不同通风模式下地铁站毒气扩散的实地试验

王 磊,关 健,彭 猛,张 琨,韩 浩,康 健*,许嘉钰**

不同通风模式下地铁站毒气扩散的实地试验

王 磊1,2,关 健2,彭 猛2,张 琨2,韩 浩1,康 健1*,许嘉钰2**

(1.防化研究院,国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 102205；2.清华大学环境学院,北京 100084)

为全面了解通风系统对地铁站内有毒气体扩散的影响,以北京某地铁站为研究对象,开展了全尺寸实地扩散试验.采用三维超声波风速仪对机械通风和应急通风下的站内流场进行监测,分析其气流组织形式;采用六氟化硫(SF6)释放,时序采集和离线检测的方法,研究重气的扩散与沉降,为疏散路径规划提供建议.结果表明,应急模式下各监测点的风速更大,是机械通风的1.2～2倍;SF6在机械通风工况下扩散,会出现明显的沉降现象,易于在楼梯和边缘等位置的地面积累从而形成局部高浓度区域,且长时间高于50´10-6;应急通风系统开启后,沉降的SF6加速向上传输,且会快速充满整个站台,东西站台浓度最高均达到200´10-6以上;应急处置时,需要尽快将乘客向上层或反向区域疏散,严禁开启应急通风设备,避免地面气体向呼吸区扩散.

地铁站；气体扩散；实地试验；通风系统

为缓解市内交通压力,地下轨道交通已成为减少交通拥堵、降低事故、减轻污染、提高通勤效率的有效出行方式.然而值得关注的是,地铁系统一般具有空间狭小封闭和客流密度大以及通风不畅等问题,极易成为化学恐怖袭击或突发事件的主要目标[1-10],例如日本东京地铁发生的沙林毒气恐怖袭击事件[11].

已有研究针对生化袭击与建筑环境安全,进行了典型生化袭击场景分析,生化毒剂剂量反应关系分析,室内人员暴露单元及其分层模型等工作,其中有毒气体扩散采用计算机模拟技术[12].在地下空间应对生化恐怖袭击安全性评估与策略研究方面,该研究提出的以有毒气体扩散模拟为基础的安全评估系统,已经在核生化防护工程和装备研发设计等领域逐步应用.对于地铁站等大型计算域,其空间结构和通风系统的设计极为复杂,简化处理的计算模型和模拟舱均无法还原现场的实际情况,使计算结果出现不可预知的偏差.而全尺寸试验在计算域实地开展,能够获取真实条件下空气流动和有毒气体扩散的时空数据,是研究地铁站有毒气体传播的最直接可靠的手段[13-14].现阶段,我国针对地铁火灾的全尺寸试验研究相对全面.南昌和广州的多个地铁站开展了火灾烟气实验,对比了岛式,侧式站台以及大型换乘站中烟雾的蔓延趋势和机械排烟效率,根据浓烟和高温覆盖的面积优化人员疏散路径,进而降低人员伤亡[15-17].我国地铁在应对生化恐怖袭击方面的研究起步较晚,气态有毒物质由于无色无味,其监测点设置,时序采集和离线分析较为复杂,导致在已开通运营的站点开展大规模气体释放试验困难重重,因此尚无全尺寸试验的相关报道.

为全面了解通风系统对地铁站内有毒有害气体扩散的影响,选取北京地铁某站为目标站,以SF6为示踪气体[18-21],开展了全尺寸气体扩散试验研究,通过改变通风模式,对其气体沉降、传输速率、扩散范围等进行分析,旨在为应急通风提供建议.

1 研究方法

1.1 车站概况和点位布置

本试验在北京15号线某地铁站台开展.如图1所示,该车站整体呈东西走向,为地下2层结构,每层净高约4m.负1层为东西2个站厅,释放点位于负2层,典型岛式站台,两端通过扶梯与站厅相连,尺寸为112.5m´14m.站台顶部呈东西走向设置了2行通风口,各25个,北侧为进风口,南侧为排风口.正常工况下,地铁站通风由活塞风和机械排风组成,总风量按照《地铁设计规范》(GB50157-2013)要求,不得低于30m3/(h×人)[22],其中机械排风占比可在10%～100%浮动.经初步统计,该站客流量峰值约为200人/h,机械通风量约为0.6´104m3/h.地铁站的应急通风模式主要用于火灾烟雾排出和新风引入,排烟风量应按照60m3/(h×m2)设计[23-24].该站站台面积约为1600m2,计算得到应急通风量9.7´104m3/h.

图1 目标地铁站结构示意

如图2(a)所示,在站台层S点(站台中心正西2m)进行2次气体释放,机械通风和应急通风各1次.全站共设置13个采样位置,其中站厅层设置5个0.5m采样点;站台层设置5个1.6m采样点,代表呼吸区高度;另外在站台的楼梯口、中线等典型位置设置3个3高度采样点(包括0.5,1.6,2.5m),以期获得垂直高度的浓度场数据.

本试验利用三维超声风速仪(CSAT3B, CampbellScientific Inc.)和多通道风速仪(System 6242, Kanomax Japan inc.)对地铁站1.6m高度的局部流场进行监测,点位布局如图2(b)所示.其中,多通道风速仪共选取12个位置,三维超声风速仪设置在楼梯口处,采样频率均为1Hz,分别监测10min.

图2 污染源、采样点和风速仪的布点示意

1.2 试验方法

选择SF6为目标气体,密度为6.1kg/m³,在空气中无本底,性质稳定,适宜用作高密度毒气的扩散模拟物.SF6钢瓶气经减压阀接入自制广口瓶,用以降低出口速度,释放强度设定为1kg/min,共释放5min.SF6检测使用时序采集和离线分析的方法,每隔3min各采样点同时采样1次,共10次,流量为10L/min,每次采集1L;SF6分析采用为Agilent 7860-7000D气-质联用仪,色谱柱为HP-5MS.

