噴淋對島式地鐵站站廳火災疏散時間研究★

劉新蕾 吳良猛 沈 斌

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學 瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究國家級專業中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

隨著科學技術的日益發展，地鐵已經成為社會日常運轉以及人們日常生活中不可或缺的一部分，在其給人類生活帶來便利的同時也很大程度上復雜化了人們日常生活的安全環境。根據地鐵事故統計可以看出，地鐵火災事故居多且地鐵火災引起的傷亡人數往往較多[1,2]。因此研究地鐵火災對地鐵火災防治和降低火災時的人員傷亡及經濟損失具有重要意義。

噴淋系統反應迅速能實現主動滅火，是十分有效的防火措施。我國有不少學者對噴淋系統在地鐵火災防治中的作用進行了研究，例如張巨龍[3]結合了地鐵車站火災的特殊性，通過對比自動噴淋系統的優缺點，分析設置自動噴淋系統的必要性以及適用性；劉曉峰[4]對地鐵水消防系統的設計進行了探討，對地鐵站內是否有必要設置噴淋系統進行了探討；馬金梅[5]對噴淋系統作用下地鐵火災煙氣的控制進行了研究，說明了在噴淋系統作用下不同排煙方式對火災環境的改變情況；以上研究均對噴淋系統在地鐵火災防治中的作用進行了研究，但均為利用相關模擬軟件單純針對噴淋系統的作用效果進行實際的數值模擬驗證，其主要原因在于對于地鐵而言，噴淋系統不具有普遍適用性，對其是否應在地鐵站內使用仍存在一定的爭論[4]。但是對于適用噴淋系統的地鐵站而言，利用數值模擬軟件對噴淋系統作用下的火災發展情況進行研究仍具有十分重要的意義。

FDS作為一款場模擬軟件，為火災的動力學研究提供了大量的有效工具[6]，因此，本文以哈爾濱某島式地鐵站站廳火災為例，采用FDS軟件模擬研究噴淋系統對地鐵站廳內發生火災時的煙氣流動以及環境參數所產生的影響。

1 計算模型及場景設定

1.1 計算模型

1)物理模型：哈爾濱市某地鐵車站共為2層，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，總建筑面積15 151.37 m2。本次研究針對于站廳層火災，在不影響模擬結果情況下，為簡化模擬過程提高軟件數值模擬效率，主要建立站廳層的1∶1物理模型，站廳部分的長為95 m，寬為24 m，站廳層與外部空間連接有4個出入口。

2)設置火源：目前，站廳內部裝修主要采用阻燃或不燃材料，因此考慮主要火災載荷為乘客隨身攜帶的行李物品，對于該類物品引發的火災結合相關文獻研究[7]取火源熱釋放速率為3 MW，熱釋放速率可用式(1)表達。

結合人員的流動特點及地鐵站內主要電氣設備位置，將火源設置在人員流動較為密集的扶梯附近，即站廳中部區域。

Q=αt2

(1)

其中，Q為火源熱釋放速率，kW；α為火源熱釋放速率的增長系數，本研究中為快速增長火，取α=0.046 89 kW/s2[8]；t為時間，s。

當火源熱釋放速率為3 MW時，經計算當t=253 s時火源開始穩定燃燒。

3)網格尺寸：網格的大小直接影響著模擬結果的精確程度，一般認為網格大小達到0.05D～0.1D時滿足模擬要求，其中D為火源的特征直徑[9]；火源特征直徑的計算公式：

(2)

其中，Q為火源熱釋放速率，取3 kW；ρ0為環境空氣密度，取1.025 kg/m3；C0為空氣比熱，取1 012 J/kg/℃；T0為環境溫度，取25 ℃；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

經計算得D=4 m，在保證模擬精度的情況下盡可能提高數值模擬效率，因此取網格尺寸為0.1D=0.4 m。

4)設置噴淋系統：根據GB 50084—2017自動噴水滅火設計規范，對站廳內的噴淋系統進行合理布置，最終建立如圖1所示的計算機模型。

1.2 火災場景設定

火災場景的設置直接影響著火災發生時煙氣的蔓延情況，也決定了我們對火災發生時環境參數的監測方式；研究中分別分析了兩種工況下的火災煙氣蔓延情況和環境參數變化情況，這兩種工況分別是：有噴淋系統、無噴淋系統，監測的環境參數主要有：CO濃度、能見度、溫度，通過切片觀察各項參數在某一指定平面上的變化情況以確定危險區域的大小變化情況，通過探測器觀察各參數在某一指定點處各項參數隨時間的變化情況，其給出了各環境參數在對應點處隨時間變化的具體數值。

