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        毒氣泄漏威脅下建筑氣密性對就地避難效果影響研究*

        2022-01-21 06:50:40鄧月超席學(xué)軍謝琳娜
        關(guān)鍵詞:毒氣氣密性換氣

        鄧月超,孟 沖,席學(xué)軍,謝琳娜

        (1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013; 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012)

        0 引言

        化工園區(qū)工業(yè)生產(chǎn)中涉及的有毒氣體在運(yùn)輸、儲存和使用過程中一旦發(fā)生泄漏,其釋放的大量毒氣極易與空氣混合成氣云并向周邊擴(kuò)散,進(jìn)而危及周圍居民的生命安全。此時,快速選擇合理高效的避難方式顯得尤為重要。目前,“疏散撤離”和“就地避難”是2種典型的避難方式,但由于歷史原因及城市化進(jìn)程的加快,我國部分化工園區(qū)等工業(yè)場所周邊存在大量既有建筑。這些區(qū)域人口密集,部分區(qū)域交通不便,加之居民年齡、心理素質(zhì)、教育程度等方面的影響,一旦發(fā)生毒氣泄漏事故,居民將很難在短時間內(nèi)安全撤離。此時,采取關(guān)閉建筑門窗和通風(fēng)換氣系統(tǒng)的“就地避難”方式,將成為居民完成自救的主要形式。

        針對“就地避難”,國外Chan等[1-3]引入傷亡減少因素、安全因子乘數(shù)對城市就地避難效果進(jìn)行分析;Jetter等[4]提出1種確定避難室空氣滲透量的改進(jìn)方法,并分析避難室內(nèi)CO2和O2濃度的變化;Montoya等[5]對用于分析避難室內(nèi)毒氣濃度的沉積模型、單沉降模型、沉降擴(kuò)散模型和雙沉降模型進(jìn)行比較,指出有毒物質(zhì)意外釋放或化學(xué)攻擊事件中室內(nèi)毒氣濃度模型越復(fù)雜、越完整,其適用性就越受限;Argyropoulos等[6]采用CFD方法建立毒氣滲透模型,對就地避難的風(fēng)險進(jìn)行評估;國內(nèi)趙永華[7]指出當(dāng)危險化學(xué)品從容器中1次或全部泄漏、蒸氣云迅速移動并擴(kuò)散、天氣狀況促進(jìn)氣體快速擴(kuò)散、泄漏容易控制且沒有爆炸性或易燃性氣體存在時,采取就地避難是有效的避難方式;華敏等[8]模擬分析了滲透吸附作用、空間體積、有效吸附面積等因素對避難室內(nèi)毒氣濃度的影響;Gai等[9]針對高壓硫化氫氣井泄漏,提出1種就地遮蔽風(fēng)險評估方法。國內(nèi)學(xué)者較少關(guān)注“就地避難”對減少事故人員傷亡的可行性與有效性。建筑氣密性對就地避難效果產(chǎn)生重要影響,針對不同氣密性建筑采用就地避難策略的有效性研究尚較為缺乏。

        為此,本文通過提出就地避難有效性分析方法,對建筑作為“就地避難場所”的可靠性與有效性進(jìn)行評價,并最終提出就地避難建筑需滿足的氣密性條件,以期為毒氣泄漏威脅下公眾采取就地避難應(yīng)急響應(yīng)決策提供依據(jù)。

        1 研究方法

        1.1 室外毒氣濃度模型

        毒氣擴(kuò)散模型是描述大氣對毒氣輸移、擴(kuò)散和稀釋作用的時空復(fù)合模型。高斯模型由于具有易于理解、運(yùn)算量小、模型簡單、計算值與實驗值吻合較好等特點,得到了廣泛應(yīng)用[10]。由于就地避難方式更適用于毒氣瞬時泄漏的情況,故本文采用式(1)所示的高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型模擬毒氣瞬時泄漏的濃度分布。

        (1)

