44.385.75.14.54.14.64.891.41.81.63.63.92.5104.35.85.42.63.34.3112.54.43.72.72.13.1121.92.62.61.91.72.1本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。133.52.42.33.74.83.3142.75.24.82.32.23.4157.28.89.14.95.77.1站厅层排烟口测试风速平均值3.7站厅层排烟口为500mm×500mm的百叶风口，设计风量为5262m3/h。排烟口实测平均风速为3.7m/s，折合风量为3330m3/h（55.5m3/min），约为设计值的63%。根据站厅的实际建筑面积（1710m2），可计算出站厅的实测排烟量为(55.5m3/min×52)/1710m2=1.69m3/m2·min。测试结果表明，站厅排烟系统的排烟量未达到设计要求。通过测试系统风道的压力损失、风机的性能特性发现，站厅火灾工况下，站厅的通风排烟系统在向火灾模式的切换过程中，阀门、土建风道处的泄漏比较严重，且风机的排风量未达到设计要求。经过对改进和调整的系统进行重新测试，实测站厅排烟口平均风速为4.04m/s（部分典型测试数据见表4），单个排烟口折合风量为3636m3/h（60.6m3/min），约为设计值的70%。因此，站厅的实测排烟量为(60.6m3/min×52)/1710m2=1.84m3/m2·min，仍未达到设计要求。表4站厅火灾工况排烟口测试数据（改进排烟系统后）风口点1点2点3点4点5平均值m/s12.432.283.462.973.652.9626.416.498.849.378.287.8833.082.846.876.014.644.6942.812.813.483.782.623.1052.422.624.753.983.323.4261.401.573.082.612.422.22站厅层排烟口测试风速平均值4.043.1.3站厅火灾工况热烟试验在站厅火灾工况下，进行了热烟试验。图3显示了站厅热烟试验过程中烟气流动情况。图3站厅热烟试验烟气流动情况（火源位于站厅中央）根据试验观察，站厅内的能见度在火灾发展到中期时不足2m，表明站厅的排烟系统在火灾工况下的实际排烟效果较差。通过改进站厅的排烟系统，站厅火灾工况下的排烟效果有明显改善，能见度可以达到5m。但在站厅出入口1处有烟气沉降和聚集现象，其主要原因为试验时该出入口尚未修建完善，导致气流流通不畅。3.2站台火灾本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。3.2.1车站通风排烟系统运行模式站台火灾工况时，站台的通风/排烟系统采用排烟模式，停止送风，利用站台回/排风系统将烟气经风亭排至地面，新风将在负压的作用下经出入口、站厅层、站厅与站台的连通口进入站台层。启动隧道通风系统，利用轨顶上方排热风道辅助排烟，将站台烟气通过风亭排至地面。站台的火灾烟气控制方式见表5。表5站台火灾烟气控制方式站厅风机站台风机轨顶上方风机火源位置工况风口数量(个)工况风口数量(个)工况风口数量(个)站台——排烟66排烟1083.2.2测试结果在站台火灾工况下，测试了对站台上方和轨顶上方排烟口的风速，部分典型测试结果见表6、表7。表6站台上方排烟口测试数据风口点1点2点3点4点5平均值m/s13.75.88.14.96.85.825.27.78.45.26.86.734.96.77.04.75.65.843.36.46.43.15.04.853.25.04.02.74.03.862.13.53.82.43.23.072.12.03.31.62.12.382.34.64.32.43.83.594.12.53.04.63.73.6102.83.33.52.73.03.1112.94.03.43.53.03.4125.02.42.34.53.63.5134.53.03.34.23.53.7143.63.14.34.02.93.6153.12.32.93.22.82.9163.32.93.53.12.13.0172.72.02.42.71.52.3181.91.90.80.61.61.4192.81.61.21.72.41.9205.04.22.72.74.33.8215.67.64.24.37.25.8226.66.74.35.08.76.3站台上方排烟口测试风速平均值3.8表7轨顶上方排烟口测试数据风口点1点2点3点4点5平均值m/s14.772.473.055.282.733.6622.642.093.083.091.902.5630.720.550.670.720.550.64本文得到国家“十五”滚动科技攻关计划“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术研究”项目之专题“地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究”（2004BA803B04-2）的资助。40.610.480.540.570.440.5350.250.230.280.260.230.2560.640.500.760.680.570.63轨顶上方排烟口测试