毒气泄漏威胁下建筑气密性对就地避难效果影响研究*

邓月超，孟 冲，席学军，谢琳娜

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013； 2.中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

化工园区工业生产中涉及的有毒气体在运输、储存和使用过程中一旦发生泄漏，其释放的大量毒气极易与空气混合成气云并向周边扩散，进而危及周围居民的生命安全。此时，快速选择合理高效的避难方式显得尤为重要。目前，“疏散撤离”和“就地避难”是2种典型的避难方式，但由于历史原因及城市化进程的加快，我国部分化工园区等工业场所周边存在大量既有建筑。这些区域人口密集，部分区域交通不便，加之居民年龄、心理素质、教育程度等方面的影响，一旦发生毒气泄漏事故，居民将很难在短时间内安全撤离。此时，采取关闭建筑门窗和通风换气系统的“就地避难”方式，将成为居民完成自救的主要形式。

针对“就地避难”，国外Chan等[1-3]引入伤亡减少因素、安全因子乘数对城市就地避难效果进行分析；Jetter等[4]提出1种确定避难室空气渗透量的改进方法，并分析避难室内CO2和O2浓度的变化；Montoya等[5]对用于分析避难室内毒气浓度的沉积模型、单沉降模型、沉降扩散模型和双沉降模型进行比较，指出有毒物质意外释放或化学攻击事件中室内毒气浓度模型越复杂、越完整，其适用性就越受限；Argyropoulos等[6]采用CFD方法建立毒气渗透模型，对就地避难的风险进行评估；国内赵永华[7]指出当危险化学品从容器中1次或全部泄漏、蒸气云迅速移动并扩散、天气状况促进气体快速扩散、泄漏容易控制且没有爆炸性或易燃性气体存在时，采取就地避难是有效的避难方式；华敏等[8]模拟分析了渗透吸附作用、空间体积、有效吸附面积等因素对避难室内毒气浓度的影响；Gai等[9]针对高压硫化氢气井泄漏，提出1种就地遮蔽风险评估方法。国内学者较少关注“就地避难”对减少事故人员伤亡的可行性与有效性。建筑气密性对就地避难效果产生重要影响，针对不同气密性建筑采用就地避难策略的有效性研究尚较为缺乏。

为此，本文通过提出就地避难有效性分析方法，对建筑作为“就地避难场所”的可靠性与有效性进行评价，并最终提出就地避难建筑需满足的气密性条件，以期为毒气泄漏威胁下公众采取就地避难应急响应决策提供依据。

1 研究方法

1.1 室外毒气浓度模型

毒气扩散模型是描述大气对毒气输移、扩散和稀释作用的时空复合模型。高斯模型由于具有易于理解、运算量小、模型简单、计算值与实验值吻合较好等特点，得到了广泛应用[10]。由于就地避难方式更适用于毒气瞬时泄漏的情况，故本文采用式(1)所示的高斯烟团扩散模型模拟毒气瞬时泄漏的浓度分布。

(1)

式中：Cout(x,y,z,t)为空间中某点随时间变化的毒气质量浓度，mg/m3；t为扩散时间，s；Q为泄漏总量，mg；u为环境平均风速，m/s；H为泄漏源有效高度，m；σx，σy，σz分别为风向、垂直于风向的水平方向及竖直方向的扩散系数。

1.2 室内毒气浓度模型

毒气渗入建筑内，室内材料的吸附可能导致浓度下降，但也可能发生随后的脱附，由于吸附/脱附模型需确定材料的参数且模型复杂，而材料种类多样且参数获取不便也导致了模型的适用性受到限制[5]。因此，本文不考虑室内建筑材料等对毒气的吸附、脱附作用，假设室内气体均匀瞬时混合，则毒气浓度可通过式(2)计算。

(2)

