水電站地下洞室施工期濕環境機械通風除濕數值模擬研究

張麗麗 ，王 海 ，徐 龍 ，劉 飛

(1.四川農業大學建筑與城鄉規劃學院，四川 都江堰 611830；2.成都基準方中建筑設計有限公司，四川 成都 610021；3.四川省建筑科學研究院建筑節能研究所，四川 成都610081)

隧道施工過程中由于壁面散濕、敞開水源蒸發、施工灑水、人體散濕、外部空氣帶濕等因素會形成高濕環境．如果人員長期在高濕環境下工作，空氣中水蒸氣分壓力大于人體皮膚表面水蒸氣分壓力，將使人體排汗十分困難并產生中暑現象；同時濕度過高，還會降低材料的機械強度，使材料產生破壞性變形而降低材料的質量并腐蝕金屬器具，嚴重影響人的工作效率[1-2]．特別是對于大型地下水電站，施工期長，地下洞室結構復雜．由于各隧道之間縱橫交錯、相互貫通，同時隧道埋深較大，則形成了進風通道少、排風系統相互影響的特點，從而導致施工期水電站地下洞室群的濕環境非常糟糕．目前，國內外對地下工程熱濕環境的研究主要集中在三個方面：散濕源研究，除濕方法研究，熱濕環境研究[3-17]．對地下工程熱濕環境的研究主要集中在鐵路隧道施工期、運營期的熱濕環境研究，而對于水電站地下洞室群施工期形成的高濕環境及除濕方法研究較少．本文結合水電站地下洞室施工期高濕環境的問題通過實驗測試和數值模擬的方法重點研究了機械通風除濕方式對其濕環境的改善效果，為實際工程中改善施工期水電站地下洞室群高濕環境提供了重要的技術支撐．

1 隧道熱濕環境實測及分析

本文選擇四川省正處于施工期的某大型水電站進行測試，測點均布置在隧道中心軸線上，距地高度為1.5 m，測點間距為5 m，每處測試地點共9個測點，見圖1施工期洞室掌頭區域[1](掌子面就是已開挖和未開挖的巖層的分界面，掌頭區域就是掌子面擴大到的空間區域)測點布置圖．測試數據主要為隧道內的溫濕度，見圖2某水電站地下洞室施工期洞室內的熱濕環境實測圖．溫濕度測試采用便攜式Testo435-3溫濕度儀，溫度量程為?40 ℃～150 ℃，精度為±0.2 ℃；濕度量程為0～+100% RH，精度為±2% RH．

圖1 施工期洞室掌頭區域測點布置圖Fig.1 Measuring points layout of cavern metacarpal head region during the construction period

圖2 施工期洞室掌頭區域溫、濕度實測曲線Fig.2 Temperature humidity measured curve of cavern metacarpal head region during the construction period

水電站地下隧道施工期內的溫度最高為27.1 ℃，能夠滿足設計不超過28 ℃的要求．洞室內的空氣相對濕度基本都在 96%以上，最高值為99.4%，最低值為96.8%．說明該類隧道為無熱害的高濕環境隧道，有效改善隧道內濕環境，不僅能在水電站洞室群施工期間為隧道內工作人員創造良好的工作空間，還能保證水電站地下洞室群施工安全及縮短施工工期．

深埋水電站地下洞室群施工期濕環境機械通風除濕方式，不僅操作簡便，而且能在這錯綜復雜的洞室群隧道中有目的的進行氣流組織，避免氣流在各洞室之間相互亂竄，造成各種不必要的除濕負擔．但采用機械通風方式所需的通風量巨大，在施工期的隧道中進行除濕設計時，主要以掌頭區的除濕設計為主．

2 濕邊界確定

通過實驗測試與數值模擬對比的方法，驗證水電站地下洞室群熱濕環境模擬計算的邊界條件，即對數值模擬濕源計算的可靠性及正確性進行驗證．

2.1 實驗系統

實驗平臺建立在大型實驗室內的一個壁面密封、保溫較好，長寬高基本尺寸為4.8 m×2.9 m×3.35 m的小房間，其左右兩側為兩個相同尺寸的實驗用房，如圖3所示．

