高速列車火災熱釋放速率計算方法研究

李智國， 厲志強， 劉偉明

(中車青島四方股份機車車輛股份有限公司， 山東青島 266000)

中國高速鐵路是目前世界上最大規模的高速鐵路網，始建設于2004年，至今總里程2.2萬km, 到2020年中國速度在200 km/h以上的高速鐵路里程將會超過3萬km。同時中國的高鐵正在走出國門，參與了多個國家項目的競標，如美國 、俄羅斯、 印尼等。為了提升高速列車的競爭力，列車的消防安全性能越來越被重視。這其中熱釋放速率便是列車消防安全設計指標中非常重要的一個參數，由于列車的熱釋放速率參數標準與列車構造、材料屬性等因素有關，目前在國際上雖然對此有很多研究，但影響因素較為復雜，對此設計參數并未有統一的設計標準。

在20世紀， 國內外的鐵路基礎建設發展迅速，為了隧道工程、列車站臺建筑的火災安全，于是在其內部設計了排煙系統。根據火災工程原理，排煙系統設計中關鍵的參數之一便是火災熱釋放速率， 煙氣的產生量與熱釋放速率有直接的關系。在這期間國內外的火災工程專家為了保證列車建設的基礎設施(隧道、站臺等)的安全，對列車熱釋放速率進行了的廣泛的研究。為了保證在這些基礎設施上運營的列車可符合其列車熱釋放速率的要求，本文將從列車設計、制造角度出發分析研究列車熱釋放速率，分析采用哪種合適的方法來說明列車的熱釋放速率特性，以表明列車的安全性能與基礎設施的設計有完善的銜接，保證整體安全。

1 列車火災熱釋放速率參數的意義及影響

熱釋放速率指的是單位時間內的熱釋放量， 這個參數除了在上面簡單提及對排煙的設計影響外，主要對以下的幾方面設計有影響：

1.1 引導人員安全及救援設計

人員在火災情況下是否能安全疏散與列車的熱釋放速率有很大關系，火災產生的高溫、煙氣濃度等直接影響人員安全疏散環境的因素，因此對列車隧道、站臺及列車內部的的疏散系統設計(疏散門、安全救援點)等具有指導意義。

1.2 引導排煙系統的設計

根據火災工程原理，排煙系統的設計中關鍵的參數之一便是火災熱釋放速率， 煙氣的產生量與熱釋放速率有直接的關系。熱釋放速率直接關系到排煙量的設計，排煙風機的選型等。

1.3 引導結構耐火設計

列車的隧道、橋梁、站臺等結構設計常常比較復雜，火災情況下尤為甚之，其結構的力學性能與平常設計情況下有區別，所以熱釋放速率的確定對結構耐火設計也有很大的意義。

1.4 引導設備的耐高溫設計

在列車運行的基礎設施中隧道、站臺等很多設備是需要在火災情況下仍然保持其運行能力，列車內部的設備也會有同樣的要求。 研究清楚列車的熱釋放速率對列車這些設備的耐高溫作業設計有著很大的指導作用。

可見高速列車熱釋放速率的研究對工程設計多方面都很有意義。

2 列車火災熱釋放速率研究方法

國內外對乘客列車的熱釋放速率做了很多的研究，研究方法主要可分為以下幾類：

2.1 理論模型—平均熱釋放速率計算方法Average HRR Calculation

在此方法中，對車廂內外所有的可燃材料的熱值進行計算。方法中將火災發展分成若干個階段，在每個時間內認為的熱釋放速率是一定的，熱釋放速率需假設燃燒時間及燃燒效率，某時間段內的熱釋放速率可由以下公式計算獲得：

Q=ηH/t

其中，Q為熱釋放速率(MW)；η為燃燒效率；H為總的熱值(MJ)。

為了使其更加能反應的火災熱釋放速率曲線，此方法中會對各個時間階段消耗的總熱量進行理論分配，通過一系列的理論假設得出車廂的火災規模。KCRC香港鐵路公司在其中項目中便利用了此方法對列車的火災熱釋放速率進行計算。

2.2 試驗數據結合理論模型

2.2.1Duggan方法

Gary J Duggan方法認為當火災發展到轟燃階段時火災熱釋放速率達到其峰值，所以研究轟燃階段的火災熱釋放速率是列車火災熱釋放速率計算的最不利場景。

在此方法中利用錐形量熱儀測得列車內各種非金屬材料不同平面材料單位面積內熱釋放速率隨時間變化的曲線。部件或某平面的總熱釋放速率為單位面積熱釋放速率乘以面積。對每個部件或平面的熱釋放速率疊加后可以得出車廂內總的熱釋放速率。為了使總的熱釋放曲線更符合實際情況，會對曲線進行平滑處理，處理后的曲線認定為列車車廂的熱釋放速率曲線。

