Brandgasventilation av ett tågtunnelsystem

Transkript

1 Brandgasventilation av ett tågtunnelsystem Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, 2012 Rapport TVIT--12/7079

2 Lunds Universitet Lunds Universitet, med nio fakulteter samt ett antal forskningscentra och specialhögskolor, är Skandinaviens största enhet för forskning och högre utbildning. Huvuddelen av universitetet ligger i Lund, som har invånare. En del forsknings- och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 1666 och har idag totalt anställda och studerande som deltar i ett 90-tal utbildningsprogram och ca 1000 fristående kurser erbjudna av 88 institutioner. Avdelningen för installationsteknik Avdelningen för Installationsteknik tillhör institutionen för Bygg- och miljöteknologi på Lunds Tekniska Högskola, som utgör den tekniska fakulteten vid Lunds Universitet. Installationsteknik omfattar installationernas funktion vid påverkan av människor, verksamhet, byggnad och klimat. Forskningen har en systemanalytisk och metodutvecklande inriktning med syfte att utforma energieffektiva och funktionssäkra installationssystem och byggnader som ger bra inneklimat. Nuvarande forskning innefattar bl a utveckling av metoder för utveckling av beräkningsmetoder för godtyckliga flödessystem, konvertering av direktelvärmda hus till alternativa värmesystem, vädring och ventilation i skolor, system för brandsäkerhet, alternativa sätt att förhindra rökspridning vid brand, installationernas belastning på yttre miljön, att betrakta byggnad och installationer som ett byggnadstekniskt system, analysera och beräkna inneklimatet i olika typer av byggnader, effekter av brukarnas beteende för energianvändning, reglering av golvvärmesystem, bestämning av luftflöden i byggnader med hjälp av spårgasmetod. Vi utvecklar även användbara projekteringsverktyg för energi och inomhusklimat, system för individuell energimätning i flerbostadshus samt olika analysverktyg för optimering av ventilationsanläggningar hos industrin.

3 Brandgasventilation av ett tågtunnelsystem Lars Jensen

4 Lars Jensen, 2012 ISRN LUTVDG/TVIT--12/7079--SE(20) Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box LUND

5 Innehållsförteckning 1 Inledning 5 Problemställning 5 Ventilationsfall 8 Läckagefall 8 Tågfall 8 Beräkningsmetod 8 2 Beräkningsmodell 9 3 Beräkningsresultat 11 4 Sammanfattning och slutsatser 19 3

