浅埋地下车站自然通风与排烟模拟研究
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摘 要：通过对浅埋地下车站公共区自然通风的计算流体力学（CFD）模拟得出，在过渡季节利用热压进行自然通风以排除室内余热的方案可行，并分析给出室内温度、通风换气量与室外温度、室内余热量之间的相关规律。通过对站台层公共区自然排烟的 CFD 模拟计算，并与机械排烟进行对比，分析得出，对于此类车站站台层公共区采用自然排烟方案可行，且效果优于机械排烟。
关键词：地铁;浅埋地下车站;自然通风;排烟;CFD;模拟
中图分类号：TU921
0 引言
某境外工程项目所在地夏季炎热干旱，最热月平均温度为39.3 ℃;冬季温度较适宜，最冷月平均温度13.3 ℃，据统计历史最低平均气温为7.4 ℃。本项目为浅埋地下车站，站厅设置于车站两端地面，为侧式站台且上方覆土较浅。经方案比选，夏季炎热时期，公共区通风选用新风多联机空调系统。当室外温度较低时，开启设置在站台上部的通风窗，采用自然通风的方式排除室内余热，并在站台层发生火灾时，利用通风窗进行自然排烟。下文就车站公共区采用自然通风及排烟方案的可行性进行研究。
1 车站自然通风
1.1 站内环境与影响因素分析
1.1.1 站内环境目标
由于本工程为境外项目，当地设计标准与国内《地铁设计规范》（GB 50157-2013）中的规定有所不同，本工程设计标准由当地与国内标准逐条对比后，按要求较高一方执行。根据该项目设计文件，较国内标准更严格的有：车站公共区温度应≤26 ℃，车站公共区平均风速≤3 m/s。
1.1.2 自然通风影响因素
自然通风是利用空气在不同温度下因密度不同而产生的热浮力效应排除室内余热。对于理想气体，在固定压力下，气体密度与温度呈反比。通过计算可得出，在一定范围内密度与温度大致呈线性函数关系。将不同温度与其对应的密度绘制成折线图，并做线性回归分析，结果如图1所示。
对于既有建筑，各通风窗的位置、高度、面积等参数均为已知量，结合自然通风、管路流动等相关公式，可推导出如下关系：
（1）
G3 = K2 Q （2）
式（1）～式（2）中，Δt为室内、外温差，℃;G为质量流量，kg/s;Q为余热量，kW;Cp为定压比热容，kJ/kg · K;tpj为排风温度，℃;tw为室外温度，℃;ρpj为车间平均温度密度，kg/m3;h为车站进、排风窗孔高差，m;Sp为阻抗，kg/m7;a、K1、K2为定义系数。
由式（1）可知，在温度变化范围不大的情况下，室内外温差可近似为室内余热量的单值函数：Δt = f（Q），即室内余热量固定不变时，室内、外温差不变，室内平均温度与室外温度呈线性关系。由式（2）可认为，在室内余热量固定不变时，通风换气量不变。
1.2 研究方法
利用Fluent软件，对车站公共区进行三维流场模拟，研究过渡季节采用自然通风可否使室内温度、风速、通风换气量等参数满足设计要求。
该项目站厅位于地面，地下一层中部为站台，每侧站台正上方有8个直通地面的通风排烟窗，站台设置全封闭式站台门。车站总长186 m，其中左、右站厅长度均为55 m，有效站台长98 m。车站站厅层宽48 m，站台层宽15 m，左、右线侧式站台有效站台宽4 m。车站高24.5 m，其中站厅层高12 m，站台层高5.5 m，其余部分为电缆夹层。根据该站建筑施工图进行车站模型搭建。车站沿线路方向呈轴对称形式，因此仅搭建右线一侧模型，对称面按镜面处理。模型如图2所示。
车站公共区有站厅外门、站厅外窗、站台通风窗等与外界相通的流动通道，设置为inlet/outlet-vent边界，开口处压力为0，车站内壁设置为wall边界。对室内发热量采用给定壁面热流量的方式赋值于壁面，其中自动售检票（AFC）设备、安检仪、电扶梯、人员发热量赋值于地面，照明发热量赋值于吊顶，广告灯箱发热量赋值于墙壁。公共区总计算余热量为287 kW，采用穩态模拟计算。
1.3 模拟结果分析
1.3.1 室内平均温度与通风换气量
在设计余热量条件下，8～23 ℃范围内不同室外温度对应的室内外温差、室内平均温度与通风换气量的计算结果如图3所示。
由图3可知，随着室外温度升高，室内外温差略微上升，上升幅度为0.23 ℃，为该范围内平均室内外温差的6.5%。通风换气量略微下降，下降幅度为1.15 kg/s，为该范围内平均通风换气量的4.7%。即在计算余热条件下，车站采用自然通风模式可将室内、外温差维持在3.5 ℃ 左右，室内平均温度与室外温度大致呈线性关系;室外温度低于22 ℃时，可满足室内平均温度不大于26 ℃的设计要求;室外温度高于8 ℃时，可满足冬季室内平均温度不低于12℃的规范要求。车站平均通风换气量24.5 kg/s，约108 000 m3 /h，可满足3 600人的新风要求，远大于该站设计内高峰时段客流人数。综上，22 ℃可定义为该车站的临界温度。
1.3.2 站内风速
在室内设计余热量条件下，以室外温度为20℃时的模拟结果为例，计算可得车站公共区平均风速为0.46 m/s，最大风速1.59 m/s，均满足站内环境要求。根据模拟结果，绘制左端右线楼扶梯处纵剖面速度矢量图（图4）及站厅层、站台层人员高度处速度云图（图5）。
