北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院      董啟偉   李炎鋒   李俊梅   李嘉欣   李云飛   徐晨亮

摘   要：與單點進出型地下道路相比，由于存在多個分流和合流匝道，多點進出型的復(fù)雜地下道路在隧道內(nèi)的空氣流速、煙氣擴散等方面會呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。本文借助通風(fēng)模擬軟件IDA RTV對某多點進出城市地下道路原有的通風(fēng)排煙策略進行模擬評估，并對通風(fēng)效果不好的方案進行優(yōu)化分析，減少風(fēng)機開啟臺數(shù)，確定了隧道三種工況下的風(fēng)機開啟策略，并對匝道風(fēng)機開啟對于主路風(fēng)速的影響進行研究。研究表明，分區(qū)段排煙時，區(qū)段內(nèi)的射流風(fēng)機全部開啟，這種運行模式不合理，導(dǎo)致豎井下游風(fēng)速過大，匝道風(fēng)機的開啟對于主路風(fēng)速具有一定的影響，在進行通風(fēng)防排煙設(shè)計時應(yīng)充分考慮匝道位置及匝道風(fēng)機的開啟方式，分區(qū)段排煙時，可采用逆向開啟豎井下游風(fēng)機的方式將煙氣更有效的通過豎井排出。該結(jié)果為其他復(fù)雜地下道路的通風(fēng)排煙設(shè)計提供理論與依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分流和合流匝道；多點進出城市地下道路；通風(fēng)排煙策略

       0   引言

       作為隧道的一種，城市地下道路有一般隧道的特性，但也有其特殊的方面。例如交通量大，縱坡多、坡度大，岔路、彎道等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的路段多，使得隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙氣流組織相對困難，通風(fēng)及排煙效果難以控制。并且與長大隧道和水底隧道的火災(zāi)研究相比，城市地下道路出現(xiàn)的時間較晚，且出現(xiàn)的規(guī)模和影響層次遠不及前者，因此，對其火災(zāi)安全研究投入不足，對其內(nèi)部火災(zāi)及煙氣蔓延的特殊性缺乏認(rèn)識。發(fā)達國家在城市地下道路火災(zāi)研究方面較早，英國的Carvel^[1-3]、日本的Kurioka等^[4]對縱向風(fēng)速及隧道結(jié)構(gòu)對車輛熱釋放率和火災(zāi)特性的影響進行了研究。Vauquelin等人則對對半橫向排煙的排煙特性及影響因素進行了小尺寸的實驗研究^[5-6]。

       和國外相比，我國對于城市地下道路的研究開展的較少。姜學(xué)鵬，劉琪[7]等人利用FDS5.0模擬軟件，在 《隧道集中排煙口間距的多目標(biāo)決策分析》一文中研究了集中排煙量、機械補風(fēng)風(fēng)速、等因素對集中排煙效果的影響。袁建平[8] 在《城市隧道火災(zāi)組合式排煙特性研究》利用1/20小尺寸模型實驗對城市隧道火災(zāi)組合通風(fēng)排煙方式下的排煙特性進行了研究，對不同縱向風(fēng)速和不同排煙量下溫度和煙氣實驗結(jié)果進行了分析。現(xiàn)階段，由于對城市地下道路內(nèi)部火災(zāi)及煙氣蔓延的特殊性缺乏認(rèn)識，主要通過性能化方法來解決其防火設(shè)計問題^[9-13]。但性能化設(shè)計中以火災(zāi)點下游車輛能以大于臨界風(fēng)速的速度不斷遠離火源和煙氣的假設(shè)設(shè)計的縱向煙氣控制系統(tǒng)能否適應(yīng)擁堵的城市地下道路還是個疑問，性能化設(shè)計盡管可以針對具體工程提出經(jīng)濟合理的防火設(shè)計方案，但并不能從根本上解決城市地下道路的火災(zāi)安全問題。本文借助通風(fēng)模擬軟件IDA RTV對某多點進出城市地下道路原有的通風(fēng)排煙策略進行模擬評估，并對通風(fēng)效果不好的方案進行優(yōu)化分析，確定風(fēng)機開啟策略，并對匝道風(fēng)機開啟對于主路風(fēng)速的影響進行研究。

