建筑集中式空调风系统毒气污染传播快速预警与源辨识

Volatile chemical warfare agents (CWA) are likely to transfer though the centralized air-conditioning system, therefore, it is very necessary to solve the following two key issues, early warning and source identification of the poisonous gas released and spreading in the system. This project adopts such a three-step technology roadmap as 'dispersion, early warning, source identification', based on the fluid dynamics of the sudden gas dispersion, the ionization detection technology of VOC, and the inverse problem in engineering. It focuses on the study of gas pollution propagation characteristics under typical releasing scenarios, optimal distribution of ionization detector system, and the inverse problem of pollution source tracking. It further plans to develop a scaled experimental study of the air-conditioning system to verify the early-warning modes derived by the detector system. Two main outcomes are expected through this project, 1) optimal design of limited number of ionization detectors for the sudden releasing of poisonous gas, 2) and decoupled inverse trace of pollution source under the combined one-dimensional and three-dimensional dynamics in the air-duct system and the building rooms. Results from these innovation works could provide a basis for chemical pollution prevention and counter-terrorism security of the centralized air-conditioning systems.

公共建筑集中空调风系统极易被利用作为挥发性化学战剂快速传播的通道，从建筑环境防恐角度，急需解决突发毒气污染传播时快速预警和源辨识两个关键问题。本项目提出"传播-预警-溯源"的技术路线，根据突发毒气污染传播的流体动力学，利用毒气化学VOC离子化检测技术，并结合工程领域反问题方法的实践应用，重点开展典型施放情景下毒气污染传播特征、毒气传播离子化分布检测系统、毒气源反问题追踪等三方面的研究。项目将通过缩尺的风系统实验研究，验证基于离子化检测的毒气污染传播的预警模式，预期在突发毒气污染的有限检测点优化布置设计上实现突破，在"风管道系统一维动力学+建筑空间三维动力学"双尺度耦合反问题的分阶段解耦方面取得核心创新成果，为建筑集中式空调风系统的化学污染防治及防恐安全提供依据。

公共建筑集中空调风系统极易被利用作为挥发性化学战剂传播的通道，从建筑环境防恐角度，急需解决突发毒气污染传播时快速预警和溯源两个关键问题。本项目提出“传播—预警—溯源—应急”的技术路线，主要开展了典型施放情景下毒气污染传播特征、毒气传播离子化分布检测点优化、毒气源反问题快速追踪及风系统应对突发毒气污染的应急通风措施等四个方面的研究。项目目前已完成的工作包括：(1)、推导构建了毒气在风系统内传播的浓度动力学网络模型，并分别用实验和CFD的方法验证了模型预测风系统内毒气浓度分布的准确性；(2)、完成了毒气离子化分布检测实验，证明了在线离子检测毒气系统的可行性；(3)、实现了基于最短检测时间、最小暴露剂量及最大监测覆盖区域的目标函数和最优化方法的空调风系统传感器优化布置，形成了一套毒气传播预警基础理论；(4)、在毒气在风系统内传播的浓度动力学正向模型基础上，构建了基于遗传算法的空调风系统一维溯源模型及基于联合概率法的“一维风管道系统+风系统所服务区域”的网络溯源模型。在研究的过程中发现，由于突发毒气污染亟需在污染发生的短时间内完成源辨识工作，而三维溯源的建模及反向计算均需要很长时间，这段时间更应该用于采取相关通风应急措施来保障室内人员生命安全，基于工程实际，研究者转变思路构建了一套快速网络溯源算法，该算法能在突发污染发生的数秒内完成源辨识工作，在此基础上开展了不同应急通风方式对室内人员毒气暴露风险的影响评估及室内人员以应急加压通风区为逃生终点，源位置为约束条件的最优逃生路线的相关研究。本项目已在空调风系统突发毒气污染的浓度场快速预测及有限检测点优化布置上取得了突破，并取得了“风管道系统+房间节点”的快速网络溯源模型的核心创新成果，之后的研究将继续集中于应对突发污染的应急通风措施对人员毒气暴露量的影响及以源位置为约束条件的室内人员逃生路径优化，为建筑集中式空调风系统的化学污染防治及防恐安全提供依据。