國防工程中煙氣毒害程度的評價方法研究

余南田，茅靳豐，鄧忠凱，向健宇

(1.陸軍工程大學國防工程學院，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍75714部隊，湖南 衡陽 421900)

國防工程作為軍事工業的重要組成部分，對其火災安全的研究已經成為地下建筑安全研究的熱點問題。國防工程由于工程軸線長且密閉性好，火災通常具有火災前期難以發現、火勢蔓延快、煙氣不易排出、人員逃生和火災撲救困難等特點。火災事故統計表明，火災中80 %以上的人員死亡都是由于吸入了過量的有毒有害氣體[1]，因此研究國防工程中火災煙氣成分的危害性意義重大。

對煙氣危害的研究從20世紀中期開始，一直持續到現在[2-3]。已有研究表明，一氧化碳(CO)是火場中主要產物之一，也是最為致命的有害氣體[4-5]；同時，二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和其他有害氣體的相互作用，也會造成人員死亡[6]。歸納起來，前人將煙氣對人體的危害性歸于以下幾點[7-10]：①煙氣對人體皮膚和呼吸道的灼傷；②O2含量較低導致的人體窒息危險；③有毒有害氣體使人體喪失正常機制導致的死亡。對于煙氣危害性的評價方法，英國國防部、美國國家標準與技術研究院(NIST)等機構基于生物效應進行了大量實驗[11-12]，提出了LCB50B和ICB50B兩個指標來評估煙氣危害性；Braun等[13]、Babrauskas等[14]提出了N-氣體模型來評估幾種氣體的疊加危害效應；Levin等[15-16]將LC50標準和N-氣體模型綜合后得出了FED評價方法，它是在時間累計效應的基礎上按線性關系來評價各類氣體的毒性。

上述煙氣危害性的評價方法多是基于靜態的試驗數據，而實際中，火災時人員逃生過程中遭受到的煙氣危害性與位置、時間和煙氣成分濃度均有關系。本文提出毒害指數(Index of poison)用來評價火災時人員逃生過程中煙氣對人體的毒害作用，并以南京某國防工程為例，通過FDS模擬得到的相關數據，計算人員的毒害指數并進行分析，為人員逃生提供指導與建議。

1 煙氣毒害程度評價模型

1. 1 毒害指數

圖1 走廊劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corridor

國防工程著火后，人員通過走廊逃生，因此評價人員在走廊疏散的過程中遭受到的煙氣毒性具有重要意義。本文將走廊從著火房間至疏散出口(或火災避難室)劃分為n段，見圖1；將人員從初始位置到疏散出口之間每一段內的煙氣濃度值與人員通過該段的時間相乘，就可得到在該段人員遭受到的煙氣毒害量；最后將每一段的煙氣毒害量求和，得到在逃生過程中人員遭受到的煙氣毒害總量。此外，根據人員逃生速度確定人員所需的疏散行動時間，并通過疏散行動時間確定該時間對應的人員安全閾值，兩者相乘則可以計算出人員可接受的煙氣極限毒害量。因此，利用火災時人員逃生過程中遭受到的煙氣毒害總量與人員可接受的煙氣極限毒害量的比值(即為毒害指數)，可評估火災時人員逃生行動過程中遭受到的煙氣毒害程度。具體計算公式如下：

(1)

式中：Ix為毒害指數；ti為人員進入第i段的時刻(s)；ti+1為人員離開第i段的時刻(s)；Cx,t為第i段內隨位置x和時間t變化的煙氣成分濃度(mol/mol)；taction為人員疏散行動時間；Csafe為與疏散行動時間對應的人員安全閾值；i0為人員初始位置位于第i0段，如果人員初始位置為著火房間，則i0=1。

根據公式(1)計算的毒害指數綜合考慮了人員逃生過程中人員的耐受程度、煙氣濃度、時間和位置等有關的因素，可利用這個參數來評價人員通過走廊逃生時遭受到的煙氣毒害程度。但是，公式(1)中的Cx,t是第i段內隨著位置x和時間t發生變化的煙氣成分濃度，在實際操作過程中，因為人員所處的位置是在不斷變化的，因此要想求出人員在某時刻通過某一位置時煙氣濃度與時間的積分值的難度較大，所以本文對公式(1)進行了優化。

當將火源至疏散出距離劃分的段數足夠多即每一段距離足夠短時，每一段內隨時間和位置變化的煙氣濃度值就可以用該段內某一點隨時間變化的煙氣濃度值來表示，則公式(1)可簡化為

(2)

