北京工业大学建筑工程学院 董启伟 李炎锋 李俊梅 李嘉欣 李云飞 徐晨亮
摘 要：与单点进出型地下道路相比，由于存在多个分流和合流匝道，多点进出型的复杂地下道路在隧道内的空气流速、烟气扩散等方面会呈现复杂的形态。本文借助通风模拟软件IDA RTV对某多点进出城市地下道路原有的通风排烟策略进行模拟评估，并对通风效果不好的方案进行优化分析，减少风机开启台数，确定了隧道三种工况下的风机开启策略，并对匝道风机开启对于主路风速的影响进行研究。研究表明，分区段排烟时，区段内的射流风机全部开启，这种运行模式不合理，导致竖井下游风速过大，匝道风机的开启对于主路风速具有一定的影响，在进行通风防排烟设计时应充分考虑匝道位置及匝道风机的开启方式，分区段排烟时，可采用逆向开启竖井下游风机的方式将烟气更有效的通过竖井排出。该结果为其他复杂地下道路的通风排烟设计提供理论与依据。
关键词：分流和合流匝道；多点进出城市地下道路；通风排烟策略
0 引言
作为隧道的一种，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，纵坡多、坡度大，岔路、弯道等结构较复杂的路段多，使得隧道内的通风排烟气流组织相对困难，通风及排烟效果难以控制。并且与长大隧道和水底隧道的火灾研究相比，城市地下道路出现的时间较晚，且出现的规模和影响层次远不及前者，因此，对其火灾安全研究投入不足，对其内部火灾及烟气蔓延的特殊性缺乏认识。发达国家在城市地下道路火灾研究方面较早，英国的Carvel[1-3]、日本的Kurioka等[4]对纵向风速及隧道结构对车辆热释放率和火灾特性的影响进行了研究。Vauquelin等人则对对半横向排烟的排烟特性及影响因素进行了小尺寸的实验研究[5-6]。
和国外相比，我国对于城市地下道路的研究开展的较少。姜学鹏，刘琪[7]等人利用FDS5.0模拟软件，在 《隧道集中排烟口间距的多目标决策分析》一文中研究了集中排烟量、机械补风风速、等因素对集中排烟效果的影响。袁建平[8] 在《城市隧道火灾组合式排烟特性研究》利用1/20小尺寸模型实验对城市隧道火灾组合通风排烟方式下的排烟特性进行了研究，对不同纵向风速和不同排烟量下温度和烟气实验结果进行了分析。现阶段，由于对城市地下道路内部火灾及烟气蔓延的特殊性缺乏认识，主要通过性能化方法来解决其防火设计问题[9-13]。但性能化设计中以火灾点下游车辆能以大于临界风速的速度不断远离火源和烟气的假设设计的纵向烟气控制系统能否适应拥堵的城市地下道路还是个疑问，性能化设计尽管可以针对具体工程提出经济合理的防火设计方案，但并不能从根本上解决城市地下道路的火灾安全问题。本文借助通风模拟软件IDA RTV对某多点进出城市地下道路原有的通风排烟策略进行模拟评估，并对通风效果不好的方案进行优化分析，确定风机开启策略，并对匝道风机开启对于主路风速的影响进行研究。
1 工程概况
某城市地下道路通风设计段全4685m，分两期建设，一期通风设计段长2660m，二期通风设计时段长2025m，隧道性质为城市主干道。该地下道路主线隧道设置2座火灾排烟专用竖井，将全线4685m隧道划分为3个排烟区段，以减少排烟距离，有助于人员疏散及火灾救援。火灾工况时，开启竖井内轴流风机排烟，分区段射流风机进行辅助排烟。
2 IDA RTV软件介绍
IDA Road Tunnel Ventilation (RTV)是瑞典EQUA Simulation AB使用Modelica语言开发的模块化隧道通风模拟软件，核心求解器IDA Solver能求解模块化的微分代数方程组。程序使用集总参数模型，在每段隧道模块内参数以平均量表达。利用整个隧道的空气质量流和全压的平衡关系，以及稳态流动能量方程，求解每段隧道的风流参数。主要方程包括每段隧道的全压差平衡方程、通风竖井的压力损失（或升压）方程、隧道分流与合流的局部阻力损失方程、隧道出入口的风压差方程、每段隧道的热平衡方程、壁面导热方程和火源模型等。
3 工况设计
模拟工况1：沿行车方向第二座竖井下游（区段1）发生火灾时（如图1），区段1内射流风机正向运转以满足排烟临界风速，第2座竖井送风，烟气由出洞口排出。
图1 区段1排烟示意图
