王鐘偉 張嘉琪 王浩杰 王麗

摘要：為保障高層建筑火災(zāi)中受難人員的生命安全，基于LabVIEW控制程序設(shè)計(jì)了一套生命保障系統(tǒng)。對(duì)其中包含的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、供氧子系統(tǒng)、有毒有害氣體凈化子系統(tǒng)和除濕子系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。并用整套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以達(dá)到保障避難人員生存環(huán)境的目的。從而為火災(zāi)救生艙技術(shù)提供理論依據(jù)，為火災(zāi)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(guān)鍵詞：火災(zāi)救生艙;生命保障;LabVIEW;監(jiān)測(cè)與控制;凈化

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

中圖分類號(hào)：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0223-04

0? 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率進(jìn)一步提高，高層建筑越來(lái)越多。中國(guó)高層建筑數(shù)量34.7萬(wàn)幢、百米以上超高層6000多幢，數(shù)量均位居世界第一[1]。高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救工作和人員疏散難度大，受到高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)的影響，僅靠消防滅火設(shè)施不能保障人員生命安全。按照我國(guó)的消防規(guī)定，100米以上的高層民用建筑，每15層應(yīng)建一個(gè)避難層[2]。而對(duì)于被困在火場(chǎng)中的人員、行動(dòng)不便人員卻寸步難行。當(dāng)前對(duì)高層建筑的火災(zāi)避難設(shè)施主要集中在避難層設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)、煙氣傳播規(guī)律等問(wèn)題的研究上[3-5]，而缺少為火場(chǎng)中寸步難行的受困者和特殊人群設(shè)計(jì)的主動(dòng)避難場(chǎng)所。國(guó)外對(duì)于礦用救生艙的研究起步比較早，但對(duì)建筑火災(zāi)救生艙相關(guān)研究較少。國(guó)內(nèi)火災(zāi)救生艙的研究剛剛起步，缺乏相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性建議，其次火災(zāi)救生艙相關(guān)發(fā)明專利很多，但大多是概念性、結(jié)構(gòu)性的，沒(méi)有具體采用的材料、結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)研究。但近幾年我國(guó)火災(zāi)不斷，對(duì)人民群眾的生命安全造成了巨大威脅，人們迫切需要一個(gè)火災(zāi)應(yīng)急避難裝置。

因此，設(shè)計(jì)一種可以在高層火災(zāi)緊急情況下為被困人員提供保護(hù)，防止人員受到火災(zāi)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(fā)適用于高層建筑火災(zāi)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(tǒng)組成，包括火災(zāi)救生艙艙體結(jié)構(gòu)研制、生命保障系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中生命保障系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)艙內(nèi)對(duì)避難人員的生存環(huán)境的保障，也是四大系統(tǒng)中最為重要的一個(gè)。生命保障系統(tǒng)主要包括空氣凈化系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)兩大部分。

1? 空氣凈化系統(tǒng)

性能要求主要包括：在艙外溫度800℃條件下維持艙內(nèi)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(nèi)空間有限、動(dòng)力儲(chǔ)備有限，對(duì)設(shè)備的體積、能耗、質(zhì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tǒng)主要包括三個(gè)子系統(tǒng)：供氧子系統(tǒng)、有毒有害氣體凈化子系統(tǒng)、除濕子系統(tǒng)。

1.1 供氧子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要為避難人員提供呼吸所需的氧氣，維持艙內(nèi)的氧氣平衡。氧氣的供應(yīng)速率可以通過(guò)調(diào)節(jié)適應(yīng)艙內(nèi)避難人員的消耗速率。人體實(shí)際消耗氧氣量或稱吸氧量，吸氧量也稱耗氧量，以單位時(shí)間每分鐘計(jì)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(guò)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(guò)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(méi)有變化。假設(shè)一個(gè)人在艙內(nèi)每分鐘呼吸次數(shù)按照18次為標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)生二氧化碳：18×0.5×0.0397=0.3573L

