高層建筑火災救生艙生命保障系統構建

王鐘偉 張嘉琪 王浩杰 王麗

摘要：為保障高層建筑火災中受難人員的生命安全，基于LabVIEW控制程序設計了一套生命保障系統。對其中包含的監測與控制系統、供氧子系統、有毒有害氣體凈化子系統和除濕子系統進行構建。并用整套系統進行實驗驗證，可以達到保障避難人員生存環境的目的。從而為火災救生艙技術提供理論依據，為火災避難人員提供生命保障。

Abstract： In order to guarantee the safety of the lives of the victims in high-rise buildings， a life support system was designed based on LabVIEW control program. The monitoring and control system， oxygen supply subsystem， toxic and harmful gas purification subsystem and dehumidification subsystem are constructed. The whole system is used for experimental verification， which can achieve the purpose of protecting the living environment of asylum seekers， thus provides the theory basis for the fire rescue capsule technology， provides the life safeguard for the fire refuge personnel.

關鍵詞：火災救生艙;生命保障;LabVIEW;監測與控制;凈化

Key words： fire rescue capsule;life support;LabVIEW;monitoring and control;purification

中圖分類號：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0223-04

0? 引言

隨著我國社會經濟飛速發展，城鎮化率進一步提高，高層建筑越來越多。中國高層建筑數量34.7萬幢、百米以上超高層6000多幢，數量均位居世界第一[1]。高層建筑一旦發生火災，撲救工作和人員疏散難度大，受到高層建筑火災特點的影響，僅靠消防滅火設施不能保障人員生命安全。按照我國的消防規定，100米以上的高層民用建筑，每15層應建一個避難層[2]。而對于被困在火場中的人員、行動不便人員卻寸步難行。當前對高層建筑的火災避難設施主要集中在避難層設計、通風系統、煙氣傳播規律等問題的研究上[3-5]，而缺少為火場中寸步難行的受困者和特殊人群設計的主動避難場所。國外對于礦用救生艙的研究起步比較早，但對建筑火災救生艙相關研究較少。國內火災救生艙的研究剛剛起步，缺乏相關國家標準和規范性建議，其次火災救生艙相關發明專利很多，但大多是概念性、結構性的，沒有具體采用的材料、結構及實驗研究。但近幾年我國火災不斷，對人民群眾的生命安全造成了巨大威脅，人們迫切需要一個火災應急避難裝置。

因此，設計一種可以在高層火災緊急情況下為被困人員提供保護，防止人員受到火災高溫和有毒煙氣侵害、能夠保障避難人員生存條件的避難裝置是十分有必要的。因此，需要研發適用于高層建筑火災的安全可靠、智能化的救生避難艙。該救生艙主要由四大系統組成，包括火災救生艙艙體結構研制、生命保障系統、環境監測系統和軟件系統，其中生命保障系統主要負責艙內對避難人員的生存環境的保障，也是四大系統中最為重要的一個。生命保障系統主要包括空氣凈化系統和監測與控制系統兩大部分。

1? 空氣凈化系統

性能要求主要包括：在艙外溫度800℃條件下維持艙內O2濃度在18.5%～23%，CO2<1.0%，溫度T？芨33℃，CO？芨24ppm，30%≦濕度≦85%，H2S？芨10ppm，CH4<1.0%。艙內空間有限、動力儲備有限，對設備的體積、能耗、質量、可靠性、可維修性都有苛刻的要求[6]，空氣凈化裝置要求結構簡單，使用方便，如圖1所示。

圖中：1：二氧化碳凈化塔;2：一氧化碳凈化塔;3：其他有毒有害凈化塔;4：除濕塔。

空氣凈化系統主要包括三個子系統：供氧子系統、有毒有害氣體凈化子系統、除濕子系統。

1.1 供氧子系統

該系統主要為避難人員提供呼吸所需的氧氣，維持艙內的氧氣平衡。氧氣的供應速率可以通過調節適應艙內避難人員的消耗速率。人體實際消耗氧氣量或稱吸氧量，吸氧量也稱耗氧量，以單位時間每分鐘計算，故稱每分鐘吸氧量。成年人平均呼吸潮氣量為0.5L，身體狀況良好的成年人呼吸大約為每分鐘16-20次。人體呼吸過程氣體比例變化如表1所示。

由表1可以知道，氧氣在代謝過程中比例消耗5%，二氧化碳比例上升3.97%，水蒸氣比例上升1.03%，其他成分沒有變化。假設一個人在艙內每分鐘呼吸次數按照18次為標準，則每分鐘各氣體成分變化率如下：人體呼吸潮氣量×每分鐘呼吸頻率=每分鐘呼吸通氣量