圖3 實驗房間示意圖Fig.3 The experiment room map

圖4 室內測點平面布置圖Fig.4 Layout of indoor measurement point

在實驗房間一端正中布置一臺濕膜加濕器，加濕器上放置一臺電子稱，并將補水箱布置在電子稱上，通過塑料管將補水箱與濕膜加濕器連接．實驗測試前，測試室內、外各測點的溫度、相對濕度及大氣壓力；實驗進行時，測試室外各測點的溫濕度及大氣壓，并且每隔30 s記錄一次電子稱讀數，前后兩次相減為每30 s向實驗房間的加濕量，同時需監測濕膜加濕器送風口、回風口以及房間內測點的溫度、相對濕度和大氣壓．房間2為本實驗建立的實驗房間．室內測點布置見圖4．測點高度分別為：d1距地面0.8 m、d2距地面0.4 m、d3距地面1.4 m、d4距地面1.38 m．

2.2 數值模擬

為使模擬計算準確，對邊界條件作如下設定：實驗房間保溫、密閉性良好；房間壁面絕熱，設為wall邊界；測試人員在房間測試，模擬時作為體熱源和濕源給定；將加濕量與時間的變化關系、水吸熱蒸發的汽化潛熱通過源項的方式定義為質量源、能量源；動量源根據出口平均風速給定；室內空氣不可壓縮，忽略固體壁面間的輻射．

為得到較好的計算結果并節約計算時間，在流速、溫度、濕度梯度變化較大的送、回風口以及存在熱源的壁面附近進行局部網格加密，網格劃分均采用分塊結構化六面體網格，其余部分均劃分為漸變的六面體網格．同時，通過對不同網格數量的無關性驗證，確定計算模型的網格數量為80萬．

2.3 結果對比

數值模擬與實驗測試結果見圖5～圖8．從圖中可以看出，數值模擬得出的溫濕度變化規律與實驗得出的變化規律基本一致，兩者相對誤差均小于10%，說明數值模擬計算濕環境(包括源項、組分輸運、湍流模型)的可靠性和正確性．

圖5 測點d1(送風口)溫濕度變化曲線圖Fig.5 Measuring point d1(air inlet) curve of temperature and humidity

圖6 測點d2(回風口)溫濕度變化曲線圖Fig.6 Measuring point d2(air outlet) curves of temperature and humidity

圖7 測點d3(回風口)溫濕度變化曲線圖Fig.7 Measuring point d3(air outlet)curves of temperature and humidity

圖8 測點d4溫濕度變化曲線圖Fig.8 Measuring point d4 curves of temperature and humidity

3 機械通風除濕數值模擬分析

3.1 模型建立

采用CFD數值模擬軟件(Fluent)對某水電站地下洞室群夏季施工期進行機械通風除濕模擬計算，除濕設計以控制施工掌頭區為主，并通過改變送風狀態，研究機械通風除濕對施工期水電站地下洞室群掌頭區不同的除濕效果．

3.1.1 幾何模型

水電站地下洞室群錯綜復雜，多洞交叉，整個模型十分龐大．在考慮現有計算條件以及施工進度下，本文以施工期某水電站導流洞[1]（導流洞是一個臨時的工程建筑，它的特點之一是工期往往是很緊迫的，如果不能按期完成，就會造成整個工程的工期延長．施工期將原河道水流從上游圍堰前導向下游圍堰后的隧洞）為基礎，建立幾何計算模型．如圖9所示．

圖9 隧道計算模型Fig.9 The calculation model of tunnel

該模型中豎井高度為85 m，直徑為2 m，距掌子面110 m，距隧道另一斷面100 m；隧道斷面尺寸為寬16 m、拱頂高12 m；排風橫通道斷面尺寸的寬為6 m、高為6 m、全長150 m．

3.1.2 邊界條件

為了在數值模擬計算中得到較好的計算結果并節約計算時間，對近壁面源項區域、送風口區域等流速、溫度、相對濕度梯度變化較大的地方進行局部網格加密，主流區則采用相對稀疏的六面體網格．同時，通過對不同網格數量的無關性驗證，確定計算模型的網格數量為113萬．為使模擬計算結果準確，對邊界條件進行下述設定：

(1) 通過實際測試，隧道四周壁溫基本穩定在22℃．則在CFD模擬(Fluent)計算時，將壁面設為定壁溫邊界．

(2) 通過UDF自定義函數，將壁面散濕量隨室內溫度、相對濕度的變化以源項SOURCE的方式給定，并在能量源項中設置壁面水分蒸發所吸收的熱量．模擬時，忽略隧道壁面與水膜之間的熱傳導作用，并假設水分蒸發吸收的熱量均來自空氣．

