不同地铁车站吊顶形式对火灾烟气扩散的影响

  张亦昕1，李炎锋1，张  仁1，王奕然2，刘  壶2，侯昱晟1

  （1．北京工业大学，北京100124；2．北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

摘要：针对实吊顶以及镂空率格栅吊顶装修形式的典型地铁车站站厅，采用大涡模拟的方法计算出不同镂空率吊顶在不同火源功率下的烟气层高度，分析评估镂空吊顶对烟气层沉降和温度分布。研究结果表明，火灾发生360 s内，格栅吊顶的蓄烟作用有助于将烟气层维持在安全高度，且随着镂空率增加维持烟气层在安全高度的效果越明显。但是镂空吊顶上方由于烟气温度较高，容易对吊顶内的各类设备产生危害。

关键词：格栅吊顶；烟气控制；地铁车站；火灾

中图分类号：X932  doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 022

0  引  言

  近年来，越来越多的新建地铁线路投入运营，地铁车站在站内装修方面各有特色。在实际工程中，车站实吊顶和格栅吊顶最为常见。地铁车站吊顶上方空间各种风管及电缆桥架等设备排布错综复杂，实吊顶有一定的隔离空间的作用，而格栅吊顶发生电气火灾的隐患较大。两种不同装修形式对站内消防安全的影响引起了广泛关注。

  《地铁设计规范》( GB50157 - 2013)及《火灾自动报警系统设计规范》( GB50116 - 2013)没有对格栅吊顶及实吊顶装修形式所应采取的相应火灾安全保护措施作明确规定。王婉娣针对无吊顶或开口率较大的镂空吊顶形式空间，研究不同的排烟口设置方式所产生的不同烟气控制效果。陈南通过对格栅吊顶对火灾探测器响应特性影响的研究，制定出指导火灾探测器设计安装的原则。李玉幸研究得出影响火灾探测器响应速度的原因是吊顶镂空率不同。目前已有的研究主要集中在镂空吊顶对探测装置反应的影响，没有针对吊顶上方的蓄积烟气具体情况展开深入研究。

  采用全尺寸试验或者比例模型试验研究地铁车站火灾会耗费巨大人力、财力。由于火灾工况复杂，开展有限次的实验无法得到全面结果。相较于试验方法，数值模拟方法更加简单，易于实现，目前已经广泛应用于地铁火灾研究。

  本文采取数值模拟方法研究格栅吊顶上部空间烟气流动规律及温度分布规律，同时分析吊顶镂空率对烟气温度分布和烟气层高度的影响，研究结果有助于提出科学合理的措施来设置火灾探测装置和预防吊顶上方设备发生火灾。

1  研究对象的物理模型

1.1  格栅吊顶镂空率

  吊顶镂空部分的面积与吊顶总面积之比被称为格栅吊顶镂空率。在工程实际中，为了达到美观的效果，通常采用格栅吊顶的镂空率为50%。因此，结合北京地区的车站装饰工程实际需求，选取镂空率为50010格栅吊顶车站站厅为重点研究对象，同时分析格栅不同镂空率对烟气扩散以及温度分布的影响。

1.2  车站火灾工况

  图1给出站厅结构示意图，其中图1(a)为平面示意图，图1(b)描述的是火源在站厅的具体位置，距站厅壁面距离为5 000 mm。站台两端为设备间，中间部分是本站的站厅层空间。站厅长为90 m，宽为20 m，层高为4.4 m。由于安检机制的正常运行，易燃易爆物进入站

厅付费区域的可能性很小，因此本次火灾模拟将火源设置在非付费区域安检仪器附近。此处人员及行李物品相对集中，又有多台机电设备，发生火灾的可能性较大。站厅层通过4个长50 m，并含有900夹角的出人口通道与外界相通。设定两种模拟工况：①在吊顶高度设置格

栅吊顶，吊顶条形方通的宽度与镂空间距之比为50mm:50 mm，即镂空率为50%；②在吊顶高度设置实吊顶，将吊顶上下分为两个独立的空间。两种站厅火灾工况中均采用机械排烟。

