綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究★

王 濤 史曉光 樊 磊 張利偉 馮 莉 王 俊

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西分院,陜西 西安 710075)

城市地下管線是指城市范圍內(nèi)供水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α⑼ㄐ拧V播電視等工程管線及其附屬設(shè)施，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。地下綜合管廊是指在城市地下建造一個可以將各種市政地下管線集于一體，設(shè)有專門檢修口、吊裝口及監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理的地下隧道空間[2-4]。綜合管廊對地下空間資源綜合利用和避免管道維修造成的道路反復(fù)開挖具有重要意義，我國城市綜合管廊建設(shè)是在社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展前提下形成的必然趨勢[5,6]。

地下工程的通風(fēng)不同于普通民用建筑，其設(shè)計(jì)方法、參數(shù)取值及運(yùn)行管理等獨(dú)有特性[7]。管廊本體位于地下密閉空間，熱濕空氣和有害氣體極易沉積，人員和微生物活動大量消耗氧氣使內(nèi)部環(huán)境急劇惡化，嚴(yán)重影響維護(hù)人員巡視和檢修；并且廊內(nèi)電力電纜、供熱管道及污水管道等也散發(fā)大量熱和惡臭[3,5,8,9]，故管廊必須設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)才能保證良好衛(wèi)生環(huán)境。本文深入研究目前國內(nèi)外關(guān)于管廊通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)，并結(jié)合管廊通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出針對管廊不同艙室不同通風(fēng)區(qū)間設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的新理念，對管廊通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)安全有重要借鑒意義。

1 通風(fēng)方式選擇

管廊通風(fēng)方式主要有自然通風(fēng)、誘導(dǎo)式通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)三種[9-16]。為確保管廊正常地運(yùn)行、巡檢、事故(火災(zāi))后排煙的安全性和經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合GB 50838—2015[17]中相關(guān)規(guī)定，優(yōu)選機(jī)械通風(fēng)，而針對管廊不同艙室應(yīng)該采用如下形式：

1)天然氣艙和污水艙采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)；

2)綜合艙、電力艙及配電設(shè)備間采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)；

3)通風(fēng)死區(qū)采用誘導(dǎo)式通風(fēng)，以確保廊內(nèi)良好的空氣品質(zhì)。

2 通風(fēng)區(qū)間劃分

管廊一般較長，根據(jù)消防要求，必須進(jìn)行防火分區(qū)劃分。GB 50838—2015[17]規(guī)定：天然氣艙和電力艙室應(yīng)每隔200 m采用耐火極限不低于3.0 h的不燃性墻體進(jìn)行防火分隔。防火分區(qū)劃分時還需綜合考慮設(shè)備初投資、日常運(yùn)維費(fèi)、設(shè)備噪聲以及安全防火性能等多種因素[13]。管廊通風(fēng)區(qū)間主要有兩類：防火分區(qū)和通風(fēng)區(qū)間。

3 風(fēng)口布置

管廊通風(fēng)口主要分兩類：廊內(nèi)通風(fēng)口和地面通風(fēng)口。管廊的每個通風(fēng)區(qū)間至少設(shè)有一個進(jìn)風(fēng)口和一個排風(fēng)口，并且進(jìn)、排風(fēng)口沿著管廊交替布置[15]。GB 50838—2015[17]中只明確規(guī)定：天然氣艙的排風(fēng)口與其他艙室的排風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口、人員出入口以及建(構(gòu))筑物口部距離不應(yīng)小于10 m，對于其他進(jìn)、排風(fēng)口間距則未明確規(guī)定。為避免因距離過長，內(nèi)部管線阻力帶來的通風(fēng)效率衰減過快，保證通風(fēng)換氣的有效性，其進(jìn)、排風(fēng)口間距不大于200 m[18]。

4 通風(fēng)量

通風(fēng)量既是保證廊內(nèi)良好空氣品質(zhì)的重要條件，也是通風(fēng)設(shè)備選型、各風(fēng)口風(fēng)速控制的主要依據(jù)，故合理計(jì)算各通風(fēng)區(qū)間風(fēng)量，不僅可以節(jié)約初投資，而且能保證通風(fēng)系統(tǒng)安全和高效運(yùn)行。計(jì)算通風(fēng)量時必須明確管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)造，常見管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

4.1 電力艙通風(fēng)量計(jì)算

4.1.1根據(jù)電纜發(fā)熱量計(jì)算風(fēng)量

1)單根電纜發(fā)熱量計(jì)算。

式中：qd——電纜散熱功率，W/(m·根)；

I——通過電纜的電流，A;

Ad——電纜的橫截面面積，m2;

