城市軌道交通列車客室火災主動預測報警裝置布置方案研究*

張克姝 厲志強 李大燕

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司， 266111， 青島； 2.奧雅納工程咨詢(上海)有限公司， 200031， 上?！蔚谝蛔髡撸?正高級工程師)

城市軌道交通列車內部空間較小，若發生火災，產生的煙塵及熱氣容易在車廂內快速累積并沉降至人員活動空間。采取技術防范措施，在火災初期對車廂環境進行探測并及時采取控制措施，可提高列車的安全性，確保乘客人身安全。

目前，對城市軌道交通列車火災探測報警系統的設計及安裝，業內并沒有制定詳細的要求。有些標準僅提出火災探測報警設備的布置位置，但在探測器數量及類型等方面均無明確的規定。本文對列車客室區域的主動預測報警裝置的布置方案進行深入研究。

1 車廂特點及對探測系統的特殊要求

城市軌道交通列車具有特殊的空間特點及運營特點，其火災也具有特殊性。為保證人員的生命安全，需確保火災探測系統早期探測和報警的準確性。

1.1 列車客室車廂特點

1) 列車車廂狹長封閉?？褪臆噹麨楠M長的密閉型空間，一旦發生火災，所產生的煙氣和熱量容易蓄積，進而影響人員的安全。

2) 列車載客數量多。1列城市軌道交通列車在滿負荷運營時，A型車的定員可達2 500人，B型車的定員可達1 500人。一旦發生火災，容易造成大量人員傷亡。

3) 列車可燃物的特殊性。列車內部的主要可燃物包括座椅、內飾板、電器件等，如圖1所示。此外，乘客行李也是引發列車內火災的主要可燃物，其組成物質與燃燒特性不固定。

4) 列車由若干節車廂連接構成?；馂奶綔y系統的信號探測和聯動均需要傳輸至中央控制平臺(一般位于司機室)，因而，各車廂間的連接也是火災探測系統設計時需要重點關注的問題。

圖1 列車內可燃物占比分析Fig.1 Analysis of the proportion of combustible matter in train

1.2 火災探測系統的適用性分析

列車火災防護設計時，考慮人員如何不受到火、煙的威脅尤為重要。目前國內外城市軌道交通列車多采用煙溫復合探測器和吸氣式感煙火災探測器，這些探測器響應靈敏，可用于不同的探測環境。

由于車廂材料及乘客行李燃燒特性具有多樣化的特征，故在火災早期階段其主要燃燒產物并不固定，建議可針對車廂內的煙氣及溫度進行復合式探測。城市軌道交通線路的站間距一般較小，列車進站后車廂門開啟頻繁，對車廂內氣流組織的穩定性有一定的影響。因此，建議可采用吸氣式感煙探測系統，以便在早期探測到火災發生。

根據列車客室區域發生火災的特點，以及各類探測器的適用范圍和優缺點，本文對各類探測器的適用性進行分析，如表1所示。

2 列車火災探測布置方案火災動力學模擬分析

本文采用CFD(計算流體力學)模擬方式，以列車的端部車廂為例，分析列車客室區域內可能發生火災的部位及燃燒材料的特性，并開展必要的火災場景模擬，以獲取火場煙氣、溫度等參數隨時間的發展變化趨勢，在此基礎上進一步分析火災探測器的布置方案。仿真模擬所采用的CFD軟件為FDS (火災動力學模擬軟件)。

