地鐵淺埋半地下車站自然通風與排煙方案研究

孫超

1 城市軌道交通數字化建設與測評技術國家工程實驗室2 中國鐵路設計集團有限公司

0 引言

近年來，地鐵逐漸成為居民日常出行的常用交通工具，地鐵車站是相對封閉的地下空間，車站在運營中一旦發生火災等緊急情況，人員救援和疏散都較為困難，特別是地下車站，建筑結構形式較為特殊，如不采取有效措施進行通風排煙，將造成嚴重后果。

目前針對地鐵項目地下空間區域的通風排煙方案，以地鐵淺埋區間隧道自然通風排煙為主[1-2]，而對淺埋車站地下公共區自然通風排煙方案無可參考的類似工程先例。本文結合巴基斯坦拉合爾軌道交通橙線項目某淺埋半地下車站的實際特點，經方案比選，提出車站站臺公共區采用自然通風與自然排煙的方案，并對方案的效果進行了模擬分析。

1 工程概況

巴基斯坦拉合爾軌道交通橙線項目某車站（以下簡稱車站）為二層結構形式，站廳層位于地面層，站臺層位于地下一層，站臺層形式為典型的側式站臺，考慮到站臺層采用自然通風與自然排煙需開孔與地面相通，經過與相關專業配合，形成站廳層一分為二，分布于車站兩側的車站形式，如圖1 所示。車站建筑面積約7500 m2，其中左端站廳公共區面積1020 m2，右端站廳公共區面積940 m2，上行線、下行線站臺公共區面積各550 m2。車站站廳層凈高5.6 m，站臺層凈高5.3 m，局部凈高6 m。車站地下部分埋深較淺，覆土埋深0.5 m 左右。車站兩端風井出地面處分別設置活塞/機械風亭2 座，排風亭2 座，新風亭1 座。

圖1 車站結構示意圖

2 車站通風排煙方案分析

針對類似形式的地下車站公共區，目前環控系統常規的通風排煙方案為：對于地面層，采用自然通風與自然排煙模式。對于地下層，采用機械通風與機械排煙模式[3]。

本車站站廳層分居車站左右兩端，采用常規自然通風與自然排煙方案。站臺層位于地面以下，可考慮采用常規機械通風排煙方案。同時由于站臺層中間區域上方為地面且無建筑物，此范圍內有在地面開排煙孔的條件，因此可以考慮對地下站臺層公共區采用自然通風及自然排煙的方案。以下將對上述兩種通風與排煙方案應用在本車站的可行性和適用性進行比較分析。

2.1 機械通風及機械排煙方案

夏季工況時，站臺層公共區采用變制冷劑流量多聯機空調系統，在公共區設置多聯機空調室內機，在地面設置室外機。站臺層每端各設置一臺風量為1200 m3/h 的新風處理機組，提供夏季工況站臺公共區的新風量，新風機組室外機設置于地面。在站臺兩端的環控機房分別設置一臺風量為16050 m3/h 的送、排風機，用于過渡季節通風。

如圖2 所示，陰影區域為站臺層公共區防煙分區一和防煙分區二，面積均為550 m2，每個防煙分區計算排煙量為33000 m3/h，車站左右兩端各設置一臺風量為39600 m3/h 的排煙風機，與過渡季節送排風機共用公共區管路。

圖2 站臺層防煙分區示意圖

2.2 自然通風及自然排煙方案

經過與相關專業配合，把站廳層一分為二，分別設置于左右兩端，在站臺層中間區域上方設置自然排煙天窗。如圖3 為站臺層自然通風排煙天窗平剖面示意圖，左、右線兩側站臺分別設置8 個天窗，可根據不同模式電動開啟和關閉。天窗尺寸為2300 mm×1800 mm，面積為4.14 m2，共16 個，天窗最大開啟角度為80°。

圖3 站臺層自然通風排煙天窗示意圖

車站站臺層公共區夏季采用變制冷劑流量多聯機空調系統，在公共區設置多聯機空調室內機。夏季工況時，利用每端各一臺風量為1200 m3/h 的新風處理機組為公共區提供新風量，自然通風排煙天窗處于關閉狀態。過渡季節時站臺層開啟通風天窗自然通風，實現節能運行。考慮到自然通風方案易受外界氣溫、風速等不確定性因素的影響，可根據站臺公共區的溫度，濕度和CO2濃度測點監測值控制夏季工況與過渡季工況的轉換。