        式中:Cout(x,y,z,t)為空間中某點隨時間變化的毒氣質(zhì)量濃度,mg/m3;t為擴(kuò)散時間,s;Q為泄漏總量,mg;u為環(huán)境平均風(fēng)速,m/s;H為泄漏源有效高度,m;σx,σy,σz分別為風(fēng)向、垂直于風(fēng)向的水平方向及豎直方向的擴(kuò)散系數(shù)。

        1.2 室內(nèi)毒氣濃度模型

        毒氣滲入建筑內(nèi),室內(nèi)材料的吸附可能導(dǎo)致濃度下降,但也可能發(fā)生隨后的脫附,由于吸附/脫附模型需確定材料的參數(shù)且模型復(fù)雜,而材料種類多樣且參數(shù)獲取不便也導(dǎo)致了模型的適用性受到限制[5]。因此,本文不考慮室內(nèi)建筑材料等對毒氣的吸附、脫附作用,假設(shè)室內(nèi)氣體均勻瞬時混合,則毒氣濃度可通過式(2)計算。

        (2)

        式中:Cin(x,y,z,t)為隨時間變化的室內(nèi)毒氣濃度,mg/m3;Nn為建筑的換氣次數(shù),0.1h-1。

        1.3 毒氣臨界濃度

        毒物濃度傷害準(zhǔn)則規(guī)定了有毒物質(zhì)的臨界濃度值,只有毒物濃度高于某一臨界濃度值(稱之為濃度閾值)時才會造成人員傷害。目前應(yīng)用較多的是美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會制定的應(yīng)急反應(yīng)計劃指南(ERPGs),該指南規(guī)定了3種濃度(ERPG-1,2,3),其中ERPG-1表征所有人暴露于毒氣環(huán)境中約1 h,除輕微、短暫的不良健康影響或明顯感到令人討厭的氣味之外,不會有其他不良影響的最高濃度[11]。本文將ERPG-1濃度作為判斷就地避難有效性的依據(jù)。

        1.4 建筑氣密性

        建筑氣密性是指建筑在封閉狀態(tài)下阻止空氣滲透的能力[12],用于表征建筑或房間在正常密閉情況下的無組織空氣滲透量,通常用換氣次數(shù)(Nn)來表征建筑氣密性。毒氣通過就地避難建筑的典型滲透路徑滲入室內(nèi),對人員安全健康產(chǎn)生影響。建筑氣密性越高,其空氣滲透阻力越大,毒氣滲透量越小,避難效果越好,反之亦然。我國工業(yè)園區(qū)附近建筑涉及到與氣密性有關(guān)的建筑年代、建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)計建造水平、外門窗類型等參數(shù)差異很大,氣密性水平分布范圍廣。

        《建筑整體氣密性檢測及性能評價標(biāo)準(zhǔn)》T/CECS 704—2020[13]將建筑整體氣密性等級按自然壓差下的換氣次數(shù)(Nn)分為8級,見表1。當(dāng)Nn不大于0.15時,建筑氣密性等級為8級,氣密性能優(yōu)異;當(dāng)Nn大于3時,建筑氣密性等級為1級,氣密性能差。實際應(yīng)用中,可通過測試建筑換氣次數(shù),進(jìn)而確定建筑氣密性等級。本文以此氣密性分級標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),探討不同氣密性水平下建筑作為避難場所的有效性。

        表1 建筑整體氣密性分級Table 1 Classification on overall air tightness of building

        2 建筑氣密性對就地避難效果的影響分析

        2.1 模型參數(shù)

        考慮到氯氣是我國重氣事故發(fā)生率最多的危險化學(xué)品之一,本文以氯氣泄漏事故為研究對象。根據(jù)ERPGs,氯氣ERPG-1值為1×10-6(2.9 mg/m3)。假設(shè)在某種極端情況下發(fā)生災(zāi)害性事故而導(dǎo)致1 000 kg氯氣泄漏進(jìn)入大氣,事故周邊地形空曠平坦,大氣穩(wěn)定度為C類,室外平均風(fēng)速3 m/s,則擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)a=0.209,b=0.897,c=0.220,d=0.800[14]。考慮最不利情況,即主導(dǎo)風(fēng)向上建筑的避難效果,假設(shè)泄漏源有效高度為零。

