國(guó)防工程中煙氣毒害程度的評(píng)價(jià)方法研究

余南田，茅靳豐，鄧忠凱，向健宇

(1.陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍75714部隊(duì)，湖南 衡陽 421900)

國(guó)防工程作為軍事工業(yè)的重要組成部分，對(duì)其火災(zāi)安全的研究已經(jīng)成為地下建筑安全研究的熱點(diǎn)問題。國(guó)防工程由于工程軸線長(zhǎng)且密閉性好，火災(zāi)通常具有火災(zāi)前期難以發(fā)現(xiàn)、火勢(shì)蔓延快、煙氣不易排出、人員逃生和火災(zāi)撲救困難等特點(diǎn)?；馂?zāi)事故統(tǒng)計(jì)表明，火災(zāi)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(guó)防工程中火災(zāi)煙氣成分的危害性意義重大。

對(duì)煙氣危害的研究從20世紀(jì)中期開始，一直持續(xù)到現(xiàn)在[2-3]。已有研究表明，一氧化碳(CO)是火場(chǎng)中主要產(chǎn)物之一，也是最為致命的有害氣體[4-5]；同時(shí)，二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和其他有害氣體的相互作用，也會(huì)造成人員死亡[6]。歸納起來，前人將煙氣對(duì)人體的危害性歸于以下幾點(diǎn)[7-10]：①煙氣對(duì)人體皮膚和呼吸道的灼傷；②O2含量較低導(dǎo)致的人體窒息危險(xiǎn)；③有毒有害氣體使人體喪失正常機(jī)制導(dǎo)致的死亡。對(duì)于煙氣危害性的評(píng)價(jià)方法，英國(guó)國(guó)防部、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)等機(jī)構(gòu)基于生物效應(yīng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)[11-12]，提出了LCB50B和ICB50B兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估煙氣危害性；Braun等[13]、Babrauskas等[14]提出了N-氣體模型來評(píng)估幾種氣體的疊加危害效應(yīng)；Levin等[15-16]將LC50標(biāo)準(zhǔn)和N-氣體模型綜合后得出了FED評(píng)價(jià)方法，它是在時(shí)間累計(jì)效應(yīng)的基礎(chǔ)上按線性關(guān)系來評(píng)價(jià)各類氣體的毒性。

上述煙氣危害性的評(píng)價(jià)方法多是基于靜態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)際中，火災(zāi)時(shí)人員逃生過程中遭受到的煙氣危害性與位置、時(shí)間和煙氣成分濃度均有關(guān)系。本文提出毒害指數(shù)(Index of poison)用來評(píng)價(jià)火災(zāi)時(shí)人員逃生過程中煙氣對(duì)人體的毒害作用，并以南京某國(guó)防工程為例，通過FDS模擬得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算人員的毒害指數(shù)并進(jìn)行分析，為人員逃生提供指導(dǎo)與建議。

1 煙氣毒害程度評(píng)價(jià)模型

1. 1 毒害指數(shù)

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

國(guó)防工程著火后，人員通過走廊逃生，因此評(píng)價(jià)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(zāi)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(nèi)的煙氣濃度值與人員通過該段的時(shí)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(jù)人員逃生速度確定人員所需的疏散行動(dòng)時(shí)間，并通過疏散行動(dòng)時(shí)間確定該時(shí)間對(duì)應(yīng)的人員安全閾值，兩者相乘則可以計(jì)算出人員可接受的煙氣極限毒害量。因此，利用火災(zāi)時(shí)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(shù))，可評(píng)估火災(zāi)時(shí)人員逃生行動(dòng)過程中遭受到的煙氣毒害程度。具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ix為毒害指數(shù)；ti為人員進(jìn)入第i段的時(shí)刻(s)；ti+1為人員離開第i段的時(shí)刻(s)；Cx,t為第i段內(nèi)隨位置x和時(shí)間t變化的煙氣成分濃度(mol/mol)；taction為人員疏散行動(dòng)時(shí)間；Csafe為與疏散行動(dòng)時(shí)間對(duì)應(yīng)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(jù)公式(1)計(jì)算的毒害指數(shù)綜合考慮了人員逃生過程中人員的耐受程度、煙氣濃度、時(shí)間和位置等有關(guān)的因素，可利用這個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)人員通過走廊逃生時(shí)遭受到的煙氣毒害程度。但是，公式(1)中的Cx,t是第i段內(nèi)隨著位置x和時(shí)間t發(fā)生變化的煙氣成分濃度，在實(shí)際操作過程中，因?yàn)槿藛T所處的位置是在不斷變化的，因此要想求出人員在某時(shí)刻通過某一位置時(shí)煙氣濃度與時(shí)間的積分值的難度較大，所以本文對(duì)公式(1)進(jìn)行了優(yōu)化。