由图4可知，室外空气经站台通风窗流入车站，沿楼扶梯向上流入站厅，而后由站厅出入口、站厅通风窗流出车站。根据模拟结果，站台通风窗流量为+24.12 kg/s（流入），出入口与站厅通风窗流量分别为-1.62 kg/s、-22.50 kg/s（流出）。出入口高度接近车站内热压中和面，因而流量较低。结合图5可知，车站内风速最大处为站内楼扶梯附近。上升气流沿站厅顶板扩散至四周侧墙时会产生回流，因此人员高度处侧墙附近风速高于站厅中部。室外空气经站台通风窗进入车站后以车站中心里程处为界，沿线路方向向站台两侧流动。
1.3.3 不同室内余热量对通风量的影响
以室外温度20℃为例，根据模拟结果，计算得出不同室内发热量指标条件下的室内外温差与通风换气量（其中250 W/m2为设计余热量下的折算值）（表1）。
计算不同室内发热量指标a对应的Δt 3、a2与G 3，并依照式（1）、式（2）所示函数关系，绘制成折线图，见图6。
由图6可知，室内外温差与通风换气量均随室内余热量增大而增大，并且可认为Δt 3 = K1 Q2与G3 = K2 Q的近似关系在本工程的温度范围内是成立的。
2 车站自然排烟研究
2.1 研究内容
车站站台层上方已设置通风窗，采用自然排烟可靠性高，应为优先选择。同时，车站两端各设置2台风量为20 m3/s的排热风机。经核算，排热风机能力满足站台排烟量，当站台发生火灾时，亦可利用排热风机进行机械排烟（通过轨顶风道或设置站台排烟风管）。因此，不同排烟方式下的排烟效果是本节重点研究的内容。地面站厅采用自然排烟已有较多工程案例，故本文不再研究。
2.2 研究方法
大量火灾模拟-试验研究表明，采用火灾模拟软件（Fire Dynamics Simulator，FDS）进行数值模拟计算，可准确预测火灾场景。
2.2.1 模拟工况
根据不同火灾场景及可选择的排烟方案，制定如下模拟工况进行对比研究，见表2。
2.2.2 车站模型
首先根据该站建筑施工图进行车站模型搭建，再根据拟研究的工况，设置可开启的通风窗、站台门，并设置轨顶风口及站台排烟口，站台层楼扶梯四周设置挡烟垂壁。根据线路资料，车站左右两端设置实际长度的区间隧道（图7）。
2.2.3 火源设置
火灾的热释放率是决定火灾发展情況及危害程度大小的重要参数，也是设计人员设计通风排烟系统的主要依据。英国研究所（FRS）根据实验得出一般行李火灾规模取1.8 MW较为恰当;美国标准技术研究所（NIST）对液体燃料泼洒到地面的纵火情况进行了一系列研究，得到纵火火灾规模取1.74 MW较为恰当。出于保守研究，本文火灾规模取2.5 MW，燃烧物为1.0 m×0.5 m×0.5 m的行李。消防安全工程中一般采用t2特征火灾来描述非稳态火灾热释放速率随时间的变化，该模型假定火灾热释放速率与时间的平方成正比，其公式如下。
Q" = a t2 （3）
式 （3）中，Q"为火灾热释放速率，kW;a为火灾增长系数，kW/s2;t为火灾发展时间，s。
国际标准ISO/TS 16733 ： 2006依据热释放速率达到1 MW的时间，定义了4种t 2特征火灾，其火灾增长系数参考值见表3。
本文模拟对易燃行李物的人为纵火火灾，属于超快速火。
2.2.4 边界条件
两端站厅层各有一个出入口，设置为自由边界。区间隧道端头、车站通风窗均设置为自由边界。初始温度取工程所在地夏季室外通风计算温度39.3 ℃。轨顶风道风口与站台层排烟风口设置为流量出口，各风口风量按U/O风机风量计算确定。燃烧产物生成量参考相关文献进行设置。
2.2.5 控制逻辑及模拟时间
通风窗、站台门轨顶风口、站台层排烟风口均设置对应控制逻辑，满足不同工况下的启闭要求（表4）。
通风窗、站台门的开启瞬间完成，排烟风口从开启至达到稳定用时30 s。
根据《地铁设计规范》（GB 50157-2013）28.2.11的规定，可认为6 min时全部乘客已疏散完毕，由此确定每个工况模拟时间取360 s即可。
2.3 生命安全标准
根据已有研究成果，确定生命安全标准见表5。
2.4 模拟结果分析
火灾场景内温度随火灾发展呈不断上升趋势，并在燃烧稳定后达到稳定状态。故取360 s时模拟结果进行分析对比。
2.4.1 人员疏散高度温度对比
各工况人员疏散高度温度如图8、图9所示。由图8可知，站台层火灾3种不同的排烟方式下，站台层人员疏散高度处温度均未超过60 ℃，满足人员疏散高度温度的要求。其中工况1站台层温度最低，工况3其次，工况2最高。结合图9中银色等值面可知，工况1中高温气体经由火源上方的排烟窗直接排至室外，站台层60 ℃以上高温气体范围仅存在于火源周围至上方2个排烟窗附近;工况2中高温气体经由站台门至轨行区后，由轨顶风道排除，但每个排烟通道（站台门门洞）处风速较低，抽吸能力较弱，高温气体沿站台横向蔓延情况较明显，整个站台层2.5 m以上空间均处于60 ℃以上;工况3对于高温气体范围的控制能力介于工况1与工况2之间。
2.4.2 烟气层平均温度对比