       1   工程概況

       某城市地下道路通風(fēng)設(shè)計段全4685m，分兩期建設(shè)，一期通風(fēng)設(shè)計段長2660m，二期通風(fēng)設(shè)計時段長2025m，隧道性質(zhì)為城市主干道。該地下道路主線隧道設(shè)置2座火災(zāi)排煙專用豎井，將全線4685m隧道劃分為3個排煙區(qū)段，以減少排煙距離，有助于人員疏散及火災(zāi)救援。火災(zāi)工況時，開啟豎井內(nèi)軸流風(fēng)機排煙，分區(qū)段射流風(fēng)機進行輔助排煙。

       2   IDA RTV軟件介紹

       IDA Road Tunnel Ventilation (RTV)是瑞典EQUA Simulation AB使用Modelica語言開發(fā)的模塊化隧道通風(fēng)模擬軟件，核心求解器IDA Solver能求解模塊化的微分代數(shù)方程組。程序使用集總參數(shù)模型，在每段隧道模塊內(nèi)參數(shù)以平均量表達。利用整個隧道的空氣質(zhì)量流和全壓的平衡關(guān)系，以及穩(wěn)態(tài)流動能量方程，求解每段隧道的風(fēng)流參數(shù)。主要方程包括每段隧道的全壓差平衡方程、通風(fēng)豎井的壓力損失（或升壓）方程、隧道分流與合流的局部阻力損失方程、隧道出入口的風(fēng)壓差方程、每段隧道的熱平衡方程、壁面導(dǎo)熱方程和火源模型等。

       3   工況設(shè)計

       模擬工況1：沿行車方向第二座豎井下游（區(qū)段1）發(fā)生火災(zāi)時（如圖1），區(qū)段1內(nèi)射流風(fēng)機正向運轉(zhuǎn)以滿足排煙臨界風(fēng)速，第2座豎井送風(fēng)，煙氣由出洞口排出。

圖1   區(qū)段1排煙示意圖 

       模擬工況2： 沿行車方向區(qū)段2，即兩座豎井之間發(fā)生火災(zāi)時（如圖2），區(qū)段2內(nèi)射流風(fēng)機正向運轉(zhuǎn)以滿足排煙臨界風(fēng)速，第1座豎井送風(fēng)，第2豎井就近將煙氣排出。

圖2   區(qū)段2排煙示意圖 

       模擬工況3：沿行車方向第一座豎井上游（設(shè)為區(qū)段3）發(fā)生火災(zāi)時（如圖3），區(qū)段3內(nèi)射流風(fēng)機正向運轉(zhuǎn)以滿足排煙臨界風(fēng)速，第1座豎井內(nèi)排煙風(fēng)機開啟就近將煙氣排出。

圖3   區(qū)段3排煙示意圖

       4   模擬結(jié)果分析

圖4   射流風(fēng)機布置示意圖

       模擬工況1：區(qū)段1內(nèi)發(fā)生火災(zāi) 

     （1）運行工況1.1：設(shè)計運行模式，豎井2送風(fēng)，區(qū)段1內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機進送出排。

     （2）運行工況1.2：設(shè)計運行模式，豎井2送風(fēng)，區(qū)段1內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機停止運行。

       各工況下火源附近的風(fēng)速、豎井處向下游的風(fēng)速見表1。

表1   模擬工況1各運行工況火源附近的風(fēng)速

       由上表可以看出，與模式1.1相比，匝道風(fēng)機停止運行時，火源附近的風(fēng)速變化不大，風(fēng)速大于臨界風(fēng)速（臨界風(fēng)速取3.3m/s,以下均相同），說明煙氣逆流得到了控制，火源下游風(fēng)速較工況1.1有所增加，煙氣的排出效率有所提高，此工況下的煙氣控制效果優(yōu)于模式1.1。此模式應(yīng)為火災(zāi)發(fā)生在區(qū)段1的風(fēng)機最佳運行模式。

       模擬工況2：區(qū)段2內(nèi)發(fā)生火災(zāi)

