地铁屏蔽门顶箱百叶风阀模式的研究分析

摘　要：地铁屏蔽门顶箱设置百叶风阀，在通风季，通过活塞效应，引入室外低温空气为地铁公共区通风，可大大降低空调设备运行能耗。本文通过火灾动力学模拟软件FDS，对典型车站站台火灾时开启一侧屏蔽门顶箱上的百叶来代替该侧屏蔽门时，站点内烟气温度、有毒气体浓度、可见度、速度场等特征参数分布情况进行模拟分析，从而得出该模式的可行性。

关键词：地铁；节能；屏蔽门顶箱百叶；站台火灾；FDS模拟
随着我国经济社会的发展，对节能减排的要求越来越高，采用传统屏蔽门系统的地铁，其通风季的通风能耗约占全年运行能耗的40%。《地铁设计规范》第12.1.5条规定，地铁通风与空调系统宜优先采用通风方式(含活塞通风)。因此，在通风季较长，且地层土壤温度较低的地区，有条件也有必要研究屏蔽门系统下，在通风季利用活塞风为公共区通风的方案。
　　地铁屏蔽门顶箱设置百叶风阀是指在屏蔽门顶箱以上，装修天花以下的空间内设置百叶，并设置电动风阀。在空调季，风阀关闭，在通风季电动风阀打开，利用活塞风为公共区通风；站台火灾时百叶电动风阀打开，利用隧道风机协助排烟。示意图如下图：
　　
　　图1-1 屏蔽门顶箱上开百叶示意图
　　屏蔽门顶箱设置百叶风阀与传统的屏蔽门系统对比，具有以下几个优势：
　　(1)屏蔽门顶箱百叶在通风季可充分利用室外自然冷源和列车的活塞通风效应，在保证公共区环境舒适度的前提下，可降低车站轨排风机和车站大系统的在通风季节的运行能耗。
　　(2)在火灾工况下，屏蔽门顶箱百叶系统无需开启屏蔽门，提高了事故工况下人员逃生的安全性，避免了二次伤害。
　　在通风季，对典型车站屏蔽门顶箱设置百叶和风阀，开启百叶后，车站公共区室内温度、换气次数满足设计标准的要求的情况下，该系统方案成立的前提条件是利用活塞风为公共区通风时，站台内的气流组织满足设计标准的要求，火灾工况下，满足站台排烟的要求。本文将重点研究，火灾时，开启站台火灾一侧的屏蔽门顶箱上的百叶来代替该侧屏蔽门，站点内烟气温度、有毒气体浓度、可见度、速度场等特征参数的分布情况，进而分析该模式在地铁车站火灾事故时的安全、有效的气流组织形式、排烟送风模式，阻止烟气向站台公共区或通过楼梯和自动扶梯向站厅层蔓延，阻止烟气进入疏散楼梯，减少重大人员伤亡事故的可能性。模拟计算采用大涡场模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator 火灾动力学模拟)进行数值模拟。
一、计算模拟的空间及排烟系统构建
　　车站站台宽度按10m，长度120m，高度为4.8m；站台与站厅之间通过两组扶梯和一组楼梯连接，其开口连通部位的净空尺寸为(长×宽)3000×3000、2500×2000mm；屏蔽门高度为3m，玻璃部分为2.1m，总长度为130m，在屏蔽门顶箱以上，装修天花以下的空间设置300mm高的百叶，总长度为130m；隧道截面尺寸为(宽×高)4000×5000、轨顶排风口、站台下排风口的布置在列车正常停车范围内，排风口布置长度约与列车长度相同；车站站台排烟风量总计约为25 m3/s，排烟风口利用平时的回风口；车站两端设有隧道通风系统，一端配置一台，每台风机风量为60 m3/s。车站轨排通风系统配有2台风机，每台风量为40 m3/s，排风和排烟合用，轨顶与轨底按照6：4分配风量。
　　二、算例及计算参数设置
　　(1)稳定火源功率：2.5MW；
　　(2)屏蔽门百叶：打开站台一侧屏蔽门百叶；
　　(2)排烟系统：开启站台排烟，排烟量25m3/s；同时开启隧道内的区间隧道风机和轨排风机，由于屏蔽门顶箱百叶开启，对站台排烟起辅助作用。
　　(3)模拟时间：按照《地铁设计规范》第19.1.19条：出口楼梯和疏散通道的宽度，应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台。因此地铁车站的疏散能力设计为可用安全疏散时间ASET至少满足6min的设计，模拟时间取500s；
　　(4)主要输出参数：站台内烟气蔓延过程、温度、可见度、速度分布。
三、模型设置

　　图1-2  站台总俯视图图                        图1-3  隧道内视图
四、模拟计算结果
　　1.500s时站台截面温度场和速度场分布

　　图1-4  500s                            图1-5  500s
　　2. 站台烟气蔓延过程

　　图1-6  100s                            图1-7  500s
　　3.站台2m高处6分钟烟气特征分布情况

　　图1-8 6分钟时2m高处温度分布            图1-9 6分钟2m高处可见度分布
　　4.站台火灾过程讨论
　　(1) 从站台竖直剖面处的温度及烟气蔓延分布情况可以得出：0～500s时，站台与站厅层远离火源处的扶梯开口处仍然保持环境温度，且无烟气蔓延。
　　(2) 从站台竖直剖面处的速度场分布可以得出：由于站台排烟和打开车站隧道风机通过屏蔽门顶箱上方的百叶排烟的抽吸，站台区域将形成负压区域，站台的两个扶梯开口处将形成向下的空气流，三个扶梯开口处的都有较大的流速，满足流速均大于规范要求的1.5m/s的值。
　　(3) 模拟说明，启动站台火灾排烟模式，使得疏散楼梯间保持相对正压性和无烟气进入。
　　(4)火灾工程学方法认为，实际的烟气层高度大于烟气安全高度时，则是安全的，根据经验值取烟气安全高度为2m。从2m高处的温度和可见度的变化分析，对于2.5MW的站台火灾，6分钟时，除靠近火源区域外其它安全高度处的烟气温度不超过30℃；三个扶梯开口处的可见度均大于8m，虽然靠近火源侧的两个扶梯温度较高被烟气笼罩，但可见度较好，仍可用于人员向上层逃生。
　　通过上述模拟分析，为节省通风季的运行能耗，屏蔽门顶箱上设置可电动开启的百叶，从站台火灾时的排烟模式上是可行的，在实际设计应用中，还需注意以下几个问题：
　　(1)对于屏蔽门设备方面，虽然不用新增设备，但顶箱百叶系统需在固定门上部设置相应的孔洞，并与百叶及电动风阀有相应的接口设计，属于非标产品，屏蔽门的造价会相应提高。
　　(2)落实百叶及电动风阀与屏蔽门的接口要求，并与屏蔽门厂家协调，做好设计方案；落实电动风阀的接地及控制接口要求，因每个风阀需要配电及控制，需落实与低压配电及BAS的接口要求。
　　(3)采取措施提高电动风阀的气密性，减少空调季冷风泄漏，避免列车进出站时产生啸叫声。
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