毒氣泄漏威脅下建筑氣密性對(duì)就地避難效果影響研究*

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(chǔ)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(shí)，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(chǎng)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(shí)間內(nèi)安全撤離。此時(shí)，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(duì)“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(duì)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(duì)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(duì)就地避難的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；國內(nèi)趙永華[7]指出當(dāng)危險(xiǎn)化學(xué)品從容器中1次或全部泄漏、蒸氣云迅速移動(dòng)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(shí)，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(duì)避難室內(nèi)毒氣濃度的影響；Gai等[9]針對(duì)高壓硫化氫氣井泄漏，提出1種就地遮蔽風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。國內(nèi)學(xué)者較少關(guān)注“就地避難”對(duì)減少事故人員傷亡的可行性與有效性。建筑氣密性對(duì)就地避難效果產(chǎn)生重要影響，針對(duì)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(duì)建筑作為“就地避難場(chǎng)所”的可靠性與有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(duì)毒氣輸移、擴(kuò)散和稀釋作用的時(shí)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(jiǎn)單、計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好等特點(diǎn)，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(shí)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(shí)泄漏的濃度分布。

(1)

式中：Cout(x,y,z,t)為空間中某點(diǎn)隨時(shí)間變化的毒氣質(zhì)量濃度，mg/m3；t為擴(kuò)散時(shí)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(duì)毒氣的吸附、脫附作用，假設(shè)室內(nèi)氣體均勻瞬時(shí)混合，則毒氣濃度可通過式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Cin(x,y,z,t)為隨時(shí)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(shí)才會(huì)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(huì)制定的應(yīng)急反應(yīng)計(jì)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(huì)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(duì)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(jì)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(cè)及性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》T/CECS 704—2020[13]將建筑整體氣密性等級(jí)按自然壓差下的換氣次數(shù)(Nn)分為8級(jí)，見表1。當(dāng)Nn不大于0.15時(shí)，建筑氣密性等級(jí)為8級(jí)，氣密性能優(yōu)異；當(dāng)Nn大于3時(shí)，建筑氣密性等級(jí)為1級(jí)，氣密性能差。實(shí)際應(yīng)用中，可通過測(cè)試建筑換氣次數(shù)，進(jìn)而確定建筑氣密性等級(jí)。本文以此氣密性分級(jí)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(chǎng)所的有效性。

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

2 建筑氣密性對(duì)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(xiǎn)化學(xué)品之一，本文以氯氣泄漏事故為研究對(duì)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]?？紤]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(shí)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(shí)間為245 s，雖然時(shí)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(shí)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(shí)間也相對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)的約19倍。距泄漏源5.0 km處，對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(jí)的增大而明顯放緩。這是由于當(dāng)室內(nèi)毒氣濃度增加時(shí)，室內(nèi)外濃度差很大，此時(shí)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(shí)，此時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，室內(nèi)毒氣最大濃度仍為5.83 mg/m3，高于氯氣ERPG-1值，對(duì)室內(nèi)人員健康產(chǎn)生影響，此時(shí)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(shí)，室內(nèi)毒氣的最大濃度低于氯氣ERPG-1值，此時(shí)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(duì)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(duì)就地避難建筑氣密性的要求也越低。

本文給出研究場(chǎng)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(shí)，就地避難無效，此時(shí)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(jí)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(jí)及以上、6級(jí)及以上、5級(jí)及以上、4級(jí)及以上、3級(jí)及以上、2級(jí)及以上、1級(jí)。當(dāng)就地避難建筑無法滿足相應(yīng)氣密性要求時(shí)，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(chǎng)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(shí)間。當(dāng)換氣次數(shù)為3時(shí)，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(shí)間在1.6～3.0 h范圍內(nèi)；當(dāng)換氣次數(shù)為0.15時(shí)，相應(yīng)的時(shí)間在13.9～40.0 h范圍內(nèi)?？梢?，室內(nèi)恢復(fù)到無毒狀態(tài)所需時(shí)間長，且氣密性越好，時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)間段內(nèi)仍采用就地避難策略對(duì)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(shí)間短，而室內(nèi)毒氣濃度具有濃度相對(duì)低，但持續(xù)時(shí)間長的特性，故當(dāng)室外毒氣消散后應(yīng)及時(shí)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(shí)際事故中這一時(shí)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(shí)刻作為解除就地避難的時(shí)間。實(shí)際事故發(fā)生時(shí)，由于距泄漏源距離不同，不同地點(diǎn)解除就地避難的最佳時(shí)間也不盡相同，因此，可利用本文提出的方法或通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域不同建筑終止就地避難的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在事故發(fā)生后及時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值后迅速回落，室內(nèi)毒氣濃度短時(shí)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(shí)間受氣密性影響小，但其降速隨氣密性等級(jí)的增大而明顯放緩。

2)評(píng)估就地避難防護(hù)有效性時(shí)，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(chǎng)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(jí)、6級(jí)、5級(jí)、4級(jí)、3級(jí)、2級(jí)及1級(jí)時(shí)，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(shí)間長，故及時(shí)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(shí)刻作為解除就地避難的時(shí)間。實(shí)際事故發(fā)生時(shí)，由于距泄漏源距離不同，不同地點(diǎn)解除就地避難的最佳時(shí)間也不盡相同，因此，可利用本文提出的方法或通過監(jiān)測(cè)對(duì)不同區(qū)域不同建筑解除就地避難的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在事故發(fā)生后及時(shí)預(yù)警公眾解除避難，以提高就地避難的有效性。