用于控制室内污染物扩散的应急通风策略清华大学建筑学院建筑技术科学系李先庭赵丽娜陈曦赵彬摘要当恐怖袭击发生在建筑内部时,设计合理的高效通风系统可以有效地控制污染物的传播从而减小这类恐怖事件的危害。本文从应急通风的特点出发,建立了一种新的应急通风策略,提出了一种针对此类紧急事件的应急通风效果的评价方法,并以此为依据阐述了如何在实际应用中预制系统通风方案、紧急事件发生时如何迅速判断并切换到最佳应急通风方式的应用过程。实现了在短时间内最大限度的降低室内污染物对人员影响,以抵御生化恐怖行动威胁,减少恐怖事件危害,保证人民生命安全的目标。关键词应急通风控制策略数值模拟人员逃生模拟室内污染物1前言近年来,国际社会对恐怖活动危害的认识越来越深,各国政府正在开展各种形式的合作以打击恐怖活动。其中,在公共场所释放有毒气体这类恐怖事件会对人的生命安全造成很大的危害并带来严重的社会政治影响。要减轻这类恐怖事件的危害,除政府及时的救援行动之外,室内的通风系统可以扮演非常重要的角色。在此之前,人们就在建筑物空调系统中安装空气过滤系统,以求在利用空气传播进行的化学或生物袭击中,可以有效的抵御室外散发源的污染。但发生在美国的通过信封夹带炭疽热病毒造成建筑内部污染等事件证明,空调系统中的过滤器无法在最短的时间内将室内污染物对人员的影响降到最低。另一方面,对于小分子、高毒性的毒气类污染物,再高效的过滤器也显得束手无策。因此,人们开始考虑能否从室内气流分布的特性出发,利用污染物分布和气流送入的特点,建立一种适用于反恐措施特殊要求的通风形式。当危险事件发生后,在紧急疏散人群的同时,能够把新鲜空气快速送向特定的地点和人群,并且控制污染物的扩散范围,从而降低逃生过程中污染物对人群的影响,为人群逃生赢得宝贵的时间。2研究现状除了一般民用建筑的防排烟标准外,国内外目前的应急类通风研究大部分着眼于隧道、公共交通工具内部及地下人防工程内的针对火灾烟气的通风研究。Modic在2003年对隧道烟气通风进行的数值模拟研究中指出,如果机械通风风速没有足够大,高温烟气会紧贴隧道顶部向各个方向蔓延,影响人员的逃生[1]。Li等在2003年对地下隧道的安全通风的数值模拟分析中,比较了不同的通风方式带来的结果差异[2]。Cheng等在2001年对地下工程的排烟系统的模拟结果指出,所研究系统中的类活塞流通风模式(push-pullventilationmodel)可以在火灾发生的时候最有效的将高温热空气和烟气排出[3]。Xue等在2000年对隧道安全通分的研究中,分析了不同风速的效果,指出了适合逃生的应急通风应提供风速接近或者略小于临界风速[4]。这些研究在考虑对人员逃生的影响时,均是用前人关于人员逃生所用时间的统计结果作为衡量依据,以通风能维持隧道内烟气浓度或温度低于某一标准来评价通风的效果。其中没有考虑随着时间的推移人在隧道中活动范围的变化,也没有考虑烟气给人带来的生理伤害而造成行动能力方面的变化。在其他形式的建筑内部应急通风研究方面,He等通过调查问卷和模拟计算等手段对厂房的火灾和烟气通风进行了研究,并讨论了不同的出口分布下人员需要的逃生时间和机械通风所能提供的安全逃生时间;并对不同火灾场景下的通风条件、出口个数等因素进行了敏感度分析[5]。Lu等在2001年对高层建筑物中避难层的设置在火灾逃生中的影响进行了研究,指出气流对烟气在避难层中的扩散起到重要的作用[6][7]。加拿大的Proulx.G等学者对一些火灾逃生演习调查结果的研究表明[8],人员受到烟气等空气中扩散物质的影响主要是发生在房间内。上述火灾通风研究均以整个建筑物作为研究对象,并没有着眼于在房间内通风模式对火灾人员逃生的不同效果。当前的研究主要基于稳态问题的污染物计算、评价研究,而应急通风要求更高效地将新鲜空气送入空间中的指定区域,迅速准确地排除指定区域内的污染物。因此,我们急需建立一种新的应急通风策略,寻求一种针对此类紧急事件的应急通风效果的评价方法,并以此为依据在实际应用中进行系统的通风策略预制、紧急事件发生时的迅速判断并切换到最佳应急通风方式的应用过程。