城市綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

國玉山 于秋燕 趙興海 王新彤

北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化水平的不斷提高，城市建設(shè)用地的需求量大幅度增加，現(xiàn)代城市對市政管線的需求量也越來越大，城市空間容量的供需矛盾日益突出。作為綜合利用地下空間的有效措施之一，綜合管廊能合理緊湊地布置市政管線，減少各種市政管線使用的地下空間，提高對地下空間的利用和管理水平。

然而，在實際工程設(shè)計中綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)在不同艙室通風(fēng)量的設(shè)計、不同斷面和管線布置形式下的通風(fēng)阻力的計算以及在電力艙的電纜散熱效果等方面研究仍比較匱乏，進而造成通風(fēng)設(shè)備壓頭偏小或偏大，導(dǎo)致通風(fēng)換氣效果不滿足要求或風(fēng)機選型壓頭過大象，造成浪費。另外，正確的電力艙艙室余熱計算是合理選擇通風(fēng)系統(tǒng)容量的關(guān)鍵基礎(chǔ)，必須正確分析研究電纜散熱的傳熱學(xué)機理，計算出通過管廊壁面?zhèn)鬟f的熱量，剩余的熱量才是需要通過系統(tǒng)排出的余熱，則可避免僅按通風(fēng)次數(shù)造成通風(fēng)量偏大的現(xiàn)象，實現(xiàn)減少通風(fēng)系統(tǒng)土建投資及其運行費用目的。

1 管廊工程調(diào)研

本文選取了未來科技城綜合管廊、南京河西管廊、世園會管廊、副中心行政區(qū)管廊、成都市中和片區(qū)管廊、南京江東南路管廊、東壩管廊、廊坊管廊的通風(fēng)設(shè)計參數(shù)進行對比分析，歸納總結(jié)不同項目設(shè)計原則的差異性，并結(jié)合理論計算分析不同長度通風(fēng)分區(qū)對管廊內(nèi)通風(fēng)換氣及排煙效果的影響。

表1 不同管廊設(shè)計參數(shù)

通過對不同地區(qū)綜合管廊項目的調(diào)研可以得出，燃氣艙通風(fēng)分區(qū)長度均按照不超過200 m 設(shè)計，電力艙、水信艙、熱力艙、綜合艙等通風(fēng)分區(qū)長度有200 m、400 m 和800 m，正常工況通風(fēng)換氣次數(shù)最小的2.5 次/h，最大17.4 次/h，燃氣艙事故工況換氣次數(shù)最小的14.5 次/h，最大17.6 次/h，其余艙室事故工況換氣次數(shù)最小的2.5 次/h，最大14.7 次/h。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，實際管廊工程中通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計沒有統(tǒng)一的標準做法，有些工程風(fēng)機選型過大，能耗較高，下文將通過理論分析及工程實測的方法研究管廊通風(fēng)分區(qū)的長度及風(fēng)機選型要求。

2 管廊通風(fēng)量理論計算

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（G50838--2015）中規(guī)定電力艙正常通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于2 次/h，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于6 次/h。而對于電力艙、熱力艙這種有管線發(fā)熱量的艙室并沒有給出詳細的通風(fēng)量計算，以下將通過計算各艙室的熱負荷對通風(fēng)量進行計算。

2.1 電力艙散熱量

國內(nèi)綜合管廊所納入電力電纜的電壓等級通常為10 kV、110 kV 和220 kV，下圖為高壓110 KV 交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜斷面圖，計算模型選取多層圓環(huán)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[1]。

式中：Q-電纜散熱量，W；L-電纜長度，m；λi-第i 層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ri-第i 層材料的半徑，m；t1-電纜導(dǎo)體的溫度，取90℃；t0-管廊內(nèi)溫度，℃；a0-電纜表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

