北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所 朱禹洲 高春梅北京市燕山工業(yè)燃?xì)庠O(shè)備有限公司 侯翠翠

1 概述

室內(nèi)燃火特效劇場是指在室內(nèi)劇場使用可燃?xì)怏w或液體制造火焰、噴火、爆炸等特效表演的場所。由于燃火特效演出能極大地提升演出的感染力和表現(xiàn)力，受到了眾多演出導(dǎo)演的追捧，近年來燃火特效系統(tǒng)的應(yīng)用呈逐漸增多的趨勢。

燃火特效表演采用明火進(jìn)行表演，且表演時會在很短的時間內(nèi)燃燒大量的燃?xì)?，污染物瞬時散發(fā)量大，可能造成空間內(nèi)污染物嚴(yán)重超標(biāo)。為了確保這類項目的安全，筆者所在團(tuán)隊起草了國內(nèi)首個室內(nèi)燃火特效工程的技術(shù)規(guī)程，并對其有害物質(zhì)的散發(fā)特性及通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)措施進(jìn)行了研究。依照該技術(shù)規(guī)程，筆者建議室內(nèi)燃火特效劇場僅使用天然氣作為燃料，因此本文只對采用天然氣為燃料的室內(nèi)燃火特效劇場進(jìn)行分析。

2 燃火特效劇場特征

燃火特效劇場室內(nèi)區(qū)域主要包括：觀演區(qū)、表演區(qū)、背景區(qū)。表演區(qū)是燃火特效表演的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)設(shè)有燃?xì)夤艿?、特效燃燒器、監(jiān)控設(shè)備及燈光、音響等設(shè)備；背景區(qū)主要用來搭建、投影場景，配合表演區(qū)進(jìn)行藝術(shù)渲染，亦可兼作演出后臺使用。典型燃火特效劇場的分區(qū)見圖1。

圖1 典型燃火特效劇場的分區(qū)

為配合表演，燃火特效燃燒器可采用多種類型，提供不同的火焰效果，常見燃火特效燃燒器工作參數(shù)見表1。

表1 常見燃火特效燃燒器工作參數(shù)

由上述特征可見，室內(nèi)燃火特效劇場具有以下特殊性：1) 劇場內(nèi)使用燃?xì)?，其通風(fēng)系統(tǒng)必須獨(dú)立設(shè)置，并采用直流式系統(tǒng)，且其內(nèi)部應(yīng)為負(fù)壓；2) 空間高大且基本封閉；3) 人員密集，且靠近特效燃燒器較近；4) 劇場內(nèi)使用大量明火，散發(fā)多種有害物，需要確定何種有害物質(zhì)對安全危害最大，并加以控制；5) 為保證可視度和特效效果，燃?xì)馔紵煌耆?，煙氣中CO含量較高；6) 演出中明火帶來的污染物和熱負(fù)荷散發(fā)不均勻，存在極高的峰值負(fù)荷；7) 因布景及其他設(shè)備的限制，排風(fēng)口一般無法布置在表演區(qū)、背景區(qū)內(nèi)，不便于采用局部排風(fēng)；8) 需要控制表演區(qū)的氣流流速，以防影響火焰效果；9) 特效燃燒器工作時可能破壞通風(fēng)的氣流組織；10) 視情況可能需要采用局部送風(fēng)，通過正壓對表演區(qū)的電器進(jìn)行保護(hù)。

3 劇場內(nèi)有害物質(zhì)分析

燃火特效劇場可能存在多種有害物質(zhì)，主要包括以下幾項：CO、CO2、SO2、缺氧(非有害物質(zhì)，為行文簡練歸并在有害物質(zhì)內(nèi))。不同有害物質(zhì)的毒害機(jī)理和限值有較大差異，消除其危害所需的通風(fēng)量大不相同，因此需要分析并確定其中對通風(fēng)量設(shè)計影響最大的關(guān)鍵有害物質(zhì)。

