地铁区间隧道半横向通风方式排烟效果影响因素的研究

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1、理论探讨 334 地铁区间隧道半横向通风方式排烟 效果影响因素的研究 朱常琳 王立军 （西安建筑科技大学环境学院，陕西，西安，710055） 【摘 要】文章建立了比例为 1:10 的地 铁区间隧道模型试验台,研究了 15.48kW（对 应实际火源强度为 4.9MW）的火源功率下, 不同排烟风速、排烟口间距及排烟口面积对 地铁隧道半横向通风方式排烟效果的影响. 试验结果表明：在其它条件不变情况下,排烟 风速越大,区间隧道内的顶棚和人眼特征高 度处的温度越高,但是排烟口风速太小容易 出现烟气的逃逸现象；控制排烟口间距能够 实现控制烟气蔓延范围,排烟口间距越大,烟 气温度越高,高温的烟气范围也越大,

2、但是排 烟口间距太小容易出现烟气的逃逸现象；排 烟口面积越大,区间隧道内的顶棚和人眼特 征高度处的温度越高,但是排烟口面积太小 也容易出现烟气的逃逸现象.本试验研究得 出：在 15.48kW 火源功率下,排烟风速为 1.26m/s,排烟口间距为 2.0m,排烟口面积为 0.06 时,排烟效果最好. 【关键词】 地铁区间隧道； 半横向通风； 影响因素；排烟效果；研究 1、引言 在地铁火灾情况下机械通风排烟系统可 分为全横向排烟、半横向排烟、纵向排烟三 种 1.目前地铁区间隧道中应用最广泛的排 烟方式是纵向通风排烟方式,但是这种排烟 方式存在很大的弊端.即当列车中部着火时, 不论乘客向隧道的哪一端

3、逃生,都会有一部 分乘客不可避免地被置于烟气中2.全横向通 风排烟方式需设置两条排烟道,增大了隧道 的尺寸,增加施工难度.不仅初投资费用及后 期运营维护费用高,而且强调对排烟口的自 动化控制.所以地铁区间隧道中基本不采用 这种排烟方式.半横向通风排烟方式是在地 铁区间隧道顶部设置排烟风道,烟气通过排 烟口被直接吸向顶部排烟风道,烟气在隧道 上部扩散,经过排烟道排出隧道外3.半横向 通风排烟方式能够在隧道内同时产生横向和 纵向两种方向的气流流动方式.既能够让发 生火灾的烟气沿着横向流动,又能使向隧道 两端疏散的乘客都能迎风疏散,半横向通风 排烟示意图如图 1 所示. 图 8 半横向通风排烟示意图

4、 目前, 研究地铁区间隧道半横向通风方 式排烟效果的影响因素的文献甚少.本文主 要通过试验研究：地铁区间隧道中发生火灾, 采用半横向通风排烟方式时,不同排烟风速、 排烟口间距及排烟口面积对人眼特征高度处 1.7m 处 (在 1.7m 的基础上加上疏散平台的 高度 1.05m,得到有疏散平台的地铁区间隧道的人眼特征高度处距轨顶 2.75m)温度分布规 律的影响并分析排烟效果.研究结果可以为 地铁隧道半横向通风排烟模式的设计提供参 考. 2、地铁区间隧道试验台设计 2.1 模型结构及尺寸 地铁区间隧道模型比例为 1:10,长 6.5m, 断面尺寸为 0.48m0.72m,如图 2 所示.模型 隧道

5、分为两部分：主区间隧道和排烟道.模型 隧道由 5 段拼接而成,每段长度为 1.3m,总长 为6.5m. 主 区 间 隧 道 断 面 净 尺 寸 为 440mm520mm,顶部排烟风道断面净尺寸为 440mm140mm.在排烟道与主隧道的隔板上 设计了6个尺寸为300mm300mm的排烟口, 如图 3 所示. 图 9 地铁区间隧道模型及尺寸 图 10 排烟风道隔板上排烟风口布置图 2.2 火源的设计 试验中采用油池火作为火源,使用 0#柴 油作为燃料.为确定试验中火灾规模,选择直 径为15cm、17cm、22cm 三种尺寸 规格的油盘进行测量.实测油盘热释放速率 方法及结果参考4.最后选取17c