     （1）運行工況2.1：設(shè)計運行模式，豎井2送風(fēng)，豎井1排煙，區(qū)段2內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機進送出排。

     （2）運行工況2.2：豎井2送風(fēng)，豎井1排煙，區(qū)段2內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機停止運行。

     （3）運行工況2.3：豎井2送風(fēng)，豎井1排煙，區(qū)段2內(nèi)射流風(fēng)機運行的數(shù)目減少一半，F(xiàn)10、F12、F16、F18、F20、F22開啟，區(qū)段1內(nèi)射流風(fēng)機機組F7逆向開啟，匝道風(fēng)機進送出排。

     （4）運行工況2.4：豎井2送風(fēng)，豎井1排煙，區(qū)段2內(nèi)射流風(fēng)機運行的數(shù)目減少一半，F(xiàn)10、F12、F16、F18、F20、F22開啟，區(qū)段1內(nèi)射流風(fēng)機機組F7逆向開啟，匝道風(fēng)機停止運行。

       各工況下火源附近的風(fēng)速、豎井處向下游的風(fēng)速見表2。

表2   模擬工況2各運行工況火源附近的風(fēng)速、豎井處向下游的風(fēng)速

       比較以上4種運行工況可以發(fā)現(xiàn)，前兩種工況隧道內(nèi)風(fēng)速過大，且排煙豎井排煙效率低。當(dāng)減少風(fēng)機運行數(shù)目，并逆轉(zhuǎn)排煙風(fēng)機下游風(fēng)機后，隧道內(nèi)的風(fēng)速降低，由于模式2.4排煙效率高，火源附近風(fēng)速較接近設(shè)計臨界風(fēng)速，因此，區(qū)段2發(fā)生火災(zāi)時，運行2.4模式，煙氣控制效果好。

       模擬工況3：區(qū)段3內(nèi)發(fā)生火災(zāi)

     （1）運行工況3.1：設(shè)計運行模式，區(qū)段3內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機進送出排。

     （2）運行工況3.2：區(qū)段3內(nèi)射流風(fēng)機全開，匝道風(fēng)機關(guān)閉。

     （3）運行工況3.3：區(qū)段3內(nèi)除射流風(fēng)機機組火源附近F28外全部開啟，區(qū)段2射流風(fēng)機機組F21、F23逆向開啟，匝道風(fēng)機進送出排。

     （4）運行工況3.4：區(qū)段3內(nèi)除射流風(fēng)機機組火源附近F28外全部開啟，區(qū)段2射流風(fēng)機機組F21、F23逆向開啟，匝道風(fēng)機不運行。

       各工況下火源附近的風(fēng)速、豎井處向下游的風(fēng)速見表3。

表3   模擬工況3各運行工況火源附近的風(fēng)速、豎井處向下游的風(fēng)速

       比較4個風(fēng)機運行方案可以看出，工況3.4運行模式下，較接近設(shè)計工況，且排煙效率高，因此，區(qū)段3中部發(fā)生火災(zāi)時，風(fēng)機可按工況3.4模式運行，即火源附近射流風(fēng)機停止運行，豎井下游兩組風(fēng)機逆轉(zhuǎn)送風(fēng)，而匝道風(fēng)機停止運行。

       5   結(jié)論

       通過對以上通風(fēng)設(shè)計方案進行模擬評估可以發(fā)現(xiàn)：

     （1）分區(qū)段排煙時，區(qū)段內(nèi)的射流風(fēng)機全部開啟，這種運行模式不合理，導(dǎo)致豎井下游風(fēng)速過大，煙氣過度擴散，豎井排煙效率不高，嚴(yán)重影響煙氣的順利排出。

     （2）匝道風(fēng)機的開啟對于主路風(fēng)速具有一定的影響，在進行通風(fēng)防排煙設(shè)計時應(yīng)充分考慮匝道位置及匝道風(fēng)機的開啟方式。

     （3）分區(qū)段排煙時，可采用逆向開啟豎井下游風(fēng)機的方式將煙氣更有效的通過豎井排出。

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備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年5月刊總第5期。
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