3.1 各有害物質(zhì)的濃度限值

各有害物質(zhì)在不同場所的濃度限值見表2[1-5]。

表2 燃火特效劇場可能存在的主要有害物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值

基于燃火特效劇場觀演時長一般短于15 min，CO采用GB 50736—2012規(guī)定的不高于30 mg/m3的要求；CO2采用JGJ 57—2016規(guī)定的小于0.25%的要求，即4 573 mg/m3；SO2采取GBZ 2.1—2019規(guī)定的PC-STEL限值，為10 mg/m3。

3.2 劇場內(nèi)有害物質(zhì)的散發(fā)強(qiáng)度

1) CO的散發(fā)強(qiáng)度。天然氣燃燒生成的煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)一般在1%～2%以下[6]，即最多約有10%～20%的天然氣未完全燃燒。據(jù)筆者工程經(jīng)驗(yàn)，一般的用氣設(shè)備在極限情況下，煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)可能達(dá)到1%左右，考慮到燃火特效燃燒器為了保證火焰的可視度和特效效果，往往有意或無意地劣化燃燒條件，因此這種燃燒器的CO排放量取上限較為保險。本文假定天然氣由100%甲烷組成，那么極端情況下，單位體積天然氣的最大CO散發(fā)強(qiáng)度約為0.2 m3/m3。

2) CO2的散發(fā)強(qiáng)度。CO2的散發(fā)來源有2個：一是房間內(nèi)人員呼吸的代謝產(chǎn)物，二是燃燒生成的煙氣。前者相對較少，可忽略不計。由反應(yīng)方程式計算，單位體積天然氣的CO2散發(fā)強(qiáng)度約為1 m3/m3。

3) SO2的散發(fā)強(qiáng)度。依據(jù)GB 17820—2018《天然氣》，含硫量最高的二類氣的總含硫量不大于100 mg/m3[7]。由反應(yīng)方程式計算，單位體積天然氣的最大SO2散發(fā)強(qiáng)度約為6.99×10-5m3/m3。

4) O2的消耗速度。O2主要有2個消耗途徑：一是房間內(nèi)人員呼吸消耗，二是燃燒消耗。前者相對較少，可忽略不計。對于燃燒消耗的O2，依據(jù)反應(yīng)方程式，燃燒單位體積天然氣消耗的O2為2 m3/m3，消耗的空氣量為9.52 m3/m3。

3.3 關(guān)鍵有害物質(zhì)的確定

全面通風(fēng)稀釋方程[8]為

式中 C為通風(fēng)后房間內(nèi)的有害物質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/m3；Cs為送入房間的空氣中有害物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/m3；M為室內(nèi)有害物質(zhì)的散發(fā)強(qiáng)度，mg/s；Vv為房間的通風(fēng)量，m3/s；V為房間容積，m3；t為通風(fēng)時長，s；C0為通風(fēng)前房間內(nèi)有害物質(zhì)的初始質(zhì)量濃度，mg/m3。

通風(fēng)一定時間達(dá)到穩(wěn)定后，全面通風(fēng)稀釋方程可以簡化為

燃火特效劇場存在的有害物質(zhì)中，CO、CO2、SO2三者之間沒有疊加作用，可以分別考慮。CO進(jìn)入人體后與血紅蛋白結(jié)合，使血紅蛋白失去攜氧能力，毒害機(jī)理和缺氧類似，需要疊加計算。

依據(jù)GBZ2.1—2019，當(dāng)2種有害物質(zhì)具有相似的毒害作用時，其濃度限值應(yīng)滿足式(3)。

式中 C1、…、Cn為通風(fēng)后房間內(nèi)空氣中各種有害物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/m3；Cy1、…、Cyn為各種有害物質(zhì)的最高允許質(zhì)量濃度，mg/m3。

一般空氣中的有害物質(zhì)濃度較低，可忽略不計，那么由式(2)和式(3)可得，消除有疊加作用有害物質(zhì)的全面通風(fēng)量Vv見式(4)。

V1+…+Vn≤Vv

(4)

式中 V1、…、Vn為消除無疊加作用有害物質(zhì)所需的全面通風(fēng)量，m3/s。

那么由上述各種有害物質(zhì)的散發(fā)強(qiáng)度，消除燃燒1m3天然氣所產(chǎn)生的有害物質(zhì)各自所需要的全面通風(fēng)量見表3。