2.1 創建車廂火災模型

列車的端部車廂包括駕駛室及客室區。客室區內車廂兩側均設有座椅。列車端部有直流柜，客室區兩側各有5個側門及4扇玻璃窗。FDS模型的車廂外觀如圖2所示。

表1 列車客室區域內火災探測器的適用性分析

圖2 FDS模型的車廂外觀效果圖Fig.2 Rendering of compartment appearance in FDS model

考慮計算域單元格的大小及計算機的計算能力，將車廂內所有可燃物的表面離散為0.04 m2(即邊長0.2 m的正方形)的燃料單元，如圖3所示。

a) 地板燃料表面離散化示意圖

b) 墻面及座椅離散化示意圖圖3 列車端部車廂內可燃物表面的離散化示意圖

車廂FDS模型輸入參數見表2，起火源的HRR(熱釋放速率)隨時間變化情況如圖4所示。

表2 車廂內可燃物的部分參數

圖4 車廂內起火源的HRR-時間曲線Fig.4 HRR-time curve of fire source in compartment

2.2 設計火災場景及車廂探測器布置方案

在防火安全設計時，需要考慮的兩個重要因素為火災發生的概率和火災所導致的結果。美國的Coles等研究人員提出了一個城市軌道交通列車火災風險的評估框架，該框架涵蓋了起始火源引發火災的概率及其可能產生的后果。參考該研究結果，本文選取了兩個火災模擬場景，分別為場景一(火源位置位于車廂中部座椅)和場景二(火源位置位于車廂末端角落地面)，如圖5所示。兩個場景的具體設定如下：①環境初始溫度均為20 ℃；②火災類型為超快速火；③HRR峰值為 700 kW，持續時間為264 s。

a) 場景一

b) 場景二圖5 兩個火災模擬場景火源位置示意圖

兩個場景下均采用感煙感溫復合探測器進行探測。如圖6所示，探測器的具體布置方案有3種：①方案一，在回風口設置2個探測器；②方案二，在客室中央設置1排探測器，探測器的總數為5個；③方案三，在客室兩側各設置1排探測器，探測器的總數為10個。

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三圖6 客室車廂內感煙感溫復合探測器的布置方案

2.3 模擬結果分析

本場景假設發生恐怖襲擊，模擬人為縱火、概率極小的極端火災，火源為3.758 L 汽油(C7H16)，且具有0.25 m2的表面積。

場景一和場景二下各探測器布置方案的響應時間分別如表3和表4所示，兩個場景下各探測器布置方案的最短響應時間匯總如表5所示。各模擬場景下CO探測器均未啟動。

2.4 模擬結果分析

2.4.1 不同探測器響應時間分析

在相同的火災場景下，在相同的探測位置采用不同種類探測器進行探測，其響應時間有明顯的區別：感煙探測器的響應時間較短，感溫探測器的響應時間較長。由于列車結構和可燃物分布情況，發生不完全燃燒的可能性較低，產生的CO濃度較低，且遠低于CO探測器的報警閾值，因此CO探測器均未啟動。

表3 場景一下各探測器布置方案的響應時間

表4 場景二下各探測器布置方案的響應時間

表5 兩個場景下各探測器布置方案的最短響應時間匯總

對于單節列車車廂來說，在場景一和場景二下，根據不同探測點距離起火源的遠近，感煙探測器達到響應閾值的時間差值約為34 s，而布置在不同位置的感溫探測器達到響應閾值的時間差值可能超過90 s，最靠近火源的感溫探測器達到閾值的時間也需要約42 s?？紤]到不同火源位置、不同可燃物布局對火災蔓延的影響，若僅靠少數感溫探測器進行探測，其響應時間可能會超過2 min。

本文所模擬的火災是起火源較大且火勢蔓延迅速的場景，如果起火源較小，那么發生火災后感溫探測器的響應時間將更長。此外，考慮到列車內空調系統的作用，感溫探測器可能會出現不報警的情況。

2.4.2 不同探測器布置方案探測結果分析

上文所述的3種不同探測器布置方案中，探測器布置越密集，啟動時間則越早。分別沿著車廂長度和寬度方向增加探測器布置密度并進行模擬測試，發現沿車廂長度方向上增加測點對縮短響應時間的效果更為明顯。

2.4.3 建議的探測器布置方案

綜合考慮在客室內不同位置發生不同功率的火災場景、車廂內可燃物布局的差異、車廂內空調系統的影響、探測器報警系統的可靠性和經濟性等因素，本文建議采用方案二。

3 結語

本文結合城市軌道交通列車火災的特點，對客室區域內火災主動預測報警裝置方案進行了研究，認為感煙感溫復合探測器可在火災發生初期有效探測到火災的發生，沿車廂長度方向設置多個探測器是經濟、有效的布置方案。