根據(jù)上述公式可以計算出不同規(guī)格電力電纜的在綜合管廊內(nèi)的額定載流量及額定載流量對應(yīng)的每米電纜散熱量，詳見表2。

表2 不同規(guī)格電力電纜散熱量

電力艙內(nèi)發(fā)熱量一部分右通風(fēng)系統(tǒng)排除，另一部分通過艙室壁面與周圍突然發(fā)生熱交換，綜合管廊覆土深度一般為2-10 m，土壤溫度變化較小，本文取17 ℃，參照相關(guān)文獻中土壤的熱阻值1.2 m2·K/W，電力艙修正后的發(fā)熱量公式為：

式中：Q-電纜散熱量，W；L-電纜長度，m；A-艙室斷面積，m2；c-空氣比熱；tp-排風(fēng)溫度，取40 ℃；ts-室外通風(fēng)計算溫度，℃；t0-土壤溫度，取17 ℃；Re-土壤熱阻m2·K/W；q-管線單位長度發(fā)熱量。

根據(jù)上式可以算出電力艙修正后的發(fā)熱量，根據(jù)發(fā)熱量計算出的通風(fēng)量需要與根據(jù)換氣次數(shù)的通風(fēng)量對比，取大值，并校核冬季工況下的艙內(nèi)溫度，保證不低于5 ℃。

2.2 熱力艙散熱量

一般情況下，為了減小熱損失、節(jié)約能源、維持介質(zhì)一定的熱力參數(shù)以滿足用戶需求，當(dāng)熱力管道中輸送介質(zhì)的溫度高于50 ℃時需設(shè)保溫。熱力管道常用的保溫材料有：巖棉、礦棉、膨脹珍珠巖和泡沫橡塑等。在保溫良好的情況下，熱力管道熱損失約占總輸送熱量的5%～8%，根據(jù)管道輸送介質(zhì)的溫度及管徑的不同，查表3 得出單位面積熱力管道熱損失[3]。

表3 不同熱力管道散熱量

帶保溫的熱力管道的散熱模型也是多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，考慮土壤吸熱后的計算公式參照電力電纜計算公式。

3 工程實測

3.1 測試內(nèi)容

本文選取未來科技城綜合管廊進行測試，測試內(nèi)容包括艙室斷面平均風(fēng)速、溫度。

選取相鄰兩個通風(fēng)區(qū)段進行測試，每個通風(fēng)區(qū)段分成4 個斷面進行測量，斷面間距50 m，斷面1-斷面4 為進風(fēng)流向排風(fēng)方向。每個斷面測點的布置形式采用網(wǎng)格式，詳見圖1。

圖1 各艙室斷面及布點位置圖

3.2 測試結(jié)果

未來科技城綜合管廊是4 艙結(jié)構(gòu)，分為電力艙I、電力艙II、水信艙、熱力艙，其中兩個電力艙斷面結(jié)構(gòu)基本一致，只測其中一個艙，本次測試選取電力艙II、水信艙和熱力艙的兩個通風(fēng)分區(qū)進行測試。各艙室的通風(fēng)模式為機械排風(fēng)、自然進風(fēng)，并輔助以誘導(dǎo)風(fēng)機增強通風(fēng)效果。

針對電力艙II 一個通風(fēng)分區(qū)分別進行四種模式的切換測試斷面風(fēng)速，分別是排風(fēng)機低速運行（誘導(dǎo)風(fēng)機關(guān)閉）、排風(fēng)機低速運行（誘導(dǎo)風(fēng)機開啟閉）、排風(fēng)機高速運行（誘導(dǎo)風(fēng)機關(guān)閉）、排風(fēng)機高速運行（誘導(dǎo)風(fēng)機開啟），測試結(jié)果詳見圖2。

圖2 電力艙II 不同通風(fēng)模式下的斷面平均風(fēng)速

從圖2 可以看出，誘導(dǎo)風(fēng)機關(guān)閉狀態(tài)下風(fēng)機低速運行時斷面平均風(fēng)速約為0.15 m/s，通風(fēng)換氣量約為3564 m3/h，換氣次數(shù)為2.7 次/h，風(fēng)機高速運行時斷面平均風(fēng)速約為0.3 m/s，通風(fēng)換氣量約為7128 m3/h，換氣次數(shù)為5.5 次/h。

