王 磊,關 健,彭 猛,張 琨,韓 浩,康 健*,許嘉鈺**

不同通風模式下地鐵站毒氣擴散的實地試驗

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

(1.防化研究院,國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京 102205；2.清華大學環(huán)境學院,北京 100084)

為全面了解通風系統(tǒng)對地鐵站內有毒氣體擴散的影響,以北京某地鐵站為研究對象,開展了全尺寸實地擴散試驗.采用三維超聲波風速儀對機械通風和應急通風下的站內流場進行監(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,研究重氣的擴散與沉降,為疏散路徑規(guī)劃提供建議.結果表明,應急模式下各監(jiān)測點的風速更大,是機械通風的1.2～2倍;SF6在機械通風工況下擴散,會出現明顯的沉降現象,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;應急通風系統(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到200′10-6以上;應急處置時,需要盡快將乘客向上層或反向區(qū)域疏散,嚴禁開啟應急通風設備,避免地面氣體向呼吸區(qū)擴散.

地鐵站；氣體擴散；實地試驗；通風系統(tǒng)

為緩解市內交通壓力,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不暢等問題,極易成為化學恐怖襲擊或突發(fā)事件的主要目標[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,進行了典型生化襲擊場景分析,生化毒劑劑量反應關系分析,室內人員暴露單元及其分層模型等工作,其中有毒氣體擴散采用計算機模擬技術[12].在地下空間應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散模擬為基礎的安全評估系統(tǒng),已經在核生化防護工程和裝備研發(fā)設計等領域逐步應用.對于地鐵站等大型計算域,其空間結構和通風系統(tǒng)的設計極為復雜,簡化處理的計算模型和模擬艙均無法還原現場的實際情況,使計算結果出現不可預知的偏差.而全尺寸試驗在計算域實地開展,能夠獲取真實條件下空氣流動和有毒氣體擴散的時空數據,是研究地鐵站有毒氣體傳播的最直接可靠的手段[13-14].現階段,我國針對地鐵火災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煙氣實驗,對比了島式,側式站臺以及大型換乘站中煙霧的蔓延趨勢和機械排煙效率,根據濃煙和高溫覆蓋的面積優(yōu)化人員疏散路徑,進而降低人員傷亡[15-17].我國地鐵在應對生化恐怖襲擊方面的研究起步較晚,氣態(tài)有毒物質由于無色無味,其監(jiān)測點設置,時序采集和離線分析較為復雜,導致在已開通運營的站點開展大規(guī)模氣體釋放試驗困難重重,因此尚無全尺寸試驗的相關報道.

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

1 研究方法

1.1 車站概況和點位布置

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層結構,每層凈高約4m.負1層為東西2個站廳,釋放點位于負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置了2行通風口,各25個,北側為進風口,南側為排風口.正常工況下,地鐵站通風由活塞風和機械排風組成,總風量按照《地鐵設計規(guī)范》(GB50157-2013)要求,不得低于30m3/(h×人)[22],其中機械排風占比可在10%～100%浮動.經初步統(tǒng)計,該站客流量峰值約為200人/h,機械通風量約為0.6′104m3/h.地鐵站的應急通風模式主要用于火災煙霧排出和新風引入,排煙風量應按照60m3/(h×m2)設計[23-24].該站站臺面積約為1600m2,計算得到應急通風量9.7′104m3/h.

圖1 目標地鐵站結構示意

如圖2(a)所示,在站臺層S點(站臺中心正西2m)進行2次氣體釋放,機械通風和應急通風各1次.全站共設置13個采樣位置,其中站廳層設置5個0.5m采樣點;站臺層設置5個1.6m采樣點,代表呼吸區(qū)高度;另外在站臺的樓梯口、中線等典型位置設置3個3高度采樣點(包括0.5,1.6,2.5m),以期獲得垂直高度的濃度場數據.

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

圖2 污染源、采樣點和風速儀的布點示意

1.2 試驗方法

選擇SF6為目標氣體,密度為6.1kg/m3,在空氣中無本底,性質穩(wěn)定,適宜用作高密度毒氣的擴散模擬物.SF6鋼瓶氣經減壓閥接入自制廣口瓶,用以降低出口速度,釋放強度設定為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-質聯(lián)用儀,色譜柱為HP-5MS.