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

(2)

式中：Ct為第i段內(nèi)某一點(diǎn)隨時(shí)間變化的煙氣成分濃度(mol/mol)。

1. 2 毒害指數(shù)的特點(diǎn)和算法

從毒害指數(shù)的定義及公式可以看出，該指數(shù)是一個(gè)無量綱數(shù)，是人員在逃生過程中遭受到的煙氣毒害量與逃生行動(dòng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的煙氣極限毒害量的比值，可以理解為一個(gè)倍數(shù)，該倍數(shù)越大，說明人員逃生過程越危險(xiǎn)；該值大于1，說明在人員逃生過程中，煙氣的毒害作用已經(jīng)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?yàn)樘幵谶@種環(huán)境中的時(shí)間短，整個(gè)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(rèn)為人員能安全逃生。

毒害指數(shù)的具體算法如下：

(1) 根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究數(shù)據(jù)確定火場(chǎng)人員逃生速度。

(2) 計(jì)算人員疏散行動(dòng)時(shí)間，根據(jù)該時(shí)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(nèi)的每一小段走廊中選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)代表整段煙氣濃度的變化。

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

(5) 將人員實(shí)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(shù)。

2 人員逃生過程中CO和CO2的毒害性評(píng)價(jià)

2. 1 模型建立

防火分區(qū)是國(guó)防工程防火設(shè)計(jì)的基本單元，因此本文以南京某國(guó)防工程一個(gè)防火分區(qū)為研究對(duì)象,利用美國(guó)NIST開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，圖2為建立的該國(guó)防工程數(shù)值模型圖。

圖2 某國(guó)防工程數(shù)值模型圖Fig.2 Numerical model diagram of a defense engineering

該國(guó)防工程防火分區(qū)總面積為500 m2，由走廊和兩側(cè)房間組成，其中走廊長(zhǎng)50 m、高3 m、寬2 m，兩側(cè)房間按使用用途可分為會(huì)議室、作戰(zhàn)辦公室和首長(zhǎng)休息室；根據(jù)該國(guó)防工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、房間的用途以及可燃物狀況，以走廊最左側(cè)休息室作為火源房間；根據(jù)房間實(shí)際功能設(shè)定著火房間的火災(zāi)場(chǎng)景，按照無噴淋的辦公室和客房設(shè)定火源熱釋放量為6 MW[17]，首長(zhǎng)休息室火源主要集中在床上用品，則選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)火庚烷火[18]和超快速火源模型，火源增長(zhǎng)系數(shù)為0.187 8；參照McGrattan等[19]的研究，根據(jù)火源強(qiáng)度，選取0.2 m×0.2 m×0.2 m劃分網(wǎng)格。

當(dāng)左側(cè)臥室著火后，人員將向走廊右側(cè)逃生；部分國(guó)防工程由于修建時(shí)間早或者施工條件限制，工程內(nèi)未安裝排煙系統(tǒng)，因此本文考慮最不利情況，在沒有排煙系統(tǒng)情況下對(duì)單向型走廊(靠近火源的出口關(guān)閉、遠(yuǎn)端出口開啟)和全封閉型走廊(兩端出口均關(guān)閉，走廊端部設(shè)置火災(zāi)避難室，火災(zāi)時(shí)人員沿走廊縱向正方向逃往避難室)兩種情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

火災(zāi)時(shí)人員在逃生過程中會(huì)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(duì)象，對(duì)人員逃生過程中遭受到CO和CO2的毒害性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