6 4

7 1 Inledning Syftet med denna arbetsrapport är att visa på hur brandgasventilation av ett tågtunnelsystem med en undermarksstation kan ske genom samordning av olika brandgasventilationssystem för station och tunnlar. Tågtunnelsystemet består av fyra enkelspårstunnlar med impulsventilation, en undermarksstationen med brandgasventilation, fyra tryckutjämningsschakt och två rulltrappssystem. Detta tågtunnelsystem motsvarar Citytunneln i Malmö till stora delar. Denna arbetsrapport kan ses som en fortsättning på en tidigare arbetsrapport TVIT 7057 som bland annat undersökte tryckförhållanden för undermarksstationen för olika tågrörelser. Stora tryckskillnader mellan undermarksstation och omgivning ovan mark kunde resultera i höga lufthastigheter i dörröppningar med risk för att resenärer kunde blåsa omkull. Problemställning Avsikten är att beräkna några kombinationer för drift av impulsventilationen och brandgasventilationen kombinerat med olika läckage mellan undermarksstation och omgivning ovan mark samt olika stillastående tågsätt i tunnlar. Detta gäller särskilt ventilationsflödet av en tänkt brandutsatt enkelspårstunnel med ett tågsätt. Några frågor är följande: Hur påverkas det högsta ventilationsflödet av ventilationssättet? Hur påverkas det högsta ventilationsflödet av läckaget? Hur påverkas det högsta ventilationsflödet av tågsätt i tunnlarna? Vilket fall ger det högsta över- eller undertrycket i undermarksstationen? Ventilationsfall Citytunneln har 58 impulsfläktar med en impuls om minst 500 N, vilket ger en medelimpuls omkring 7500 N per tunnel, vilket kan räknas om till ett motsvarande impulstryck om 120 Pa med hänsyn till verkningsgraden 0.7 för hörnplacering. Impulsventilation för en enkelspårstunnel kan anta tre driftslägen med ett drivtryck om -120, 0 och 120 Pa. De fyra tunnlarna kan samköras med intilliggande par som 2+2 eller en brandutsatt och övriga tre som 1+3. Det första fallet är rimligare, eftersom risk för återinsugning av brandgaser finns för fallet 1+3. Brandgasventilationen av undermarksstationen antas kunna reverseras, vilket ger tre driftslägen -300, 0 och 300 m 3 /s. Antalet möjliga ventilationsfall blir därför totalt 54 (2 3 3 ) fall, men endast ett fåtal är rimliga. Fem fall med syfte att ge största möjliga ventilationsflöde bort från undermarksstationen och ett fall för att visa på motverkan mellan impulsventilation och brandgasventilation väljs ut och visas grafiskt i Figur 1.1 för driftsfall 2+2 och i Figur 1.2 för driftsfall 1+3. Det finns motsvarande spegelfall med omkastad flödesriktning, vilka redovisas grafiskt i Figur Alla tryckskillnader och flöden byter tecken vid byte till ett spegelfall. De utvalda ventilationsfallen numreras 1-12 med 1-6 för 2+2 drift och 7-12 med 1+3 drift. 5

8 Figur 1.1 Ventilationsfall 1-6 med driftfall Figur 1.2 Ventilationsfall 7-12 med driftfall

9 Figur 1.3 Spegelfall till ventilationsfall 1-6 med driftfall Figur 1.4 Spegelfall till ventilationsfall 7-12 med driftfall 1+3 7

10 Läckagefall Undermarksstationens läckage till omgivning ovan mark kan förenklat beskrivas med en läckarea för två trappsystem och fyra tryckutjämningsschakt. Motsvarande läckareor för Citytunneln beräknades i TVIT-7057 till 5.4 m 2 per trappsystem respektive 5.4 m 2 per tryckutjämningsschakt, vilket totalt blir 32 m 2. Trappsystemens dörrar kan stängas. Tryckutjämningsschakt kan stängas med spjäll. Tre läckareorna 0, 20 och 40 m 2 provas. Tågfall Sju olika tågfall kommer att undersökas enligt sammanställning i Tabell 1.1. Ett tågsätt i ett tunnelrör försvårar genomströmning. Tågfall 4-7 är kanske orealistiska, men har tagits med för att visa inverkan av andra tågsätt inte bara i den brandutsatta tunneln överst till vänster i Figur Tabell 1.1 Tågsättsfall Tågfall Antal tågsätt Tunnel S1 vänster övre Tunnel S2 vänster nedre Tunnel N1 höger övre Tunnel N2 höger nedre tågsätt tågsätt - - tågsätt 4 2 tågsätt tågsätt tågsätt - tågsätt tågsätt 6 3 tågsätt tågsätt tågsätt tågsätt tågsätt tågsätt tågsätt Beräkningsmetod De statiska beräkningarna genomförs med PFS utan hänsyn till temperatur och tågrörelser. Tryckfall för tunnelrör beräknas med hänsyn till ytråhet. Impulsventilations impuls räknas om till ett drivande tryckskillnad. Brandgasventilationens flöde antas vara oberoende av mindre tryckskillnader som kan förekomma. Modellen beskrivs i avsnitt 2. Resultat för sju olika tågfall redovisas i avsnitt 3. En sammanfattning och slutsatser ges i avsnitt 4. 8