6、m 的油池 火,其热释放速率为 15.48 kW(对应实际隧道 火源强度 4.90 MW). 2.3 排烟系统设计 本试验选用 300FZY2-D 轴流式排烟风 机 , 其 参 数 为 : 风 量 Q=22m3/min, 静 压 H=200Pa,功率 0.1kW.此排烟风机安装在排 烟风口两侧,用防火帆布连接.试验时采用调 速器来调节不同的排烟量,并用美国产TSI热 线风速仪进行校核. 2.4 数据采集系统设计 采用K型热电偶测量火灾时隧道内温度, 通过数据采集板将接收到的温度信号传输至 数据采集仪,并连接到计算机进行实时监测. 测点在隧道内的布置情况见图 4.沿地铁区间 隧道模型的纵断面和横

7、断面共布置 6 组热电 偶,共有50个测点.在横断面上,热电偶布置在 人眼特征高度处,有 I3M3、I4M4、I5M5、I6M6 四组共 20 个测点.在纵断面上, 热电偶布置在模型隧道顶棚和人眼特征高度 处的中心轴线上,分为 A1O1、 A2O2 共 2 组30个测点,热电偶之间的间距均为200mm. 图 4 热电偶及 CO 浓度测点布置图 2.5 试验工况设计 试验工况设计如表 1 所示. 表 1 不同排烟风速的试验工况 工况火源 功率 (kW) 排烟 风速 （m/s）排烟口 设置间 距（m） 排烟口 开启个 数（个）排烟口 面积 （） 115.48 1.10 2 2 0.09 215.4

8、8 1.26 2 2 0.09 315.48 1.74 2 2 0.09 415.48 1.90 2 2 0.09 515.48 2.10 2 2 0.09 615.48 1.90 0.8 2 0.09 715.48 1.90 2 2 0.09 815.48 1.90 3 2 0.09 915.48 1.90 2 2 0.02 1015.48 1.90 2 2 0.04 1115.48 1.90 2 2 0.06 1215.48 1.90 2 2 0.09 3、试验结果及分析 3.1 排烟风速对半横向通风方式排烟效 果的影响 图 5 为 t=300s 时不同排烟风速下距火源 不同位置处的温度分

9、布.不同的排烟风速对 火 源 位 置 的 温 度 有 影 响 , 当 排 烟 风 速 V=2.1m/s 时,在整个顶棚中,火源上方顶棚处 的烟气温度最高为 296.7,在整个人眼特征 高度处,火源上方的烟气温度最高为 373.7. 当排烟风速 V=1.1m/s 时,在两个排烟口之外 的测点的温度明显高于其他排烟风速的温度 值.排烟风速既不能太高也不能太小,太高的 风速会强化火源,太小的风速又容易造成烟 气 的 逃 逸 . 在 所 有 工 况 中 , 当 排 烟 风 速 V=1.26m/s 时最合适. -1.6-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.60306090120150180

10、210240270300330温度 ()距火源距离 (m)v=1.10 m/sv=1.26 m/sv=1.74 m/sv=1.90 m/sv=2.10 m/s（a）顶棚处 理论探讨 335-1.6 -1.2 -0.8 -0.40.00.40.81.21.604080120160200240280320360400温度 ()距火源距离 (m)v=1.10 m/sv=1.26 m/sv=1.74 m/sv=1.90 m/sv=2.10 m/s（b）人眼特征高度处 图 5 不同排烟风速下距火源不同位置处的 温度分布 3.2 排烟口间距对半横向通风排烟效果 的影响 图 6 为 t=300s 时不同排烟

11、口间距下距火 源不同位置处的温度分布.排烟口间距越大, 烟气温度越高且高温的范围也越大.在顶棚 处,当 L=0.8m 时,距火源 0.4m 的范围之内,温 度急剧变化.在距火源 0.4m 范围外温度仍有 变化,说明有部分烟气未捕集到,从这个排烟 口逃逸.排烟口设置的间距缩小后,排烟口距 火源较近,意味着顶棚热射流扩散至排烟口 处仍具有较大的冲量,烟气逃逸的机会更大. 当 L=2m时,温度变化相对平缓,在 2m范围之 外温度没有变化,说明烟气能够全部从排烟 口排除,烟气被很好地限制在各自的范围之 内. -1.6 -1.2 -0.8 -0.40.00.40.81.21.60306090120150