        洋桔梗喜歡溫暖、霜期短、稍干燥的環(huán)境條件,最適溫度15~25 ℃,低于5 ℃或高于42 ℃幾乎停止生長,屬長日照植物,要求每天日照16 h為佳[2]。閩西北年平均氣溫17.9 ℃,最熱月(7月)平均氣溫24.9 ℃,極端最高溫為38.5 ℃,最冷月(1月)平均氣溫5.6 ℃;常年平均日照時間為1603.9 h;≥10 ℃的年積溫在5015~5157 ℃之間;全年無霜期253~280 d,基本適合洋桔梗生長。

        2.2 室外濃度

        圖1為距泄漏源不同距離處室外毒氣濃度變化情況。距泄漏源0.5 km處,毒氣在事故發(fā)生后167 s達(dá)到了峰值3 048.68 mg/m3,隨后毒氣濃度迅速降低。室外毒氣持續(xù)時間為245 s,雖然時間較短,但濃度極大,若不采取有力避難措施,將嚴(yán)重危及人員生命。距離泄漏源1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 km處,毒氣分別在事故發(fā)生后333,500,667,833,1 000,1 167,1 333,1 500,1 667 s達(dá)到峰值505.00,176.41,83.64,46.89,29.22,19.59,13.85,10.21,7.76 mg/m3,隨后迅速降低,毒氣從產(chǎn)生到消散的持續(xù)時間分別為440,617,785,943,1 095,1 244,1 388,1 529,1 668 s。即距泄漏源越遠(yuǎn),室外毒氣濃度越低,持續(xù)時間也相對越長??傮w來說,事故初期,毒氣密集在泄漏源附近,濃度大,但持續(xù)時間短,隨后由于環(huán)境溫度、風(fēng)力、湍流等影響,有毒煙團(tuán)漂移、擴(kuò)散,毒氣擴(kuò)散范圍變大,濃度逐漸減小,持續(xù)時間變長,形成不同危害程度的區(qū)域。

        圖1 泄漏源不同距離處室外毒氣濃度Fig.1 Outdoor toxic gas concentrations at different distances from leakage source

        2.3 室內(nèi)濃度

        圖2為距泄漏源不同距離處室內(nèi)外毒氣濃度變化情況。相較于室外,室內(nèi)毒氣濃度變化緩慢。以距泄漏源0.5 km處為例,在事故發(fā)生后70 s左右室內(nèi)毒氣濃度開始升高。換氣次數(shù)分別為0.15,0.3,0.5,0.8,1.3,2,3的建筑,室內(nèi)毒氣濃度分別在232,228,226,223,220,217,214 s,達(dá)到對應(yīng)峰值5.83,11.63,19.33,30.78,49.64,75.62,111.92 mg/m3,隨后室內(nèi)毒氣濃度逐漸降低,濃度升高的速度遠(yuǎn)大于降低的速度。換氣次數(shù)為3的建筑其室內(nèi)毒氣濃度峰值是換氣次數(shù)為0.15時的約19倍。距泄漏源5.0 km處,對應(yīng)換氣次數(shù)為0.15,0.3,0.5,0.8,1.3,2,3的建筑,室內(nèi)毒氣濃度分別在2 087,2 051,2 024,1 997,1 968,1 941,1 914 s達(dá)到了對應(yīng)峰值0.12,0.23,0.37,0.58,0.90,1.30,1.82 mg/m3,換氣次數(shù)為3的建筑其室內(nèi)毒氣濃度峰值是換氣次數(shù)為0.15時的約15倍。整體而言,距泄漏源越遠(yuǎn),室內(nèi)毒氣濃度越低,持續(xù)時間也越長,不同氣密性建筑阻止毒氣滲透的能力相差很大。

