《ENERGY AND BUILDINGS》：A novel artificial air life support system based on liquid oxygen and liquid nitrogen in underground refuge chamber
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地下避难室人工空气生命支持系统设计与优化研究。提出基于液氧液氮混合的新型AALS-S系统，通过WAAAS-D装置实现高效供氧，解决传统PV-S和COS-S系统可靠性低、空间占用大的问题。数值模拟与实验验证表明，当呼吸区距WAAAS-D在0.5-2米时，供氧速度1.54-3.89m/s，氧气浓度0.245-0.85可满足需求。案例研究显示该系统较COS-S节省51%空间，并具备环境调节功能。
卢海琳|李安贵|车继刚|马远青|邓莲华|熊静|杨长青|吴丁萌
西安建筑科技大学建筑服务科学与工程学院，中国西安710055
摘要
在地下避难室内，现有的压力通风系统（PV-S）和压缩氧气供应系统（COS-S）存在可靠性低和占用空间大的局限性。为了解决这些问题，提出了一种人工空气生命支持系统（AALS-S）。通过混合氧气和氮气来生成人工空气，AALS-S能够独立运行，并克服了通风管道的约束。AALS-S配备了壁挂式人工空气供应装置（WAAAS-D），以提高氧气供应效率。通过仿真和实验研究提出了AALS-S的运行策略。当呼吸区与WAAAS-D之间的距离在0.5到2米之间时，AALS-S中人工空气供应速度和氧气比例的设定范围分别为1.54–3.89米/秒和0.245–0.85。通过整合运行策略，提出了AALS-S的完整设计方法。以一个可容纳100人的避难室为例进行了性能分析，结果表明使用液氧和液氮可以显著节省空间。与COS-S相比，AALS-S将空间占用减少了51%。AALS-S还具备降温能力和提供饮用水的功能，从而改善了人员的生存条件。本研究为优化地下避难室的环境支持技术提供了参考数据。
引言
随着城市的发展，人口日益集中，但资源短缺和环境污染等问题限制了进一步的发展[1]、[2]。学者们指出，开发地下空间对于解决这些问题非常重要[3]、[4]。然而，与地面建筑相比，地下空间在灾难发生时的人员疏散更加困难，且灾难造成的损失也更大[5]。因此，鉴于地下空间的特殊性，建立生命安全保护机制变得尤为重要。
研究表明，避难室是地下空间中不可或缺的设施，具有较高的救援能力和较低的建设成本，可以提供高温和有害气体的隔离。例如，在2006年加拿大萨斯喀彻温省的钾矿火灾中，避难室挽救了70名工人的生命；2017年中国陕西省班丁梁塔煤矿的透水事故中，6名工人在避难室中等待76小时后获救[6]。早在19世纪20年代，避难室技术就已经成为研究热点。1928年加拿大霍林格矿火灾导致39人死亡，促使政府制定了建造避难室的法案[7]。目前，包括中国、英国、法国、德国和俄罗斯在内的多个国家都在开展避难室技术的研究[8]、[9]。
统计数据显示，缺氧和窒息是地下灾难中的主要致死原因[10]。因此，许多学者深入研究了避难室的氧气供应系统，并取得了显著成果[11]、[12]。避难室的氧气供应系统分为压力通风系统（PV-S）和压缩氧气供应系统（COS-S）[13]。PV-S通过通风管道将新鲜空气输送到避难室，曾被认为是最直接且成本最低的氧气供应技术，已被广泛采用[14]。Porras-Amores等人推导出了避难室PV-S的气流计算公式[15]；Roxas等人计算了避难室内人员的氧气需求，结果表明每人的空气供应速率达到100升/分钟即可满足需求[16]。然而，由于钻孔和管道的难度及成本限制，PV-S的使用有时会受到限制[17]。因此，压缩氧气供应系统（COS-S）在地下空间中得到广泛应用。COS-S可以独立运行且启动速度快，但需要大量氧气瓶。Wang等人报告称，一个可容纳100人的避难室需要67瓶压缩氧气才能维持运行[18]。由于避难室可用空间的限制，COS-S在地下空间也存在局限性。此外，COS-S的主要氧气供应终端是扩散式氧气供应终端，其应用存在一定的局限性，氧气利用率有时低于40%，导致资源浪费[19]。另外，避难室不同区域的氧气浓度无法独立控制，适应性较差。
总之，地下空间的开发有助于解决地面资源短缺的问题，而避难室的氧气供应技术确保了地下资源的安全利用。然而，传统的氧气供应技术仍存在局限性。因此，提出了人工空气生命支持系统（AALS-S），解决了传统技术可靠性低和占用空间大的问题。此外，AALS-S通过壁挂式人工空气供应装置（WAAAS-D）实现了高效的个性化氧气供应。本研究以AALS-S的设计方法为核心，设定了两个研究目标：
(a) 确定了AALS-S的核心配置和参数匹配方法，形成了完整的工程设计流程。通过数值仿真、物理实验和案例研究验证了系统的性能和工程适用性，为避难室空气供应系统的建设和改造提供了可复制的解决方案。
(b) 介绍了WAAAS-D作为AALS-S的终端空气供应组件。基于壁挂式喷射理论，分析了空气供应参数对呼吸区环境的影响机制，并建立了WAAAS-D的空气供应计算模型，为AALS-S的运行策略提供了理论基础。
节选内容
人工空气生命支持技术
为了克服深地下空间传统避难室氧气供应技术的局限性，提出了新的解决方案——AALS-S。AALS-S不仅克服了传统技术的局限性，还通过集成的WAAAS-D提高了系统效率。
实验与数值模型
为了验证AALS-S的有效性，建立了系统的实验模型。实验结果表明，AALS-S具有良好的应用效果。此外，使用ANSYS Fluent对WAAAS-D的喷射流特性进行了数值建模，为系统运行策略的制定提供了依据。
数值模型验证
通过比较仿真结果和实验结果，验证了数值模型的准确性。分析了WAAAS-D的喷射特性，为系统运行策略的制定提供了理论基础。根据上一节中的测量点位置和计算参数，对测量点a1–a5、b1–b5和c1–c5的氧气浓度和空气速度进行了数值计算。
结论
本文提出了一种创新的人工空气生命支持系统（AALS-S），以解决传统避难室氧气供应系统的局限性。基于理论分析、数值仿真和实验验证，介绍了AALS-S的设计方法和运行策略。主要结论如下：
1.本研究提出了一种基于液氧和液氮的避难室生命支持系统，减少了
作者贡献声明
卢海琳：撰写——初稿、软件开发、方法论、数据管理、概念构思。李安贵：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、资金筹集、概念构思。车继刚：方法论、数据分析、数据管理。马远青：数据调查、数据分析。邓莲华：软件开发、数据调查、数据管理。熊静：软件开发、数据调查、数据管理。杨长青：可视化技术、方法论
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本项目得到了中国陕西省国际建筑服务科学与地下空间环境联合研究中心以及教育部低碳建筑环境国际联合实验室（西安建筑科技大学）的支持。