11 2 Beräkningsmodell De fyra tågtunnlarna beskrivs med en hydraulisk diameter om 7083 mm för fallet utan ett tågsätt och med en hydraulisk diameter om 4333 mm för fallet med ett tågsätt. Dessa diametrar har beräknats från tunneltvärsnitt 42.5 m 2 och omkrets 24 m samt ett tågtvärsnitt 10 m 2 och omkrets 12 m. Den hydrauliska diametern för en tunnel med ett tågsätt beräknas med tvärsnitt 32.5 m 2 och en omkrets 30 m efter en reduktion om 6 m för kontakt mellan tunnel och tågsätt på 3 m. Den totala tunnellängden är 2400 m och ett tågsätts längd sätts till 300 m. Ytråheten sätts till 100 mm. PFS-modellen för tågtunnelsystemet redovisas i Figur 2.1 nedan för ett fall utan tåg. Varje tunnelrör består av tunnelelementet Trt och ett av tunnelelementen Tut eller Tmt med längderna 2100, 300 respektive 300 m och diametrarna 7083, 7083 respektive 4333 mm. Tunnelelementet Tut står för utan tåsätt och Tmt står för med tågsätt. Tåg editeras in i modellen genom att byta Tut mot Tmt. Impulsventilationens impulstryck ges av h-elementet med argumenten pa för vänstra övre tunnelrör, pb för nedre vänstra tunnelrör och pc för övre och nedre högra tunnelrör. De tre parameterarna pa, pb och pc kombineras tillsammans med brandgasventilationens flöde qb för att skapa de tolv ventilationsfall 1-12 redovisade i Figur 1.1-2, vilket framgår av de tre pergram-raderna och den följande program-raden överst i Figur 2.1. Undermarksstationens reverserbara brandgasventilation ges av elementet överst i den grafiska modellen med h?qb:w där parametern qb anger inflödet till undermarksstationen. Alla öppningar mellan mellan undermarksstationen och omgivningen ovan jord bestäms av elementet t,0.6,as där parametern As anger den effektiva öppningsarea i m 2 för fyra tryckutjämningsschakt och två rulltrappssystem, vilket kommer att varieras med 0, 20 och 40 m 2. De trettiosex kombinationerna mellan de tolv ventilationsfallen och de tre läckagefallen redovisas med en rad per läckagefall. De tolv ventilationsfallen 1-12 numreras 1-12 för läckarea 0 m 2, för läckarea 20 m 2, för läckarea 40 m 2. Beräkningsresultat för indata beskrivningen i Figur 2.1 redovisas i Figur för sju olika tågfall. 9

12 t a b l e p e r g r a m p a P a p e r g r a m p b P a p e r g r a m p c P a p r o g r a m q b m 3 / s p r o g r a m A s m r e s u l t r e s u l t t a b l e... t a b l e... b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w h, p a T r t T u t : q w T r t T u t h, p c h, p b T r t T u t T r t T u t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 2.1 PFS-Indatabeskrivning av tågtunnelsystem utan tågsätt. 10