        圖2 距泄漏源不同距離處室內(nèi)外毒氣濃度Fig.2 Outdoor and indoor toxic gas concentrations at different distances from leakage source

        圖2對比可知,距泄漏源同一距離處,不同氣密性建筑室內(nèi)毒氣增加的速度相差很小,相比較,室內(nèi)毒氣降低的速度相差較明顯。以距泄漏源0.5 km處為例,事故發(fā)生后3 900 s左右,換氣次數(shù)為3的建筑其室內(nèi)毒氣濃度已低于換氣次數(shù)為0.15的建筑。即建筑氣密性對室內(nèi)毒氣濃度降低的速度影響明顯,且降速隨氣密性等級的增大而明顯放緩。這是由于當(dāng)室內(nèi)毒氣濃度增加時,室內(nèi)外濃度差很大,此時濃度差是影響毒氣滲入量的主要原因;當(dāng)室內(nèi)濃度下降時,此時室內(nèi)外濃度差相差較小,建筑氣密性是影響毒氣滲出量的主要因素,導(dǎo)致氣密性差的建筑毒氣向室外滲出的速度更快。

        2.4 就地避難有效性

        圖3為距泄漏源不同距離處不同氣密性建筑室內(nèi)毒氣濃度峰值。距離泄漏源0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 km處,換氣次數(shù)為3的建筑室內(nèi)對應(yīng)的毒氣最大濃度分別為111.92,33.43,16.33,9.77,6.53,4.69,3.53,2.76,2.22,1.82 mg/m3,換氣次數(shù)為0.15的建筑室內(nèi)對應(yīng)的毒氣最大濃度分別為5.83,1.79,0.9,0.55,0.38,0.28,0.21,0.17,0.14,0.12 mg/m3??傮w而言,建筑氣密性越差,室內(nèi)毒氣濃度越高,就地避難的有效性越低。距泄漏源越近,氣密性差異造成的毒氣濃度相差越大,當(dāng)距泄漏源距離超過3.5 km時,不同氣密性條件下室內(nèi)毒氣濃度相差較小,即距泄漏源越近,建筑氣密性對避難效果的影響越大。

        圖3 距泄漏源不同距離處室內(nèi)毒氣濃度峰值Fig.3 Indoor toxic gas peak concentration at different distances from leakage source

        在距泄漏源0.5 km處,即使當(dāng)建筑的換氣次數(shù)為0.15時,室內(nèi)毒氣最大濃度仍為5.83 mg/m3,高于氯氣ERPG-1值,對室內(nèi)人員健康產(chǎn)生影響,此時采用無防護(hù)措施的就地避難策略無法保證室內(nèi)人員的安全健康。在距離泄漏源1.0 km處,當(dāng)建筑換氣次數(shù)為0.15時,室內(nèi)毒氣的最大濃度低于氯氣ERPG-1值,此時就地避難有效。同樣,在距泄漏源分別為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 km處,室內(nèi)毒氣最大濃度低于氯氣ERPG-1值對應(yīng)的換氣次數(shù)分別為0.5,0.8,0.8,1.3,2,3,3,3。距泄漏源越遠(yuǎn),對就地避難建筑氣密性的要求也越低。

        本文給出研究場景下就地避難策略有效性建議(圖4),即當(dāng)距離泄漏源1.0 km以內(nèi)時,就地避難無效,此時應(yīng)采用有防護(hù)措施的疏散策略,或在就地避難處設(shè)置濾毒裝置等高濃度防護(hù)等級的避難室,方能保證人員安全。距離泄漏源分別為1.0~1.5,1.5~2.0,2.0~2.5,2.5~3.0,3.0~3.5,3.5~4.0,4.0~5.0 km的距離范圍內(nèi),就地避難有效的條件為建筑氣密性水平分別在8級及以上、6級及以上、5級及以上、4級及以上、3級及以上、2級及以上、1級。當(dāng)就地避難建筑無法滿足相應(yīng)氣密性要求時,同樣應(yīng)采取有防護(hù)措施的疏散策略,或在就地避難處設(shè)置避難室避難。

