刘龙涛
(1中国联合工程有限公司,杭州 310000)
摘要:地下地铁站台层排烟量计算由于有保证站厅到站台的楼梯或扶梯口处具有不下于1.5m/s的向下气流的要求,要求排烟量巨大,一直以来是困扰设计师做排烟方案选择的难题,本文从排烟系统启动时间、人员疏散时间等的关系,储烟仓储烟能力、地铁站台实际排烟量计算等因素分析计算得在人员疏散至站厅的时间内,站台公共区储烟仓有足够的容量容纳烟气,面积指标法计算的排烟量已经足够满足排烟需求,1.5m/s向下气流的要求远远超出实际排烟量需求。
关键词:地铁站台;排烟量;1.5m/s向下气流;储烟仓
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0 引言
根据现行GB50157-2013《根据地铁设计规范》[1]和GB51298-2018《地铁设计防火标准》[2]要求,地下站台的排烟量按面积指标发不小于60m3/(m2*h)计算,且要保证站厅到站台的楼梯或扶梯口处具有不下于1.5m/s的向下气流;根据规范条文说明排烟量计算是采用了日本国际协力事业团为上海地铁1号线制定的车站内排烟标准,1.5m/s向下气流来源未知,然而与过去相比我国地下地铁不管是对车站内建筑装修材料的耐火要求还是安检系统都有了极大的提升,对于站台的排烟量的计算国内鲜少有人对其深入研究,但由于按规范要求计算的排烟量通常非常巨大,对风管尺寸、风机容量、建筑层高等都会有较高的要求。
本文通过排烟系统启动时间、烟气填满储烟仓时间、烟气填满储烟仓时的瞬时温度、根据实际火灾热释放速率计算排烟量、日本地铁站台排烟量计算方法等角度探讨地下站台排烟量计算方法。
1 火灾工况排烟系统启动时间
(1)根据GB51298-2018《地铁设计防火标准》第8.1.4条“机械防烟系统和机械排烟系统可与正常通风系统合用,合用的通风系统应符合防烟、排烟系统的要求,且该系统又正常运转模式转为防烟或排烟运转模式的时间不应大于180s”
(2)根据GB50157-2013《根据地铁设计规范》站台至站厅或其他安全区域的疏散楼梯、自动扶梯和疏散通道的通过能力,应保证在远期或客流控制期中超高峰小时最大客流量时,一列进站列车所载乘客能在4min内全部撤离站台,并应能在6min内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域。
(3)根据北京地标DB11/1026-2013《吸气式感烟火灾探测报警系统设计施工及验收规范》[3] 第5.2.3条“从采样管最末端(最不利处)采样孔引入烟雾,每个探测区域的最大允许烟雾传输时间不应超过120s,报警响应时间不应超过60s”,广东省地标DBJ 15-48-2005《 吸气式感烟火灾探测报警系统 设计、施工及验收规范》[4]第3.3.3条“最大允许烟雾传输时间不应超过120s,报警响应时间不应超过60s”
(4)目前国内地铁公共区大部分采用空调和排烟系统合用设计。根据上述1~2条所述,在最不利状况下排烟系统启动时间需要6min(180s+120s+60s);自动报警系统需在火灾发生3min后启动,人员从第4min开疏散,在第4~6分钟的三分钟内排烟系统处于模式转换状态尚未启动排烟,站台还有人员未能撤离,大量人员集中在自动扶梯、楼扶梯处,第7分钟站台人员全部撤离,部分人员还在自动扶梯和楼扶梯处,排烟系统开始工作,第9分钟站台人员全部撤离至安全区,如下图1。
(5)AQ8007—2013城市轨道交通试运营前安全评价规范[5] 中表I.2可用安全疏散时间不应小于6min,6min内疏散路径区域1.5m高度以上烟气层温度不超过180℃,疏散路径区域1.5m高度的温度不超过60℃,笔者认为安全高度应按最小清晰高度计算。安全疏
散时间从警报响起算起,即图1的4min~9min。由图1可知4min~6min内排烟系统可能尚未启动,下文将核算该时间段内的疏散安全性。
2 站台公共区火灾烟气填满储烟仓时间
(1)公共区火灾热释放速率取值:
1)地铁设计防火标准8.2.4条文解析车站公共区火灾通常为小型火灾为1.0MW~2.5MW,如行李或小型商铺的火灾;根据NFPA130-2014行李着火的火灾热释放速率为0.3MW~1MW;AQ8007—2013城市轨道交通试运营前安全评价规范:站台、站厅和区间隧道热烟测试的火源功率应设置为 0.7MW~3MW。燃烧时间应不少于 10min。与地铁设计防火标准8.2.4条地铁列车7.5MW~10.5MW不符。也有人按聚氨酯为火源点取2.5MW,
2)根据地铁设计防火设计标准:站厅、站台、人员出入口,其墙面、地面、顶棚及隔断装修材料的燃烧性能均应为A级,站台门绝缘层可为B1级。广告灯箱、导向标志、座椅、电话亭、售检票亭等固定设施的燃烧性能均不应小于B1级,垃圾箱应为A级,室内装修材料不得采用石棉制品、玻璃纤维和塑料类制品。
3)本站不设商铺(或者商铺设置独立防火单元和防烟分区且设置位置不影响人员疏散),火源主要为行李火灾为主。
根据上述3点综合考虑取公共区火灾热释放速率为1.5MW,火灾增长系数按烟规表4.6.10的中速火取值0.011kW/s2。
(2)站台公共区火灾烟气填满储烟仓时间
以杭州地铁5号线某标准地下车站为例计算
