دراسة عددية لأداء نظام تهوية إجبارية عند تسرب الهيدروجين في غرفة معدات هيدروجينية تحت الأرض

الحفاظ على أمان الهيدروجين تحت الأرض

يُنظر إلى الهيدروجين غالبًا كوقود نظيف للمستقبل، لكنه أيضًا شديد الاشتعال وخفيف جدًا، ما يجعله عرضة للتجمع تحت الأسقف إذا تسرب في الداخل. ومع سعي المدن لنقل معدات الهيدروجين ومحطات التزود بالوقود تحت الأرض لتوفير المساحة وتحسين السلامة عند مستوى الشارع، يبرز سؤال مهم: كيف نمنع تراكم الهيدروجين المتسرب ليصل إلى مستويات قابلة للانفجار في غرف ضيقة تحت الأرض؟ تستخدم هذه الدراسة محاكاة حاسوبية مفصّلة لاستكشاف مدى فاعلية ترتيبات المراوح والمخارج المختلفة في تطهير غرفة معدات تحت أرضية مدمجة من الهيدروجين المتسرب.

لماذا نقل أنظمة الهيدروجين تحت الأرض؟

يجب فصل محطات الهيدروجين فوق الأرض عن المنازل والمدارس والمباني الأخرى بمسافات أمان واسعة. وفي المدن الكثيفة، يصعب إيجاد قطع أرض مفتوحة كبيرة لمثل هذه المرافق، ما يبطئ انتشار وسائل النقل المعتمدة على الهيدروجين. يمكن أن يقلص دفن المعدات الأساسية تحت السطح أثر الانفجار على المباني المجاورة ويجعل نقاط التزود أسهل في الموقع. لكن الانتقال إلى تحت الأرض يلغي النسيم الطبيعي ويضيف قيودًا إنشائية على عدد الفتحات التي يمكن شقها في الجدران والأسقف. ركز المؤلفون على غرفة خرسانية صغيرة واقعية، طول كل جانب فيها بضعة أمتار، ليرصدوا كيف سينتشر الهيدروجين إذا حدث تسرب وكيف يمكن للتهوية الإجبارية إزالته.

كيف اختُبر التسرب والتهوية بالحاسوب

أنشأ الفريق نموذجًا ثلاثي الأبعاد لغرفة تحت الأرض تحتوي على فوهة هيدروجين في الأرضية، ومخرج جانبي صغير قرب الأرض، ومجرى تدفق رئيسي أكبر، ومروحة أو مروحتين لعوادم على مستوى السقف. باستخدام برنامج تجاري لتدفق الموائع، حاكى الباحثون اندفاع الهيدروجين صعودًا من الأرضية وامتزاجه مع الهواء الساكن، ثم إزالته لاحقًا عند تشغيل المراوح. غيّرت تسع حالات "ماذا لو" ثلاثة عوامل رئيسية: عدد المراوح العاملة، ما إذا كان مجرى التدفق الرئيسي مفتوحًا أم مغلقًا، وسرعة تسرب الهيدروجين. تابعت المحاكاة كيف تغيرت تركيزات الهيدروجين عند نقاط عديدة في الغرفة، والأهم كم من الوقت استغرق المتوسط ليعبر عتبات السلامة المرتبطة بالاشتعال.

ماذا يحدث عند تسرب الهيدروجين في الداخل

عبر جميع حالات التسرب، ظهر نفس النمط: اندفع الهيدروجين صعودًا كنفاث ضيق، واصطدم بالسقف، ثم انتشر جانبياً مكونًا طبقة غازية ازدادت سمكًا وتراجعت تدريجيًا للأسفل. النقاط المتساوية الارتفاع شهدت تركيزات متقاربة، بينما أصبحت المواقع الأعلى خطرة أولاً. عند معدلات تسرب واقعية، عبرت أجزاء كبيرة من الغرفة نطاقًا واضح الاشتعال في أقل من دقيقة، وبدون تشغيل أي مروحة تجاوزت أجزاء كثيرة من الفراغ نسبة 10 بالمئة هيدروجين خلال خمس دقائق. فتح مخرج إلى الخارج وفر بعض التخفيف الطبيعي، لكنه لم يكن كافيًا لإبقاء المستويات بأمان تحت الحد الأدنى للاشتعال.