式中：Ct為第i段內某一點隨時間變化的煙氣成分濃度(mol/mol)。

1. 2 毒害指數的特點和算法

從毒害指數的定義及公式可以看出，該指數是一個無量綱數，是人員在逃生過程中遭受到的煙氣毒害量與逃生行動時間對應的煙氣極限毒害量的比值，可以理解為一個倍數，該倍數越大，說明人員逃生過程越危險；該值大于1，說明在人員逃生過程中，煙氣的毒害作用已經超過了人體可接受程度，人員安全不能保證；該值小于1，說明在人員逃生過程中，即便某些位置煙氣毒害量大于人員安全閾值，但因為處在這種環境中的時間短，整個人員逃生過程中的煙氣毒害量要小于煙氣極限毒害量，可以認為人員能安全逃生。

毒害指數的具體算法如下：

(1) 根據國內外研究數據確定火場人員逃生速度。

(2) 計算人員疏散行動時間，根據該時間選取人員安全閾值，兩者相乘得到人員可接受的煙氣極限毒害量。

(3) 將火源至疏散出口距離劃分為每段足夠短的n段，在人員初始位置至疏散出口內的每一小段走廊中選取一個測點代表整段煙氣濃度的變化。

(4) 對煙氣濃度變化進行積分，并將所有的積分值累加，得到人員實際遭受到的煙氣毒害量。

(5) 將人員實際遭受到的煙氣毒害量除以人員可接受的煙氣極限毒害量，即可得到人員逃生過程中的毒害指數。

2 人員逃生過程中CO和CO2的毒害性評價

2. 1 模型建立

防火分區是國防工程防火設計的基本單元，因此本文以南京某國防工程一個防火分區為研究對象,利用美國NIST開發的火災模擬軟件FDS對其進行數值模擬，圖2為建立的該國防工程數值模型圖。

圖2 某國防工程數值模型圖Fig.2 Numerical model diagram of a defense engineering

該國防工程防火分區總面積為500 m2，由走廊和兩側房間組成，其中走廊長50 m、高3 m、寬2 m，兩側房間按使用用途可分為會議室、作戰辦公室和首長休息室；根據該國防工程內部結構特點、房間的用途以及可燃物狀況，以走廊最左側休息室作為火源房間；根據房間實際功能設定著火房間的火災場景，按照無噴淋的辦公室和客房設定火源熱釋放量為6 MW[17]，首長休息室火源主要集中在床上用品，則選用歐洲標準火庚烷火[18]和超快速火源模型，火源增長系數為0.187 8；參照McGrattan等[19]的研究，根據火源強度，選取0.2 m×0.2 m×0.2 m劃分網格。

當左側臥室著火后，人員將向走廊右側逃生；部分國防工程由于修建時間早或者施工條件限制，工程內未安裝排煙系統，因此本文考慮最不利情況，在沒有排煙系統情況下對單向型走廊(靠近火源的出口關閉、遠端出口開啟)和全封閉型走廊(兩端出口均關閉，走廊端部設置火災避難室，火災時人員沿走廊縱向正方向逃往避難室)兩種情況進行數值模擬。

火災時人員在逃生過程中會遭受到有毒有害氣體和窒息的危害，本文以有毒有害氣體CO和CO2作為主要研究對象，對人員逃生過程中遭受到CO和CO2的毒害性進行評價與分析。

2. 2 人員疏散時間的構成

火災發生后，人員會通過疏散走廊等向安全區逃生，在這個過程中所需時間的長短將決定人員能否安全疏散。現有研究通常把火源被點燃的時刻作為火場人員逃生的時間起點，根據火災探測與報警和人員狀態將整個人員逃生時間劃分為探測時間、人員報警時間、人員疏散預備時間、人員疏散行動時間4個部分[20]。人員到達安全區就認為人員逃生行為結束。圖3給出了火災時人員疏散時間的構成。

圖3 火災時人員疏散時間構成Fig.3 Composition of evacuation time during the fire

圖3中，探測時間指火災發生后到火災探測器即將動作的時間；報警時間指火災探測器開始動作至發出火災報警信號的時間；人員疏散預備時間是指火災報警信號發出后到人員疏散行動之前的時間；人員疏散行動時間指人員開始疏散至到達安全區域的時間。

由圖3可見，人員疏散時間(tREST)可以按人員行動與否分為兩大部分，即疏散開始時間(tstart)和疏散行動時間(taction)，即

tREST=tstart+taction

(3)

疏散開始時間主要包括火災探測器探測與報警時間、人員疏散預備時間，即

tstart=ta+tpre

(4)

式中:ta為火災探測器探測與報警時間，即火災發生后到人員接受到火災報警信號之前的這段時間(s)；tpre為人員接受到火災報警信號后到疏散開始前的準備時間，也稱人員的響應時間(s)。