各工况烟气层平均温度对比如图10所示。工况1烟气范围为火源上方2座排烟窗之间，工况2烟气范围为整个站台层，工况3烟气范围为站台层左右楼扶梯之间。由图10可知，烟气层平均温度随火灾功率的上升而上升，工况1烟气直接由上方排烟窗排至室外，因而数值在燃烧达到稳定后即稳定，其余各工况由于均存在烟气水平方向扩散后再排除的过程，因而数值达到稳定的时间均有所延迟。各火灾工况下烟气层温度均未超过200 ℃，数值上保有较大安全空间。结合图9可知，工况3烟气层温度低于工况1，但由于工况1烟气层范围仅有工况3的1/5，工况1中的疏散环境更有利。
2.4.3 烟气毒害性对比
沿站台方向每隔5 m设置1个CO浓度测点，共21个测点，站台层火灾火源位于测点10和11之间。将火灾稳定后各测点监测结果取平均值，绘制成折线图，如图11所示。
由圖11可知，站台层火灾3种不同的排烟方式下，人员疏散高度CO浓度均未超过450 ppm，满足疏散时人体的耐受要求。工况1除火源附近的10、11测点外，几乎未监测到环境中有CO;工况2由于烟气蔓延至全部站台，各测点均检测到CO，且站台两侧楼扶梯之外的区域由于空气流速较低，CO堆积较两侧楼扶梯之间区域高;工况3烟气被控制在站台层中部，两端未监测到CO，而中部CO浓度较高。
2.4.4 能见度对比
各工况能见度模拟效果如图12所示。站台层火灾3种不同的排烟方式下，工况1和工况3可满足人员疏散处环境能见度大于10 m的要求，而工况2全部站台范围内能见度均小于10 m。
3 结论
通过对浅埋地下车站自然通风与排烟的模拟研究，得出如下结论。
（1）该类型车站公共区过渡季采用自然通风方案合理可行，且存在临界温度可作为模式转换的参考温度。车站在设计余热量条件下，当室外温度低于临界温度时，公共区采用自然通风可满足室内设计温度、新风量等要求;当室外温度高于临界温度时，需采用夏季空调模式。
（2）车站室内余热量一定时，室内、外温差和通风换气量基本不随室外温度变化而变化，可认为室内平均温度与室外温度呈线性关系。室外温度一定时，车站室内、外平均温差和通风换气量随室内余热量增大而增大。因此，线路运营后的初、近期，由于站内余热量较小，可能会导致自然通风情况不理想。
（3）站台层公共区采用自然排烟方案合理可行。自然排烟可以满足火灾工况下对人员疏散环境的各项要求，且站台排烟效果优于采用设置排烟风管的机械排烟方案。采用开启站台门并利用轨顶风道排烟的机械排烟方案，无法满足人员疏散环境中的能见度要求。
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收稿日期 2019-01-05
责任编辑 孙锐娇
Simulating study on natural ventilation and forced ventilation of shallow underground station
Jia Meng
Abstract： Through the computational fluid dynamics （CFD） simulation of natural ventilation in public area of shallow underground station， this paper concludes that it is feasible to use thermal pressure and natural ventilation in transitional season to eliminate indoor residual heat. It analyzes and gives the common patterns between indoor temperatures， ventilation exchange rate， outdoor temperature and indoor residual heat. Through CFD simulation calculation of natural and forced ventilation in platform level of the public area and comparison with mechanical forced ventilation， it concludes that natural ventilation scheme is feasible for such station platform level of the public area， and the effect is better than mechanical forced ventilation.
Keywords： metro， shallow underground station， natural ventilation， forced ventilation， CFD， simulation
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