Διασπορά επικίνδυνων ρύπων μέσα σε κτίριο: εκτίμηση κινδύνου

Abstract

The present Doctoral Dissertation examines the Indoor Air Quality (IAQ) after a chemical event in two semi-closed environments, in which their occupants are not familiar with the presence of chemical agents, therefore are not properly prepared to apply emergency measures. For this purpose, the dispersion of ammonia, a low toxicity chemical agent lighter than dry air, and the dispersion of phosgene, a highly toxic chemical agent heavier than dry air, were simulated separately in a typical office space and in the venue "Georgios Milonas" of the University of Ioannina. The chemical agents were released from a source located in the center of each room, at 1.00 m AGL (Above Ground Level). The amount used for each agent, was the largest possible that could be carried into the space by a single person, who would attempt to cause a chemical event without being noticed. Α CFD software was used for the simulations. Initially, the three-dimensional geometric model of each flow field was created using an external CAD software, taking under consideration the structure and the constructive components, the layout of objects in each room, the position of doors and windows, the exhaust ventilation, as well as any other object that could act as an obstacle to the chemical agents’ flow. Subsequently, different three-dimensional structured meshes were generated for each flow field, grid independence tests were performed in order to ensure the solution’s independence from the mesh and finally the mesh that required the least computational power while ensuring reliable results was selected for each case. The dispersion of each chemical agent was simulated separately in each space under the influence of ambient air’s circulation and the available HVAC systems were not put into operation. The dispersion of each chemical agent was observed for 30 minutes after its release. The purpose was to evaluate the natural ventilation’s contribution to the decongestion and decontamination of indoor air, as well as the possibility of forming dangerous areas, mainly near the “human breathing zone”, where the occupants could develop serious and possibly irreversible effects to their health. For this, the chemical agents’ concentrations were compared to the IDLH (Immediately Dangerous for Life and Health) index and the AEGLs (Acute Exposure Guideline Levels) for each chemical agent. The simulations’ results showed that in the case of ammonia, the amount released is incapable of creating a serious chemical event in either space. In both spaces are mainly created low-risk areas, where the occupants can feel mild respiratory irritation, mainly 10 minutes after the chemical agent’s release. The case is clearly severest in the office, where for 10 minutes exposure time, these areas occupy a significant part of the breathing levels’ surface. In the venue, low-risk areas are noticed only around the source, while in the largest part of the space the occupants are unlikely to be aware of ammonia’s presence. In neither space are detected areas where emergency conditions exist, therefore the occupants are unlikely to develop serious, irreversible health problems. The furniture and equipment of the two spaces do not seem to affect the dispersion of the chemical agent in either case. Natural ventilation is considered effective for decongesting the ambient air and restoring IAQ, and the contribution of artificial ventilation is not considered necessary. In the case of phosgene, the amount released, although significantly smaller than that of ammonia, is capable of creating a serious chemical event in both examined spaces. In both spaces are formed dangerous areas in which phosgene’s concentrations have disabling or even lethal effect. The case is clearly severest in the office, where for 10 minutes exposure time, these areas occupy the largest part of the breathing levels’ surface and does not significantly improve 30 minutes after the release. In the venue, the case is severest 10 minutes after the release, when are mainly formed areas in which the phosgene cloud has disabling effect, while there are not formed significantly sized areas where the cloud’s concentration is lethal. The furniture and the equipment, which are close to the ground in both spaces, seem to affect the chemical agent’s flow, since they act as obstacles, preventing it from moving downhill, resulting in clouds of dangerous concentrations close to the breathing zone. Natural ventilation is considered inadequate in restoring the IAQ and the contribution of artificial ventilation is necessary.