2.2.1 感煙探測器探測與報警時間

國防工程內部通常在走廊和房間設置離子式感煙探測器，此類探測器能探測火災初期火源燃燒產生的氣溶膠及顆粒物濃度，并以煙氣的單位長度消光度作為動作閾值。國防工程采用的感煙探測器動作閾值范圍一般為5%/m～20%/m[21-22]，本文采用10%/m作為所用的感煙探測器的動作閾值，對上述某國防工程防火分區著火后感煙探測器接受到的煙氣單位長度消光度進行了模擬與計算，相關參數設定保持不變，感煙探測器布置在著火房間吊頂中心。

圖4為某國防工程防火分區著火房間中布置的感煙探測器接受到的煙氣單位長度消光度。

圖4 某國防工程感煙探測器接受到的煙氣單位長度消光度Fig.4 Smoke extinction per unit length received by the fire detector of a defense engineering

由圖4可見，火源被點燃后，由于煙氣要上升至頂棚才能被感煙探測器接受，因此房間內布置的感煙探測器在前12 s內并沒有接受到煙氣;12 s時煙氣上升至頂棚，感煙探測器監測到煙氣的單位長度消光度開始發生變化，15 s時煙氣的單位長度消光度達到感煙探測器的動作閾值，即感煙探測器的探測時間為15 s。

感煙探測器達到動作閾值后將會觸發響應裝置從而報警，杜玉龍等[23]對大量感煙探測器的報警時間進行了測試，取35 s作為感煙探測器的平均報警時間，因此該國防工程防火分區中的感煙探測器探測與報警時間ta為50 s。

2.2.2 人員疏散預備時間

人員疏散預備時間與火災發生時人員狀態、所處建筑物類別和人員對建筑物的熟悉程度有很大的關系，因此尚無相關定理或者公式能對這段時間進行準確計算。國內外現有研究多是基于火災發生后的事故分析或者是消防演練。目前國外根據相關研究給出了不同條件下的人員疏散預備時間，由于在國防工程中大部分人員為訓練有素的軍人，對工程布局、消防系統和疏散方案都很熟悉，因此考慮火災發生在夜間人員休息時，并參照旅館或寄宿學校情況，選取人員疏散預備時間為120 s。

2.2.3 人員疏散行動時間

人員疏散行動時間取決于人員疏散速度和疏散路線長度。已有研究指出，火災情況下人員疏散速度與疏散通道的人員密度密切相關。在疏散過程中，疏散通道的人員密度越大，逃生者的心理壓力越大；其次疏散出口單位時間通過的人數增加，容易發生相互推擠，從而降低人員的疏散速度。美國FireEngineeringManual給出了人員疏散速度與逃生通道內人員密度的函數關系式：

v=k(1-0.266D)

(5)

式中：v為人員疏散速度(m/s)；k為一個常數，國防工程中疏散通道為走廊時，k取1.4；D為疏散通道的人員密度(人/m2)。

由公式(5)可知，疏散通道的人員密度越大，人員疏散速度就越小，當人員密度為3.76 人/m2時，人員停滯不前。

本文選取的防火分區內有會議室、首長休息室和作戰辦公室，每個房間的人員密度與房間的使用功能有關，因此其人員密度不同。根據實地調查和國內外研究成果，本文確定不同功能房間內的人員密度均為0.3 人/m2。

該國防工程模型中所選取的防火分區面積為500 m2，假設沒有發生火災時人員不在走廊中做長時間停留，則計算防火分區人數時采用的有效面積為各個房間的面積之和。經計算，防火分區所有房間的面積為400 m2，因此防火分區人數為

Ptotal=400×0.3=120 人

假設人員逃出房間后均勻分布在面積為100 m2的疏散通道內，并且沒有出現擁擠等現象，那么疏散通道內的人員密度為

Dcorridor=120÷100=1.2人/m2

將走廊人員密度代入公式(5)，可以計算出防火分區內人員的逃生速度為

v=1.4×(1-0.266×1.2)=0.95≈1 m/s

本文設定火災房間為防火分區最左側的首長休息室，因此人員逃生最長路線為從著火房間跑向右側疏散出口從而進入安全區域(火災避難室)，該路線長度幾乎與走廊長度相等，取為50 m。那么，人員疏散行動時間為

taction=50/1=50 s

因此，防火分區內人員逃生最長線路所用的疏散時間為

tREST=tstart+taction=ta+tpre+taction=50+120+50=220 s

2.3 CO和CO2的毒害性評價

本文采用前述的煙氣毒害程度評價模型對人員疏散過程中遭受到的CO和CO2的毒害性進行評價與分析。從毒害指數的定義可知，提出的煙氣毒害程度評價模型評估的是人員疏散行動時間(taction)內的煙氣毒害性。但通過前文分析可知，人員疏散時間由疏散開始時間(tstart)和疏散行動時間(taction)共同構成，因此要評價人員疏散時間內的煙氣成分毒害性，要將疏散開始時間內人員遭受到的煙氣毒害性考慮到評價模型中。

