不同通風(fēng)模式下地鐵站毒氣擴(kuò)散的實(shí)地試驗

王 磊,關(guān) 健,彭 猛,張 琨,韓 浩,康 健*,許嘉鈺**

不同通風(fēng)模式下地鐵站毒氣擴(kuò)散的實(shí)地試驗

王 磊1,2,關(guān) 健2,彭 猛2,張 琨2,韓 浩1,康 健1*,許嘉鈺2**

(1.防化研究院,國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 102205；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

為全面了解通風(fēng)系統(tǒng)對地鐵站內(nèi)有毒氣體擴(kuò)散的影響,以北京某地鐵站為研究對象,開展了全尺寸實(shí)地擴(kuò)散試驗.采用三維超聲波風(fēng)速儀對機(jī)械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng)下的站內(nèi)流場進(jìn)行監(jiān)測,分析其氣流組織形式;采用六氟化硫(SF6)釋放,時序采集和離線檢測的方法,研究重氣的擴(kuò)散與沉降,為疏散路徑規(guī)劃提供建議.結(jié)果表明,應(yīng)急模式下各監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速更大,是機(jī)械通風(fēng)的1.2～2倍;SF6在機(jī)械通風(fēng)工況下擴(kuò)散,會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象,易于在樓梯和邊緣等位置的地面積累從而形成局部高濃度區(qū)域,且長時間高于50′10-6;應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)開啟后,沉降的SF6加速向上傳輸,且會快速充滿整個站臺,東西站臺濃度最高均達(dá)到200′10-6以上;應(yīng)急處置時,需要盡快將乘客向上層或反向區(qū)域疏散,嚴(yán)禁開啟應(yīng)急通風(fēng)設(shè)備,避免地面氣體向呼吸區(qū)擴(kuò)散.

地鐵站；氣體擴(kuò)散；實(shí)地試驗；通風(fēng)系統(tǒng)

為緩解市內(nèi)交通壓力,地下軌道交通已成為減少交通擁堵、降低事故、減輕污染、提高通勤效率的有效出行方式.然而值得關(guān)注的是,地鐵系統(tǒng)一般具有空間狹小封閉和客流密度大以及通風(fēng)不暢等問題,極易成為化學(xué)恐怖襲擊或突發(fā)事件的主要目標(biāo)[1-10],例如日本東京地鐵發(fā)生的沙林毒氣恐怖襲擊事件[11].

已有研究針對生化襲擊與建筑環(huán)境安全,進(jìn)行了典型生化襲擊場景分析,生化毒劑劑量反應(yīng)關(guān)系分析,室內(nèi)人員暴露單元及其分層模型等工作,其中有毒氣體擴(kuò)散采用計算機(jī)模擬技術(shù)[12].在地下空間應(yīng)對生化恐怖襲擊安全性評估與策略研究方面,該研究提出的以有毒氣體擴(kuò)散模擬為基礎(chǔ)的安全評估系統(tǒng),已經(jīng)在核生化防護(hù)工程和裝備研發(fā)設(shè)計等領(lǐng)域逐步應(yīng)用.對于地鐵站等大型計算域,其空間結(jié)構(gòu)和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計極為復(fù)雜,簡化處理的計算模型和模擬艙均無法還原現(xiàn)場的實(shí)際情況,使計算結(jié)果出現(xiàn)不可預(yù)知的偏差.而全尺寸試驗在計算域?qū)嵉亻_展,能夠獲取真實(shí)條件下空氣流動和有毒氣體擴(kuò)散的時空數(shù)據(jù),是研究地鐵站有毒氣體傳播的最直接可靠的手段[13-14].現(xiàn)階段,我國針對地鐵火災(zāi)的全尺寸試驗研究相對全面.南昌和廣州的多個地鐵站開展了火災(zāi)煙氣實(shí)驗,對比了島式,側(cè)式站臺以及大型換乘站中煙霧的蔓延趨勢和機(jī)械排煙效率,根據(jù)濃煙和高溫覆蓋的面積優(yōu)化人員疏散路徑,進(jìn)而降低人員傷亡[15-17].我國地鐵在應(yīng)對生化恐怖襲擊方面的研究起步較晚,氣態(tài)有毒物質(zhì)由于無色無味,其監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置,時序采集和離線分析較為復(fù)雜,導(dǎo)致在已開通運(yùn)營的站點(diǎn)開展大規(guī)模氣體釋放試驗困難重重,因此尚無全尺寸試驗的相關(guān)報道.