表3 消除各類有害物質(zhì)所需的全面通風(fēng)量

可見，燃火特效劇場內(nèi)消除CO及缺氧所需的通風(fēng)量最大，且遠(yuǎn)大于其他有害物質(zhì)，因此燃火特效劇場的通風(fēng)設(shè)計應(yīng)以CO作為控制指標(biāo)，而非常規(guī)劇場中采用的CO2。為了安全起見，在設(shè)計時應(yīng)假設(shè)所有燃?xì)庵杏?0%未完全燃燒并生成了CO，此時燃燒所需的通風(fēng)量僅占其2%，可以忽略不計。

4 全面通風(fēng)效果的定性分析

本文通過假定的劇場模型對燃火特效劇場通風(fēng)的特點(diǎn)進(jìn)行研究。假設(shè)劇場為一長方體空間，總?cè)莘e為20 000 m3，劇場通風(fēng)換氣次數(shù)為6 h-1，劇場結(jié)構(gòu)見圖1。每場燃火特效表演用氣量約14 m3，表演持續(xù)1 min左右，每小時表演10場，用氣時序見圖2。

圖2 用氣時序

稀釋方程可認(rèn)為是房間內(nèi)所有位置的通風(fēng)效率Ev=1情況下的理想方程。為了對房間內(nèi)有害物質(zhì)的濃度進(jìn)行定性分析，本文假定有害物質(zhì)在劇場內(nèi)均勻散發(fā)，通風(fēng)空氣送入房間瞬間與房間內(nèi)空氣混合均勻。那么，可以采用稀釋方程分析該劇場不同階段空氣中有害物質(zhì)濃度的變化，其變化趨勢見圖3。

圖3 Ev=1的理想情況下劇場空氣中CO的質(zhì)量濃度變化

可見，劇場的CO散發(fā)速度一直大于排除速度，劇場內(nèi)CO質(zhì)量濃度在第一場表演結(jié)束時就已經(jīng)遠(yuǎn)超30 mg/m3，即使每場表演間隔期間持續(xù)通風(fēng)也無法完全排除上一場表演散發(fā)的CO，致使劇場內(nèi)的CO質(zhì)量濃度隨時間不斷升高。而且，考慮到實(shí)際通風(fēng)過程存在大量回流區(qū)，劇場內(nèi)的CO質(zhì)量濃度將高于計算值。

因此，該類型劇場的通風(fēng)設(shè)計需要特別注意有害物質(zhì)的排除效率，通風(fēng)效率應(yīng)盡量大于1，否則有害物質(zhì)在室內(nèi)將隨時間集聚；由于表演區(qū)及回流區(qū)的CO濃度基本都超出限值要求，因此觀演區(qū)必須處于通風(fēng)氣流的上游，且不應(yīng)使回流區(qū)氣流進(jìn)入觀演區(qū)，保持觀演區(qū)的換氣效率ηa接近1。另外，由于CO的散發(fā)速度快，要將劇場內(nèi)所有區(qū)域的CO質(zhì)量濃度控制在30 mg/m3以下，需要400 h-1的通風(fēng)換氣次數(shù)，這顯然是難以達(dá)到的。因此，在燃火特效劇場內(nèi)是無法單純通過通風(fēng)換氣次數(shù)保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的。

5 適宜氣流分布的研究

基于前面的討論，筆者為燃火特效劇場設(shè)置了2種可能的氣流分布形式，并通過計算機(jī)仿真的方式研究實(shí)際通風(fēng)效果。計算機(jī)仿真采用ANSYS進(jìn)行三維建模，并對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，確定合適的網(wǎng)格數(shù)量，時間步長為0.01 s。本模型氣流為非穩(wěn)態(tài)流動，送風(fēng)口、污染物入口的邊界條件為速度入口，出風(fēng)口為速度出口，墻壁設(shè)置為絕熱壁面。先進(jìn)行10 min的通風(fēng)使劇場內(nèi)氣流穩(wěn)定，之后按照用氣時序進(jìn)行一場特效表演，表演完成后繼續(xù)模擬1 min。為了研究極端情況下通風(fēng)對有害物質(zhì)的排除效果，假設(shè)各特效燃燒器使用的燃?xì)庵杏?0%未完全燃燒并生成了CO，燃燒瞬間完成并以高溫?zé)煔獾男问綇母魅紵魈庒尫牛瑹煔庵懈鞒煞值捏w積分?jǐn)?shù)為：2%CO、8%CO2、69%N2、19%H2O、2%O2，煙氣溫度為1 800 ℃。