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η εκτίμηση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα μετά από ένα χημικό περιστατικό, σε χώρους που οι χρήστες τους δεν είναι εξοικειωμένοι με την παρουσία χημικών παραγόντων και επομένως δεν είναι κατάλληλα προετοιμασμένοι να εφαρμόσουν μέτρα έκτακτης ανάγκης. Για το σκοπό αυτό, έγινε προσομοίωση της διασποράς αμμωνίας, χημικού παράγοντα ελαφρύτερου του ξηρού αέρα με χαμηλή τοξικότητα και φωσγενίου, χημικού παράγοντα βαρύτερου του ξηρού αέρα και ιδιαιτέρως τοξικού μέσα σε ένα τυπικό χώρο γραφείου και στην αίθουσα εκδηλώσεων «Γεώργιος Μυλωνάς», τον κύριο χώρο εκδηλώσεων του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Κάθε χημικός παράγοντας θεωρήθηκε πως απελευθερώνεται σε κάθε χώρο από πηγή που βρίσκεται στο κέντρο αυτού, στη θέση 1.00 m πάνω από το έδαφος (Above Ground Level –AGL). Η ποσότητα που χρησιμοποιήθηκε ήταν η μεγαλύτερη δυνατή που θα μπορούσε να μεταφερθεί στο χώρο από ένα και μόνο άτομο, το οποίο θα ήθελε να δημιουργήσει ένα χημικό περιστατικό χωρίς να γίνει αντιληπτό. Οι προσομοιώσεις έγιναν με τη βοήθεια λογισμικού Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής. Αρχικά δημιουργήθηκε για κάθε χώρο το τριδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο του πεδίου ροής του με χρήση εξωτερικού λογισμικού CAD, λαμβάνοντας υπόψιν τη δομή και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες, τον εξοπλισμό, τις θέσεις των ανοιγμάτων, τις θέσεις συστημάτων εξαερισμού καθώς και κάθε άλλο στοιχείο που θα μπορούσε να λειτουργήσει σαν εμπόδιο στη ροή των χημικών παραγόντων. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε για κάθε πεδίο ροής μια σειρά από τριδιάστατα δομημένα πλέγματα και αφού έγινε έλεγχος ανεξαρτησίας της λύσης από το πλέγμα, επιλέχθηκε εκείνο που θα οδηγούσε σε αξιόπιστα αποτελέσματα με τη μικρότερη δυνατή απαίτηση σε υπολογιστικούς πόρους. Η διασπορά κάθε χημικού παράγοντα έγινε υπό την επίδραση της κυκλοφορίας του περιβάλλοντος αέρα, χωρίς να τεθούν σε λειτουργία τα διαθέσιμα συστήματα εξαερισμού. Η διασπορά κάθε χημικού παράγοντα σε κάθε χώρο παρατηρήθηκε για 30 λεπτά μετά την απελευθέρωσή του. Σκοπός ήταν η αξιολόγηση της συμβολής του φυσικού αερισμού στην αποσυμφόρηση του περιβάλλοντος αέρα από την παρουσία των χημικών παραγόντων και της αποκατάστασης της ποιότητας του εσωτερικού αέρα (Indoor Air Quality – IAQ), καθώς και η εκτίμηση της πιθανότητας δημιουργίας επικίνδυνων περιοχών, ιδιαίτερα κοντά στην ζώνη ανθρώπινης αναπνοής, όπου οι χρήστες των χώρων θα μπορούσαν να έχουν σοβαρές και πιθανώς μη αναστρέψιμες επιπτώσεις στην υγεία τους. Οι συγκεντρώσεις των χημικών παραγόντων, κυρίως στα επίπεδα αναπνοής, συγκρίθηκαν με τις οριακές τιμές IDLH (Immediately Dangerous for Life and Health) και AEGLs (Acute Exposure Guideline Levels) για καθένα από αυτούς. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν πως στην περίπτωση της αμμωνίας, η ποσότητα που απελευθερώθηκε δεν είναι ικανή να δημιουργήσει ένα σοβαρό χημικό περιστατικό σε κανένα από τους δύο χώρους. Στους δύο χώρους δημιουργούνται κυρίως περιοχές χαμηλής επικινδυνότητας, όπου οι χρήστες μπορούν να αισθανθούν ήπια ενόχληση του αναπνευστικού, κυρίως 10 λεπτά μετά την απελευθέρωσή του χημικού παράγοντα. Η κατάσταση είναι σαφώς πιο επιβαρυμένη στον χώρο γραφείου, που για χρόνο έκθεσης 10 λεπτών οι περιοχές αυτές καταλαμβάνουν σημαντικό μέρος της επιφάνειας των επιπέδων αναπνοής. Στην αίθουσα εκδηλώσεων οι περιοχές χαμηλής επικινδυνότητας περιορίζονται κοντά στη θέση της πηγής, ενώ στο μεγαλύτερο μέρος της, οι χρήστες της είναι πιθανό να μην αντιληφθούν καθόλου την παρουσία της αμμωνίας. Σε κανένα από τους δύο χώρους δεν δημιουργούνται συνθήκες έκτακτης ανάγκης και επομένως οι χρήστες δεν κινδυνεύουν από σοβαρές, μη αναστρέψιμες επιπτώσεις στην υγεία τους ή θάνατο. Τα έπιπλα και ο εξοπλισμός των χώρων δεν φαίνεται να παίζουν ρόλο στην διασπορά του χημικού παράγοντα σε καμία από τις δύο περιπτώσεις. Ο φυσικός αερισμός κρίνεται αποτελεσματικός για την αποσυμφόρηση του περιβάλλοντος αέρα και την αποκατάσταση της IAQ και δεν θεωρείται απαραίτητη η συμβολή τεχνητού αερισμού.Στην περίπτωση του φωσγενίου η ποσότητα που απελευθερώθηκε, αν και σημαντικά μικρότερη από εκείνη της αμμωνίας, είναι ικανή να δημιουργήσει σοβαρό χημικό περιστατικό και στους δύο εξεταζόμενους χώρους, αφού δημιουργούνται περιοχές όπου οι συγκεντρώσεις του φωσγενίου έχουν πιθανώς αδρανοποιητική ή και θανατηφόρα δράση. Η κατάσταση είναι σαφώς πιο επιβαρυμένη στο χώρο γραφείου, που οι περιοχές αυτές για χρόνο έκθεσης 10 λεπτών καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο τμήμα της επιφάνειας των επιπέδων αναπνοής και παραμένει εξαιρετικά σοβαρή 30 λεπτά μετά την απελευθέρωσή του. Στην αίθουσα εκδηλώσεων, η κατάσταση είναι πιο επικίνδυνη για χρόνο έκθεσης 10 λεπτά, που δημιουργούνται περιοχές που το νέφος φωσγενίου έχει αδρανοποιητική δράση, ενώ δεν εντοπίζονται αξιοσημείωτου μεγέθους περιοχές όπου η συγκέντρωση του νέφους έχει θανατηφόρα δράση. Η επίπλωση και ο εξοπλισμός των δύο χώρων που βρίσκονται κοντά στο έδαφος, φαίνεται να παίζουν ρόλο στη διασπορά του χημικού παράγοντα, εμποδίζοντάς τον να κινηθεί προς κατωφέρειες, με αποτέλεσμα νέφη επικίνδυνων συγκεντρώσεων να εντοπίζονται κοντά στην ζώνη αναπνοής. Ο φυσικός αερισμός κρίνεται μη αποτελεσματικός στην αποσυμφόρηση του περιβάλλοντος αέρα και την αποκατάσταση της IAQ και στους δύο χώρους και θεωρείται απαραίτητη η συμβολή και του τεχνητού αερισμού.