產(chǎn)生水蒸氣：18×0.5×0.0103=0.0927L

出于對(duì)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(jù)氧氣傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到艙內(nèi)的氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度達(dá)到設(shè)定最低值18.5%時(shí)，通過(guò)Labview編寫(xiě)的控制系統(tǒng)進(jìn)行供氧平衡調(diào)控，打開(kāi)供氧瓶開(kāi)關(guān)，氧氣瓶?jī)?nèi)高壓氧氣經(jīng)減壓閥，再經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)進(jìn)行微調(diào)，即可輸出所需的流量，達(dá)到最適濃度后停止供氧，從而使艙內(nèi)的氧濃度維持平衡。同時(shí)提供氧氣還可以維持救生艙內(nèi)的正壓，減少艙外有毒有害氣體進(jìn)入救生艙內(nèi)。

1.2 有毒有害氣體凈化子系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)事故后，外界存在大量的有毒有害氣體，可能會(huì)跟隨避難人員進(jìn)入艙內(nèi)，除此還有避難人員自身排出的氣體。因此，該系統(tǒng)可以細(xì)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(nèi)對(duì)人體有害的最主要的氣體之一，一方面由避難人員進(jìn)入救生艙時(shí)帶入，另一方面在密閉環(huán)境中人自身的新陳代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生。人體在不劇烈運(yùn)動(dòng)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(guò)正常濃度0.03%時(shí)，人體呼吸加深加快;CO2含量為1%時(shí)，人體呼吸量增加25%，并出現(xiàn)頭暈、乏力等癥狀;CO2含量為3%時(shí)，人體呼吸量增加2倍[7]，出現(xiàn)中毒癥狀，溶解在血液中的CO2會(huì)刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)，長(zhǎng)期處于該環(huán)境中將導(dǎo)致人體機(jī)能嚴(yán)重混亂甚至危及生命。目前救生艙的標(biāo)準(zhǔn)一般要求CO2的濃度不允許超過(guò)1%。

現(xiàn)有去除二氧化碳方法主要分為化學(xué)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(yīng)法，后者則有物理吸附法、水洗吸收法、膜吸收法[8]。基于救生艙低能耗、緊急情況要求吸附能力高、空間有限等特點(diǎn)，救生艙選用化學(xué)凈化二氧化碳技術(shù)。因此選用氫氧化鈣作為二氧化碳吸收劑。其性質(zhì)如下[6]：來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，安全性高，常被用作去除呼吸產(chǎn)生的CO2氣體。粒徑范圍在2～6 mm 的顆粒狀物質(zhì)，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(xiàn)出粉紅色，當(dāng)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(shí)，可以通過(guò)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(yīng)過(guò)程如下：

Ca（OH）2（s）+CO2（g）=CaCO3（s）+H2O（l）

二氧化碳凈化流程：?jiǎn)?dòng)風(fēng)機(jī)使得氣體從入口進(jìn)入凈化塔，從下到上依次經(jīng)過(guò)活性炭、卡加拉特、氫氧化鈣。從小孔網(wǎng)經(jīng)過(guò)藥劑層，氣流中的二氧化碳?xì)怏w被氫氧化鈣吸收。

1.2.2 一氧化碳凈化

國(guó)家救生艙標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，CO濃度要低于24ppm。一氧化碳的來(lái)源主要是外界燃燒氣體的少量進(jìn)入以及在密閉空間中人體自身產(chǎn)生。金龍哲[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明密閉空間內(nèi)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(chǎn)生一氧化碳15 mg 左右，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：救生艙內(nèi)CO處理設(shè)備必須能夠在20min內(nèi)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(duì)二氧化碳進(jìn)行吸收。鈀鉑ACO-2系列[7]催化劑在常溫下對(duì)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(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的一氧化碳濃度值達(dá)到設(shè)定的極限值時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)一氧化碳進(jìn)行凈化，氣體從下到上依次經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)催化氧化轉(zhuǎn)化成二氧化碳進(jìn)而被氫氧化鈣吸收，凈化后的空氣排入艙內(nèi)，達(dá)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(fā)生火災(zāi)后避難人員會(huì)進(jìn)入救生艙，在進(jìn)入救生艙的過(guò)程中，可能會(huì)有少量的有毒有害氣體進(jìn)入救生艙，其次人體自身會(huì)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(shù)來(lái)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(yōu)點(diǎn)，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(fā)性物質(zhì)等空氣中的有害物質(zhì)?？諝鈨艋鞒倘鐖D3所示。