2 结果与讨论

图3为2种通风模式下(机械通风和应急通风,均无列车通过)站台A1点的风向风速对比情况.机械通风时A1点流场较为稳定,风向保持在90°±30°,即流体呈现持续的东向西走向,风速为0.1～0.3m/s,有利于有毒气体向站台西侧的单向传输.应急通风开启后,风向开始大幅波动,除了90°主导风向外,还出现了0°～45°、180°以及270°～360°的风向,同时风速提高至0.2～0.5m/s.应急通风为迅速排除站内火灾产生的烟雾及CO[25],设置在顶部的通风口增大了通风量,增强了站台空间的紊流,使流场呈无序状态.另一方面,均匀布置的多通道风速传感器对比了两种通风模式下1.6m处的风速变化.如图4所示,应急模式下各监测点的风速是机械通风的1.2～2倍,同样说明了该模式可以整体增强室内空气循环.

如图5(a)所示,受站台主流场控制,气体仅向站台西侧扩散,而东侧(3-3)、(1-2)和(1-3)均未检出SF6.在释放SF6后,(3-2)与西南侧(1-4)浓度迅速增加,在3min时距离SF6释放口最近的(3-2)达到峰值,为143´10-6;在6min时楼梯口附近的(3-1),(1-4)和(1-5)达到峰值,分别为181,170,107´10-6.此外,由于南北顶部通风口的设置,空间内存在北向南的气流,气体扩散至(1-4)的速度更快且浓度更高,而扩散至与之对称的(1-5)则速度更慢且浓度较低.停止释放12min后,除楼梯西侧(1-1)外,站台层的SF6大量减少,小于35´10-6.而楼梯西侧(1-1)则由于主流场方向的影响,易于出现有毒物质积累,停止释放15min后,该区域浓度依旧可以达到50´10-6左右.除此之外,部分气体会延楼梯口(3-1)蔓延至站厅层,3min后西站厅各点相继检测出SF6,如图5(b)所示.其中由于位置原因,最靠近电梯口的(2-1)浓度最高且在6min与(3-1),(1-4)和(1-5)同时到达峰值,为138´10-6,并未显著小于电梯口(3-1),这说明在电梯存在的情况下SF6浓度不会因为楼层上升而大量减少.同一楼层不同高度之间SF6浓度变化如图5(c)、(d)所示,机械通风条件下SF6受密度影响易于沉降在地面,随高度增加,浓度逐渐降低.

图4 多通道风速仪对站台层典型位置的监测结果

图6(a)结果表明,应急通风改变了原有的单向主流场,有毒气体在站台呈现双向扩散的现象,东侧(3-3)与西侧(3-2)在3min时同时达到峰值,分别为209和190´10-6;气体向东站台的扩散趋势强于西站台,东侧楼梯附近(1-2)、(1-3)检测到的峰值浓度分别为220和184´10-6,远高于西侧(1-1)、(3-1)的峰值浓度.如图7(b)所示,应急通风还会使有毒气体蔓延至东西2个站厅,其中东站厅(2-5)的峰值浓度为17´10-6,高于西站厅的最高值15´10-6.同时,该站通风口设置在顶部,因此应急通风为增大排烟效率,会增加顶部的排风风量,因此底部沉降的SF6受其影响,在垂直高度的扩散能力得到增强.以(3-1)为例,其1.6m处的浓度值与0.5m相近,约为55´10-6,这表明大量的地面SF6已传输至呼吸区高度,如图6(c).

图5 机械通风下,地铁站典型位置的SF6浓度变化

图6 应急通风下,地铁站典型位置的SF6浓度变化

综上所述,在应急通风作用下,沉积在地面的有毒气体大量扩散至呼吸区域;原有起到隔离作用的主流场被打破,气体释放后开始向东西两个方向传输,3min左右即可充满整个站台,最高均可达到200´10-6以上.如果有毒气体泄露,应急通风模式开启后会导致流场发生变化,从而导致沉降在地面的有毒气体上升到呼吸道附近;从机械通风时仅在西侧存在有毒气体,变为整个站台均存在高浓度气体,东西站台浓度最高均达到200´10-6以上,高于机械通风时最高浓度181´10-6.以上说明在发生毒气泄漏时应急通风增加了呼吸区气体浓度,这将增加伤亡率.因此,在发生毒气泄漏时应关闭应急通风.

3 结论

3.1 该地铁站台在机械通风工况下,会形成一个较为规律的主流场,即气流从站台中央向两端逐渐进入站厅层,进而通过乘客出入口排至地面.受顶部通风口影响,有毒气体主要通过楼梯南侧扩散并在站台两端逐渐积累, 且长时间高于50´10-6.该流场将地铁站整体划分为相对独立的东西两个区域,有毒气体只能在释放源所处的区域内流动.

3.2 在应急通风作用下,原有主流场发生变化,换气量增大,站台空间的紊流增强,使流场更加无序.沉积在地面的有毒气体大量扩散至呼吸区域;原有起到隔离作用的主流场被打破,气体释放后开始向东西两个方向传输,并很快蔓延至整个地铁站, 东西站台浓度最高均达到200´10-6以上.

3.3 采用顶部排烟设计的应急通风模式,会使毒气事件大幅恶化,呼吸区浓度提高引起伤亡率增加;同时空间流动性增强使扩散范围从机械通风的局部区域传输变为全站扩散,覆盖面积更大.因此,对于核生化恐怖袭击,应当禁止开启顶部排烟设备或安装地面排风,尽力减少吸入伤害.

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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,清华大学博士研究生,主要从事室内环境净化、模拟等方向的研究.发表论文3篇.

2021-08-01

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