2. 2 人員疏散時(shí)間的構(gòu)成

火災(zāi)發(fā)生后，人員會(huì)通過疏散走廊等向安全區(qū)逃生，在這個(gè)過程中所需時(shí)間的長(zhǎng)短將決定人員能否安全疏散?，F(xiàn)有研究通常把火源被點(diǎn)燃的時(shí)刻作為火場(chǎng)人員逃生的時(shí)間起點(diǎn)，根據(jù)火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警和人員狀態(tài)將整個(gè)人員逃生時(shí)間劃分為探測(cè)時(shí)間、人員報(bào)警時(shí)間、人員疏散預(yù)備時(shí)間、人員疏散行動(dòng)時(shí)間4個(gè)部分[20]。人員到達(dá)安全區(qū)就認(rèn)為人員逃生行為結(jié)束。圖3給出了火災(zāi)時(shí)人員疏散時(shí)間的構(gòu)成。

圖3 火災(zāi)時(shí)人員疏散時(shí)間構(gòu)成Fig.3 Composition of evacuation time during the fire

圖3中，探測(cè)時(shí)間指火災(zāi)發(fā)生后到火災(zāi)探測(cè)器即將動(dòng)作的時(shí)間；報(bào)警時(shí)間指火災(zāi)探測(cè)器開始動(dòng)作至發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的時(shí)間；人員疏散預(yù)備時(shí)間是指火災(zāi)報(bào)警信號(hào)發(fā)出后到人員疏散行動(dòng)之前的時(shí)間；人員疏散行動(dòng)時(shí)間指人員開始疏散至到達(dá)安全區(qū)域的時(shí)間。

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

tREST=tstart+taction

(3)

疏散開始時(shí)間主要包括火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)與報(bào)警時(shí)間、人員疏散預(yù)備時(shí)間，即

tstart=ta+tpre

(4)

式中:ta為火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)與報(bào)警時(shí)間，即火災(zāi)發(fā)生后到人員接受到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)之前的這段時(shí)間(s)；tpre為人員接受到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后到疏散開始前的準(zhǔn)備時(shí)間，也稱人員的響應(yīng)時(shí)間(s)。

2.2.1 感煙探測(cè)器探測(cè)與報(bào)警時(shí)間

國(guó)防工程內(nèi)部通常在走廊和房間設(shè)置離子式感煙探測(cè)器，此類探測(cè)器能探測(cè)火災(zāi)初期火源燃燒產(chǎn)生的氣溶膠及顆粒物濃度，并以煙氣的單位長(zhǎng)度消光度作為動(dòng)作閾值。國(guó)防工程采用的感煙探測(cè)器動(dòng)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(cè)器的動(dòng)作閾值，對(duì)上述某國(guó)防工程防火分區(qū)著火后感煙探測(cè)器接受到的煙氣單位長(zhǎng)度消光度進(jìn)行了模擬與計(jì)算，相關(guān)參數(shù)設(shè)定保持不變，感煙探測(cè)器布置在著火房間吊頂中心。

圖4為某國(guó)防工程防火分區(qū)著火房間中布置的感煙探測(cè)器接受到的煙氣單位長(zhǎng)度消光度。

圖4 某國(guó)防工程感煙探測(cè)器接受到的煙氣單位長(zhǎng)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(diǎn)燃后，由于煙氣要上升至頂棚才能被感煙探測(cè)器接受，因此房間內(nèi)布置的感煙探測(cè)器在前12 s內(nèi)并沒有接受到煙氣;12 s時(shí)煙氣上升至頂棚，感煙探測(cè)器監(jiān)測(cè)到煙氣的單位長(zhǎng)度消光度開始發(fā)生變化，15 s時(shí)煙氣的單位長(zhǎng)度消光度達(dá)到感煙探測(cè)器的動(dòng)作閾值，即感煙探測(cè)器的探測(cè)時(shí)間為15 s。

感煙探測(cè)器達(dá)到動(dòng)作閾值后將會(huì)觸發(fā)響應(yīng)裝置從而報(bào)警，杜玉龍等[23]對(duì)大量感煙探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，取35 s作為感煙探測(cè)器的平均報(bào)警時(shí)間，因此該國(guó)防工程防火分區(qū)中的感煙探測(cè)器探測(cè)與報(bào)警時(shí)間ta為50 s。