誘導(dǎo)風(fēng)機開啟狀態(tài)下風(fēng)機低速運行時斷面平均風(fēng)速約為0.9 m/s。風(fēng)機高速運行時斷面平均風(fēng)速約為1.18 m/s。按照《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的正常通風(fēng)工況換氣次數(shù)不小于2 次，事故工況不小于6 次的要求，上述長度194 m 的電力艙平常工況下通風(fēng)換氣可以不開啟誘導(dǎo)風(fēng)機，但事故工況必須開啟誘導(dǎo)風(fēng)機加強空氣流通才能滿足換氣次數(shù)要求。

熱力艙截面積10 m2，排風(fēng)機為單速風(fēng)機，分別測試誘導(dǎo)風(fēng)機開啟、關(guān)閉狀態(tài)下的通風(fēng)效果，測試結(jié)果見圖3。

圖3 熱力艙不同通風(fēng)模式下的斷面平均風(fēng)速

從圖3 可以看出，誘導(dǎo)風(fēng)機關(guān)閉狀態(tài)下的熱力艙斷面平均風(fēng)速約為0.15 m/s，通風(fēng)換氣量約為5400 m3/h，換氣次數(shù)為2.8 次/h。誘導(dǎo)風(fēng)機開啟狀態(tài)下的熱力艙斷面平均風(fēng)速約為0.4 m/s，通風(fēng)換氣量約為14400 m3/h，換氣次數(shù)為7.4 次/h，熱力艙事故工況必須開啟誘導(dǎo)風(fēng)機輔助通風(fēng)。

水信艙截面積為13 m2，排風(fēng)機為單速風(fēng)機，分別測試誘導(dǎo)風(fēng)機開啟、關(guān)閉狀態(tài)下的通風(fēng)效果，測試結(jié)果見圖4。

圖4 水信艙不同通風(fēng)模式下的斷面平均風(fēng)速

從圖4 可以看出，誘導(dǎo)風(fēng)機關(guān)閉狀態(tài)下的水信艙斷面平均風(fēng)速約為0.1 m/s，通風(fēng)換氣量約為4680 m3/h，換氣次數(shù)為1.9 次/h。誘導(dǎo)風(fēng)機開啟狀態(tài)下的熱力艙斷面平均風(fēng)速約為0.35 m/s，通風(fēng)換氣量約為16380 m3/h，換氣次數(shù)為6.5 次/h，因此，水信艙平常工況及事故工況必須開啟誘導(dǎo)風(fēng)機輔助通風(fēng)。

4 通風(fēng)分區(qū)長度分析

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）中有如下規(guī)定: 天然氣管道艙及容納電力電纜的艙室應(yīng)每隔200 米采用耐火極限不低于3.0 h 的不燃性墻體進行防火分隔，防火分隔處的門應(yīng)采用甲級防火門管線穿越防火隔斷部位應(yīng)采用阻火包等防火封堵措施進行嚴密封堵。規(guī)范中只針對燃氣艙及電力艙防火分隔長度作了規(guī)定，并沒有明確說明通風(fēng)分區(qū)的長度要求，而不同的通風(fēng)分區(qū)長度直接影響出地面風(fēng)亭的數(shù)量、景觀及工程造價，下文將以未來科技城的的測試結(jié)果對通風(fēng)分區(qū)長度進行研究分析。

4.1 沿程阻力

空氣從管廊艙室內(nèi)壁面、各種管線及支架表面流過形成的粘滯阻力稱為沿程阻力，沿程阻力的大小與空氣的流速、管線表面的粗糙度及管廊斷面尺寸有關(guān)，由于管廊內(nèi)風(fēng)速比較平穩(wěn)，將管線對空氣形成摩擦阻力損失簡化為管廊壁面的沿程阻力損失，可按下式進行計算：

式中：py-單位長度沿程阻力，Pa/m；λ-摩擦阻力系數(shù)，Pa/m；de-艙室當(dāng)量直徑，m；ρ-空氣密度，kg/m3；v-風(fēng)速，m/s。