        圖4 研究場景下就地避難有效性建議Fig.4 Suggestion for effectiveness of shelter-in-place in study scenario

        2.5 解除就地避難

        圖5為室內(nèi)毒氣濃度從峰值降為0的時間。當(dāng)換氣次數(shù)為3時,距泄漏源不同距離處室內(nèi)毒氣濃度從峰值降低到0的時間在1.6~3.0 h范圍內(nèi);當(dāng)換氣次數(shù)為0.15時,相應(yīng)的時間在13.9~40.0 h范圍內(nèi)??梢姡覂?nèi)恢復(fù)到無毒狀態(tài)所需時間長,且氣密性越好,時間也越長。由圖1可知,室外毒氣濃度快速增加達(dá)到峰值后迅速降低,距離泄漏源0.5~5.0 km處,持續(xù)時間僅為0.068~0.463 h,由圖2可知,室內(nèi)毒氣濃度快速達(dá)到峰值后緩慢降低,當(dāng)室外毒氣濃度降為0時,室內(nèi)毒氣濃度仍處于較高水平,且降低速度緩慢,在室內(nèi)毒氣降低的時間段內(nèi)仍采用就地避難策略對人員的安全健康不利。由于室外毒氣濃度具有濃度高、持續(xù)時間短,而室內(nèi)毒氣濃度具有濃度相對低,但持續(xù)時間長的特性,故當(dāng)室外毒氣消散后應(yīng)及時終止就地避難,開窗通風(fēng)以加快室內(nèi)毒氣濃度的降低速度,促進(jìn)室內(nèi)毒氣向外擴(kuò)散。原則上,當(dāng)室外濃度低于室內(nèi)濃度即可解除就地避難,但實際事故中這一時刻的掌握較難,且室外毒氣濃度降低很快,故本文建議將室外濃度降低為0的時刻作為解除就地避難的時間。實際事故發(fā)生時,由于距泄漏源距離不同,不同地點解除就地避難的最佳時間也不盡相同,因此,可利用本文提出的方法或通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對不同區(qū)域不同建筑終止就地避難的時間進(jìn)行預(yù)測,并在事故發(fā)生后及時預(yù)警公眾解除避難,以提高就地避難的有效性。

        圖5 泄漏源不同距離處室內(nèi)毒氣濃度從峰值降為0的時間Fig.5 Time of indoor toxic gas concentration decreasing from peak to zero at different distances from leakage source

        3 結(jié)論

        1)毒氣泄漏威脅下,室外毒氣濃度短時間內(nèi)達(dá)到峰值后迅速回落,室內(nèi)毒氣濃度短時間內(nèi)達(dá)到峰值后回落緩慢,室內(nèi)外毒氣峰值濃度相差很大。室內(nèi)毒氣濃度達(dá)到峰值所需時間受氣密性影響小,但其降速隨氣密性等級的增大而明顯放緩。

        2)評估就地避難防護(hù)有效性時,應(yīng)充分考慮不同建筑氣密性的差異性及建筑距泄漏源的距離。本文研究的場景下,距泄漏源分別為1.0~1.5,1.5~2.0,2.0~2.5,2.5~3.0,3.0~3.5,3.5~4.0,4.0~5.0 km范圍內(nèi),建筑氣密性水平分別達(dá)到8級、6級、5級、4級、3級、2級及1級時,就地避難有效。

        3)相較于室外,室內(nèi)恢復(fù)到無毒狀態(tài)所需時間長,故及時解除就地避難十分必要,本文建議將室外有毒氣體濃度降為0的時刻作為解除就地避難的時間。實際事故發(fā)生時,由于距泄漏源距離不同,不同地點解除就地避難的最佳時間也不盡相同,因此,可利用本文提出的方法或通過監(jiān)測對不同區(qū)域不同建筑解除就地避難的時間進(jìn)行預(yù)測,并在事故發(fā)生后及時預(yù)警公眾解除避難,以提高就地避難的有效性。

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