耗氧量：18×0.5×0.21-18×0.5×0.16=0.45L

產生二氧化碳：18×0.5×0.0397=0.3573L

產生水蒸氣：18×0.5×0.0103=0.0927L

出于對避難人員安全的考慮取耗氧量為0.5L/min

供氧裝置原理圖如圖2所示，根據氧氣傳感器可以實時監測到艙內的氧氣濃度，當氧氣濃度達到設定最低值18.5%時，通過Labview編寫的控制系統進行供氧平衡調控，打開供氧瓶開關，氧氣瓶內高壓氧氣經減壓閥，再經過流量調節開關進行微調，即可輸出所需的流量，達到最適濃度后停止供氧，從而使艙內的氧濃度維持平衡。同時提供氧氣還可以維持救生艙內的正壓，減少艙外有毒有害氣體進入救生艙內。

1.2 有毒有害氣體凈化子系統

當發生火災事故后，外界存在大量的有毒有害氣體，可能會跟隨避難人員進入艙內，除此還有避難人員自身排出的氣體。因此，該系統可以細分為二氧化碳凈化、一氧化碳凈化以及其他有毒有害氣體凈化。

1.2.1 二氧化碳凈化

CO2是艙內對人體有害的最主要的氣體之一，一方面由避難人員進入救生艙時帶入，另一方面在密閉環境中人自身的新陳代謝活動會產生。人體在不劇烈運動的情況下排出二氧化碳的速率為0.36L/min。空氣中CO2含量超過正常濃度0.03%時，人體呼吸加深加快;CO2含量為1%時，人體呼吸量增加25%，并出現頭暈、乏力等癥狀;CO2含量為3%時，人體呼吸量增加2倍[7]，出現中毒癥狀，溶解在血液中的CO2會刺激中樞神經系統，長期處于該環境中將導致人體機能嚴重混亂甚至危及生命。目前救生艙的標準一般要求CO2的濃度不允許超過1%。

現有去除二氧化碳方法主要分為化學凈化和物理凈化兩類，前者主要有氫氧化鈣法和超氧化物反應法，后者則有物理吸附法、水洗吸收法、膜吸收法[8]?；诰壬摰湍芎?、緊急情況要求吸附能力高、空間有限等特點，救生艙選用化學凈化二氧化碳技術。因此選用氫氧化鈣作為二氧化碳吸收劑。其性質如下[6]：來源廣泛，價格低廉，安全性高，常被用作去除呼吸產生的CO2氣體。粒徑范圍在2～6 mm 的顆粒狀物質，堆積密度約為0.5g/mL，吸收效率不小于33%。救生艙中選用的二氧化碳吸收劑中添加了一定量的指示劑，使其外觀呈現出粉紅色，當二氧化碳吸收劑吸收二氧化碳失效后，其粉紅色褪去，變成白色或米黃色。因此在救生艙中使用二氧化碳吸收劑時，可以通過直接觀察二氧化碳吸收劑藥劑顏色的變化判斷其吸收能力并決定是否需要更換藥劑。其反應過程如下：

Ca（OH）2（s）+CO2（g）=CaCO3（s）+H2O（l）

二氧化碳凈化流程：啟動風機使得氣體從入口進入凈化塔，從下到上依次經過活性炭、卡加拉特、氫氧化鈣。從小孔網經過藥劑層，氣流中的二氧化碳氣體被氫氧化鈣吸收。

1.2.2 一氧化碳凈化

國家救生艙標準中規定，CO濃度要低于24ppm。一氧化碳的來源主要是外界燃燒氣體的少量進入以及在密閉空間中人體自身產生。金龍哲[9]通過實驗證明密閉空間內人體一氧化碳代謝速率平均為每人0.52×10-6/h，每人一晝夜產生一氧化碳15 mg 左右，根據相關標準規定：救生艙內CO處理設備必須能夠在20min內將CO濃度從400ppm降低到24ppm。因此采用鈀鉑ACO-2系列催化劑將一氧化碳催化氧化成為二氧化碳，再對二氧化碳進行吸收。鈀鉑ACO-2系列[7]催化劑在常溫下對一氧化碳的吸收率在99%以上，每立方米艙體需要催化劑量為0.4～0.6kg。