當(dāng)艙內(nèi)空氣中進(jìn)入有毒有害氣體時(shí)，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)可以接收到信息，此時(shí)凈化系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，其中較大顆粒和灰塵被過(guò)濾，接著通過(guò)活性炭，空氣中的有毒有害氣體被吸收，接下來(lái)氣體通過(guò)紫外燈進(jìn)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(jìn)入救生艙內(nèi)，如此進(jìn)行循環(huán)，從而維持救生艙內(nèi)潔凈的空氣環(huán)境。

1.2.4 除濕子系統(tǒng)

人體代謝產(chǎn)濕量很小，主要來(lái)自人體呼氣時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣以及人體皮膚產(chǎn)濕等，一般人體睡眠狀態(tài)時(shí)代謝產(chǎn)量為50g/h，安靜狀態(tài)時(shí)為80g/h，中等活動(dòng)狀態(tài)時(shí)為150g/h，日平均產(chǎn)濕量為75g/h，采用卡加拉特去除艙內(nèi)的濕氣，可以達(dá)到目的。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到相對(duì)濕度達(dá)到80%時(shí)，此時(shí)除濕裝置啟動(dòng)，空氣進(jìn)入除濕塔，水蒸氣會(huì)被吸收，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到30%時(shí)停止工作。此時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，適合避難人員避難。

2? 監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部環(huán)境各個(gè)參數(shù)值，其中包括：O2、溫度、濕度、CO2、CO、H2S、CH4。當(dāng)某一參數(shù)濃度超過(guò)設(shè)定參數(shù)時(shí)，指示燈會(huì)變成紅色并且伴隨有報(bào)警聲，此時(shí)控制按鈕被打開(kāi)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)，凈化塔開(kāi)始凈化空間內(nèi)的氣體，凈化曲線會(huì)實(shí)時(shí)顯示，如圖4所示艙內(nèi)人員可以根據(jù)需要選擇不同氣體的凈化曲線，也可以同時(shí)觀察多種氣體的凈化。當(dāng)空間內(nèi)氣體濃度達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)停止凈化，此時(shí)救生艙內(nèi)空氣環(huán)境達(dá)到安全條件，可以保障避難人員的生存。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 一氧化碳凈化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：打開(kāi)一氧化碳鋼瓶，通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥按照一定流量將一氧化碳?xì)怏w通入配氣室，當(dāng)配氣室內(nèi)的傳感器檢測(cè)到一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到600ppm時(shí)停止供氣，此時(shí)開(kāi)啟凈化系統(tǒng)，一氧化碳凈化塔內(nèi)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(guò)濾配氣室內(nèi)其他氣體，卡加拉特具有很好的除濕性能，保證氣體干燥。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：打開(kāi)二氧化碳鋼瓶，通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥按照一定流量將二氧化碳?xì)怏w通入配氣室，當(dāng)配氣室內(nèi)的傳感器檢測(cè)到二氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到1%時(shí)停止供氣，此時(shí)開(kāi)啟凈化系統(tǒng)，二氧化碳凈化塔內(nèi)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(guò)濾配氣室內(nèi)其他氣體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，氫氧化鈣對(duì)CO2具有較強(qiáng)的吸收作用，可以在短時(shí)間內(nèi)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(dá)到保障人員安全的目的。

4? 結(jié)論

①設(shè)計(jì)了一套空氣凈化裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以達(dá)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(fā)了一套監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可以智能監(jiān)測(cè)氣體并且調(diào)控救生艙內(nèi)的濃度，使其控制在適宜范圍內(nèi)。

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