2.2.2 人員疏散預(yù)備時(shí)間

人員疏散預(yù)備時(shí)間與火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員狀態(tài)、所處建筑物類別和人員對(duì)建筑物的熟悉程度有很大的關(guān)系，因此尚無相關(guān)定理或者公式能對(duì)這段時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究多是基于火災(zāi)發(fā)生后的事故分析或者是消防演練。目前國(guó)外根據(jù)相關(guān)研究給出了不同條件下的人員疏散預(yù)備時(shí)間，由于在國(guó)防工程中大部分人員為訓(xùn)練有素的軍人，對(duì)工程布局、消防系統(tǒng)和疏散方案都很熟悉，因此考慮火災(zāi)發(fā)生在夜間人員休息時(shí)，并參照旅館或寄宿學(xué)校情況，選取人員疏散預(yù)備時(shí)間為120 s。

2.2.3 人員疏散行動(dòng)時(shí)間

人員疏散行動(dòng)時(shí)間取決于人員疏散速度和疏散路線長(zhǎng)度。已有研究指出，火災(zāi)情況下人員疏散速度與疏散通道的人員密度密切相關(guān)。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(shí)間通過的人數(shù)增加，容易發(fā)生相互推擠，從而降低人員的疏散速度。美國(guó)FireEngineeringManual給出了人員疏散速度與逃生通道內(nèi)人員密度的函數(shù)關(guān)系式：

v=k(1-0.266D)

(5)

式中：v為人員疏散速度(m/s)；k為一個(gè)常數(shù)，國(guó)防工程中疏散通道為走廊時(shí)，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(dāng)人員密度為3.76 人/m2時(shí)，人員停滯不前。

本文選取的防火分區(qū)內(nèi)有會(huì)議室、首長(zhǎng)休息室和作戰(zhàn)辦公室，每個(gè)房間的人員密度與房間的使用功能有關(guān)，因此其人員密度不同。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和國(guó)內(nèi)外研究成果，本文確定不同功能房間內(nèi)的人員密度均為0.3 人/m2。

該國(guó)防工程模型中所選取的防火分區(qū)面積為500 m2，假設(shè)沒有發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員不在走廊中做長(zhǎng)時(shí)間停留，則計(jì)算防火分區(qū)人數(shù)時(shí)采用的有效面積為各個(gè)房間的面積之和。經(jīng)計(jì)算，防火分區(qū)所有房間的面積為400 m2，因此防火分區(qū)人數(shù)為

Ptotal=400×0.3=120 人

假設(shè)人員逃出房間后均勻分布在面積為100 m2的疏散通道內(nèi)，并且沒有出現(xiàn)擁擠等現(xiàn)象，那么疏散通道內(nèi)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(jì)算出防火分區(qū)內(nèi)人員的逃生速度為

v=1.4×(1-0.266×1.2)=0.95≈1 m/s

本文設(shè)定火災(zāi)房間為防火分區(qū)最左側(cè)的首長(zhǎng)休息室，因此人員逃生最長(zhǎng)路線為從著火房間跑向右側(cè)疏散出口從而進(jìn)入安全區(qū)域(火災(zāi)避難室)，該路線長(zhǎng)度幾乎與走廊長(zhǎng)度相等，取為50 m。那么，人員疏散行動(dòng)時(shí)間為

taction=50/1=50 s

因此，防火分區(qū)內(nèi)人員逃生最長(zhǎng)線路所用的疏散時(shí)間為

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

2.3 CO和CO2的毒害性評(píng)價(jià)

本文采用前述的煙氣毒害程度評(píng)價(jià)模型對(duì)人員疏散過程中遭受到的CO和CO2的毒害性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。從毒害指數(shù)的定義可知，提出的煙氣毒害程度評(píng)價(jià)模型評(píng)估的是人員疏散行動(dòng)時(shí)間(taction)內(nèi)的煙氣毒害性。但通過前文分析可知，人員疏散時(shí)間由疏散開始時(shí)間(tstart)和疏散行動(dòng)時(shí)間(taction)共同構(gòu)成，因此要評(píng)價(jià)人員疏散時(shí)間內(nèi)的煙氣成分毒害性，要將疏散開始時(shí)間內(nèi)人員遭受到的煙氣毒害性考慮到評(píng)價(jià)模型中。

