Construction of Life Support System for High-rise Building Fire Rescue Capsule
王钟伟 WANG Zhong-wei；张嘉琪 ZHANG Jia-qi；王浩杰 WANG Hao-jie；王丽 WANG Li
（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384）
（School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）
摘要：为保障高层建筑火灾中受难人员的生命安全，基于LabVIEW控制程序设计了一套生命保障系统。对其中包含的监测与控制系统、供氧子系统、有毒有害气体净化子系统和除湿子系统进行构建。并用整套系统进行实验验证，可以达到保障避难人员生存环境的目的。从而为火灾救生舱技术提供理论依据，为火灾避难人员提供生命保障。
Abstract: In order to guarantee the safety of the lives of the victims in high-rise buildings, a life support system was designed based on LabVIEW control program. The monitoring and control system, oxygen supply subsystem, toxic and harmful gas purification subsystem and dehumidification subsystem are constructed. The whole system is used for experimental verification, which can achieve the purpose of protecting the living environment of asylum seekers, thus provides the theory basis for the fire rescue capsule technology, provides the life safeguard for the fire refuge personnel.
关键词：火灾救生舱；生命保障；LabVIEW；监测与控制；净化
Key words: fire rescue capsule；life support；LabVIEW；monitoring and control；purification
中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0223-04
0 引言
随着我国社会经济飞速发展，城镇化率进一步提高，高层建筑越来越多。中国高层建筑数量34.7万幢、百米以上超高层6000多幢，数量均位居世界第一[1]。高层建筑一旦发生火灾，扑救工作和人员疏散难度大，受到高层建筑火灾特点的影响，仅靠消防灭火设施不能保障人员生命安全。按照我国的消防规定，100米以上的高层民用建筑，每15层应建一个避难层[2]。而对于被困在火场中的人员、行动不便人员却寸步难行。当前对高层建筑的火灾避难设施主要集中在避难层设计、通风系统、烟气传播规律等问题的研究上[3-5]，而缺少为火场中寸步难行的受困者和特殊人群设计的主动避难场所。国外对于矿用救生舱的研究起步比较早，但对建筑火灾救生舱相关研究较少。国内火灾救生舱的研究刚刚起步，缺乏相关国家标准和规范性建议，其次火灾救生舱相关发明专利很多，但大多是概念性、结构性的，没有具体采用的材料、结构及实验研究。但近几年我国火灾不断，对人民群众的生命安全造成了巨大威胁，人们迫切需要一个火灾应急避难装置。
因此，设计一种可以在高层火灾紧急情况下为被困人员提供保护，防止人员受到火灾高温和有毒烟气侵害、能够保障避难人员生存条件的避难装置是十分有必要的。因此，需要研发适用于高层建筑火灾的安全可靠、智能化的救生避难舱。该救生舱主要由四大系统组成，包括火灾救生舱舱体结构研制、生命保障系统、环境监测系统和软件系统，其中生命保障系统主要负责舱内对避难人员的生存环境的保障，也是四大系统中最为重要的一个。生命保障系统主要包括空气净化系统和监测与控制系统两大部分。
1 空气净化系统
性能要求主要包括：在舱外温度800℃条件下维持舱内O2浓度在18.5%～23%，CO2<1.0%，温度T?芨33℃，CO?芨24ppm，30%≦湿度≦85%，H2S?芨10ppm，CH4<1.0%。舱内空间有限、动力储备有限，对设备的体积、能耗、质量、可靠性、可维修性都有苛刻的要求[6]，空气净化装置要求结构简单，使用方便，如图1所示。
图中：1：二氧化碳净化塔；2：一氧化碳净化塔；3：其他有毒有害净化塔；4：除湿塔。
空气净化系统主要包括三个子系统：供氧子系统、有毒有害气体净化子系统、除湿子系统。