(3) 送風口采用速度入口邊界，即velocity_inlet．

(4) 出口采用pressure_outlet，邊界上的參數按實際情況給定．

3.1.3 布置方案

本文對施工期水電站地下洞室群除濕設計以掌頭區控制為主，通風除濕系統布置如圖10．

圖10 通風除濕系統布置方案Fig.10 Ventilation and dehumidification system layout

3.1.4 計算工況

運用數值模擬計算無室外新風與有室外新風兩種條件下的機械通風除濕方式，并對有室外新風條件下的機械通風除濕進行了不同室外送風狀態的數值模擬計算，主要計算工況見圖 11所示．采用機械通風除濕模擬時，隧道內初始狀態為：相對濕度φ=96%；溫度t=26 ℃；大氣壓B=93 856 Pa．基本通風量為排除污染物所需通風量，L=1 500 m3/h．

圖11 機械通風除濕模擬工況Fig.11 Mechanical ventilation and dehumidification simulation condition

3.2 無新風機械通風除濕模擬結果

隧道內空氣的相對濕度分布如圖12，通風系統運行穩定后，掌頭區甚至整個隧道內濕環境并未得到有效改善．當隧道壁面散濕與排風系統排濕達到動態平衡后，隧道內空氣的平均相對濕度為98.7%，與實測隧道內相對濕度平均值 96%以上基本相同，如圖13．因此，采用無新風機械通風除濕方案除濕效果較差，不適合該類隧道的除濕．

圖12 隧道內相對濕度分布Fig.12 Relative humidity distribution inside the tunnel

圖13 不同時刻隧道截面相對濕度分布Fig.13 Relative humidity distribution of the tunnel section at different time

3.3 有新風機械通風除濕模擬結果

3.3.1 不同送風濕度的模擬結果

為分析定溫度，不同送風濕度條件下機械通風方式對掌頭區的除濕效果，模擬了夏季送風溫度t=26℃，相對濕度φ分別為40%、50%、60%、65%、70%幾種工況的機械通風除濕效果，其模擬結果分別見圖 14(a)、(b)、(c)、(d)、(e)．

圖14(a) t=26℃、φ=40%相對濕度分布圖Fig.14(a) t=26℃, φ=40%Relative humidity distribution

圖14(b) t=26℃、φ=50%相對濕度分布圖Fig.14(b) t=26℃, φ=50%Relative humidity distribution

圖14(c) t=26℃、φ=60%相對濕度分布圖Fig.14(c) t=26℃, φ=60%Relative humidity distribution

圖14(d) t=26℃、φ=65%相對濕度分布圖Fig.14(d) t=26℃, φ=65%Relative humidity distribution

圖14(e) t=26℃、φ=70%相對濕度分布圖Fig.14(e) t=26℃, φ=70%Relative humidity distribution

圖 14(a)、(b)、(c)、(d)、(e)顯示，在定溫情況下，隨送風相對濕度減小，掌頭區的除濕效果越好．通過監測整個掌頭區相對濕度的變化，發現在定溫條件下，送風相對濕度的大小是決定隧道內空氣除濕效果優劣的關鍵因素，見圖15．圖15顯示，在定溫條件下，送風的相對濕度由70%下降到40%，可將隧道內掌頭區濕度從85%控制到64%左右，除濕效果十分顯著．

圖15 掌頭區平均相對濕度Fig.15 The average relative humidity of metacarpal head

3.3.2 不同送風溫度的模擬結果

為分析定濕度，不同送風溫度條件下機械通風方式對掌頭區的除濕效果，模擬了夏季送風相對濕度φ=60%，溫度t分別為24 ℃，25 ℃、26 ℃、28 ℃、30 ℃情況下的機械通風除濕，其模擬結果分別見圖16(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，相對濕度一定，送風溫度不相同時，機械通風方式對掌頭區除濕效果不同，通過監測掌頭區相對濕度的變化，見圖17，發現在定相對濕度情況下，送風溫度越高，即含濕量越大，對掌頭區除濕效果越差．

圖16(a) t=24℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(a) t=24℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(b) t=25℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(b) t=25℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(c) t=26℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(c) t=26℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(d) t=28℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(d) t=28℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(e) t=30℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(e) t=30℃, φ=60%Temperature distribution