式中：Cin(x,y,z,t)为随时间变化的室内毒气浓度，mg/m3；Nn为建筑的换气次数，0.1h-1。

1.3 毒气临界浓度

毒物浓度伤害准则规定了有毒物质的临界浓度值，只有毒物浓度高于某一临界浓度值(称之为浓度阈值)时才会造成人员伤害。目前应用较多的是美国工业卫生协会制定的应急反应计划指南(ERPGs)，该指南规定了3种浓度(ERPG-1，2，3)，其中ERPG-1表征所有人暴露于毒气环境中约1 h，除轻微、短暂的不良健康影响或明显感到令人讨厌的气味之外，不会有其他不良影响的最高浓度[11]。本文将ERPG-1浓度作为判断就地避难有效性的依据。

1.4 建筑气密性

建筑气密性是指建筑在封闭状态下阻止空气渗透的能力[12]，用于表征建筑或房间在正常密闭情况下的无组织空气渗透量,通常用换气次数(Nn)来表征建筑气密性。毒气通过就地避难建筑的典型渗透路径渗入室内，对人员安全健康产生影响。建筑气密性越高，其空气渗透阻力越大，毒气渗透量越小，避难效果越好，反之亦然。我国工业园区附近建筑涉及到与气密性有关的建筑年代、建筑结构、设计建造水平、外门窗类型等参数差异很大，气密性水平分布范围广。

《建筑整体气密性检测及性能评价标准》T/CECS 704—2020[13]将建筑整体气密性等级按自然压差下的换气次数(Nn)分为8级，见表1。当Nn不大于0.15时，建筑气密性等级为8级，气密性能优异；当Nn大于3时，建筑气密性等级为1级，气密性能差。实际应用中，可通过测试建筑换气次数，进而确定建筑气密性等级。本文以此气密性分级标准为依据，探讨不同气密性水平下建筑作为避难场所的有效性。

表1 建筑整体气密性分级Table 1 Classification on overall air tightness of building

2 建筑气密性对就地避难效果的影响分析

2.1 模型参数

考虑到氯气是我国重气事故发生率最多的危险化学品之一，本文以氯气泄漏事故为研究对象。根据ERPGs，氯气ERPG-1值为1×10-6(2.9 mg/m3)。假设在某种极端情况下发生灾害性事故而导致1 000 kg氯气泄漏进入大气，事故周边地形空旷平坦，大气稳定度为C类，室外平均风速3 m/s，则扩散参数系数a=0.209，b=0.897，c=0.220，d=0.800[14]。考虑最不利情况，即主导风向上建筑的避难效果，假设泄漏源有效高度为零。

洋桔梗喜欢温暖、霜期短、稍干燥的环境条件，最适温度15～25 ℃，低于5 ℃或高于42 ℃几乎停止生长，属长日照植物，要求每天日照16 h为佳[2]。闽西北年平均气温17.9 ℃，最热月(7月)平均气温24.9 ℃，极端最高温为38.5 ℃，最冷月(1月)平均气温5.6 ℃；常年平均日照时间为1603.9 h；≥10 ℃的年积温在5015～5157 ℃之间；全年无霜期253～280 d，基本适合洋桔梗生长。

2.2 室外浓度

图1为距泄漏源不同距离处室外毒气浓度变化情况。距泄漏源0.5 km处，毒气在事故发生后167 s达到了峰值3 048.68 mg/m3，随后毒气浓度迅速降低。室外毒气持续时间为245 s，虽然时间较短，但浓度极大，若不采取有力避难措施，将严重危及人员生命。距离泄漏源1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 km处，毒气分别在事故发生后333，500，667，833，1 000，1 167，1 333，1 500，1 667 s达到峰值505.00，176.41，83.64，46.89，29.22，19.59，13.85，10.21，7.76 mg/m3，随后迅速降低，毒气从产生到消散的持续时间分别为440，617，785，943，1 095，1 244，1 388，1 529，1 668 s。即距泄漏源越远，室外毒气浓度越低，持续时间也相对越长。总体来说，事故初期，毒气密集在泄漏源附近，浓度大，但持续时间短，随后由于环境温度、风力、湍流等影响，有毒烟团漂移、扩散，毒气扩散范围变大，浓度逐渐减小，持续时间变长，形成不同危害程度的区域。