كيف تغيّر ترتيبات المراوح هوامش الأمان

عند تشغيل التهوية الإجبارية بعد حدوث التسرب، أحدثت تفاصيل وضع المراوح والمخارج فرقًا ملحوظًا. إذا ظل مجرى التدفق الرئيسي مغلقًا، فإن إضافة مروحة عادم ثانية سرعت التخفيف بشكل طفيف فقط. بالمقابل، قلص فتح مجرى التدفق الرئيسي بحيث يمكن للهواء النقي الدخول بحرية الوقت اللازم لانخفاض الهيدروجين قرب السقف إلى ما دون حد الاشتعال بحوالي 75 إلى 90 بالمئة. كان وضع مجرى الدخول ومجرى العادم على نفس الجدار أفضل من وضعهما على جدران متقابلة، لأن التوزيعات الضعيفة خلّقت جيوبًا خامدة قرب بروز في السقف حيث بقي الهيدروجين متجمعًا. في أفضل التكوينات، هبط الجزء العلوي من الغرفة إلى ما دون مستوى الاشتعال خلال ثوانٍ قليلة؛ وفي التكوينات الضعيفة، قد يستغرق الأمر أكثر من دقيقة.

قاعدة إرشادية بسيطة

إلى جانب المحاكاة التفصيلية، طوّر المؤلفون نموذجًا رياضيًا بسيطًا يعامل الغرفة كأن غازاتها مختلطة تمامًا. يستخدم هذا النموذج فقط حجم الغرفة، ومعدل التسرب، ومعدلات تدفق الهواء الواردة والصادرة للمروحة لتقدير كيفية ارتفاع وانخفاض متوسط مستوى الهيدروجين عبر الزمن. عندما تصرّف الغرفة كما لو كانت متجانسة—بدون جيوب قوية لتركيزات مرتفعة أو منخفضة—تنبأ النموذج البسيط بزمن الوصول إلى عتبات الاشتعال أو الهبوط أدناها بدقة تقارب 7 بالمئة. في الحالات ذات التراكم الطبقي أو الجيوب الراكدة الشديدة، نما خطؤه إلى نحو 15 بالمئة لكنه ظل يعطي تقديرًا أوليًا معقولًا. يجعل هذا النموذج مفيدًا خلال أعمال التصميم المبكرة، مع حجز المحاكاة التفصيلية لفحوصات التحقق النهائية.

ماذا يعني هذا لغرف الهيدروجين تحت الأرض

بالنسبة لمصممي غرف معدات الهيدروجين تحت الأرض، الرسالة من الدراسة واضحة: ترتيب الفتحات يمكن أن يكون له وزن مماثل أو أكبر من قوة المراوح. إن توفير مدخل هواء طازج بسعة مناسبة ووضع هذا المدخل بتنسيق مع مخرج العادم—ويُفضل أن يكونا على نفس الجانب وموجهين لتمرير الهواء عبر مناطق تجمع الهيدروجين—يمكن أن يقلص الوقت الذي تبقى فيه الغرفة في حالة قابلة للاشتعال بما يصل إلى 90 بالمئة. يبين المؤلفون أنه من خلال هندسة ذكية ومعدلات تدفق مروحة متواضعة، يمكن للغرف تحت الأرض الوفاء بأهداف سلامة الهيدروجين الصارمة دون الحاجة إلى شق فتحات كبيرة تُضعف الإنشاءات في الجدران والأسقف.

الاستشهاد: Shin, HC., Hwang, I. & Seo, H. Numerical study on the performance of a forced ventilation system under hydrogen leakage in an underground hydrogen equipment room. Sci Rep 16, 10782 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43773-5

الكلمات المفتاحية: سلامة الهيدروجين, التزود بالوقود تحت الأرض, تصميم التهوية, انتشار تسرب الغاز, الديناميكا الهوائية الحسابية