圖17 掌頭區相對濕度變化曲線Fig.17 Variation curve of metacarpal head relative humidity

綜上所述，說明通過改變不同送風狀態參數對水電站地下洞室群進行機械通風除濕的效果不同．現將上述送風定溫度不同濕度以及定濕度不同溫度條件下，通風除濕達到穩定狀態時的情況總結見表1、表2．

表1 除濕效果對比Tab.1 The dehumidifying effect comparison

表2 除濕效果對比Tab.2 The dehumidifying effect comparison

表1和表2顯示，采用機械通風除濕方案，掌頭區除濕效果的決定性因素是室外空氣含濕量的大小，室外空氣含濕量越小，除濕效果越好．室外空氣自身的溫度或相對濕度對隧道內的除濕也有一定影響．表中顯示，對于一般夏季室外空氣溫度在 24 ～30 ℃之間時，選擇機械通風方案進行除濕設計時，應盡量使相對濕度低于60%．

4.3.3 不同送風量的模擬結果

本文所模擬隧道的基本通風量為排除污染物所需通風量，L=1 500 m3/h，為了分析不同送風量的除濕效果，分別按基本送風量的1.2倍、1.5倍、2倍和 2.5倍進行數值模擬．首先對室外參數為t=26 ℃，φ=65%的情況進行模擬，模擬穩定后隧道掌頭區平均相對濕度與送風量之間的關系見圖18．

圖18 掌頭區相對濕度變化曲線Fig.18 Variation curve of metacarpal head relative humidity

從圖 18可知：隨著送風量的不斷增大，掌頭區平均相對濕度不斷降低，說明除濕效果越好．但同時需要注意不斷增大送風量，勢必會造成隧道斷面風速以及工程造價的增加．為了得出此送風狀態的最佳送風量，將送風量與掌頭區平均相對濕度按負指數型曲線擬合，得出送風量與掌頭區相對濕度的變化關系，即

式中，Q為送風量，m3/min；φ為除濕后掌頭區相對濕度%，式(1)顯示，該函數為單調遞減，斜率隨著送風量增加而逐漸減小，說明當送風參數一定時，通過增加送風量使掌頭區平均相對濕度滿足設計要求，必定存在最佳送風量，該通風量即將掌頭區相對濕度除到 80%．通過計算，得出室外溫度t=26 ℃，相對濕度φ=65%時的最佳通風量為1 750 m3/min．

為了得到不同送風狀態下的最佳通風量，本文通過上述計算方法，得到了室外溫度t=26 ℃，相對濕度φ分別為40%、50%、60%及70%等不同濕度條件下的最佳通風量，其計算結果見圖19．

圖19 不同濕度下最佳送風量Fig.19 The best air under different humidity

從圖 19可知：送風溫度一定時，送風相對濕度越小，最佳通風量越小．最佳通風量與送風相對濕度呈指數變化規律，利用指數型函數對最佳通風量進行擬合，得到在送風溫度t=26 ℃，不同相對濕度下對應的最佳通風量的關系式，

式中，Q為送風量m3/min；φ為除濕后掌頭區相對濕度%，式(2)顯示，送風相對濕度與最佳通風量呈指數變化規律．當送風濕度超過65%時，所需最佳通風量急劇增加，可能在實際工程會造成風機匹配困難及初投資較高等情況．因此，在實際工程中應綜合送風參數，除濕要求等控制標準，權衡利弊，綜合考慮，選擇最佳通風量進行機械通風除濕．

4 結論

本文主要對隧道施工期掌頭區的無室外新風和有室外新風的機械通風除濕效果進行了研究，結論如下：

(1) 采用無室外新風機械通風除濕，無法除去隧道施工期內空氣濕度．

(2) 采用有室外新風機械通風除濕時，室外空氣的絕對含濕量是掌頭區除濕效果好壞的關鍵因素，即室外空氣含濕量越小，掌頭區除濕效果越好．夏季室外空氣溫度為 24 ～30 ℃條件下，建議送風相對濕度不超過60%．

(3) 通過改變送風量的數值計算表明：送風量越大，除濕效果越好．通過計算得出滿足施工期水電站地下隧道掌頭區除濕需求的最佳通風量，并給出了送風溫度t=26 ℃時，不同相對濕度下最佳通風量的計算公式，為實際工程中風機變頻提供參考．

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