模型中設置了溫度、煙氣濃度、能見度切片，各切片的設置主要根據人的平均眼高、樓梯口的位置、安全出口的位置而定，模型中在Z=11.6 m,Y=17 m以及Y=38 m處同時設置了溫度、CO濃度和能見度切片；在站廳的四個出口處分別設置了溫度探測器和CO濃度探測器。根據GB 50157—2013地鐵設計規范中的火災發生所需最長疏散時間為6 min的要求，設置本次模擬的時間。取疏散人員的平均身高為1.6 m，將人員的安全疏散時間約束為三個條件：1)煙氣溫度不高于60 ℃；2)一氧化碳濃度不高于225 ppm；3)能見度不低于10 m。對各疏散情景結果進行安全判定并分析人員的安全疏散，模擬效果取計算機模擬結束為止。

2 結果與分析

2.1 溫度分析

兩種工況下站廳各切片溫度對比圖見圖2。

1)由溫度切片Z=11.6 m的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，在站廳中部著火117 s時站廳大部分區域的溫度達到60 ℃以上，在安裝自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火360 s后仍只有火源周圍小部分區域的溫度達到60 ℃以上；

2)由溫度切片Y=17 m的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，在站廳中部著火95 s時站廳3號、4號安全出口處大部分區域達到60 ℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火360 s后站廳火源周圍豎向空間溫度超過了60 ℃，但3號、4號安全出口處的溫度值仍處于安全范圍內；

3)由溫度切片Y=38 m的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，在站廳中部著火106 s時站廳1號、2號安全出口處大部分區域達到60 ℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火360 s后站廳1號、2號安全出口側的整層空間任何位置均未達到危險值。

從圖3中各熱電偶的數值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設施的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的溫度變化趨勢基本相同，相較而言，3號、4號安全出口Z=11.6 m處溫度在T=126 s時幾乎同時達到60 ℃，1號安全出口Z=11.6 m處溫度在T=131 s時達到60 ℃，2號安全出口Z=11.6 m處溫度在T=140 s時達到60 ℃；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的溫度變化趨勢基本相同，相較而言，3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的溫度在T=70 s后基本維持在一個相同的水平，并在該水平上下波動著，且始終位置在21 ℃附近遠低于60 ℃這一危險值，對于1號、2號安全出口，在火災發生100 s后，它們在Z=11.6 m處的溫度不再出現變化，而是維持在20 ℃這一室溫水平。

通過以上對環境溫度的對比分析可知，在無任何消防設施和有噴淋系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時站臺與站廳內的人員的最佳疏散時間總結如表1所示。

表1 兩種工況下基于溫度參數的人員疏散時間表 s

2.2 CO濃度分析

兩種工況下站廳各切片CO濃度對比圖見圖4。

1)由CO濃度切片Z=11.6 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火137 s時站廳大部分區域的CO濃度達到225 ppm以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火216 s時站廳大部分區域的CO濃度達到225 ppm以上并淹沒了四個安全出口；

2)由CO濃度切片Y=17 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火T=91 s時，站廳3號、4號安全出口處大部分區域達到225 ppm及以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火131 s時，站廳3號、4號安全出口一側的豎向空間全部區域達到225 ppm及以上的CO濃度；

3)由CO濃度切片Y=38 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火94 s時，站廳1號、2號安全出口處大部分區域達到225 ppm及以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火223 s時，站廳1號、2號安全出口處的CO濃度全部區域達到225 ppm及以上。

從圖5中各CO濃度探測器的數值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設施的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的CO濃度變化趨勢基本相同；相較而言，4號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=60 s時便達到225 ppm這一臨界值，1號、2號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=62 s幾乎同時達到225 ppm，3號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=70 s時達到225 ppm；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的CO濃度變化趨勢基本相同；相較而言，3號、4號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=72 s時便達到225 ppm這一臨界值并在后續處于波動爬升的狀態，1號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=141 s時達到225 ppm，2號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=188 s時達到225 ppm。

通過以上對環境CO濃度的對比分析可知，在無任何消防設施和有噴淋系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時站臺與站廳內的人員的最佳疏散時間總結如表2所示。