图1 泄漏源不同距离处室外毒气浓度Fig.1 Outdoor toxic gas concentrations at different distances from leakage source

2.3 室内浓度

图2为距泄漏源不同距离处室内外毒气浓度变化情况。相较于室外，室内毒气浓度变化缓慢。以距泄漏源0.5 km处为例，在事故发生后70 s左右室内毒气浓度开始升高。换气次数分别为0.15，0.3，0.5，0.8，1.3，2，3的建筑，室内毒气浓度分别在232，228，226，223，220，217，214 s，达到对应峰值5.83，11.63，19.33，30.78，49.64，75.62，111.92 mg/m3，随后室内毒气浓度逐渐降低，浓度升高的速度远大于降低的速度。换气次数为3的建筑其室内毒气浓度峰值是换气次数为0.15时的约19倍。距泄漏源5.0 km处，对应换气次数为0.15，0.3，0.5，0.8，1.3，2，3的建筑，室内毒气浓度分别在2 087，2 051，2 024，1 997，1 968，1 941，1 914 s达到了对应峰值0.12，0.23，0.37，0.58，0.90，1.30，1.82 mg/m3，换气次数为3的建筑其室内毒气浓度峰值是换气次数为0.15时的约15倍。整体而言，距泄漏源越远，室内毒气浓度越低，持续时间也越长，不同气密性建筑阻止毒气渗透的能力相差很大。

图2 距泄漏源不同距离处室内外毒气浓度Fig.2 Outdoor and indoor toxic gas concentrations at different distances from leakage source

图2对比可知，距泄漏源同一距离处，不同气密性建筑室内毒气增加的速度相差很小，相比较，室内毒气降低的速度相差较明显。以距泄漏源0.5 km处为例，事故发生后3 900 s左右，换气次数为3的建筑其室内毒气浓度已低于换气次数为0.15的建筑。即建筑气密性对室内毒气浓度降低的速度影响明显，且降速随气密性等级的增大而明显放缓。这是由于当室内毒气浓度增加时，室内外浓度差很大，此时浓度差是影响毒气渗入量的主要原因；当室内浓度下降时，此时室内外浓度差相差较小，建筑气密性是影响毒气渗出量的主要因素，导致气密性差的建筑毒气向室外渗出的速度更快。

2.4 就地避难有效性

图3为距泄漏源不同距离处不同气密性建筑室内毒气浓度峰值。距离泄漏源0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 km处，换气次数为3的建筑室内对应的毒气最大浓度分别为111.92，33.43，16.33，9.77，6.53，4.69，3.53，2.76，2.22，1.82 mg/m3，换气次数为0.15的建筑室内对应的毒气最大浓度分别为5.83，1.79，0.9，0.55，0.38，0.28，0.21，0.17，0.14，0.12 mg/m3。总体而言，建筑气密性越差，室内毒气浓度越高，就地避难的有效性越低。距泄漏源越近，气密性差异造成的毒气浓度相差越大，当距泄漏源距离超过3.5 km时，不同气密性条件下室内毒气浓度相差较小，即距泄漏源越近，建筑气密性对避难效果的影响越大。

图3 距泄漏源不同距离处室内毒气浓度峰值Fig.3 Indoor toxic gas peak concentration at different distances from leakage source

在距泄漏源0.5 km处，即使当建筑的换气次数为0.15时，室内毒气最大浓度仍为5.83 mg/m3，高于氯气ERPG-1值，对室内人员健康产生影响，此时采用无防护措施的就地避难策略无法保证室内人员的安全健康。在距离泄漏源1.0 km处，当建筑换气次数为0.15时，室内毒气的最大浓度低于氯气ERPG-1值，此时就地避难有效。同样，在距泄漏源分别为1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 km处，室内毒气最大浓度低于氯气ERPG-1值对应的换气次数分别为0.5，0.8，0.8，1.3，2，3，3，3。距泄漏源越远，对就地避难建筑气密性的要求也越低。

