劉新蕾 吳良猛 沈 斌

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為社會日常運(yùn)轉(zhuǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，在其給人類生活帶來便利的同時也很大程度上復(fù)雜化了人們?nèi)粘Ｉ畹陌踩h(huán)境。根據(jù)地鐵事故統(tǒng)計(jì)可以看出，地鐵火災(zāi)事故居多且地鐵火災(zāi)引起的傷亡人數(shù)往往較多[1,2]。因此研究地鐵火災(zāi)對地鐵火災(zāi)防治和降低火災(zāi)時的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

噴淋系統(tǒng)反應(yīng)迅速能實(shí)現(xiàn)主動滅火，是十分有效的防火措施。我國有不少學(xué)者對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災(zāi)防治中的作用進(jìn)行了研究，例如張巨龍[3]結(jié)合了地鐵車站火災(zāi)的特殊性，通過對比自動噴淋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)的必要性以及適用性；劉曉峰[4]對地鐵水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，對地鐵站內(nèi)是否有必要設(shè)置噴淋系統(tǒng)進(jìn)行了探討；馬金梅[5]對噴淋系統(tǒng)作用下地鐵火災(zāi)煙氣的控制進(jìn)行了研究，說明了在噴淋系統(tǒng)作用下不同排煙方式對火災(zāi)環(huán)境的改變情況；以上研究均對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災(zāi)防治中的作用進(jìn)行了研究，但均為利用相關(guān)模擬軟件單純針對噴淋系統(tǒng)的作用效果進(jìn)行實(shí)際的數(shù)值模擬驗(yàn)證，其主要原因在于對于地鐵而言，噴淋系統(tǒng)不具有普遍適用性，對其是否應(yīng)在地鐵站內(nèi)使用仍存在一定的爭論[4]。但是對于適用噴淋系統(tǒng)的地鐵站而言，利用數(shù)值模擬軟件對噴淋系統(tǒng)作用下的火災(zāi)發(fā)展情況進(jìn)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(zāi)的動力學(xué)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(zāi)為例，采用FDS軟件模擬研究噴淋系統(tǒng)對地鐵站廳內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的煙氣流動以及環(huán)境參數(shù)所產(chǎn)生的影響。

1 計(jì)算模型及場景設(shè)定

1.1 計(jì)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(zāi)，在不影響模擬結(jié)果情況下，為簡化模擬過程提高軟件數(shù)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(shè)置火源：目前，站廳內(nèi)部裝修主要采用阻燃或不燃材料，因此考慮主要火災(zāi)載荷為乘客隨身攜帶的行李物品，對于該類物品引發(fā)的火災(zāi)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)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(dá)。

結(jié)合人員的流動特點(diǎn)及地鐵站內(nèi)主要電氣設(shè)備位置，將火源設(shè)置在人員流動較為密集的扶梯附近，即站廳中部區(qū)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(shù)，本研究中為快速增長火，取α=0.046 89 kW/s2[8]；t為時間，s。

當(dāng)火源熱釋放速率為3 MW時，經(jīng)計(jì)算當(dāng)t=253 s時火源開始穩(wěn)定燃燒。

3)網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)格的大小直接影響著模擬結(jié)果的精確程度，一般認(rèn)為網(wǎng)格大小達(dá)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(jì)算公式：

(2)

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

經(jīng)計(jì)算得D=4 m，在保證模擬精度的情況下盡可能提高數(shù)值模擬效率，因此取網(wǎng)格尺寸為0.1D=0.4 m。

4)設(shè)置噴淋系統(tǒng)：根據(jù)GB 50084—2017自動噴水滅火設(shè)計(jì)規(guī)范，對站廳內(nèi)的噴淋系統(tǒng)進(jìn)行合理布置，最終建立如圖1所示的計(jì)算機(jī)模型。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)定

火災(zāi)場景的設(shè)置直接影響著火災(zāi)發(fā)生時煙氣的蔓延情況，也決定了我們對火災(zāi)發(fā)生時環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測方式；研究中分別分析了兩種工況下的火災(zāi)煙氣蔓延情況和環(huán)境參數(shù)變化情況，這兩種工況分別是：有噴淋系統(tǒng)、無噴淋系統(tǒng)，監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)主要有：CO濃度、能見度、溫度，通過切片觀察各項(xiàng)參數(shù)在某一指定平面上的變化情況以確定危險區(qū)域的大小變化情況，通過探測器觀察各參數(shù)在某一指定點(diǎn)處各項(xiàng)參數(shù)隨時間的變化情況，其給出了各環(huán)境參數(shù)在對應(yīng)點(diǎn)處隨時間變化的具體數(shù)值。

模型中設(shè)置了溫度、煙氣濃度、能見度切片，各切片的設(shè)置主要根據(jù)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(shè)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(shè)置了溫度探測器和CO濃度探測器。根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中的火災(zāi)發(fā)生所需最長疏散時間為6 min的要求，設(shè)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(jié)果進(jìn)行安全判定并分析人員的安全疏散，模擬效果取計(jì)算機(jī)模擬結(jié)束為止。