在疏散開始時間內人員所處位置不變，所以疏散開始時間內煙氣毒害量應該是所處位置煙氣成分濃度與疏散開始時間的積分。那么,公式(2)中代表人員遭受到的煙氣毒害總量的分子應該變為疏散開始時間和疏散行動時間內遭受到的煙氣毒害量之和，代表煙氣極限毒害量的分母應該變換為人員疏散時間與人員疏散時間所對應的安全閾值的乘積，即公式(2)變為

(6)

式中：tfire為火源點燃時刻(s)；tbegin為人員疏散行動開始時刻(s)，tbegin與tfire的差值為人員疏散開始時間；Cx=0,t為疏散開始時間內人員所處位置的煙氣成分濃度(mol/mol)；tREST為人員疏散時間(s)；Csafe為人員疏散時間所對應的安全閾值(mol/mol)。

要計算最不利情況下人員逃生過程中遭受到的CO和CO2的毒害量，應選取最長逃生路線，因此選取防火分區最左側的首長休息室作為疏散開始時間內人員的初始位置，即i0=1;取房間中心1.8 m高度(即人眼特征高度，通常為1.2～1.8 m[24-25])處的煙氣濃度作為人員初始位置的煙氣成分濃度Cx=0,t；在人員疏散行動時間內取走廊中心線上1.8 m高度處的煙氣濃度作為隨人員位置和時間變化的煙氣濃度Cx,t。

前文已經提到，當將火源至疏散出口劃分的段數形成的每一段距離足夠短時，每一段內隨時間和位置變化的煙氣濃度值Cx,t就可以用該段內某一點隨時間變化的煙氣濃度值Ct表示。公式(6)中,n值越大，每一段距離越短，計算結果越精確，但是計算過程越復雜。本文根據人員的逃生速度綜合考慮準確度和計算難度，將防火分區走廊劃分為25段(n=25)，每段距離為2 m，人員通過每一段走廊的時間為2 s，在這2 s內該段內的煙氣成分濃度Cx,t可以用每一段中間位置處的煙氣濃度Ct來表示，見圖5。

圖5 防火分區走廊劃分情況Fig.5 Schematic diagram of the corridor of fire compartment

公式(6)則變為

(7)

2.3.1 單向型走廊CO和CO2的毒害性評價

首先，計算人員在疏散開始時間內遭受到的煙氣毒害量。圖6為左側首長休息室內1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時間的變化曲線。通過對人員疏散開始時間(170 s)內的CO和CO2濃度進行數值積分，可得到人員在疏散開始時間內遭受到的CO和CO2毒害量分別為0.023 4 (mol·s)/mol和7.523 (mol·s)/mol。

圖6 左側首長休息室內1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時間的變化曲線Fig.6 Change curve of CO and CO2 concentrations at the height of 1.8 m of the directorate lounge on the left over time

然后，對人員疏散行動時間內遭受到CO和CO2的毒害量進行計算。按前文所述，將走廊劃分為25 小段，按照公式(2)定義中關于人員疏散行動時間內煙氣成分毒害量的計算方法，可計算出人員疏散時間內走廊各段CO和CO2的毒害量，詳見表1。

表1 人員疏散行動時間內走廊各段CO和CO2的毒害量

由表1可以看出：在疏散時間內人員在走廊逃生的過程中遭受到的CO和CO2毒害量分別為0.002 501 (mol·s)/mol和0.800 036 95 (mol·s)/mol。

然后，根據前文計算所得到的人員疏散時間以及有毒有害氣體對人體的影響[26]，選取CO和CO2的安全閾值分別為0.000 7 mol/mol和0.04 mol/mol。將安全閾值與人員疏散時間(220 s)相乘，可得到CO和CO2的極限毒害量分別為0.154 (mol·s)/mol和8.8 (mol·s)/mol。