本文给出研究场景下就地避难策略有效性建议(图4)，即当距离泄漏源1.0 km以内时，就地避难无效，此时应采用有防护措施的疏散策略，或在就地避难处设置滤毒装置等高浓度防护等级的避难室，方能保证人员安全。距离泄漏源分别为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的距离范围内，就地避难有效的条件为建筑气密性水平分别在8级及以上、6级及以上、5级及以上、4级及以上、3级及以上、2级及以上、1级。当就地避难建筑无法满足相应气密性要求时，同样应采取有防护措施的疏散策略，或在就地避难处设置避难室避难。

图4 研究场景下就地避难有效性建议Fig.4 Suggestion for effectiveness of shelter-in-place in study scenario

2.5 解除就地避难

图5为室内毒气浓度从峰值降为0的时间。当换气次数为3时，距泄漏源不同距离处室内毒气浓度从峰值降低到0的时间在1.6～3.0 h范围内；当换气次数为0.15时，相应的时间在13.9～40.0 h范围内。可见，室内恢复到无毒状态所需时间长，且气密性越好，时间也越长。由图1可知，室外毒气浓度快速增加达到峰值后迅速降低，距离泄漏源0.5～5.0 km处，持续时间仅为0.068～0.463 h，由图2可知，室内毒气浓度快速达到峰值后缓慢降低，当室外毒气浓度降为0时，室内毒气浓度仍处于较高水平，且降低速度缓慢，在室内毒气降低的时间段内仍采用就地避难策略对人员的安全健康不利。由于室外毒气浓度具有浓度高、持续时间短，而室内毒气浓度具有浓度相对低，但持续时间长的特性，故当室外毒气消散后应及时终止就地避难，开窗通风以加快室内毒气浓度的降低速度，促进室内毒气向外扩散。原则上，当室外浓度低于室内浓度即可解除就地避难，但实际事故中这一时刻的掌握较难，且室外毒气浓度降低很快，故本文建议将室外浓度降低为0的时刻作为解除就地避难的时间。实际事故发生时，由于距泄漏源距离不同，不同地点解除就地避难的最佳时间也不尽相同，因此，可利用本文提出的方法或通过监测数据对不同区域不同建筑终止就地避难的时间进行预测，并在事故发生后及时预警公众解除避难，以提高就地避难的有效性。

图5 泄漏源不同距离处室内毒气浓度从峰值降为0的时间Fig.5 Time of indoor toxic gas concentration decreasing from peak to zero at different distances from leakage source

3 结论

1)毒气泄漏威胁下，室外毒气浓度短时间内达到峰值后迅速回落，室内毒气浓度短时间内达到峰值后回落缓慢，室内外毒气峰值浓度相差很大。室内毒气浓度达到峰值所需时间受气密性影响小，但其降速随气密性等级的增大而明显放缓。

2)评估就地避难防护有效性时，应充分考虑不同建筑气密性的差异性及建筑距泄漏源的距离。本文研究的场景下，距泄漏源分别为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范围内，建筑气密性水平分别达到8级、6级、5级、4级、3级、2级及1级时，就地避难有效。

3)相较于室外，室内恢复到无毒状态所需时间长，故及时解除就地避难十分必要，本文建议将室外有毒气体浓度降为0的时刻作为解除就地避难的时间。实际事故发生时，由于距泄漏源距离不同，不同地点解除就地避难的最佳时间也不尽相同，因此，可利用本文提出的方法或通过监测对不同区域不同建筑解除就地避难的时间进行预测，并在事故发生后及时预警公众解除避难，以提高就地避难的有效性。