13 3 Beräkningsresultat Beräkningsresultatet för de sju tågfallen enligt Tabell 1.1 redovisas i Figur för samma indatabeskrivning enligt Figur 2.1 med nödvändiga kompletteringar med tågsätt. Resultat för övertryck och ventilationsflöde för beräkningsfallen 5, 11, 17, 23, 29 och 35 sammanställs i Tabell 3.1 nedan. Ventilationsflödet går åt vänster bort från undermarksstationen och anges här utan tecken och inte som i PFS-resultat i Figur Beräkningsfall 5, 17 och 29 avser driftfall 2+2 och läckareorna 0, 20 respektive 40 m 2. Beräkningsfall 11, 23 och 35 avser driftfall 1+3, vilket ger högre ventilationsflöde men med risk för återinsugning av brandgaser vid tunnelrörsändar. Högsta ventilationsflöde och även tryckskillnad mellan undermarksstation och omgivning ovan mark fås för ventilationsfall 11 med impulsdrift 1+3 något bättre ventilationsfall 5 med impulsdrift 2+2. Det senare fallet är säkert mot återinsugning av brandgaser mellan tunnelrörsändarna. Detta gäller även eventuellt läckage mellan intilliggande tunnlar. För utrymning finns det ett antal genomgångar med slussar mellan två intilliggande tunnelrör. Ventilationsflöden och tryckskillnad avtar med ökande läckagearea, vilket inses genom att jämföra kolumner i Tabell 3.1 med olika läckage. Ventilationsflödet med tågsätt i en tunnel är betydligt mindre än utan tågsätt. Ytterligare tågsätt i andra tunnelrör har liten inverkan. Provning av brandventilation utan tågsätt kan bli ytterst missvisande. Tabell 3.1 Övertryck i undermarksstation och ventilationsflöde i tunnelrör S1 åt vänster tågfall antal Figur fall Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s Ventilationsflödet för ventilationsfall 1-6 enligt Figur 1.1 sammanställs i Tabell 3.2 för tågfall 1 utan tågsätt och tågfall 2 med tågsätt utan något läckage. Siffrorna visar att ventilationsflödet nästan fördubblas från 104 till 201 m 3 /s för fallet utan tågsätt och från 70 till 127 m 3 /s för fallet med ett tågsätt. Felfunktionsfallet, ventilationsfall 6, ger obetydligt baklängesströmning med -4 och -3 m 3 /s för tågfall 1 respektive 2. 11

14 Siffrorna för tågfall 2 i Tabell 3.2 visar att ventilationsflödet grovt minskar med en tredjedel jämfört med tågfall 1 utan tågsätt. Slutsatsen är att ett tågsätt i ett tunnelrör påverkar ventilationsflödet betydligt. Tabell 3.2 Ventilationsflöde i tunnelrör S1 åt vänster tågfall antal Figur fall m 3 /s m 3 /s t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T u t : q w T r t T u t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T u t T r t T u t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.1 PFS-resultat för tågfall 1 utan tågsätt. 12

15 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T u t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T u t T r t T u t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.2 PFS-resultat för tågfall 2 med ett tågsätt. 13

16 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T u t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T u t T r t T m t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.3 PFS-resultat för tågfall 3 med två tågsätt. 14

17 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T u t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T m t T r t T u t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.4 PFS-resultat för tågfall 4 med två tågsätt. 15

18 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T m t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T u t T r t T m t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.5 PFS-resultat för tågfall 5 med tre tågsätt. 16

19 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T u t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T m t T r t T m t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.6 PFS-resultat för tågfall 6 med tre tågsätt. 17

20 t a b l e p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s p r o ( 5 ) A s m r e s ( 1 ) P a r e s ( 2 ) m 3 / s b e g i n f o r m a t p 0 q 0 c o n t r o l d u c t = 1 6 s e t T r t = d, , , T u t = d, , 3 0 0, T m t = d, , 3 0 0, h? q b : w P a 1 h, p a T r t T m t : q w T r t T m t h, p c m 3 / s 2 h, p b T r t T m t T r t T m t h, p c t, 0. 6, A s e n d Figur 3.7 PFS-resultat för tågfall 7 med fyra tågsätt. 18