最后，按照公式(7)可計算出CO和CO2的毒害指數。CO的毒害指數為

Itotal=(0.023 4+0.002 501)÷0.154=0.168

CO2的毒害指數為

Itotal=(7.523+0.800 036 95)÷8.8=0.94

通過對上述計算結果進行分析可知，單向型走廊發生火災時，整個疏散時間內人員遭受到的CO和CO2毒害量并沒有超過其極限毒害量，可以認為人員能夠安全逃生；CO2的毒害程度要高于CO；人員在疏散開始時間內遭受到的煙氣毒害量占整個人員疏散時間內煙氣毒害量的大部分，因此采用諸如降低感煙探測器報警閾值或減短報警系統響應時間等手段縮減人員疏散開始時間至關重要。

2.3.2 封閉型走廊CO和CO2的毒害性評價

與單向型走廊計算方法一致，首先計算人員在疏散開始時間內遭受到的煙氣毒害量。圖7為左側首長休息室內1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時間的變化曲線。通過對人員疏散開始時間(170 s)內的CO和CO2濃度進行數值積分，可得到人員疏散開始時間內CO和CO2的毒害量分別為0.023 1 (mol·s)/mol和 7.329 (mol·s)/mol。

圖7 左側首長休息室內1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時間的變化曲線Fig.7 Change curve of CO and CO2 concentrations at the height of 1.8 m of the directorate lounge on the left over time

然后，對人員疏散行動時間內遭受到的CO和CO2毒害量進行計算，其計算結果見表2。

表2 人員疏散行動時間內走廊各段CO和CO2的毒害量

由表2可知，在疏散時間內人員在走廊逃生的過程中遭受到的CO和CO2毒害量分別為0.006 692 (mol·s)/mol和2.140 711 (mol·s)/mol。

再次，人員在封閉型走廊內的疏散行動時間與單向型走廊相同，因此CO和CO2的安全閾值相同，從而其極限毒害量相同，分別為0.154 (mol·s)/mol和8.8 (mol·s)/mol。

最后，按照公式(7)可計算出CO和CO2的毒害指數。CO的毒害指數為

Itotal=(0.023 1+0.006 692)÷0.154=0.193

CO2的毒害指數為

Itotal=(7.329+2.140 711)÷8.8=1.08。

通過對上述計算結果進行分析可知，走廊處于全封閉時(即向火災避難室疏散)，人員在疏散過程中遭受到的CO毒害量較單向型走廊并沒有顯著的提升，但CO2的毒害指數已經大于1，表明人員遭受到的CO2毒害量已經超過了安全閾值，對人員安全逃生產生了較大的威脅，全封閉走廊CO和CO2的毒害程度不一致主要是因為人員疏散時間內火源處于O2充足的燃燒前期，火源燃燒過程中CO產生量較少，而CO2產生量較多；與單向型走廊一致，全封閉走廊人員疏散開始時間內遭受到的煙氣毒害量遠大于疏散行動時間內煙氣的毒害量，因此縮短疏散開始時間意義重大。

3 結 論

本文基于火災時人員逃生過程中煙氣成分濃度隨時間和位置發生變化的特性，提出了利用毒害指數來評價國防工程人員疏散時間內煙氣成分的毒害性。針對某國防工程的實際防火分區，計算了工程內探測與報警時間、人員疏散預備時間和人員疏散行動時間，并利用毒害指數評估了不同走廊狀態下煙氣成分的危害性。主要得到以下結論：

(1) 毒害指數在已有的評價模型中考慮時間和煙氣成分濃度的基礎上加入了人員位置這個因素，將已有的靜態模型完善為動態模型。毒害指數是一個無量綱數，可以理解為火災疏散過程中人員遭受到的煙氣毒害量與人員可接受的煙氣極限毒害量的比值，能較客觀地評價火災疏散過程中人員遭受到的煙氣成分的毒害程度。

(2) 從疏散時間構成來看，人員在疏散開始時間內遭受到的煙氣毒害量占整個人員疏散時間內遭受到的煙氣毒害量的大部分，因此可考慮通過提升火災探測器的敏感度、減短報警系統響應時間等手段來縮短人員疏散開始時間，對確保人員安全逃生至關重要。

(3) 在單向型走廊內，人員在火災疏散過程中遭受到的CO和CO2毒害量還未達到危險程度，人員可以安全逃生；在全封閉型走廊內，人員在火災疏散過程中遭受到的CO毒害量較單向型走廊有了小幅度提升，但仍處于安全閾值以內，而CO2的毒害量已經超過了安全閾值，人員逃生難度較大，這是因為人員疏散時間內，火源基本處于O2充足的燃燒前期，火源燃燒產生了大量的CO2，而CO產生量較小。

(4) 對CO和CO2的毒害程度計算結果表明：國防工程防火分區內人員逃生時，CO2對人員的毒害程度要高于CO，因此如何減少或者消除CO2對確保人員安全逃生具有重要的意義。