站台层净高4.55m
设置全封闭站台门
岛式站台
站台宽12.1m
站台公共区面积1112m2
最小清晰高度为2.055m
楼梯口四周挡烟垂壁下沿高度2.5m
根据火灾热释放速率公式
Q=a*t2
t=(Q/a)1/2
热释放速率(kW);
t-火灾增长时间(s);
火灾增长系数(kW/s2)
求解结果:t=360s时火灾热释放速率Q=1.425MW;t=369s时火灾热释放速率Q=1.5MW;
由此可见,在火灾发生的6min内尚未形成稳态火源,在369s时形成稳态火源。
稳态火源烟气填充时间
t=exp[(1.11-Z/H)](美国NFPA92B[6]稳定火源充填方程式)
H-天花板高度,m;
t-时间,s;
A-大型空间的截面积,m2
Z-火源上方开始生成烟气层的高度,m,取值2.5m。
求解结果:t=18s
非稳态火源烟气填充时间
t=0.937tgH3/5(A/H2)3/5(Z/H)-0.69(美国NFPA92B非稳定火源充填方程式)
tg-成长时间,火灾从稳定燃烧开始倒热释放速率达到1055kW时所需的时间,s。
求解结果t=72s
由计算结果可知,在稳态火源时,火灾发生后烟气下降至2.5m高度需要382s;在非稳态火源时,火灾发生后烟气下降至2.5m高度所需要432s;
由此可知在最不利状况下,火灾发生后6min内排烟系统未启动,烟气层高度仍然满足疏散安全要求。
3 站台公共区火灾储烟仓填满时烟气层温度瞬时温度值
仍以杭州地铁5号线某标准地下车站为例计算
ΔT=KQc/MρCρ (1)
T=T0+ΔT (2)
Z1=0.166 (3)
Mρ=0.032Z (4)
Mρ=0.071 +0.0018Qc (5)
式中:
ΔT-烟层平均温度与环境温度的差(K);
Cρ-空气的定压比热,一般取Cρ=1.01[kJ/(kg*K)];
烟气中对流放热量因子。当采用机械排烟时,取K=1.0;当采用自然排烟时;取K=0.5。
T-烟层的平均绝对温度(K)。
Mρ-烟羽流质量流量(kg/s)
燃料面到烟层底部的高度(m)(取值应大于或等于最小清晰高度与燃料面之差);
Z1-火焰极限高度(m)
求解结果:烟气下降至2.5m时,烟层的平均绝对温度T=393.16,相对温度为120.01℃,小于180℃,由此可知在最不利状况下,火灾发生后6min内排烟系统未启动,疏散路径区域1.5m高度以上烟气层温度依然满足疏散安全要求。
4 排烟量计算
(1)参考日本国土交通省铁道局主编《地铁防火规范详解》[7]中疏散安全评估方法,站台层采用烟浓度指标进行评估,站厅层则采用烟扩散容积指标进行评估;
但烟浓度评估规定“如果站台层没有商铺,则疏散时间t=0,烟浓度Cs=0”,本站未设置商铺,笔者暂且假设本站站台层设置商铺,根据该规范计算排烟量。
C=2.1t(m3/min*m);0≤t≤10min
Q=C*60/Cs
出烟速度,m3/min*m;
Cs-烟浓度,取Cs=0.1(1/m)
Q-排烟量,m3/h
计算结果:Q=12600m3/h
由于本站站台未设置商铺,故计算排烟量必定小于12600m3/h。
另外,根据该规范要求火点区容积大于1114m3时,最小排烟量应满足,每小时不小于5次通风次数。按此计算站台最小排烟量Q=25298m3/h
(2)根据烟规烟羽流公式计算排烟量
V=MρT/ρ0T0
计算结果V=26232m3/h
(3)根据面积指标法计算
计算结果V=66720m3/h
(4)根据楼扶梯口1.5m/s风速计算
楼扶梯开口总面积45m2
计算结果V=243000m3/h
4 结论和建议
(1)计算结果表明在人员疏散至站厅的时间内,站台公共区储烟仓有足够的容量容纳烟气,避免烟气从楼梯或扶梯口窜至站厅。烟气温度亦在安全范围内。
(2)比较排烟量计算结果,很显然,根据面积指标法计算的排烟量已经足够满足排烟需求。
(3)站厅到站台的楼梯或扶梯口处具有不下于1.5m/s的向下气流的要求远远超出实际排烟量需求,增加了建设投资,建议取消该规定或者允许采用空气幕等方式替代。
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参考文献:
[1] 中华人民 国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质 量监督检验检疫总局•地铁设计规范:GB 50157 -2013 [ S].北京 :中国建筑工业出版社,2014
[2] 中华人民 国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局•地铁设计防火标准:GB 51298 -2018[S].北京:中国计划出版社,2018
[3]北京市规划委员会,北京市质量技术监督局•吸气式感烟火灾探测报警系统设计施工及验收规范: DB11/1026-2013
[4] 广东省建设厅•吸气式感烟火灾探测报警系统设计施工及验收规范:DBJ 15-48-2005
[5] 国家安全生产监督管理总局•城市轨道交通试运营前安全评价规范AQ8007—2013
[6]. 美国烟气控制系统技术委员会•NFPA92B-2000
[7] 日本国土交通省铁道局•《地铁防火规范详解》2005