1.3数值模拟方法

  大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）方法，相较于雷诺时均方法，在复杂流动的模拟中可以得到湍流运动的细微结构和流动图像。LES方法是指，在大雷诺数流动中，直接模拟计算大尺度湍流，而利用次网格尺度模型模拟小尺度流动对大尺度湍流的影响，是一

种介于直接模拟和雷诺时均方程法之间的场模拟方法。

  本文采用的FDS软件是LES方法的代表软件，被广泛应用于火灾研究。该软件是由美国国家标准与技术研究所( National Institute of Standards and Technology简称NIST)建筑物与火灾研究实验室(Building and FireResearch Laboratory)研发的。经过了大量全尺寸火灾实验的验证，FDS软件具有较高的可靠度。本文运用LES方法对典型地铁车站站厅层火灾工况进行模拟计算，分析两种不同的吊顶形式（格栅吊顶和实吊顶）对车站顶部蓄烟能力的影响和吊顶附近温度分布的影响。

1.4边界条件及网格的划分

  车站站厅内空气温度设置为20℃，车站内结构壁面设置为“CONCRETE”。与外界相连的出入口设置为自由边界，外部压力与大气压力相同。站厅内发生火灾时，由两组风管负责排烟，排风量总量为108 000 m3／h，设置每个排风口风速为1. 23 m/s。格栅吊顶工况的排

烟口位置在格栅上方50 mm处。火源设置在安检仪器附近，火源功率设为2.0 MW稳态火源，燃烧物为丙烷( C3H8)，单位面积热释放率HRRPA( Heat Release Rateper Area)设置为2 000 kW/m2。网格总数为620 000个，火源附近为重点区域，网格尺寸加密为0.1 mx0.1 m×0.1 m，满足FDS软件对于火灾工况模拟的网格尺寸要求。

2  模拟结果及分析

2.1  镂空率为0和50%情况下烟气扩散的比较

  通过模拟计算，可以得到火灾发生时，站厅内烟气层的扩散情况。格栅吊顶工况的火灾烟气扩散情况如图2(a)~(g)所示。火灾发生初期，烟气通过热浮升力的作用，穿过格栅吊顶上升至站厅上部空间。伴随火灾的发展，烟气沿站厅纵向快速扩散。按照《地铁设计规范>( GB50157 - 2013)…规定，火灾发生之后6 min（含1min的反应预警时间）内，在站内工作人员的指挥下，所有乘客应疏散至安全区域。从图2可以看出，火灾发展6 min内烟气层始终保持在吊顶高度，即距地面3 m。按照火灾烟气层临界安全高度的公式判断：

式中：H表示火灾时烟气层的安全高度，m；H c为  火源所在层的层高，m。根据式(1)计算，在发生火灾 时，烟气层临界安全高度应保持在2m以上。在格栅镂空吊顶工况中，烟气层的高度能够满足临界安全高度的要求。

  图3(a)~(g)为实吊顶工况中的火灾烟气扩散情况。火灾发生后，由于吊顶为实吊顶，站厅层上部与下部被分割为各自独立的空间，烟气无法到达吊顶上部空间。烟气层只能在吊顶下方，沿站厅纵向蔓延扩散。火灾模拟过程进行到240 s时，烟气开始沉降，并逐渐充满站厅层空间。

  2.2  不同镂空率吊顶上方的烟气温度分布以及烟气层高度

  为进一步对比两种吊顶形式对防排烟效果的影响，在火源旁边0.5m处位置设置的观测点如图1(b)所示，原因是该点上方烟气分层最为明显。由图4中烟气层模拟数据可以看出，当格栅吊顶的层高为4.4 m时，火灾发展过程中，观察点的烟气层高度在360s内保持在3.2 m;而实吊顶的安装高度为3m时，观察点的烟气层高度保持在2m左右，且稳定时间只能保持240s。图5给出两种火灾工况不同镂空率吊顶在360s时观察一点处的烟气层高度。H表示烟气层下缘距地面的高度，x表示镂空率。可以看出，在1．0MW情况，机械排烟可以将烟气层保持在镂空吊顶上方（H大于3. 0m），随着镂空率增加，烟气层下缘的高度增加，这样对人员疏散有利。对于同样的镂空率，随着火源功率增加，烟气层高度随着火源功率在下降。在20%的镂空率时，烟气由于受到镂空吊顶的影响，烟气沉降在吊顶下方(H小于3. 0m)，但仍然保持在安全高度之上。因此，采用格栅吊顶装修的站厅利用了吊顶上部的蓄烟空间，使得火灾烟气层保持在较高的高度。但需要注意的时，如果考虑吊顶上部存在通风风管及线缆桥架等设备对烟气扩散的影响，实际镂空吊顶站厅火灾时烟气层的下缘位置应低于计算值。