2 結(jié)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(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，在站廳中部著火117 s時站廳大部分區(qū)域的溫度達(dá)到60 ℃以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)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(qū)域的溫度達(dá)到60 ℃以上；

2)由溫度切片Y=17 m的對比結(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)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(qū)域達(dá)到60 ℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)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(nèi)；

3)由溫度切片Y=38 m的對比結(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)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(qū)域達(dá)到60 ℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)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(cè)的整層空間任何位置均未達(dá)到危險值。

從圖3中各熱電偶的數(shù)值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(dá)到60 ℃，1號安全出口Z=11.6 m處溫度在T=131 s時達(dá)到60 ℃，2號安全出口Z=11.6 m處溫度在T=140 s時達(dá)到60 ℃；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(yuǎn)低于60 ℃這一危險值，對于1號、2號安全出口，在火災(zāi)發(fā)生100 s后，它們在Z=11.6 m處的溫度不再出現(xiàn)變化，而是維持在20 ℃這一室溫水平。

通過以上對環(huán)境溫度的對比分析可知，在無任何消防設(shè)施和有噴淋系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時站臺與站廳內(nèi)的人員的最佳疏散時間總結(jié)如表1所示。

表1 兩種工況下基于溫度參數(shù)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(shè)施時，在站廳中部著火137 s時站廳大部分區(qū)域的CO濃度達(dá)到225 ppm以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火216 s時站廳大部分區(qū)域的CO濃度達(dá)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(shè)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(qū)域達(dá)到225 ppm及以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)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(cè)的豎向空間全部區(qū)域達(dá)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(shè)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(qū)域達(dá)到225 ppm及以上，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)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(qū)域達(dá)到225 ppm及以上。

從圖5中各CO濃度探測器的數(shù)值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(dá)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(dá)到225 ppm，3號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=70 s時達(dá)到225 ppm；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(dá)到225 ppm這一臨界值并在后續(xù)處于波動爬升的狀態(tài)，1號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=141 s時達(dá)到225 ppm，2號安全出口Z=11.6 m處CO濃度在T=188 s時達(dá)到225 ppm。

通過以上對環(huán)境CO濃度的對比分析可知，在無任何消防設(shè)施和有噴淋系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時站臺與站廳內(nèi)的人員的最佳疏散時間總結(jié)如表2所示。

表2 兩種工況下基于CO濃度參數(shù)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(shè)施時，在站廳中部著火173 s時站廳大部分區(qū)域的能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火236 s時站廳所有區(qū)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(shè)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(qū)域能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)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(cè)的上層空間的能見度全部處于不足10 m的狀態(tài)并淹沒3號、4號安全出口全部區(qū)域；

3)由能見度切片Y=38 m可以看出，在無任何消防設(shè)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(qū)域能見度不足10 m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)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(cè)的上層空間的能見度全部處于不足10 m的狀態(tài)并淹沒1號、2號安全出口全部區(qū)域。

從圖7中各能見度探測器的數(shù)值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(zāi)發(fā)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(shù)秒降低至危險值；在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)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(huán)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(huán)境能見度的對比分析可知，在無任何消防設(shè)施和有噴淋系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時站臺與站廳內(nèi)的人員的最佳疏散時間總結(jié)如表3所示。

表3 兩種工況下基于能見度參數(shù)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(shè)施和安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)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(shù)的疏散時間，結(jié)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(tǒng)對火災(zāi)環(huán)境進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化，延長了人們在發(fā)生火災(zāi)后的逃生時間，因此，自動噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)置對地鐵火災(zāi)防治的研究具有十分積極的意義。

3 結(jié)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(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究了在有、無噴淋系統(tǒng)兩種工況下的煙氣蔓延情況與火災(zāi)發(fā)生后環(huán)境參數(shù)的變化情況，討論了人員安全疏散時間，結(jié)果表明：

1)對于火災(zāi)發(fā)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(tǒng)工況，有噴淋系統(tǒng)時，由于受到水射流的影響，煙氣的蔓延進(jìn)程明顯減緩；從豎直方向的切片來看，兩種工況下危險區(qū)域的擴(kuò)大過程基本一致，但在有噴淋系統(tǒng)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(qū)域的擴(kuò)大情況出現(xiàn)較大的區(qū)別，在無噴淋系統(tǒng)的工況下，指定水平面的危險區(qū)域由邊墻快速向內(nèi)擴(kuò)散，而在有噴淋系統(tǒng)的工況下，由于水射流的影響，危險區(qū)域則以較為緩慢的速度由著火點(diǎn)逐漸向四周擴(kuò)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(fā)現(xiàn)噴淋系統(tǒng)較大程度上優(yōu)化了火災(zāi)場景內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，尤其是溫度這一環(huán)境參數(shù)，在噴淋系統(tǒng)的作用下，水對火災(zāi)場景起到了一個很好的降溫作用，使得整個火災(zāi)過程中站廳內(nèi)的環(huán)境溫度在除火源附近以外的區(qū)域內(nèi)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(qū)域的擴(kuò)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(fā)生火災(zāi)后的安全性。