為全面了解通風(fēng)系統(tǒng)對地鐵站內(nèi)有毒有害氣體擴(kuò)散的影響,選取北京地鐵某站為目標(biāo)站,以SF6為示蹤氣體[18-21],開展了全尺寸氣體擴(kuò)散試驗研究,通過改變通風(fēng)模式,對其氣體沉降、傳輸速率、擴(kuò)散范圍等進(jìn)行分析,旨在為應(yīng)急通風(fēng)提供建議.

1 研究方法

1.1 車站概況和點(diǎn)位布置

本試驗在北京15號線某地鐵站臺開展.如圖1所示,該車站整體呈東西走向,為地下2層結(jié)構(gòu),每層凈高約4m.負(fù)1層為東西2個站廳,釋放點(diǎn)位于負(fù)2層,典型島式站臺,兩端通過扶梯與站廳相連,尺寸為112.5m′14m.站臺頂部呈東西走向設(shè)置了2行通風(fēng)口,各25個,北側(cè)為進(jìn)風(fēng)口,南側(cè)為排風(fēng)口.正常工況下,地鐵站通風(fēng)由活塞風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)組成,總風(fēng)量按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157-2013)要求,不得低于30m3/(h×人)[22],其中機(jī)械排風(fēng)占比可在10%～100%浮動.經(jīng)初步統(tǒng)計,該站客流量峰值約為200人/h,機(jī)械通風(fēng)量約為0.6′104m3/h.地鐵站的應(yīng)急通風(fēng)模式主要用于火災(zāi)煙霧排出和新風(fēng)引入,排煙風(fēng)量應(yīng)按照60m3/(h×m2)設(shè)計[23-24].該站站臺面積約為1600m2,計算得到應(yīng)急通風(fēng)量9.7′104m3/h.

圖1 目標(biāo)地鐵站結(jié)構(gòu)示意

如圖2(a)所示,在站臺層S點(diǎn)(站臺中心正西2m)進(jìn)行2次氣體釋放,機(jī)械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng)各1次.全站共設(shè)置13個采樣位置,其中站廳層設(shè)置5個0.5m采樣點(diǎn);站臺層設(shè)置5個1.6m采樣點(diǎn),代表呼吸區(qū)高度;另外在站臺的樓梯口、中線等典型位置設(shè)置3個3高度采樣點(diǎn)(包括0.5,1.6,2.5m),以期獲得垂直高度的濃度場數(shù)據(jù).

本試驗利用三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3B, CampbellScientific Inc.)和多通道風(fēng)速儀(System 6242, Kanomax Japan inc.)對地鐵站1.6m高度的局部流場進(jìn)行監(jiān)測,點(diǎn)位布局如圖2(b)所示.其中,多通道風(fēng)速儀共選取12個位置,三維超聲風(fēng)速儀設(shè)置在樓梯口處,采樣頻率均為1Hz,分別監(jiān)測10min.

圖2 污染源、采樣點(diǎn)和風(fēng)速儀的布點(diǎn)示意

1.2 試驗方法

選擇SF6為目標(biāo)氣體,密度為6.1kg/m3,在空氣中無本底,性質(zhì)穩(wěn)定,適宜用作高密度毒氣的擴(kuò)散模擬物.SF6鋼瓶氣經(jīng)減壓閥接入自制廣口瓶,用以降低出口速度,釋放強(qiáng)度設(shè)定為1kg/min,共釋放5min.SF6檢測使用時序采集和離線分析的方法,每隔3min各采樣點(diǎn)同時采樣1次,共10次,流量為10L/min,每次采集1L;SF6分析采用為Agilent 7860-7000D氣-質(zhì)聯(lián)用儀,色譜柱為HP-5MS.