从而实现在短时间内最大限度的降低室内污染物对人员的影响,以抵御生化恐怖行动的威胁,减少恐怖事件的危害,保证人民生命安全。3策略研究针对实际的应急通风问题,通风策略的研究工作大体上可分为以下三个阶段进行:第一阶段,预制通风策略。公共场所释放污染物时的应急通风要解决的问题主要有以下几个特点:(1)有毒气体在空间的扩散时间短,通常不会达到稳态;(2)空间各处的污染物浓度和空间各处的人员分布不均匀,而且会随时间不断变化,无人区域的污染物对人没有危害,人少区域的污染物造成的危害小;(3)有毒物质的释放位置不确定。然而,运用计算机对紧急事件进行CFD模拟需要较长的时间,这一时间长度往往远大于事件发生到结束的过程时间。如果当紧急事件已经发生,我们再按照现实情况进行模拟计算来制定应急通风策略,势必为时晚矣。因此,我们必须在事件发生前,对可能存在的典型事件情况进行预制模拟。此阶段的具体步骤如下:(1)考察房间日常功能和其通风系统应变能力,运用计算流体力学(CFD)的相关软件建立模型。考察房间功能是为了得到在正常使用下房间的人员分布情况,正常通风形式和稳态下房间的速度流场;考察通风能力是为了得到紧急事件发生时可供选择的所有通风形式和该形式下房间的稳态速度场,以便在后面进行分析论证。(2)分析确定房间中污染源可能出现的某种典型位置和浓度,模拟计算该污染物状态下人员逃生过程。(3)针对以上情况确定应急通风的目标函数,并由目标函数选择合理的通风效果评价方法。目前对污染物影响的描述方法主要有两个思路。一是从污染物在空间中的浓度分布规律出发的评价体系,即基于IACS(integratedaccessibilityofcontaminantsource)的应急通风效果评价方法[9],其特点为适用人员分布相对稳定的情况,且只需知道污染源的位置,缺陷在于不能体现逃生过程人员分布的复杂变化情况以及紧急事件发生时人员受到污染物影响的个体差异;二是从卫生学和医学的角度,评价人体在一定浓度、一定种类污染物环境中暴露一定的时间后,身体受到的机理性的伤害,即基于Haber定律的应急通风效果评价方法[10],它充分考虑了逃生过程中的人员分布变化细节及污染物对人员影响的个体差异,在污染物的种类和绝对浓度已知时评价结果会更加明确合理。(4)根据步骤(1)中所得房间的日常人员分布情况利用适当的模型得到合理的人员分布描述,用计算流体力学方法模拟分析系统所能提供的所有通风形式在该污染源位置和浓度情况下的通风效果。(5)利用步骤(3)选定的通风效果评价方法对不同通风形式下的效果进行评价,并确定出该污染物状态对应的最佳通风方案。(6)将该污染物状态对应的最佳通风方式存入数据库(如火灾自动报警系统FAS等)待用。改变污染源位置和浓度,返回步骤(4)循环以上计算,并将各种污染源状态对应的最佳通风方式存入数据库。第二阶段,污染源的探测与识别。由前文的叙述可知,空间污染源状态的检测辨识是应急通风策略中的一个关键环节。考虑在应急通风中,污染源的判断并不需要很高的精度,本文采用类似于区域模型的思想探索了一种粗略判断源位置的方法,只需判断在某个区域内,从而可以指导选择相应的通风形式。此阶段的具体步骤如下:(1)系统在线读取各浓度传感器反馈值。(2)计算各个区域的污染物发生率。将房间分成n个控制体,假设体心浓度为控制体内的平均浓度,并通过浓度传感器得浓度值;由于此时流场为已知,故可以将CFD模拟计算得到的速度场作为已知条件求得各个控制体之间的流量交换量,进而求得一段时间中控制体内的浓度增量,其浓度增长速度为每个控制体的污染物发生率。(3)判断污染源位置和浓度。基于以上思路可认为各个控制体中污染物发生率最大的即为污染源所在的区域,同时可获得该区域的污染物浓度。第三阶段,启动/切换预制的通风方案。当紧急事件发生时,系统将判断出的污染源状态信息通知人群、指导逃生,同时启动切换到合适的通风方案。