表2 兩種工況下基于CO濃度參數的人員疏散時間表 s

2.3 能見度分析

兩種工況下站廳各切片能見度對比圖見圖6。

1)由能見度切片Z=11.6 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火173 s時站廳大部分區域的能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火236 s時站廳所有區域的能見度不足10 m；

2)由能見度切片Y=17 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火146 s時，站廳3號、4號安全出口處大部分區域能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火162 s后站廳3號、4號安全出口一側的上層空間的能見度全部處于不足10 m的狀態并淹沒3號、4號安全出口全部區域；

3)由能見度切片Y=38 m可以看出，在無任何消防設施時，在站廳中部著火142 s時，站廳1號、2號安全出口處大部分區域能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，在站廳中部著火239 s后站廳1號、2號安全出口一側的上層空間的能見度全部處于不足10 m的狀態并淹沒1號、2號安全出口全部區域。

從圖7中各能見度探測器的數值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設施的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的能見度變化趨勢具有較為明顯的差異，其中3號、4號安全出口處能見度變化情況較為一致，1號、2號安全出口處能見度變化趨勢較為一致，相較而言，3號、4號安全出口Z=11.6 m處能見度最早降低至10 m這一危險臨界值，大約在T=60 s時刻，1號、2號安全出口Z=11.6 m處能見度在火災發生了一段時間后才降低至危險臨界值，大約在T=200 s時刻，1號安全出口Z=11.6 m處能見度比2號安全出口處稍早數秒降低至危險值；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時，站廳內1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6 m處的能見度變化趨勢基本相同；四個安全出口處的環境能見度幾乎在同一時間降低至危險臨界值，大都在60 s～80 s之間。

通過以上對環境能見度的對比分析可知，在無任何消防設施和有噴淋系統的工況下，地鐵站廳中部發生火災時站臺與站廳內的人員的最佳疏散時間總結如表3所示。

表3 兩種工況下基于能見度參數的人員疏散時間表 s

2.4 安全疏散時間的確定

基于溫度、CO濃度以及能見度對比，說明人員在無任何消防設施和安裝了自動噴水滅火系統兩種工況下的疏散時間；在此，我們分別在同一種工況下分析基于各個參數的疏散時間，結合最大危險原則，得出各個工況下最終的逃生時間，見表4。

表4 兩種工況下人員疏散時間總表 s

從表4可以看出，自動噴水滅火系統對火災環境進行了一定程度的優化，延長了人們在發生火災后的逃生時間，因此，自動噴水滅火系統的設置對地鐵火災防治的研究具有十分積極的意義。

3 結語

本文以哈爾濱某島式地鐵站為例，采用FDS軟件對站廳火災進行數值模擬，分別研究了在有、無噴淋系統兩種工況下的煙氣蔓延情況與火災發生后環境參數的變化情況，討論了人員安全疏散時間，結果表明：

1)對于火災發生后煙氣的蔓延情況，煙氣首先豎直向上快速蔓延充滿整個站廳層的上層空間，再逐漸向下層空間蔓延，這使得邊墻附近危險程度較大；相對于無噴淋系統工況，有噴淋系統時，由于受到水射流的影響，煙氣的蔓延進程明顯減緩；從豎直方向的切片來看，兩種工況下危險區域的擴大過程基本一致，但在有噴淋系統工況下，這一過程得到了顯著的減緩，從水平方向上的切片來看，兩種工況下危險區域的擴大情況出現較大的區別，在無噴淋系統的工況下，指定水平面的危險區域由邊墻快速向內擴散，而在有噴淋系統的工況下，由于水射流的影響，危險區域則以較為緩慢的速度由著火點逐漸向四周擴散；從1號，2號，3號，4號安全出口處的探測器來看，受煙氣蔓延過程的影響，各出口處的溫度、CO濃度、能見度隨時間的變化情況均有一定的差異，這一差異影響著人員在逃生時對安全出口的選擇。

2)通過對比兩種工況，發現噴淋系統較大程度上優化了火災場景內的各項環境參數，尤其是溫度這一環境參數，在噴淋系統的作用下，水對火災場景起到了一個很好的降溫作用，使得整個火災過程中站廳內的環境溫度在除火源附近以外的區域內始終維持在一個安全的水平，水射流一定程度上干擾了煙氣的蔓延過程，使得低能見度(<10 m)和高CO濃度(225 ppm)區域的擴大過程也得到了明顯的減緩，由此大幅度延長了人員的安全疏散時間，由70 s延長至188 s，很大程度提高了人員在發生火災后的安全性。