當站臺層公共區發生火災時，控制電動開啟自然通風排煙天窗，實現站臺層自然排煙。根據《全國民用建筑工程設計技術措施 暖通空調·動力》（2009 版）4.9.6 條內容，當天窗開啟角度大于70°時，排煙凈面積可按天窗面積計算。由此可計算出，排煙天窗面積為站臺層公共區面積的6%，符合規范要求。

由上所述，將兩種方案進行對比，如表1 所示。

表1 機械通風排煙與自然通風排煙方案對比表

由表1 可知，自然通風排煙方案所需機房面積小，可節省土建及設備投資，降低后期運營維護成本。而機械通風排煙方案設備費用較高，所需機房面積大，且公共區管線布置復雜。綜上對比分析，本工程地下單層車站公共區確定采用自然通風排煙方案。

3 車站自然通風及自然排煙方案模擬計算

3.1 自然通風工況模擬計算

針對車站過渡季節站臺層利用通風天窗自然通風工況，根據自然通風相關公式[4-5]及Fluent 軟件，對車站進行三維流場穩態計算。車站內部空間以六面體網格為基礎進行網格劃分。站廳外門外窗、站臺通風窗等設置為outlet-vent 邊界，閘機、人員、廣告牌、照明等發熱量設置為wall 邊界。

經計算，隨著室外溫度升高，室內外溫差上升約0.23 ℃，為平均溫差的6.5%。通風量略下降約1.15 kg/s，為平均換氣量的4.7%，可認為基本不變。當車站采用自然通風時，可維持室內、外溫差維持在3.5 ℃左右，室外溫度與室內平均溫度呈線性關系。通過自然通風產生的通風換氣量約108000 m3/h。該風量可滿足3600 人的新風要求，遠大于高峰時段車站內客流人數。在室外溫度低于22 ℃時，采用自然通風可滿足室內公共區溫度與人員新風量的要求。

3.2 自然排煙工況模擬計算

本次模擬火災規模取2.5 MW，燃燒物為行李[6]，位于站臺層中部。本次擬研究火災發生并發展至穩定的過程，故應選用非穩態火災。結合模型，車站采用0.25 m×0.25 m×0.25 m 的網格。車站兩個出入口及站廳層通風窗設置為自由邊界，環境溫度取夏季通風室外計算溫度39.3 ℃。本次模擬采用FDS 默認的聚氨酯材料煙氣生成量[7]。

根據《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）28.2.11 的規定，可認為6 min 時全部乘客已疏散完畢[8]，由此確定排煙工況模擬時間取360 s 即可。經模擬計算，站臺層煙氣示意圖如圖4 所示。

圖4 站臺層煙氣示意圖

由圖5 可知，站臺層火災工況下，人員疏散高度處溫度未超過60 ℃，滿足人員疏散高度溫度的要求，高溫氣體經由排煙窗直接排至室外，站臺層60 ℃以上高溫氣體范圍僅存在于火源周圍至上方兩個排煙窗附近，滿足人員疏散高度溫度的要求[9]。火災產生的煙氣集中于火源上方兩個排煙窗附近，煙氣由上方排煙窗排至室外，人員疏散處環境能見度大于10 m。

圖5 站臺層360 s 時刻溫度云圖

根據在站臺設置的CO 濃度測點計算結果可知，站臺層火災工況時，人員疏散高度CO 濃度未超過450 ppm，滿足疏散時人體的耐受要求[10]。除火源附近的測點外，幾乎未監測到環境中有CO。

綜上所述站臺層火災工況采用自然排煙從環境溫度、能見度、CO 濃度等各個方面，均可滿足人員疏散要求。

4 結論

1）針對淺埋半地下車站，通過方案對比分析，機械通風及機械排煙方案設備費用較高，所需機房面積大，且公共區管線布置復雜。自然通風及自然排煙方案所需機房面積小，可節省土建和設備投資，降低后期運營維護成本。本文結合車站形式，地面條件及經濟性綜合分析，站臺層公共區采用自然通風及自然排煙作為最終方案。

2）通過自然通風計算及模擬，過渡季節站臺層采用天窗自然通風，在室外溫度低于22 ℃時，可滿足室內公共區溫度與人員新風量的要求。由于自然通風方案易受外界環境及室內負荷大小的影響，從而影響自然通風效果，當站臺公共區的溫濕度、CO2濃度達不到設計要求時，可控制系統對夏季工況與過渡季工況進行轉換。

3）通過自然排煙模擬，站臺層火災時采用自然排煙方案從環境溫度、能見度、CO 濃度等方面可滿足疏散要求。

4）本文結合工程實際對具有地面開孔條件的地下車站站臺采用自然通風與自然排煙方案，可以為類似工程的設計提供參考和借鑒。