其中香港的多條地鐵線的列車火災功率由Gary J Duggan 提出的計算方法確定。此種計算方法假設了車廂內設有0.5 MW的行李火以引燃車廂。同時獲取列車車廂內暴露在火災下的平面及部件的材料種類及其面積，用錐形量熱儀測出不同材料的熱釋放速率。圖1為機場快線列車車廂的熱釋放速率曲線。

圖1 機場快線列車車廂的熱釋放速率曲線

由于Duggan方法假設車廂內所有的可燃材料同時著火，但實際情況中車內的可燃材料會逐步被引燃，至轟然階段時才會使所有的可燃物都著火。所以在起火的初始階段，實際火災的功率會比Duggan方法獲得的火災功率小。 Duggan方法還有一個不足之處是在計算車廂火災的時只考慮了車廂內部的可燃物，但沒有考慮車廂底部的設備。所以這種方法只能確定車廂內部的火災功率。

2.2.2CSIRO方法

CSIRO (Common wealth Scientific& Industrial Research Organization (Australia)) 曾對已有的列車車廂進行火災規模分析研究。其采用的方法與Duggan確定火災規模的方法類似，即采用錐形量熱儀測得車內不同材料單位面積的熱釋放速率，再乘以材料面積確定材料的熱釋放速率，車廂內部所有材料總的熱釋放速率為各種材料熱釋放速率的疊加。但有別于Duggan 方法，此方法中對于車廂內較大的部件如座椅，則采用家具錐形量熱儀測量單個座椅的熱釋放速率，所有座椅的熱釋放速率即為單個座椅的熱釋放速率乘以座位數，同時CSIRO在計算列車火災功率時也考慮了列車車廂底部的可燃物。 CSIRO方法中同時還認為列車發生火災后， 并不是所有可燃物馬上全部參與燃燒，而是按照一定速率蔓延，逐步至列車車廂內轟然。

試驗數據結合理論計算的方法中各種較為全面地考慮了列車內部各種非金屬材料的熱釋放速率， 較理論模型可真實的反應列車的設計情況。 同時本方法的成本對于列車制造商而言并不是很高，具有可操作性，值得注意的是本方法中在理論計算部分還是設置了若干的理論假設條件，其于實際情況的符合性還有待進一步研究分析。

CSIRO計算方法中火災蔓延的順序是假設的，呈現了火災情況下的火災發展及可能發生的事件。基于假設的事件順序可獲得熱釋放速率曲線。列車車廂總的熱釋放速率包含的不同場景下的熱釋放速率曲線。圖2為其中某場景的火災熱釋放速率曲線圖。

圖2 火災熱釋放速率曲線圖

CSIRO方法中計算車廂的熱釋放速率需要獲取每種材料的火災特性及熱釋放速率，及可燃材料的具體尺寸或數量。CSIRO方法中車廂總的熱釋放速率還考慮了車廂底部可燃物，但在CSIRO的方法中其火災的蔓延速率是假設的，其真實性還有待更多的研究確定。

2.3 計算機CFD模擬

目前國內外學者也有采用CFD軟件FDS對列車的熱釋放速率進行計算機模擬。計算機可以比較方便分析各種變量對列車熱釋放速率的影響。國內Jun-min Chen 等對動車的一等車廂、二等車廂和餐車進行了FDS 的模擬得出在不同場景下一節車廂的熱釋放速率范圍為1.89～18.40 MW。加拿大George Hadjisophocleous 等在他們的科研項目中研究了對列車車廂的火災，利用FDS和實際試驗分別研究列車在隧道內的火災特性，在他們的FDS中一節列車車廂的火災功率約為25～40 MW。同時在研究中指出計算機模擬時材料的屬性輸入對結果影響很大。

利用計算機模擬的方法是一種計算列車火災熱釋放速率比較方便的方法，因其可重復性，用這種方法分析列車熱釋放速率的影響因素很有效。但其計算結果很大程度依賴操研究者的輸入，研究人員需要掌握充分的列車材料熱學基礎數據才會得到比較符合實際情況的結果。同時在研究中發現計算機模型中無法反應材料經過阻燃處理后的火災特性。