1.1 供氧子系统
该系统主要为避难人员提供呼吸所需的氧气，维持舱内的氧气平衡。氧气的供应速率可以通过调节适应舱内避难人员的消耗速率。人体实际消耗氧气量或称吸氧量，吸氧量也称耗氧量，以单位时间每分钟计算，故称每分钟吸氧量。成年人平均呼吸潮气量为0.5L，身体状况良好的成年人呼吸大约为每分钟16-20次。人体呼吸过程气体比例变化如表1所示。
由表1可以知道，氧气在代谢过程中比例消耗5%，二氧化碳比例上升3.97%，水蒸气比例上升1.03%，其他成分没有变化。假设一个人在舱内每分钟呼吸次数按照18次为标准，则每分钟各气体成分变化率如下：人体呼吸潮气量×每分钟呼吸频率=每分钟呼吸通气量
耗氧量：18×0.5×0.21-18×0.5×0.16=0.45L
产生二氧化碳：18×0.5×0.0397=0.3573L
产生水蒸气：18×0.5×0.0103=0.0927L
出于对避难人员安全的考虑取耗氧量为0.5L/min
供氧装置原理图如图2所示，根据氧气传感器可以实时监测到舱内的氧气浓度，当氧气浓度达到设定最低值18.5%时，通过Labview编写的控制系统进行供氧平衡调控，打开供氧瓶开关，氧气瓶内高压氧气经减压阀，再经过流量调节开关进行微调，即可输出所需的流量，达到最适浓度后停止供氧，从而使舱内的氧浓度维持平衡。同时提供氧气还可以维持救生舱内的正压，减少舱外有毒有害气体进入救生舱内。
1.2 有毒有害气体净化子系统
当发生火灾事故后，外界存在大量的有毒有害气体，可能会跟随避难人员进入舱内，除此还有避难人员自身排出的气体。因此，该系统可以细分为二氧化碳净化、一氧化碳净化以及其他有毒有害气体净化。
1.2.1 二氧化碳净化
CO2是舱内对人体有害的最主要的气体之一，一方面由避难人员进入救生舱时带入，另一方面在密闭环境中人自身的新陈代谢活动会产生。人体在不剧烈运动的情况下排出二氧化碳的速率为0.36L/min。空气中CO2含量超过正常浓度0.03%时，人体呼吸加深加快；CO2含量为1%时，人体呼吸量增加25%，并出现头晕、乏力等症状；CO2含量为3%时，人体呼吸量增加2倍[7]，出现中毒症状，溶解在血液中的CO2会刺激中枢神经系统，长期处于该环境中将导致人体机能严重混乱甚至危及生命。目前救生舱的标准一般要求CO2的浓度不允许超过1%。
现有去除二氧化碳方法主要分为化学净化和物理净化两类，前者主要有氢氧化钙法和超氧化物反应法，后者则有物理吸附法、水洗吸收法、膜吸收法[8]。基于救生舱低能耗、紧急情况要求吸附能力高、空间有限等特点，救生舱选用化学净化二氧化碳技术。因此选用氢氧化钙作为二氧化碳吸收剂。其性质如下[6]：来源广泛，价格低廉，安全性高，常被用作去除呼吸产生的CO2气体。粒径范围在2～6 mm 的颗粒状物质，堆积密度约为0.5g/mL，吸收效率不小于33%。救生舱中选用的二氧化碳吸收剂中添加了一定量的指示剂，使其外观呈现出粉红色，当二氧化碳吸收剂吸收二氧化碳失效后，其粉红色褪去，变成白色或米黄色。因此在救生舱中使用二氧化碳吸收剂时，可以通过直接观察二氧化碳吸收剂药剂颜色的变化判断其吸收能力并决定是否需要更换药剂。其反应过程如下：
Ca（OH）2（s）+CO2（g）=CaCO3（s）+H2O（l）
二氧化碳净化流程：启动风机使得气体从入口进入净化塔，从下到上依次经过活性炭、卡加拉特、氢氧化钙。从小孔网经过药剂层，气流中的二氧化碳气体被氢氧化钙吸收。
1.2.2 一氧化碳净化
国家救生舱标准中规定，CO浓度要低于24ppm。一氧化碳的来源主要是外界燃烧气体的少量进入以及在密闭空间中人体自身产生。金龙哲[9]通过实验证明密闭空间内人体一氧化碳代谢速率平均为每人0.52×10-6/h，每人一昼夜产生一氧化碳15 mg 左右，根据相关标准规定：救生舱内CO处理设备必须能够在20min内将CO浓度从400ppm降低到24ppm。因此采用钯铂ACO-2系列催化剂将一氧化碳催化氧化成为二氧化碳，再对二氧化碳进行吸收。钯铂ACO-2系列[7]催化剂在常温下对一氧化碳的吸收率在99%以上，每立方米舱体需要催化剂量为0.4～0.6kg。
当监测系统监测到的一氧化碳浓度值达到设定的极限值时，风机启动对一氧化碳进行净化，气体从下到上依次经过活性炭、卡加拉特、钯铂ACO-2系列催化剂、氢氧化钙。一氧化碳经过催化氧化转化成二氧化碳进而被氢氧化钙吸收，净化后的空气排入舱内，达到净化的目的维持气体浓度平衡。
1.2.3 其他有毒有害气体净化
外界发生火灾后避难人员会进入救生舱，在进入救生舱的过程中，可能会有少量的有毒有害气体进入救生舱，其次人体自身会排放臭气等。这些有毒有害气体主要包括：硫化氢、氨气、氰化氢、苯、甲苯、乙醛、丙醛等。因此采用活性炭、以及光催化技术来净化有毒有害气体，保障避难人员的生命安全。活性炭具有吸附容量大、效率高、速度快等优点，除此，它还可以净化氨与胺类化合物、氮氧化物、硫化物、臭气，挥发性物质等空气中的有害物质。空气净化流程如图3所示。