12、180210240270温度 ()距火源距离 (m)L=0.8 mL=2.0 mL=3.0 m(a)顶棚处 -1.6 -1.2 -0.8 -0.40.00.40.81.21.604080120160200240280320360温度 ()距火源距离 (m)L=0.8 mL=2.0 mL=3.0 m（b）人眼特征高度处 图 6 不同排烟口间距下距火源不同位置处 的温度分布 3.3 排烟口面积对半横向通风排烟效果 的影响 图 7 为 t=300s 时不同排烟口面积下距火 源不同位置处的温度分布.在排烟风速、排烟 口间距都不变时,排烟口开口面积越大,烟气 温度越高.因为在只有开口面积增加的情况 下,

13、增加了排烟口与顶棚烟气的接触面积,扩 大了排烟口的控制范围,减小了烟气逃逸的 空间.另一方面,当排烟口面积为 A=0.02 和 A=0.04 时,在两个排烟口之外的顶棚处的 测点温度明显高于环境的温度,说明排烟口 之外有逃逸的烟气存在,所以并不是排烟口 面积越小越好.在试验的所有工况中,排烟面 积 A=0.06 最合适. -1.6 -1.2 -0.8 -0.40.00.40.81.21.60306090120150180210240270300温度 ()距火源距离 (m)A=0.02 A=0.04 A=0.06 A=0.09 (a)顶棚处 -1.6 -1.2 -0.8 -0.40.00.40.

14、81.21.6060120180240300360420温度 ()距火源距离 (m)A=0.02 A=0.04 A=0.06 A=0.09 （b）人眼特征高度处 图 7 不同排烟口面积下距火源不同位置处 的温度分布 4、结论 本文通过建立 1：10 的地铁区间隧道试 验模型,研究火灾发生时,在 15.48kW(对应实 际火源强度为 4.9MW)的火源功率下,不同排 烟风速、排烟口面积、排烟口间距对半横向 通风排烟方式排烟效果的影响.主要结论如 下： 1.排烟口间距、排烟口面积不变时,排烟 风速越大,区间隧道内的顶棚和人眼特征高 度处的温度越高.但排烟口风速太小,容易出 现烟气逃逸现象.本试验所

15、有工况中,当排烟 风速 V=1.26m/s 时是最合适的. 2.排烟风速、排烟口面积不变时,排烟口间距能够实现控制烟气蔓延范围的作用.排 烟口间距越大,烟气温度越高,高温的烟气范 围也越大.但是,排烟口间距较小时,排烟口对 烟气的控制能力就会下降,容易出现烟气逃 逸现象.本试验所有工况中,当排烟口间距 L=2.0m 时是最合适的. 3.排烟风速、排烟口间距不变时,排烟口 面积越大,区间隧道内的顶棚和人眼特征高 度处的温度越高.但排烟口面积太小,也容易 出现烟气逃逸现象.本试验所有工况中,当排 烟口面积 A=0.06 时是最合适的. 4.火灾发生时,排烟风速、排烟口间距、 排烟口面积三种因素对区

16、间隧道的烟气影响 非常复杂,应全面考虑三者对区间隧道排烟 效果的影响.结合本工况设计推荐：在 15.48kW 火源功率下,排烟风速为 1.26m/s,排 烟口间距为 2.0m,排烟口面积为 0.06 时,排 烟效果最好. 参考文献： 1蔡芸,李丽丹. 火灾情况下地铁通风 系统运行模式分析J. 武警学院学报,2007, 23(2): 28-31. 2刘翌杰,喻伟. 浅谈地铁隧道中通风 排烟存在的问题及对策J. 山西建筑,2008, 34(19):319-320. 3陈德芳. 半横向通风方式分析研究和 计算J. 地下工程与隧道,1996,2:24-35. 4王立军. 地铁区间隧道半横向通风排 烟模式排烟效果的研究D.西安:西安建筑科 技大学,2013. 资助项目： 陕 西 省 教 育 厅 自 然 科 学 基 金 项 目 （12JK0569） ，西安建筑科技大学