Численное исследование эффективности системы принудительной вентиляции при утечке водорода в подземном помещении для оборудования

Обеспечение безопасности подземного хранения водорода

Водород часто называют чистым топливом будущего, но он также сильно воспламеняем и очень легок, поэтому при утечке в помещении имеет тенденцию скапливаться под потолком. Когда города стремятся размещать оборудование и заправочные станции для водорода под землей, чтобы экономить место и повышать безопасность на уровне улиц, встает актуальный вопрос: как не допустить накопления утекшего водорода до взрывоопасных концентраций в тесных подземных помещениях? В этом исследовании с помощью подробных компьютерных симуляций изучается, насколько эффективно разные схемы размещения вентиляторов и вентиляционных отверстий удаляют утекший водород из компактного подземного машинного отделения.

Зачем размещать системы с водородом под землей?

Наземные заправки водорода обязаны располагаться на значительном расстоянии от жилых домов, школ и других зданий. В плотной городской застройке найти большие свободные участки для таких объектов сложно, что замедляет распространение транспорта на водороде. Размещение ключевого оборудования под землей может уменьшить ударную нагрузку при аварии на соседние сооружения и упростить размещение пунктов заправки. Но переход под землю лишает помещения естественных сквозняков и накладывает ограничения на количество проёмов в стенах и потолках. Авторы сосредоточились на реалистично малом бетонном помещении площадью всего в несколько метров в сторону, чтобы проследить, как распространяется водород при утечке и как принудительная вентиляция способна его удалить.

Как моделировали утечку и работу вентиляции на компьютере

Команда создала трёхмерную модель подземного помещения с соплом водорода в полу, небольшим боковым отверстием у пола, большим основным приточным отверстием и одним или двумя вытяжными вентиляторами у потолка. С помощью коммерческого ПО для расчёта течений они смоделировали струйную подачу водорода вверх с пола и его перемешивание со стоячим воздухом, а затем удаление газа при включении вентиляторов. Девять «что-если» случаев изменяли три основных фактора: число работающих вентиляторов, открыт ли основной приточный проём и насколько велика скорость утечки водорода. В симуляциях отслеживались изменения концентрации водорода во многих точках помещения и, что важно, время, за которое средний уровень пересекал ключевые пороги, связанные с воспламеняемостью.

Что происходит при утечке водорода в помещении

Во всех рассмотренных случаях утечки проявлялась одна и та же картина: водород вырывается вверх узкой струёй, ударяется о потолок, затем распространяется в стороны и образует слой газа, который постепенно утолщается и опускается вниз. Точки на одной высоте фиксировали похожие концентрации, тогда как верхние зоны становились опасными первыми. При реалистичных скоростях утечки большая часть объема помещения переходила в явно воспламеняемый диапазон менее чем за минуту, а при отсутствии работы вентиляторов значительная часть пространства превышала 10 процентов содержания водорода в течение пяти минут. Открытие вентиляционного отверстия наружу давало некоторое естественное облегчение, но недостаточное, чтобы удерживать уровни ниже нижнего порога воспламенения.

Как схема расположения вентиляторов влияет на запас прочности

При включении принудительной вентиляции после утечки детали расположения вентиляторов и проёмов оказали заметное влияние. Если основной приточный проём оставался закрытым, даже добавление второго вытяжного вентилятора лишь умеренно ускоряло разбавление. Напротив, открытие основного приточного проёма, чтобы свежий воздух мог свободно поступать, сокращало время, необходимое для понижения концентрации водорода у потолка ниже уровня воспламенения, примерно на 75–90 процентов. Размещение приточного и вытяжного проёмов на одной стене работало лучше, чем на противоположных стенах, поскольку неудачные схемы создавали застойные карманы возле выступа потолка, где водород задерживался. В лучших конфигурациях верхняя часть помещения опускалась ниже уровня воспламенения за считанные секунды; при худших — это могло занять более минуты.

Простое эвристическое средство

Параллельно с подробными симуляциями авторы разработали простую математическую модель, которая рассматривает всё помещение как идеально перемешанную смесь газа. Эта модель использует только объём помещения, скорость утечки и расход притока и вытяжки вентиляторов, чтобы оценить, как средний уровень водорода повышается и снижается со временем. Когда в смоделированном помещении не наблюдались сильные неоднородности — без выраженных карманов высокой или низкой концентрации — простая модель предсказывала время достижения или снижения ниже порогов воспламеняемости с погрешностью около 7 процентов. В случаях сильной стратификации или застойных зон её ошибка росла до примерно 15 процентов, но при этом она по-прежнему давала разумную первую оценку. Это делает модель полезной на ранних этапах проектирования, а подробные симуляции целесообразно оставлять для окончательной проверки.

Что это значит для подземных помещений с водородом

Для проектировщиков подземных помещений с оборудованием для водорода главный вывод исследования прост: расположение проёмов может играть не меньшую, а порой и большую роль, чем мощность вентиляторов. Обеспечение достаточно большого приточного отверстия для свежего воздуха и согласованное размещение этого притока относительно вытяжного вентилятора — желательно на одной стороне и так, чтобы поток промывал зоны скопления водорода — может сократить время нахождения помещения в воспламеняемом состоянии до 90 процентов. Авторы показывают, что при разумной геометрии и умеренных расходах вентиляторов подземные помещения могут соответствовать строгим требованиям по безопасности водорода без необходимости делать большие проёмы, ослабляющие конструкцию стен и потолков.

Цитирование: 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

Ключевые слова: безопасность при работе с водородом, подземная заправка, проектирование вентиляции, распространение утечки газа, численное моделирование течений