模拟工况2： 沿行车方向区段2，即两座竖井之间发生火灾时（如图2），区段2内射流风机正向运转以满足排烟临界风速，第1座竖井送风，第2竖井就近将烟气排出。
图2 区段2排烟示意图
模拟工况3：沿行车方向第一座竖井上游（设为区段3）发生火灾时（如图3），区段3内射流风机正向运转以满足排烟临界风速，第1座竖井内排烟风机开启就近将烟气排出。
图3 区段3排烟示意图
4 模拟结果分析
图4 射流风机布置示意图
模拟工况1：区段1内发生火灾
（1）运行工况1.1：设计运行模式，竖井2送风，区段1内射流风机全开，匝道风机进送出排。
（2）运行工况1.2：设计运行模式，竖井2送风，区段1内射流风机全开，匝道风机停止运行。
各工况下火源附近的风速、竖井处向下游的风速见表1。
表1 模拟工况1各运行工况火源附近的风速
由上表可以看出，与模式1.1相比，匝道风机停止运行时，火源附近的风速变化不大，风速大于临界风速（临界风速取3.3m/s,以下均相同），说明烟气逆流得到了控制，火源下游风速较工况1.1有所增加，烟气的排出效率有所提高，此工况下的烟气控制效果优于模式1.1。此模式应为火灾发生在区段1的风机最佳运行模式。
模拟工况2：区段2内发生火灾
（1）运行工况2.1：设计运行模式，竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机全开，匝道风机进送出排。
（2）运行工况2.2：竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机全开，匝道风机停止运行。
（3）运行工况2.3：竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机运行的数目减少一半，F10、F12、F16、F18、F20、F22开启，区段1内射流风机机组F7逆向开启，匝道风机进送出排。
（4）运行工况2.4：竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机运行的数目减少一半，F10、F12、F16、F18、F20、F22开启，区段1内射流风机机组F7逆向开启，匝道风机停止运行。
各工况下火源附近的风速、竖井处向下游的风速见表2。
表2 模拟工况2各运行工况火源附近的风速、竖井处向下游的风速
比较以上4种运行工况可以发现，前两种工况隧道内风速过大，且排烟竖井排烟效率低。当减少风机运行数目，并逆转排烟风机下游风机后，隧道内的风速降低，由于模式2.4排烟效率高，火源附近风速较接近设计临界风速，因此，区段2发生火灾时，运行2.4模式，烟气控制效果好。
模拟工况3：区段3内发生火灾
（1）运行工况3.1：设计运行模式，区段3内射流风机全开，匝道风机进送出排。
（2）运行工况3.2：区段3内射流风机全开，匝道风机关闭。
（3）运行工况3.3：区段3内除射流风机机组火源附近F28外全部开启，区段2射流风机机组F21、F23逆向开启，匝道风机进送出排。
（4）运行工况3.4：区段3内除射流风机机组火源附近F28外全部开启，区段2射流风机机组F21、F23逆向开启，匝道风机不运行。
各工况下火源附近的风速、竖井处向下游的风速见表3。
表3 模拟工况3各运行工况火源附近的风速、竖井处向下游的风速
比较4个风机运行方案可以看出，工况3.4运行模式下，较接近设计工况，且排烟效率高，因此，区段3中部发生火灾时，风机可按工况3.4模式运行，即火源附近射流风机停止运行，竖井下游两组风机逆转送风，而匝道风机停止运行。
5 结论
通过对以上通风设计方案进行模拟评估可以发现：
（1）分区段排烟时，区段内的射流风机全部开启，这种运行模式不合理，导致竖井下游风速过大，烟气过度扩散，竖井排烟效率不高，严重影响烟气的顺利排出。
（2）匝道风机的开启对于主路风速具有一定的影响，在进行通风防排烟设计时应充分考虑匝道位置及匝道风机的开启方式。
（3）分区段排烟时，可采用逆向开启竖井下游风机的方式将烟气更有效的通过竖井排出。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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