高铁候车厅排烟系统分析

郭 浩

上海联创设计集团股份有限公司 上海 200000

正文：

前言

高铁的发展是我国改革开放以来的一场重要革命，我国高铁产业的发展对经济发展以及人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。随着高铁事业的不断发展，高铁站房也日趋大型化，为保证实际使用功能和视觉通透性，高铁候车厅内难以设置防火及防烟分隔，发生火灾时，烟气会迅速蔓延开来，极易产生严重危害。由于候车厅空间高大，在自然排烟过程中热烟羽流流程较长，烟气在上升至顶棚以及沿顶棚水平扩散的过程中，会卷吸大量的冷空气，热烟羽流的温度、速度及浓度都存在大幅度衰减，容易发生烟气沉降、弥散现象。因此，需要对此类区域排烟系统进行特殊消防设计分析。随着计算机技术的进步，数值模拟方式逐渐成为研究烟气运动的一个有效途径，由于大空间烟气蔓延过程具有明显的分层现象，早期的数值模拟都采用区域模拟方法，但这种方法对建筑物的形状、尺寸及火源位置等都有一定的限制。近几年计算机计算能力发展迅速，因此计算量较大的CFD模拟技术也随之取得较大进展，CFD模拟可以给出各个物理量在全场的分布情况，且能够给出烟气蔓延的详细过程。在我国，大空间建筑排烟问题已得到很多关注，中国科技大学与香港理工大学合作建造了一座大空间火灾实验楼，用于研究中庭式大空间建筑火灾规律。取得了大量宝贵的实验数据。[1]

数值模拟结果及分析

本文探讨的对象是一个典型高铁站房候车厅，站房候车厅面积约为12000m2候车厅室内净高20m。经统计，候车厅共有19处门直对室外。顶部排烟窗有效开启面积为1395m2，候车厅内疏散候车厅平面和空间相互连通难以分隔，现行建筑消防规范不能涵盖本项目中的这些特殊空间。给消防安全带来隐患。本文主要采用FDS模型分析候车厅自然排烟系统是否满足人员疏散需求。

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国标准技术研究院（NIST）开发的一种燃烧过程中流体流动的计算流体动力学（CFD）模型，此模型为基于有限元素方法下的电脑化的流体力学模型，主要用于分析火灾中烟气与热的运动过程。

本文针对热热释放速率较大的候车区餐饮火灾进行模拟分析，参照上海市工程建设规范《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）[2]中公共场所考虑，火灾热释放功率设定为8MW（喷淋失效状态）。

设计火灾一般分为热释放速率随时间增长的火和热释放速率恒定的火，用于排烟量确定时，一般采用热释放速率恒定的火，而对于模拟烟气流动的场模型分析，则设置热释放速率增长火（t2火）。即火灾热释放速率与时间的平方成正比，公式如下，

Q=at2

式中，a为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾发展时间，s。

本模型设定为快速火，及热释放速率达到1055kW的时间为150s，如图1所示，在自动灭火系统失效的状态下，火灾自由发展到其最大热释放速率。

图1 火灾热释放功率

火灾临界危险状态指的是火灾环境可对室内人员造成严重伤害的火灾状态，现在一般根据以下几种因素判定火灾对人员构成的危险：烟气的温度、火焰及烟气的热辐射、能见度以及烟气中的有毒气体的浓度。具体指标如下表所示，因此本次模拟内容主要验证烟气温度，能见度及co浓度等是否满足人员疏散需求。

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模拟得到的烟气流动如下图所示，火灾发生后，烟气沿热烟羽流上升至高架层顶部继而向四周蔓延。火灾充分发展后约400s时烟气开始在顶棚集聚，在前期800s内，烟气层沉降速度较快，烟气层很快发展至6m左右厚度（如图3），800s后，在自然排烟的作用下，烟气层沉降速度明显减慢，在模拟时间（1200s）内，烟气未沉降至距高架层以及高架夹层地面 2.1m 高度处。图4中可以看出，除火源上空以外，其他区域温度均在20度到30度范围内，如图5所示，在距高架夹层地面2.1m高度处能见度水平约为27m到30m，各项指标均满足人员疏散需求。

图2 火灾烟气流动示意图

图3 烟气厚度随时间变化

图4 烟气温度剖面示意图（1200s）

图5 候车厅内能见度示意图（1200s）

结论

1.由于高铁候车厅空间高大，进风口面积大，烟气在上升过程中会卷吸大量的冷空气，因此烟气平均温度并不高。

2.由于自然排烟作用，在烟气厚度发展到一定程度后，烟气沉降速度明显减缓。当烟气产生速度与自然排烟速度持平时，烟气厚度基本维持稳定。

3.高大空间内火灾产生的co等有毒有害气体浓度远低于人体能承受的上限值。