式中：K-壁面粗糙度，取0.452（考慮管線、支架對通風(fēng)系統(tǒng)阻力的影響，支架長度一般為900 mm，壁面粗糙度5 mm）；Re-雷諾數(shù)，根據(jù)各斷面風(fēng)速分別計算。

根據(jù)以上公式分別計算出不同風(fēng)速下雷諾數(shù)及單位長度沿程阻力并匯入表4～7。

表4 艙室內(nèi)沿程阻力（200 m）

表5 艙室內(nèi)沿程阻力（600 m）

表6 艙室內(nèi)沿程阻力（800 m）

表7 艙室內(nèi)沿程阻力（1200 m）

從表4～7 可以得出以下結(jié)論：

綜合管廊當(dāng)通風(fēng)分區(qū)長度為200 m 時，沿程阻力基本在10 Pa 以內(nèi)；隨著通風(fēng)分區(qū)長度增加沿程阻力增大，當(dāng)通風(fēng)分區(qū)增加到1200 m 時，平時通風(fēng)沿程阻力約為10～30 Pa，而事故工況下通風(fēng)沿程阻力為150～200 Pa。因此可以得出當(dāng)通風(fēng)分區(qū)較短時管廊內(nèi)阻力損失主要來源于局部阻力損失，沿程阻力損失可忽略不計，當(dāng)通風(fēng)分區(qū)長度增加，管廊斷面風(fēng)速增大，沿程阻力不可忽視。

4.2 局部阻力

進、排風(fēng)口部局部阻力主要發(fā)生在進風(fēng)百葉處、進風(fēng)突縮、進風(fēng)閥處、排風(fēng)閥門處、排風(fēng)突擴以及進排風(fēng)節(jié)點處土建風(fēng)道的彎折，局部阻力損失按照以下公式計算：

式中：Pj-局部阻力，Pa/m；ε-局部阻力系數(shù)，Pa/m；ρ-空氣密度，kg/m3；v-風(fēng)速，m/s。

新風(fēng)亭入口百葉風(fēng)速按3.0～4.0 m/s，百葉通風(fēng)率取50%，百葉傾斜角度取45 度，進風(fēng)百葉局部阻力為4，計算阻力約為21.6～38.4 Pa。排風(fēng)百葉風(fēng)速可取4.0～5.0 m/s，排風(fēng)百葉局部阻力系數(shù)取8，則阻力約76.8～120 Pa。

新風(fēng)由百葉進入井道為突擴，局部阻力系數(shù)取0.8，計算阻力約為4.3～7.7 Pa。新風(fēng)通過節(jié)點防火閥為突縮—防火閥—突擴的變化過程，局部阻力變化比較復(fù)雜，查閱《供熱空調(diào)實用手冊中》相關(guān)數(shù)據(jù)，將進風(fēng)防火閥處綜合局部阻力系數(shù)定為2.88，防火閥尺寸為1 m×1 m，進風(fēng)防火閥處局部總阻力約為15.5～27.6 Pa。排風(fēng)口部局部阻力近似認為等同于進風(fēng)口部。

由此可以得出，在考慮1.1 安全系數(shù)的前提下200 m 長度通風(fēng)分區(qū)管廊內(nèi)局部阻力損失約為83～245 Pa。

4.3 通風(fēng)分區(qū)長度分析

由于燃氣艙每隔200 m 劃分為一個防火分隔，若發(fā)生燃氣泄漏，可燃氣體會漂浮于艙室上方，此時如果采用400 m 長度的通風(fēng)分區(qū)，可燃氣體將會阻隔在防火墻一側(cè)，很難及時排除頂部的可燃氣體，并且燃氣艙火災(zāi)危險等級為甲級，因此，燃氣艙通風(fēng)分區(qū)應(yīng)按照防火分隔劃分，不建議跨越防火分隔。