模式1：觀演區(qū)采用近距離頂部送風(fēng)，格柵送風(fēng)口距地5 m高，且風(fēng)口盡量覆蓋全部觀演區(qū)，送風(fēng)溫度20 ℃，送風(fēng)速度約0.23 m/s，總送風(fēng)量110 000 m3/h；表演區(qū)上空均布9個頂部排風(fēng)口，每個排風(fēng)口面積2 m2，充分利用燃火特效表演的熱射流提高有害物質(zhì)和熱氣流的排除效率，排風(fēng)量為120 000 m3/h；由劇場門窗等自由補(bǔ)風(fēng)。送、排風(fēng)口位置見圖1。燃火特效表演用氣量及用氣時序見圖2。

圖4顯示了模式1劇場內(nèi)不同時刻中間豎直截面處氣體流動狀態(tài)?？梢钥吹剑?) 特效燃燒器會對表演區(qū)上空的通風(fēng)氣流造成較大影響，其尾部的回流空氣速度衰減較慢，長時間存在于劇場內(nèi)，是造成劇場污染物擴(kuò)散的重要原因，應(yīng)特別注意其流動趨勢。2) 由于射流和熱壓作用的存在，表演后有害物質(zhì)會迅速流向頂部，可見應(yīng)將排風(fēng)口主要布置在該區(qū)域頂部，便于有害物質(zhì)排出。3) 因?yàn)樗惋L(fēng)口距離觀眾較近，雖然送風(fēng)速度較低，但是在本模型假定的特效燃燒器距離下，燃燒器的強(qiáng)大氣流并不會對觀演區(qū)產(chǎn)生過大干擾。4) 觀演區(qū)基本形成豎直單向流送風(fēng)環(huán)境，換氣效率近似為1，能夠有效阻隔其他區(qū)域有害物質(zhì)侵入。5) 表演結(jié)束后，在表演區(qū)及觀演區(qū)的上方形成了較大回流區(qū)，需要持續(xù)保持觀演區(qū)的單向流通風(fēng)，防止有害物質(zhì)侵入，保持該區(qū)域的空氣品質(zhì)。

圖4 模式1劇場內(nèi)不同時刻中間豎直截面處氣體流動狀態(tài)

圖5顯示了模式1劇場內(nèi)不同時刻各截面處CO體積分?jǐn)?shù)?？梢钥吹剑?) 左下側(cè)觀演區(qū)內(nèi)的空氣品質(zhì)基本都能滿足要求，僅在特效表演結(jié)束1 min 后前排頂部3 m以上有小部分區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)為0.002%～0.003%。2) 為了保證觀眾的安全，建議適當(dāng)加大觀演區(qū)單向流的設(shè)計范圍，防止邊緣區(qū)域的觀眾受到有害氣體的侵害。3) 以本模式進(jìn)行排風(fēng)，觀演區(qū)的通風(fēng)效率接近無窮大，但是表演區(qū)的通風(fēng)效率無法大于1，不能減緩劇場內(nèi)的CO集聚。如果可能的話，建議降低排風(fēng)口高度，縮短其與特效火焰的距離，使煙氣能夠更迅速地被排至室外，提高通風(fēng)效率。

圖5 模式1劇場內(nèi)不同時刻各截面處CO體積分?jǐn)?shù)

圖6顯示了模式1劇場內(nèi)距地3 m高截面處的溫度分布。可以看到觀演區(qū)的溫度受表演影響不大，基本能夠滿足熱舒適性要求，但是由于特效表演釋放的熱負(fù)荷較大，模擬持續(xù)時間內(nèi)劇場溫度在逐漸升高，因此實(shí)際項目應(yīng)該適當(dāng)降低送風(fēng)溫度。