在疏散開始時(shí)間內(nèi)人員所處位置不變，所以疏散開始時(shí)間內(nèi)煙氣毒害量應(yīng)該是所處位置煙氣成分濃度與疏散開始時(shí)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(yīng)該變?yōu)槭枭㈤_始時(shí)間和疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量之和，代表煙氣極限毒害量的分母應(yīng)該變換為人員疏散時(shí)間與人員疏散時(shí)間所對(duì)應(yīng)的安全閾值的乘積，即公式(2)變?yōu)?/p>

(6)

式中：tfire為火源點(diǎn)燃時(shí)刻(s)；tbegin為人員疏散行動(dòng)開始時(shí)刻(s)，tbegin與tfire的差值為人員疏散開始時(shí)間；Cx=0,t為疏散開始時(shí)間內(nèi)人員所處位置的煙氣成分濃度(mol/mol)；tREST為人員疏散時(shí)間(s)；Csafe為人員疏散時(shí)間所對(duì)應(yīng)的安全閾值(mol/mol)。

要計(jì)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(yīng)選取最長(zhǎng)逃生路線，因此選取防火分區(qū)最左側(cè)的首長(zhǎng)休息室作為疏散開始時(shí)間內(nèi)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(dòng)時(shí)間內(nèi)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(shí)間變化的煙氣濃度Cx,t。

前文已經(jīng)提到，當(dāng)將火源至疏散出口劃分的段數(shù)形成的每一段距離足夠短時(shí)，每一段內(nèi)隨時(shí)間和位置變化的煙氣濃度值Cx,t就可以用該段內(nèi)某一點(diǎn)隨時(shí)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(jì)算結(jié)果越精確，但是計(jì)算過程越復(fù)雜。本文根據(jù)人員的逃生速度綜合考慮準(zhǔn)確度和計(jì)算難度，將防火分區(qū)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(shí)間為2 s，在這2 s內(nèi)該段內(nèi)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(qū)走廊劃分情況Fig.5 Schematic diagram of the corridor of fire compartment

公式(6)則變?yōu)?/p>

(7)

2.3.1 單向型走廊CO和CO2的毒害性評(píng)價(jià)

首先，計(jì)算人員在疏散開始時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量。圖6為左側(cè)首長(zhǎng)休息室內(nèi)1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時(shí)間的變化曲線。通過對(duì)人員疏散開始時(shí)間(170 s)內(nèi)的CO和CO2濃度進(jìn)行數(shù)值積分，可得到人員在疏散開始時(shí)間內(nèi)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(cè)首長(zhǎng)休息室內(nèi)1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時(shí)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(duì)人員疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)遭受到CO和CO2的毒害量進(jìn)行計(jì)算。按前文所述，將走廊劃分為25 小段，按照公式(2)定義中關(guān)于人員疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)煙氣成分毒害量的計(jì)算方法，可計(jì)算出人員疏散時(shí)間內(nèi)走廊各段CO和CO2的毒害量，詳見表1。

表1 人員疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)走廊各段CO和CO2的毒害量

由表1可以看出：在疏散時(shí)間內(nèi)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(jù)前文計(jì)算所得到的人員疏散時(shí)間以及有毒有害氣體對(duì)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(shí)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(jì)算出CO和CO2的毒害指數(shù)。CO的毒害指數(shù)為

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

CO2的毒害指數(shù)為

Itotal=(7.523+0.800 036 95)÷8.8=0.94

通過對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，單向型走廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)，整個(gè)疏散時(shí)間內(nèi)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(rèn)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(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量占整個(gè)人員疏散時(shí)間內(nèi)煙氣毒害量的大部分，因此采用諸如降低感煙探測(cè)器報(bào)警閾值或減短報(bào)警系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等手段縮減人員疏散開始時(shí)間至關(guān)重要。