當監測系統監測到的一氧化碳濃度值達到設定的極限值時，風機啟動對一氧化碳進行凈化，氣體從下到上依次經過活性炭、卡加拉特、鈀鉑ACO-2系列催化劑、氫氧化鈣。一氧化碳經過催化氧化轉化成二氧化碳進而被氫氧化鈣吸收，凈化后的空氣排入艙內，達到凈化的目的維持氣體濃度平衡。

1.2.3 其他有毒有害氣體凈化

外界發生火災后避難人員會進入救生艙，在進入救生艙的過程中，可能會有少量的有毒有害氣體進入救生艙，其次人體自身會排放臭氣等。這些有毒有害氣體主要包括：硫化氫、氨氣、氰化氫、苯、甲苯、乙醛、丙醛等。因此采用活性炭、以及光催化技術來凈化有毒有害氣體，保障避難人員的生命安全?；钚蕴烤哂形饺萘看蟆⑿矢?、速度快等優點，除此，它還可以凈化氨與胺類化合物、氮氧化物、硫化物、臭氣，揮發性物質等空氣中的有害物質?？諝鈨艋鞒倘鐖D3所示。

當艙內空氣中進入有毒有害氣體時，經過監測系統的監測可以接收到信息，此時凈化系統開始運轉，氣體經過過濾網，其中較大顆粒和灰塵被過濾，接著通過活性炭，空氣中的有毒有害氣體被吸收，接下來氣體通過紫外燈進行光催化[10]，光催化具有殺菌、除臭功能，最后凈化后的潔凈空氣從凈化裝置中排出，進入救生艙內，如此進行循環，從而維持救生艙內潔凈的空氣環境。

1.2.4 除濕子系統

人體代謝產濕量很小，主要來自人體呼氣時產生的水蒸氣以及人體皮膚產濕等，一般人體睡眠狀態時代謝產量為50g/h，安靜狀態時為80g/h，中等活動狀態時為150g/h，日平均產濕量為75g/h，采用卡加拉特去除艙內的濕氣，可以達到目的。當監測系統監測到相對濕度達到80%時，此時除濕裝置啟動，空氣進入除濕塔，水蒸氣會被吸收，當相對濕度達到30%時停止工作。此時相對濕度達到標準，適合避難人員避難。

2? 監測與控制系統

本系統主要分為兩個部分：實時監測和控制系統。實時監測內部環境各個參數值，其中包括：O2、溫度、濕度、CO2、CO、H2S、CH4。當某一參數濃度超過設定參數時，指示燈會變成紅色并且伴隨有報警聲，此時控制按鈕被打開，控制系統啟動，凈化塔開始凈化空間內的氣體，凈化曲線會實時顯示，如圖4所示艙內人員可以根據需要選擇不同氣體的凈化曲線，也可以同時觀察多種氣體的凈化。當空間內氣體濃度達到規定范圍內時停止凈化，此時救生艙內空氣環境達到安全條件，可以保障避難人員的生存。

3? 實驗驗證與分析

3.1 一氧化碳凈化實驗

實驗內容：打開一氧化碳鋼瓶，通過調節減壓閥按照一定流量將一氧化碳氣體通入配氣室，當配氣室內的傳感器檢測到一氧化碳氣體濃度達到600ppm時停止供氣，此時開啟凈化系統，一氧化碳凈化塔內從下到上依次加入活性炭、卡加拉特，鈀鉑ACO-2系列催化劑。加入活性炭可以過濾配氣室內其他氣體，卡加拉特具有很好的除濕性能，保證氣體干燥。實驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出鈀鉑ACO-2系列催化劑可以在20分鐘內將CO濃度降到24ppm以下，滿足救生艙的性能要求，可以保障人員安全。

3.2 二氧化碳凈化實驗

實驗內容：打開二氧化碳鋼瓶，通過調節減壓閥按照一定流量將二氧化碳氣體通入配氣室，當配氣室內的傳感器檢測到二氧化碳氣體濃度達到1%時停止供氣，此時開啟凈化系統，二氧化碳凈化塔內從下到上依次加入活性炭、卡加拉特，氫氧化鈣。加入活性炭可以過濾配氣室內其他氣體。實驗結果如圖6所示。

如圖6所示，氫氧化鈣對CO2具有較強的吸收作用，可以在短時間內將CO2濃度降到適宜避難人員生存的條件下，而且凈化速度快，可以達到保障人員安全的目的。

4? 結論

①設計了一套空氣凈化裝置，通過實驗驗證可以達到凈化空氣的目的，凈化效率高可以保障避難人員的安全。

②基于LabVIEW控制程序研發了一套監測與控制系統，可以智能監測氣體并且調控救生艙內的濃度，使其控制在適宜范圍內。

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