圖6 模式1劇場內(nèi)距地3 m高截面處的溫度分布

模式2：觀演區(qū)及表演區(qū)采用球形噴口水平送風(fēng)，噴口距地6 m高，觀演區(qū)后側(cè)布置6個，相鄰兩側(cè)各布置11個，球形噴口送風(fēng)速度15 m/s，觀演區(qū)前排區(qū)域設(shè)計風(fēng)速約0.5 m/s，總送風(fēng)量11 000 m3/h；排風(fēng)、補(bǔ)風(fēng)、用燃?xì)馇闆r與模式1完全相同。送、排風(fēng)口位置見圖7。

圖7 模式2送、排風(fēng)口位置

圖8顯示了模式2劇場縱、橫截面處在特效表演結(jié)束1 min后的流場。可以看到劇場內(nèi)沒有形成較為有序的氣流分布，回流空氣存在于所有區(qū)域。同時，在表演區(qū)中間位置上空，噴口射流的速度達(dá)1 m/s左右，可能會影響特效火焰的效果。

圖8 模式2劇場縱、橫截面處在特效表演結(jié)束1 min后的流場

圖9顯示了模式2劇場內(nèi)不同時刻各截面處CO體積分?jǐn)?shù)?？梢钥吹剑?) 噴口射流在其周圍引起較強(qiáng)的卷吸作用，使表演產(chǎn)生的煙氣與射流迅速混合，形成大量帶有較高CO濃度的回流區(qū)。2) 射流會破壞火焰引起的熱壓作用，阻礙煙氣順利上升，煙氣長時間集聚在靠下部位無法順利排除，劇場的通風(fēng)效率小于1。3) 觀演區(qū)的CO濃度沒有得到有效控制，特效表演結(jié)束1 min后，觀演區(qū)大部分區(qū)域的CO體積分?jǐn)?shù)都在0.003 3%～0.003 9%區(qū)間，觀眾有中毒隱患。

圖10顯示了模式2劇場橫向截面處的溫度分布。得益于射流的卷吸作用，室溫控制較好，靠下部位的溫度明顯低于上部。

對于模式2，由于噴口射流卷吸作用強(qiáng)，即使調(diào)整噴口的位置使其集中于觀演區(qū)，或者繼續(xù)加大送風(fēng)量，都無法滿足燃火特效劇場控制CO的需求，因此不建議采用。與模式1類似的通風(fēng)方案在燃火特效劇場中應(yīng)用，表演時在觀眾區(qū)前排測得的CO體積分?jǐn)?shù)為0.000 1%，可見模式1是有效的。

6 結(jié)論

燃火特效劇場與普通劇場存在諸多不同的特性，其通風(fēng)設(shè)計不能套用普通劇場的技術(shù)措施。筆者建議在設(shè)計燃火特效劇場的通風(fēng)系統(tǒng)時，應(yīng)該以排除CO為首要目標(biāo)，并應(yīng)假設(shè)有20%燃?xì)馕赐耆紵蒀O來設(shè)計通風(fēng)量；設(shè)計中應(yīng)特別注意優(yōu)化劇場的氣流組織，提高劇場的通風(fēng)效率，并保證煙氣不得回流進(jìn)入觀演區(qū)，保證觀眾的安全和健康。

具體措施如下：

1) 通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，并采用直流式，排風(fēng)量應(yīng)適當(dāng)高于送風(fēng)量，保持劇場內(nèi)部負(fù)壓；

2) 送、排風(fēng)口盡量布置在相對的兩側(cè)或頂面，以便通風(fēng)氣流大體上沿同一方向流動，減少回流區(qū)域面積；

3) 送風(fēng)口應(yīng)該靠近觀眾集中布置，采用低速送風(fēng)的形式，盡量使觀演區(qū)地面以上2～3 m高度以內(nèi)的氣流單向流動至觀演區(qū)外，阻止表演區(qū)有害物質(zhì)侵入觀演區(qū)；

4) 排風(fēng)口建議布置在表演區(qū)頂面，并在不影響演出效果的情況下，盡量靠近特效火焰，提高排除煙氣的效率。