2.3.2 封閉型走廊CO和CO2的毒害性評(píng)價(jià)

與單向型走廊計(jì)算方法一致，首先計(jì)算人員在疏散開始時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量。圖7為左側(cè)首長(zhǎng)休息室內(nèi)1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時(shí)間的變化曲線。通過對(duì)人員疏散開始時(shí)間(170 s)內(nèi)的CO和CO2濃度進(jìn)行數(shù)值積分，可得到人員疏散開始時(shí)間內(nèi)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(cè)首長(zhǎng)休息室內(nèi)1.8 m高度處CO和CO2濃度隨時(shí)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(duì)人員疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)遭受到的CO和CO2毒害量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 人員疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)走廊各段CO和CO2的毒害量

由表2可知，在疏散時(shí)間內(nèi)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(nèi)的疏散行動(dòng)時(shí)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(jì)算出CO和CO2的毒害指數(shù)。CO的毒害指數(shù)為

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

CO2的毒害指數(shù)為

Itotal=(7.329+2.140 711)÷8.8=1.08。

通過對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，走廊處于全封閉時(shí)(即向火災(zāi)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(shù)已經(jīng)大于1，表明人員遭受到的CO2毒害量已經(jīng)超過了安全閾值，對(duì)人員安全逃生產(chǎn)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?yàn)槿藛T疏散時(shí)間內(nèi)火源處于O2充足的燃燒前期，火源燃燒過程中CO產(chǎn)生量較少，而CO2產(chǎn)生量較多；與單向型走廊一致，全封閉走廊人員疏散開始時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量遠(yuǎn)大于疏散行動(dòng)時(shí)間內(nèi)煙氣的毒害量，因此縮短疏散開始時(shí)間意義重大。

3 結(jié) 論

本文基于火災(zāi)時(shí)人員逃生過程中煙氣成分濃度隨時(shí)間和位置發(fā)生變化的特性，提出了利用毒害指數(shù)來評(píng)價(jià)國(guó)防工程人員疏散時(shí)間內(nèi)煙氣成分的毒害性。針對(duì)某國(guó)防工程的實(shí)際防火分區(qū)，計(jì)算了工程內(nèi)探測(cè)與報(bào)警時(shí)間、人員疏散預(yù)備時(shí)間和人員疏散行動(dòng)時(shí)間，并利用毒害指數(shù)評(píng)估了不同走廊狀態(tài)下煙氣成分的危害性。主要得到以下結(jié)論：

(1) 毒害指數(shù)在已有的評(píng)價(jià)模型中考慮時(shí)間和煙氣成分濃度的基礎(chǔ)上加入了人員位置這個(gè)因素，將已有的靜態(tài)模型完善為動(dòng)態(tài)模型。毒害指數(shù)是一個(gè)無量綱數(shù)，可以理解為火災(zāi)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(píng)價(jià)火災(zāi)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(shí)間構(gòu)成來看，人員在疏散開始時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量占整個(gè)人員疏散時(shí)間內(nèi)遭受到的煙氣毒害量的大部分，因此可考慮通過提升火災(zāi)探測(cè)器的敏感度、減短報(bào)警系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等手段來縮短人員疏散開始時(shí)間，對(duì)確保人員安全逃生至關(guān)重要。

(3) 在單向型走廊內(nèi)，人員在火災(zāi)疏散過程中遭受到的CO和CO2毒害量還未達(dá)到危險(xiǎn)程度，人員可以安全逃生；在全封閉型走廊內(nèi)，人員在火災(zāi)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(nèi)，而CO2的毒害量已經(jīng)超過了安全閾值，人員逃生難度較大，這是因?yàn)槿藛T疏散時(shí)間內(nèi)，火源基本處于O2充足的燃燒前期，火源燃燒產(chǎn)生了大量的CO2，而CO產(chǎn)生量較小。

(4) 對(duì)CO和CO2的毒害程度計(jì)算結(jié)果表明：國(guó)防工程防火分區(qū)內(nèi)人員逃生時(shí)，CO2對(duì)人員的毒害程度要高于CO，因此如何減少或者消除CO2對(duì)確保人員安全逃生具有重要的意義。