2 結果與討論

圖3為2種通風模式下(機械通風和應急通風,均無列車通過)站臺A1點的風向風速對比情況.機械通風時A1點流場較為穩(wěn)定,風向保持在90°±30°,即流體呈現持續(xù)的東向西走向,風速為0.1～0.3m/s,有利于有毒氣體向站臺西側的單向傳輸.應急通風開啟后,風向開始大幅波動,除了90°主導風向外,還出現了0°～45°、180°以及270°～360°的風向,同時風速提高至0.2～0.5m/s.應急通風為迅速排除站內火災產生的煙霧及CO[25],設置在頂部的通風口增大了通風量,增強了站臺空間的紊流,使流場呈無序狀態(tài).另一方面,均勻布置的多通道風速傳感器對比了兩種通風模式下1.6m處的風速變化.如圖4所示,應急模式下各監(jiān)測點的風速是機械通風的1.2～2倍,同樣說明了該模式可以整體增強室內空氣循環(huán).

如圖5(a)所示,受站臺主流場控制,氣體僅向站臺西側擴散,而東側(3-3)、(1-2)和(1-3)均未檢出SF6.在釋放SF6后,(3-2)與西南側(1-4)濃度迅速增加,在3min時距離SF6釋放口最近的(3-2)達到峰值,為143′10-6;在6min時樓梯口附近的(3-1),(1-4)和(1-5)達到峰值,分別為181,170,107′10-6.此外,由于南北頂部通風口的設置,空間內存在北向南的氣流,氣體擴散至(1-4)的速度更快且濃度更高,而擴散至與之對稱的(1-5)則速度更慢且濃度較低.停止釋放12min后,除樓梯西側(1-1)外,站臺層的SF6大量減少,小于35′10-6.而樓梯西側(1-1)則由于主流場方向的影響,易于出現有毒物質積累,停止釋放15min后,該區(qū)域濃度依舊可以達到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,機械通風條件下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 多通道風速儀對站臺層典型位置的監(jiān)測結果

圖6(a)結果表明,應急通風改變了原有的單向主流場,有毒氣體在站臺呈現雙向擴散的現象,東側(3-3)與西側(3-2)在3min時同時達到峰值,分別為209和190′10-6;氣體向東站臺的擴散趨勢強于西站臺,東側樓梯附近(1-2)、(1-3)檢測到的峰值濃度分別為220和184′10-6,遠高于西側(1-1)、(3-1)的峰值濃度.如圖7(b)所示,應急通風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,該站通風口設置在頂部,因此應急通風為增大排煙效率,會增加頂部的排風風量,因此底部沉降的SF6受其影響,在垂直高度的擴散能力得到增強.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 機械通風下,地鐵站典型位置的SF6濃度變化

圖6 應急通風下,地鐵站典型位置的SF6濃度變化

綜上所述,在應急通風作用下,沉積在地面的有毒氣體大量擴散至呼吸區(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,最高均可達到200′10-6以上.如果有毒氣體泄露,應急通風模式開啟后會導致流場發(fā)生變化,從而導致沉降在地面的有毒氣體上升到呼吸道附近;從機械通風時僅在西側存在有毒氣體,變?yōu)檎麄€站臺均存在高濃度氣體,東西站臺濃度最高均達到200′10-6以上,高于機械通風時最高濃度181′10-6.以上說明在發(fā)生毒氣泄漏時應急通風增加了呼吸區(qū)氣體濃度,這將增加傷亡率.因此,在發(fā)生毒氣泄漏時應關閉應急通風.

3 結論

3.1 該地鐵站臺在機械通風工況下,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入站廳層,進而通過乘客出入口排至地面.受頂部通風口影響,有毒氣體主要通過樓梯南側擴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)域內流動.

3.2 在應急通風作用下,原有主流場發(fā)生變化,換氣量增大,站臺空間的紊流增強,使流場更加無序.沉積在地面的有毒氣體大量擴散至呼吸區(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到200′10-6以上.

3.3 采用頂部排煙設計的應急通風模式,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使擴散范圍從機械通風的局部區(qū)域傳輸變?yōu)槿緮U散,覆蓋面積更大.因此,對于核生化恐怖襲擊,應當禁止開啟頂部排煙設備或安裝地面排風,盡力減少吸入傷害.

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In-situ experimental study on poison gas diffusion in subway station under different ventilation modes.

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,清華大學博士研究生,主要從事室內環(huán)境凈化、模擬等方向的研究.發(fā)表論文3篇.

2021-08-01

*責任作者, 副研究員, larance0130@163.com;** 副教授, jiayu_ tsinghua@163.com