2 結(jié)果與討論

圖3為2種通風(fēng)模式下(機(jī)械通風(fēng)和應(yīng)急通風(fēng),均無列車通過)站臺A1點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速對比情況.機(jī)械通風(fēng)時A1點(diǎn)流場較為穩(wěn)定,風(fēng)向保持在90°±30°,即流體呈現(xiàn)持續(xù)的東向西走向,風(fēng)速為0.1～0.3m/s,有利于有毒氣體向站臺西側(cè)的單向傳輸.應(yīng)急通風(fēng)開啟后,風(fēng)向開始大幅波動,除了90°主導(dǎo)風(fēng)向外,還出現(xiàn)了0°～45°、180°以及270°～360°的風(fēng)向,同時風(fēng)速提高至0.2～0.5m/s.應(yīng)急通風(fēng)為迅速排除站內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧及CO[25],設(shè)置在頂部的通風(fēng)口增大了通風(fēng)量,增強(qiáng)了站臺空間的紊流,使流場呈無序狀態(tài).另一方面,均勻布置的多通道風(fēng)速傳感器對比了兩種通風(fēng)模式下1.6m處的風(fēng)速變化.如圖4所示,應(yīng)急模式下各監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速是機(jī)械通風(fēng)的1.2～2倍,同樣說明了該模式可以整體增強(qiáng)室內(nèi)空氣循環(huán).

如圖5(a)所示,受站臺主流場控制,氣體僅向站臺西側(cè)擴(kuò)散,而東側(cè)(3-3)、(1-2)和(1-3)均未檢出SF6.在釋放SF6后,(3-2)與西南側(cè)(1-4)濃度迅速增加,在3min時距離SF6釋放口最近的(3-2)達(dá)到峰值,為143′10-6;在6min時樓梯口附近的(3-1),(1-4)和(1-5)達(dá)到峰值,分別為181,170,107′10-6.此外,由于南北頂部通風(fēng)口的設(shè)置,空間內(nèi)存在北向南的氣流,氣體擴(kuò)散至(1-4)的速度更快且濃度更高,而擴(kuò)散至與之對稱的(1-5)則速度更慢且濃度較低.停止釋放12min后,除樓梯西側(cè)(1-1)外,站臺層的SF6大量減少,小于35′10-6.而樓梯西側(cè)(1-1)則由于主流場方向的影響,易于出現(xiàn)有毒物質(zhì)積累,停止釋放15min后,該區(qū)域濃度依舊可以達(dá)到50′10-6左右.除此之外,部分氣體會延樓梯口(3-1)蔓延至站廳層,3min后西站廳各點(diǎn)相繼檢測出SF6,如圖5(b)所示.其中由于位置原因,最靠近電梯口的(2-1)濃度最高且在6min與(3-1),(1-4)和(1-5)同時到達(dá)峰值,為138′10-6,并未顯著小于電梯口(3-1),這說明在電梯存在的情況下SF6濃度不會因為樓層上升而大量減少.同一樓層不同高度之間SF6濃度變化如圖5(c)、(d)所示,機(jī)械通風(fēng)條件下SF6受密度影響易于沉降在地面,隨高度增加,濃度逐漸降低.

圖4 多通道風(fēng)速儀對站臺層典型位置的監(jiān)測結(jié)果

圖6(a)結(jié)果表明,應(yīng)急通風(fēng)改變了原有的單向主流場,有毒氣體在站臺呈現(xiàn)雙向擴(kuò)散的現(xiàn)象,東側(cè)(3-3)與西側(cè)(3-2)在3min時同時達(dá)到峰值,分別為209和190′10-6;氣體向東站臺的擴(kuò)散趨勢強(qiáng)于西站臺,東側(cè)樓梯附近(1-2)、(1-3)檢測到的峰值濃度分別為220和184′10-6,遠(yuǎn)高于西側(cè)(1-1)、(3-1)的峰值濃度.如圖7(b)所示,應(yīng)急通風(fēng)還會使有毒氣體蔓延至東西2個站廳,其中東站廳(2-5)的峰值濃度為17′10-6,高于西站廳的最高值15′10-6.同時,該站通風(fēng)口設(shè)置在頂部,因此應(yīng)急通風(fēng)為增大排煙效率,會增加頂部的排風(fēng)風(fēng)量,因此底部沉降的SF6受其影響,在垂直高度的擴(kuò)散能力得到增強(qiáng).以(3-1)為例,其1.6m處的濃度值與0.5m相近,約為55′10-6,這表明大量的地面SF6已傳輸至呼吸區(qū)高度,如圖6(c).

