地下氢气设备间氢泄漏情况下强制通风系统性能的数值研究

保障地下氢气环境的安全

氢气常被誉为未来的清洁燃料，但它也高度易燃且比空气轻，若在室内泄漏易在天花板下聚集。随着城市为节约空间并提升街面安全而将氢气设备与加注站设置于地下，一个紧迫的问题是：在狭小的地下房间内如何防止泄漏氢气积聚到爆炸性浓度？本研究通过详尽的计算机模拟，探讨了不同风扇与通风口布置在多大程度上能将泄漏的氢气从紧凑的地下设备间中清除。

为何将氢气系统下移到地下？

地面上的氢气加注站必须与住宅、学校等建筑保持较大的安全距离。在密集城市中，找到足够的空地放置此类设施不易，这阻碍了氢动力交通的推广。将关键设备埋入地下可缩小对周边建筑的冲击并更灵活地布局加注点。但下移地下意味着失去自然通风，并受制于墙体和天花板可开洞数量的结构限制。作者针对一个现实的小型混凝土房间（边长仅数米）研究，模拟若发生泄漏氢气将如何扩散以及强制通风如何将其清除。

如何在计算机上测试泄漏与通风

研究团队构建了一个三维模型：地下房间内地面设有氢气喷嘴，靠近地面的侧向小通风口、一个较大的主进气口，以及一到两个靠天花板的排风扇。利用商用流体流动软件，他们模拟了氢气自地面喷出上升并与静止空气混合的过程，随后在风扇开启时被排走。九种“假设情形”改变了三个主要参数：运行风扇的数量、主进气口是否打开以及氢气泄漏速率。模拟追踪房间内多点的氢气浓度变化，并重点记录平均浓度达到与可燃性相关的关键阈值所需的时间。

氢气在室内泄漏会发生什么

在所有泄漏情形中都出现了相同的模式：氢气以细窄的射流向上冲击天花板，随后向两侧扩散形成一层气体，这层气体逐渐变厚并向下蔓延。同一高度处的多个点呈现相似的浓度，而高处先变得危险。在现实的泄漏速率下，房间的大部分区域在不到一分钟内进入明确的可燃范围；若未开启任何风扇，大部分空间在五分钟内氢浓度就超过了10%。打开通往外界的通风口能带来一定的天然缓解，但不足以将浓度稳定保持在低于点燃下限的安全水平。

风扇布局如何改变安全裕度

当研究者在泄漏后开启强制通风时，风扇与通风口的具体布置带来了显著差异。如果主进气口保持关闭，即便增加第二个排风扇也仅对稀释速度有有限提升。相反，若开启主进气口允许新鲜空气自由进入，则使天花板附近的氢浓度降至可燃限以下所需的时间减少约75%到90%。将进气口与排气口设置在同一面墙上通常优于对置安装，因为不良的布局会在天花板突出物附近产生滞留口袋，导致氢气滞留。在最佳配置下，房间上部在几秒钟内就能降至不可燃水平；而在不佳配置下，可能需要超过一分钟。

一个简单的经验估算工具

除了详尽的模拟外，作者还开发了一个将整个房间视为完全混合气体的简单数学模型。该模型仅使用房间体积、泄漏速率以及风扇进出风量来估算平均氢浓度随时间的升降。在模拟表现较均匀——无明显高低浓度口袋的情况下，简单模型对达到或低于可燃阈值的时间预测误差约为7%。在存在明显分层或滞留区的情形下，误差增至大约15%，但仍能给出合理的初步估计。这使得该模型在早期设计阶段非常有用，而将详尽模拟保留用于最终校核。

对地下氢气设备间的意义

对设计地下氢气设备间的人而言，本研究的结论直接明了：通风口的布置可能与风扇的功率同等重要甚至更重要。确保足够尺寸的新鲜空气进口，并将该进口与排风扇协调布置——理想情况下设置在同一侧并朝向能扫过氢气积聚区的方向——可以将房间处于可燃状态的时间缩短最多达90%。作者表明，通过合理的几何布置和适度的风量，地下房间可以在不需在墙体或天花板开大且削弱结构的孔洞的情况下，满足严格的氢气安全目标。

引用: 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

关键词: 氢气安全, 地下加注, 通风设计, 气体泄漏扩散, 计算流体动力学