2.3  镂空率对吊顶上方烟气温度分布影响

  为了更加直观的认识火灾发生时格栅吊顶上部的空气温度分布情况，在火源上方的吊顶上部空间设置测点，具体设置位置如图1(b)所示。通过模拟计算得到3个测点在整个火灾过程的温度见表1。表中平均值是按照1 s取一个计算值平均得到。从表中看出，格栅吊顶处温度较高，超过130℃。格栅吊顶对空气温度的传导起到一定的阻隔作用，使烟气在穿过格栅吊顶以后，温度有大幅度的下降，但是依然在90℃左右。吊顶上方热烟气在顶棚重新聚集，使得顶棚温度增加，达到130℃以上。因此，为了快速探测到火灾工况，吸气式感烟火灾探测器应当贴顶棚进行安装，同时需要考虑高温会对上方的电气线路设备造成危害问题。

  图6给出2.0 MW火灾情况下，360 s时不同镂空率吊顶测点位置上方吊顶处和吊顶上方1 000 mm处的温度分布。可以看出，随着镂空率增加，烟气向上蔓延强烈，热烟气聚集在顶棚上方，造成两点之间的温差增加。20%的镂空率由于对烟气浮升起到一定的阻挡作用，因此两点之间的温差最小。可以看出发生火灾不同的吊顶形式对空气温度分布也存在影响。由于温度分布会影响感温探测器的使用效果。而实吊顶相比格栅吊顶，火源上方的空间要小，因此在火灾发生时，火源上方的空气温度要高。但实吊顶将烟气及高温空气阻挡在吊顶下方，高温空气不会对吊顶上方的设备造成损害，但是在火源正上方的高温空气集中区域，高温烟气可能导致实吊顶材料损毁。格栅吊顶工况下，高温空气伴随烟气热羽流浮升至吊顶上部空间，计算表明镂空吊顶站厅火源上部区域的空气温度可以达到130 0C以上，会对吊顶上方的风管及线缆桥架造成损害，需要考虑相应的防护措施。

3  结论

  本文通过数值模拟，研究典型地铁车站站厅发生火灾时不同镂空率吊顶（重点研究50%镂空率）和实吊顶对于烟气层分布效果的影响，得到以下结论：

  1)地铁车站站厅2.0 MW火灾工况下，50%的吊顶镂空率可以使4.4 m高站厅的烟气层高度保持在3.0m以上，且时间能维持360 s；普通的实吊顶（3m高）可以使烟气层保持在2.0 m以上，时间维持4 min。研究表明格栅吊顶的装修方式充分利用了吊顶上部空间，在站厅发生火灾时，吊顶上部空间可以作为蓄烟空间，可以有效地保持烟气层的高度，有利于火灾救援和人员疏散。随着镂空率增加，烟气层保持的高度增加，对站厅中的人员疏散有利。对于同样的镂空率，随着火源功率增加，烟气层保持的高度而下降。但是机械排烟作用下，20%镂空率可以将2.0 MW以内的火灾烟气层维持在吊顶高度附近。

  2)采用格栅吊顶的站厅，在发生火灾时，高温空气会随着烟气上升镂空吊顶进入吊顶上部空间。50%的镂空吊顶上方1 m处的温度超过100 0C。随着镂空率增加，烟气向上蔓延强烈，热烟气聚集在顶棚上方，造成吊顶以及上方1m处两点的温差减少。因此，对于镂空率高于50 %情况，建议吸气式感烟火灾探测系统均应当贴顶棚进行安装。但是，对于隔栅吊顶应考虑紧邻火源位置上方处高温烟气会对置于吊顶上方的电气设备造成一定程度的损害，吊顶上部的风管及线缆桥架等设备也会导致实际工况中烟气层高度高度低于模拟分析值。