2.4 全尺寸模型

隨著學術界對列車火災安全的重視，國際上也有對列車進行全尺寸的試驗。比較具有代表性的是1994年開展了EU 499 FIRETUN 項目，其中Haukur Ingaon等人開展了BRANDFORSK 723-924 的子項目，根據氧耗原理在隧道內對多種交通工具進行了熱釋放速率全尺寸的試驗。其中乘客列車的熱釋放速率14 MW[9]。499 FIRETUN 項目中同樣對德國的不同列車進行了全尺寸試驗， 其中的快速列車(EXPRESS Railway)最大熱釋放速率為19 MW , 城際列車(German Intercity Passenger Railway)為13 MW 。George Hadjisophocleous等在2012年也對多種列車進行了全尺寸試驗，其中沙發列車(coach train)的最大熱釋放速率為32 MW。由于全尺寸試驗的成本很高，每一次的試驗都是毀滅性的，不具有可重復性， 同時對場地及試驗設備的要求較為苛刻，因此全球范圍內對列車進行全尺寸試驗進行列車熱釋放速率研究的個案很少。

3 影響因素分析

總結上文中提到列車熱釋放速率研究文獻發現，影響列車熱釋放速率的因素有很多，主要為以下幾類：

(1) 列車的可燃物。列車的可燃物熱量總值、火災蔓延能力等都直接影響最終列車的最大熱釋放速率的結果。如地鐵列車內由于座椅等采用的是一些不燃材料，其熱釋放速率較軟座列車的熱釋放速率就會小。列車的可燃內裝飾材料、電器材料等參與燃燒后也會增大列車的熱釋放速率。

(2) 起火源。在研究文獻中發現，起火源熱值不同也會對列車的整車的熱釋放速率有影響。若起火源的能量太小，列車內部不會造成火勢的蔓延，起火源大則會加大列車的熱釋放速率。 除了起火源的能量， 起火位置不同也會對火災在列車內的蔓延會有影響，蔓延情況不同從而導致整車的列車熱釋放速率結果不同。

(3) 開口狀況。上文提到的列車火災熱釋放速率研究有很大一部分是結合隧道進行研究， 其中許多的試驗都分析了開口狀況對列車火災速率的影響，包括隧道的通風狀況和列車的車廂開口狀況。因為列車的空間較小，很容易是通風控制型火災，即由火災發生過程中的通風狀況決定火災的發展，因此列車發生火災門的開啟狀態、窗戶和玻璃的破壞時間都會對熱釋放試驗結果有很大的影響。

(4) 結構耐火。列車因為結構的分隔被分隔成了不同的區域，若沒有外界的滅火干預，不同區域的可燃物會先后參與列車的火災燃燒，因此結構的耐火性能直接影響到火災在不同空間的蔓延，從而也將影響列車熱釋放速率的最終輸出結果。如列車的車廂底部發生火災時，火災在一定時間內只在列車底部進行，但隨著時間發展，一旦車廂底部的結構耐火性能失效，火即向車廂內部蔓延，列車內部的可燃物就會參與燃燒。 所以這些不同空間的可燃物以一個什么樣的時間順序參與燃燒，貢獻其熱量值，會對列車的熱釋放速率峰值產生很大的影響。

4 小 結

因為目前有對列車熱釋放速率的設計要求，本文總結分析了幾種列車熱釋放速率的方法，其各有利弊，但從實際可操作性和科學性角度，認為試驗結合理論分析同時附以計算機模擬分析方法是一種合理并經濟的方法。尤其從列車制造商角度，為了滿足安全設計的需求，有必要采用科學論證的方法來展示列車的消防安全性能，同時此方法也不會有巨額的成本。

為了控制列車的熱釋放速率，全球范圍內并沒有一個完善的理論體系來說明，國內對其的基礎理論研究也甚少，但從各種科學研究中可發現影響其結果的主要為文中分析的幾個因素。因此作為列車設計制造商，可從這些影響因素入手對列車的總熱釋放速率進行控制和修正。

[1] Ricky Carbel. A review of tunnel fire research from Edinburgh[J]. Fire Safety, 2016(5):37-38.

[2] Jun-min Chen. Comparative Study on Heat Release Rate of High-speed Passenger Train Compartments[J]. Procedia Engineering. 2014(71):107-113.

[3] George Hadjisophocleou, Fire Development and Spread in Rail Tunnel. Seventh International Symposium on Tunnel Safety and Security[C]. Montréal, Canada, March 16-18, 2016.

[4] Haukur Ingason. Heat Release Rate Measurement in Tunnel Fires[C]. Fire Technology SP REPORT 1994.

[5] George Hadjisophocleou, Full-scale Experiments for Heat Release Rate Measurements of Rail car fire[C]. Fifth International Symposium on Tunnel Safety and Security, New York, USA, March 14-16, 2012.