熱力艙、水信艙，規(guī)范中沒有明確規(guī)定單個防火分隔的長度，工程中有些按照200 m 劃分的防火分隔，有些沒有劃分防火分隔。對于沒有劃分防火分隔的熱力艙、水信艙，400 m 長通風(fēng)分區(qū)總阻力損失約為36～71 Pa，600 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失增加約為72～145 Pa，不同通風(fēng)分區(qū)長度阻力損失見表8。

表8 不同通風(fēng)分區(qū)阻力損失

對于已經(jīng)按照200 m 劃分了防火分隔的熱力艙或水信艙，若采用400 m 的通風(fēng)分區(qū)，需要在防火墻上方設(shè)置電動排煙閥，平時常開，滅火時關(guān)閉，撲滅后開啟排煙。這時需要考慮空氣通過電動排煙閥時的局部阻力損失（防火門關(guān)閉的最不利情況），將空氣通過電動排煙閥看做突縮、突擴的過程，局部阻力系數(shù)取2.88，電動排煙閥尺寸取1 m×0.5 m，空氣通過排煙閥的流速取5.6 m/s，此時電動排煙閥處的局部阻力約為54 Pa，采用600 m 的通風(fēng)分區(qū)電動排煙閥處增加的局部阻力約為108 Pa，風(fēng)機壓頭需要滿足550 Pa 的要求。采用800 m 的通風(fēng)分區(qū)電動排煙閥處增加的局部阻力約為162 Pa，風(fēng)機壓頭需要滿足750 Pa 的要求。采用1000 m 的通風(fēng)分區(qū)電動排煙閥處增加的局部阻力約為432 Pa，風(fēng)機壓頭需要滿足1100 Pa 的要求，風(fēng)機選型困難。因此，當(dāng)通風(fēng)分區(qū)跨越防火分隔時，建議將通風(fēng)分區(qū)長度控制在800 m 以內(nèi)（燃氣艙、電力艙除外），沒有防火分隔時建議通風(fēng)分區(qū)控制在1200 m 內(nèi)。

4 結(jié)論

1）燃氣艙火災(zāi)危險性為甲級，發(fā)生事故危險等級高，通風(fēng)分區(qū)應(yīng)按照防火分隔劃分，不建議跨越防火分隔。

2）水信艙、熱力艙火災(zāi)危險等級為丙級（不劃分防火分隔），當(dāng)采用400 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失約為116～317 Pa。當(dāng)采用600 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失約為155～391 Pa，當(dāng)采用800 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失約為192～525 Pa。當(dāng)采用1000 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失約為236～600 Pa，當(dāng)采用1200 m 通風(fēng)分區(qū)時，總阻力損失約為278～737 Pa。因此，從通風(fēng)阻力角度分析水信艙、熱力艙通風(fēng)分區(qū)長度可以結(jié)合工程現(xiàn)狀條件適當(dāng)加長，但考慮管廊內(nèi)實際通風(fēng)換氣效果、事故后排氣效果及風(fēng)亭占地面積，建議將通風(fēng)分區(qū)長度控制在1200 m 以內(nèi)。

3）電力艙規(guī)范要求按照200 m 劃分防火分隔，火災(zāi)危險等級為丙級，采用600 m 的通風(fēng)分區(qū)時總阻力約為550 Pa。采用800 m 的通風(fēng)分區(qū)時總阻力約為750 Pa，但通風(fēng)分區(qū)跨越防火分隔時會存在煙氣聚積在防火墻一側(cè)不能及時排出的情況，出于最大限度減小火災(zāi)危害性考慮，電力艙通風(fēng)分區(qū)長度建議控制在600 m 以內(nèi)。

4）增加通風(fēng)分區(qū)長度可以減少風(fēng)亭數(shù)量，但同時會增大單個風(fēng)亭的占地面積，通風(fēng)分區(qū)長度每增加200 m 風(fēng)亭占地及百葉面積擴大一倍，風(fēng)亭高度增加約0.2 m，景觀方面應(yīng)根據(jù)風(fēng)亭與周邊景觀結(jié)合情況選擇合適的通風(fēng)分區(qū)長度及風(fēng)亭體量。