当舱内空气中进入有毒有害气体时，经过监测系统的监测可以接收到信息，此时净化系统开始运转，气体经过过滤网，其中较大颗粒和灰尘被过滤，接着通过活性炭，空气中的有毒有害气体被吸收，接下来气体通过紫外灯进行光催化[10]，光催化具有杀菌、除臭功能，最后净化后的洁净空气从净化装置中排出，进入救生舱内，如此进行循环，从而维持救生舱内洁净的空气环境。
1.2.4 除湿子系统
人体代谢产湿量很小，主要来自人体呼气时产生的水蒸气以及人体皮肤产湿等，一般人体睡眠状态时代谢产量为50g/h，安静状态时为80g/h，中等活动状态时为150g/h，日平均产湿量为75g/h，采用卡加拉特去除舱内的湿气，可以达到目的。当监测系统监测到相对湿度达到80%时，此时除湿装置启动，空气进入除湿塔，水蒸气会被吸收，当相对湿度达到30%时停止工作。此时相对湿度达到标准，适合避难人员避难。
2 监测与控制系统
本系统主要分为两个部分：实时监测和控制系统。实时监测内部环境各个参数值，其中包括：O2、温度、湿度、CO2、CO、H2S、CH4。当某一参数浓度超过设定参数时，指示灯会变成红色并且伴随有报警声，此时控制按钮被打开，控制系统启动，净化塔开始净化空间内的气体，净化曲线会实时显示，如图4所示舱内人员可以根据需要选择不同气体的净化曲线，也可以同时观察多种气体的净化。当空间内气体浓度达到规定范围内时停止净化，此时救生舱内空气环境达到安全条件，可以保障避难人员的生存。
3 实验验证与分析
3.1 一氧化碳净化实验
实验内容：打开一氧化碳钢瓶，通过调节减压阀按照一定流量将一氧化碳气体通入配气室，当配气室内的传感器检测到一氧化碳气体浓度达到600ppm时停止供气，此时开启净化系统，一氧化碳净化塔内从下到上依次加入活性炭、卡加拉特，钯铂ACO-2系列催化剂。加入活性炭可以过滤配气室内其他气体，卡加拉特具有很好的除湿性能，保证气体干燥。实验结果如图5所示。
从图5可以看出钯铂ACO-2系列催化剂可以在20分钟内将CO浓度降到24ppm以下，满足救生舱的性能要求，可以保障人员安全。
3.2 二氧化碳净化实验
实验内容：打开二氧化碳钢瓶，通过调节减压阀按照一定流量将二氧化碳气体通入配气室，当配气室内的传感器检测到二氧化碳气体浓度达到1%时停止供气，此时开启净化系统，二氧化碳净化塔内从下到上依次加入活性炭、卡加拉特，氢氧化钙。加入活性炭可以过滤配气室内其他气体。实验结果如图6所示。
如图6所示，氢氧化钙对CO2具有较强的吸收作用，可以在短时间内将CO2浓度降到适宜避难人员生存的条件下，而且净化速度快，可以达到保障人员安全的目的。
4 结论
①设计了一套空气净化装置，通过实验验证可以达到净化空气的目的，净化效率高可以保障避难人员的安全。
②基于LabVIEW控制程序研发了一套监测与控制系统，可以智能监测气体并且调控救生舱内的浓度，使其控制在适宜范围内。
参考文献：
[1]苗得雨.高层建筑火灾的现状分析及预防措施[J].江西化工，2017（04）.
[2]王宗存. 超高层建筑加强防火要求研究[D].天津大学，2013.
[3]Charles C.K. Cheng. A fire safety study of Hong Kong refuge floor building wall layout design. Fire Safety Journal, Volume 44, Issue 4, May 2009, Pages 545-558.
[4]Charles C.K. Cheng, K.M. Lam, Richard K.K. Yuen, S.M. Lo, J. Liang. A study of natural ventilation in a refuge floor. Building and Environment, Volume 42, Issue 9, September 2007, Pages 3322-3332.
[5]Siu Ming Lo, Dahong Chen, Kwok Kit Yuen, Weizhen Lu. A numerical study of external smoke spread in designated refuge floor. Building and Environment, Volume 37, Issue 3, March 2002, Pages 257-268.
[6]马龙.KJYF-96/8矿用可移动式救生舱空气净化系统[J].煤矿安全，2015，46（07）.
[7]王彦平.矿用救生舱中有毒有害气体滤除研究[J].金属矿山，2013（02）.
[8]赵建会，张小波，孙瑞科.矿用救生舱二氧化碳净化技术研究现状与展望[J].制冷与空调（四川），2013，27（05）.
[9]栗婧，金龙哲，汪声，杨玉锋.矿用救生舱中人体自身代谢一氧化碳规律分析[J].煤炭学报，2010，35（08）.
[10]金宁，杨子学，邹志军，李洋.室内空气净化装置研究[J].洁净与空调技术，2007（03）.
|