此阶段的具体步骤如下:(1)读取污染源位置和浓度,并通知人群、指导人员逃生。(2)系统通过数据库(火灾自动报警系统FAS)查找相同或相似的污染源状态数据,提取该状态对应的最佳通风策略。(3)启动/切换相应的预制通风策略,完成应急过程。4应用示例第一阶段,预制通风策略。(1)考察房间日常功能和其通风系统应变能力,运用计算流体力学(CFD)的相关软件建立模型。已知房间为一个自助餐厅,如图1所示,尺寸为12m(长X)×3.5m(高Y)×12m(宽Z),门在南侧墙上,尺寸为1.6m(X)×2.3m(Y)。房间中的家具包括环三边的贴墙壁位置的长条桌,距地面0.7m,宽度为0.8m;以及房间中间的四根柱子,横截面尺寸为0.8m(X)×0.8m(Z)。房间四壁和天花板、地面均假设为绝热。每根柱子顶端环绕四圈日光灯,灯具的总发热量为150W×4=600W。室内人员总散热量为2800W,且为可穿透热源。图1房间示意图房间的基本通风方式为上送下回的混合通风。天花板上布置13个送风散流器,尺寸均为0.4m(X)×0.4m(Z),各个风口可以随意开启关闭;北、西、东墙接近地面的位置布置了10个排风口,尺寸均为1.0m(X/Z)×0.3m(Y)。房间的通风换气次数为6ACH,送风温度20ºC。设定5种通风模式,其风口开启方案和送风垂直风速见表1,13个送风口的平面布局见图2。表1房间通风方式设定通风模式流场开启送风口送风垂直风速11-13(全部)0.4m/s21-41.3125m/s31-70.75m/s410-131.3125m/s53、4、7、10、111.05m/s图2送风口平面布局图3房间内人员初始分布(2)确定房间中污染源可能出现的典型位置和浓度,模拟计算该污染物状态下人员逃生过程。假设房间中可能出现污染源的典型位置有三处,散发强度为3g/s。运用基于元胞自动机CA(CellularautomataEffect)的人员逃生模型[11],将房间平面划分为正方形元胞,边长为0.4m。鉴于房间的使用功能,设定人员的初始分布为随机分布,共80人,人员的初始分布平面见图3。模拟计算中取时间步长为0.5s,所有人员每个时间步可以移动一格。不考虑人员的行动能力受污染物的影响。运用STACH3软件分别计算5个稳态流场,截面图见图4。(a)流场1房间截面矢量图(Z=4.8m)(b)流场2房间截面矢量图(Z=2.0m)(c)流场3房间截面矢量图(Z=4.8m)(d)流场4房间截面矢量图(Z=10m)(e)流场5房间截面矢量图(Z=4.8m)图4应急通风策略应用算例稳态流场模拟结果假设所有人员从污染物开始散发后5分钟同时开始逃生。当污染源处于位置A,坐标为(0.5,3.4,7.0),即靠房间的一侧墙壁时,人员逃生中间过程如图5。(a)时间步10(b)时间步20(c)时间步30(d)时间步50图5源位置A人员逃生过程(3)确定应急通风的目标函数,并由目标函数选择合理的通风效果评价方法。由于逃生过程中的人员分布不断变化以及污染物对人员影响存在个体差异,应该选用基于Haber定律的应急通风效果评价方法。又因为污染物的种类无法得知,则通过不同通风形式下人员暴露量的相对大小来衡量通风形式的优劣。(4)模拟分析系统所能提供的所有通风形式在该污染源位置和浓度情况下的通风效果。图6给出了当污染源位于位置A时,不同流场造成的人员暴露量统计结果。由于逃生过程用二维模型模拟分析,截取浓度场Y=1.6m即呼气区浓度进行暴露量计算。(a)流场1中人员逃生过程暴露量统计(b)流场2中人员逃生过程暴露量统计(c)流场3中人员逃生过程暴露量统计(d)流场4中人员逃生过程暴露量统计(e)流场5中人员逃生过程暴露量统计图6污染源处于位置A时不同通风形式下人员暴露量统计(5)确定出该污染物状态对应的最佳通风方案。很显然,在污染源处于位置A的情况下,通风形式4的效果最好。当污染物种类可以得知时,评价通风效果的优劣将更加合理,即