圖5 機(jī)械通風(fēng)下,地鐵站典型位置的SF6濃度變化

圖6 應(yīng)急通風(fēng)下,地鐵站典型位置的SF6濃度變化

綜上所述,在應(yīng)急通風(fēng)作用下,沉積在地面的有毒氣體大量擴(kuò)散至呼吸區(qū)域;原有起到隔離作用的主流場被打破,氣體釋放后開始向東西兩個方向傳輸,3min左右即可充滿整個站臺,最高均可達(dá)到200′10-6以上.如果有毒氣體泄露,應(yīng)急通風(fēng)模式開啟后會導(dǎo)致流場發(fā)生變化,從而導(dǎo)致沉降在地面的有毒氣體上升到呼吸道附近;從機(jī)械通風(fēng)時僅在西側(cè)存在有毒氣體,變?yōu)檎麄€站臺均存在高濃度氣體,東西站臺濃度最高均達(dá)到200′10-6以上,高于機(jī)械通風(fēng)時最高濃度181′10-6.以上說明在發(fā)生毒氣泄漏時應(yīng)急通風(fēng)增加了呼吸區(qū)氣體濃度,這將增加傷亡率.因此,在發(fā)生毒氣泄漏時應(yīng)關(guān)閉應(yīng)急通風(fēng).

3 結(jié)論

3.1 該地鐵站臺在機(jī)械通風(fēng)工況下,會形成一個較為規(guī)律的主流場,即氣流從站臺中央向兩端逐漸進(jìn)入站廳層,進(jìn)而通過乘客出入口排至地面.受頂部通風(fēng)口影響,有毒氣體主要通過樓梯南側(cè)擴(kuò)散并在站臺兩端逐漸積累, 且長時間高于50′10-6.該流場將地鐵站整體劃分為相對獨(dú)立的東西兩個區(qū)域,有毒氣體只能在釋放源所處的區(qū)域內(nèi)流動.

3.2 在應(yīng)急通風(fēng)作用下,原有主流場發(fā)生變化,換氣量增大,站臺空間的紊流增強(qiáng),使流場更加無序.沉積在地面的有毒氣體大量擴(kuò)散至呼吸區(qū)域;原有起到隔離作用的主流場被打破,氣體釋放后開始向東西兩個方向傳輸,并很快蔓延至整個地鐵站, 東西站臺濃度最高均達(dá)到200′10-6以上.

3.3 采用頂部排煙設(shè)計的應(yīng)急通風(fēng)模式,會使毒氣事件大幅惡化,呼吸區(qū)濃度提高引起傷亡率增加;同時空間流動性增強(qiáng)使擴(kuò)散范圍從機(jī)械通風(fēng)的局部區(qū)域傳輸變?yōu)槿緮U(kuò)散,覆蓋面積更大.因此,對于核生化恐怖襲擊,應(yīng)當(dāng)禁止開啟頂部排煙設(shè)備或安裝地面排風(fēng),盡力減少吸入傷害.

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WANG Lei1,2, GUAN Jian2, PENG Meng2, ZHANG Kun2, HAN Hao1, KANG Jian1*, XU Jia-yu2**

(1.State Key Laboratory of Nuclear Biological and Chemical Protection for Civilian, Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China；2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2022,42(3)：1082～1087

To fully understand the influence of ventilation system on poison gas diffusion in subway station, full scale experiments were carried out in a subway station in Beijing. Three-dimensional ultrasonic anemometer was used to analyze the flow field in the station under mechanical ventilation and emergency ventilation. Then the gas diffusion and subsiding of heavy gas were studied based on the methods of SF6release and sampling in chronological order, which provide suggestions for emergency response. The results showed that in emergency ventilation, the wind speed was greater, which was 1.2～2times that of mechanical ventilation. When SF6diffused under mechanical ventilation, obvious settlement was observed, and SF6was accumulated on the ground to form an area, concentration of which was higher than 50′10-6for a long time. After the emergency ventilation was turned on, the settled SF6accelerated upward transmission and quickly filled the whole station hall and the maximum concentration was more than 200′10-6. During emergency disposal, it was necessary to evacuate passengers to the upper or reverse area as soon as possible. It is strictly prohibited to open the emergency ventilation to avoid the diffusion of ground gas to the breathing area.

subway station；pollutant diffusion；in-situ experiment；ventilation system

X948

A

1000-6923(2022)03-1082-06

王 磊(1987-),男,北京人,清華大學(xué)博士研究生,主要從事室內(nèi)環(huán)境凈化、模擬等方向的研究.發(fā)表論文3篇.

2021-08-01

*責(zé)任作者, 副研究員, larance0130@163.com;** 副教授, jiayu_ tsinghua@163.com