21 4 Sammanfattning och slutsatser Syftet med denna arbetsrapport har varit att visa på hur olika system för brandgasventilation av en undermarksstation med anslutande tunnlar kan samverka eller kan motverka med varandra. Detta fall motsvarar till stora delar Citytunneln i Malmö. Inverkan av stillastående tågsätt har också undersökts. Alla beräkningar har genomförts med datorprogrammet PFS och utan hänsyn till temperatur och trycktransienter som uppstår vid tågrörelser och start och stopp av ventilation. Beräkningsmodellen beskrivs i avsnitt 2. Hur ventilationsflödet för en brandutsatt tågtunnel påverkas av ventilationens driftsätt, läckage till omgivningen samt tågsätt i tunnlarna har undersökts. Kombinationer av impulsventilation, brandgasventilation, stillastående tågsätt i tunnlar samt olika läckage mellan undermarksstation och omgivning ovan mark har undersökts. Läckaget utgörs av fyra tryckutjämningsschakt och två rulltrappssystem och kvantifieras med en enda effektiv läckarea. Driftsätt för fyra impulsventilationsystem och ett brandventilationssystem har kombinerats till tolv fall enligt Figur samt kombinerats med tre olika läckage och sju tågfall enligt Tabell 1.1. Resultatet för de sju tågfallen redovisas i Figur En sammanställning för de tre tågfallen 1, 2 och 7 med 0, 1 och 4 tågsätt redovisas i Tabell 7.1 med olika läckage för fallet med all ventilation samordnad för impulsventilationsfall 2+2 med samkörning av intilliggande tunnlar som fall 5, 17 och 29 samt för impulsventilationsfall 1+3 som fall 11, 23 och 35. Siffrorna i Tabell 7.1 visar att ventilationsflödet är betydligt högre för ett fall utan tågsätt än för ett fall med ett eller flera tågsätt. Om läckaget vid undermarksstationen kan tas bort förbättras ventilationen påtagligt. Tabell 7.1 Övertryck undermarksstation och ventilationsflöde i tunnelrör S1 vänster övre tågfall antal Figur fall Pa m 3 /s Pa m 3 /s Pa m 3 /s

22 De beräknade ventilationsflöden kan räknas om till medellufthastigheter och jämföras med kravet för att motströmning av brandgaslager skall förhindras. Tunneltvärsnittet är 43 m 2, vilket för ventilationsfall 5, 17 och 29 med olika läckage ger en medellufthastighet mellan 2.5 och 3 m/s. Beräkningar med FDS med en total beräkningstid om 100 s för en brand i en tunnel redovisade i TVIT-7057 visade att för medellufthastigheterna 1, 2 och 3 m/s sker motströmning 200 m på 40, 60 respektive 80 s samt för medellufthastigheterna 4, 5 och 6 m/s når motströmningen 180, 140 respektive 0 m på 100 s. En snabb slutsats är att motströmning inte kan förhindras med impulsventilation för det aktuella fallet, men impulsventilationen skapar en omblandning som sänker brandgaslagrets temperatur och ökar brandgaslagrets tjocklek. Ett enkelt beräkningsuttryck för medellufthastighet, som förhindrar motströmning, innehåller produkten mellan brandgaslagrets övertemperatur och tjocklek. Detta innebär att utspädning av brandgaslagret genom omblandning till en dubblerad tjocklek och en halverad övertemperatur inte har någon effekt på den nödvändiga medellufthastigheten enligt beräkningsuttrycket. Detta är något oroande. Impulsventilation orsakar fullständig omblandning, varvid all sikt går förlorad. Fullständig omblandningen gör att beräkningsuttrycket för bakåtströmning knappast kan användas. Tryckskillnad mellan undermarksstation och omgivning sammanställs i Tabell 7.1 visar att höga tryckskillnader kan försvåra utrymning på grund av höga lufthastigheter i dörröppningar eller höga tryckskillnader över dörrar. Siffrorna i Tabell 7.1 visar att tryckskillnaderna för vissa fall är stora, jämfört med schablonvärdet 80 Pa för att kunna öppna en dörr. Övertrycket för rimliga beräkningsfall 17 och 29, ventilationsfall 5 med läckarea 20 respektive 40 m 3 /s, är mindre än 80 Pa. En sammanfattning är att samverkan mellan brandgasventilation och impulsventilation kan förbättra ventilationen av en brandutsatt tunnel något, likaväl som motverkan mellan brandgasventilation och impulsventilation kan försämra ventilationen helt samt att förhindrande av motströmning av brandgaser kräver högre medellufthastigheter enligt FDS än vad som räknats fram med PFS med reservation för att impulsventilationen skapar en betydande omblandning, vilket innebär att beräkningsuttryck för motströmning inte kan tillämpas. Ventilationsflödet med ett tågsätt i en tunnel är betydligt mindre än utan tågsätt. Detta innebär att provning av olika fall av brandventilation utan tågsätt kan bli ytterst missvisande. 20