σ——電纜運(yùn)行時的電阻率，Ω·m。

2)總散熱功率。

P=qdLdN

(2)

式中：P——電纜總散熱功率，W；

Ld——計(jì)算電纜的長度，m;

N——電纜回程數(shù)。

3)總通風(fēng)量計(jì)算。

式中：Q——通風(fēng)量，m3/h；

tp——排風(fēng)溫度，綜合管廊取40 ℃;

tj——進(jìn)風(fēng)溫度，取當(dāng)?shù)厥彝馔L(fēng)計(jì)算溫度;

c——空氣比熱容，J/(kg·℃)；

ρ——空氣密度，kg/m3。

4.1.2根據(jù)換氣次數(shù)計(jì)算風(fēng)量

Q=nLA

(4)

式中：n——管廊通風(fēng)換氣次數(shù)，次/h；

A——管廊有效斷面面積，m2；

L——通風(fēng)區(qū)間長度，m。

GB 50838—2015[17]中規(guī)定：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。

通過以上兩種方式計(jì)算，取兩者通風(fēng)量最大值作為該區(qū)間通風(fēng)量有效計(jì)算值。

4.2 熱力艙通風(fēng)量計(jì)算

4.2.1根據(jù)熱力管道散熱計(jì)算風(fēng)量

1)單根熱力管道散熱量計(jì)算。

式中：qr——熱力管道散熱的熱流密度，W/m2；

t——工作鋼管外表面溫度，℃;

ta——熱力艙內(nèi)的環(huán)境溫度，℃;

D——管道保溫層外徑，m；

Do——工作鋼管外直徑，m;

λ——保溫材料熱導(dǎo)率，W/(m·K);

α——保溫層外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

2)總通風(fēng)量計(jì)算。

式中：nr——熱力管道根數(shù)。

4.2.2根據(jù)換氣次數(shù)計(jì)算風(fēng)量的方法

其計(jì)算風(fēng)量的方法同4.1.2，通過以上兩種方式計(jì)算，取二者中通風(fēng)量的最大值作為該區(qū)間通風(fēng)量有效計(jì)算值。

4.3 天然氣艙通風(fēng)量計(jì)算

天然氣艙計(jì)算通風(fēng)量時，取正常通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于6次/h，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于12次/h；通過式(4)計(jì)算作為天然氣艙通風(fēng)量有效計(jì)算值。

4.4 綜合艙通風(fēng)量計(jì)算

綜合艙計(jì)算通風(fēng)量時，取正常通風(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；通過式(4)計(jì)算作為綜合艙通風(fēng)量有效計(jì)算值。

5 通風(fēng)設(shè)備選型與安裝

通風(fēng)設(shè)備是保證管廊通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的核心部件，并且是通風(fēng)系統(tǒng)耗能的主體，因此通風(fēng)設(shè)備的選型與安裝至關(guān)重要。

5.1 設(shè)備選型

5.1.1風(fēng)機(jī)選型原則

1)根據(jù)有效計(jì)算通風(fēng)量的1.1倍選擇風(fēng)機(jī)型號；

2)通風(fēng)機(jī)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)正常、事故通風(fēng)兩種功能；還應(yīng)具備高效、低噪聲及防腐功能；

3)天然氣艙選配防爆防靜電型通風(fēng)機(jī)，熱力艙和電力艙選配排煙風(fēng)機(jī)，綜合艙選配普通排煙風(fēng)機(jī)，配電設(shè)備間選低噪聲壁式風(fēng)機(jī)，均能在280 ℃條件下工作0.5 h。

5.1.2防火閥選型原則

1)根據(jù)通風(fēng)機(jī)型號選配防火閥；

2)防火閥應(yīng)有電信號控制開、關(guān)功能，同時可手動、遠(yuǎn)程電動開關(guān)，火災(zāi)工況70 ℃電動關(guān)閉，排煙工況280 ℃電動關(guān)閉；

3)配置電動執(zhí)行器，風(fēng)機(jī)立式安裝時需承載風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載。

5.2 設(shè)備校核

管廊通風(fēng)設(shè)備校核主要指對風(fēng)機(jī)選型校核，風(fēng)機(jī)選型校核的原則是考察風(fēng)機(jī)風(fēng)壓是否滿足整個通風(fēng)系統(tǒng)總阻力。通風(fēng)阻力計(jì)算公式如下：

1)入口阻力計(jì)算。

式中：ΔPr——入口阻力損失，Pa；

ζe——入口損失系數(shù)；

vr——管廊入口風(fēng)速，m/s。

2)沿程阻力計(jì)算。

式中：ΔPy——沿程阻力損失，Pa；

λ——管廊壁面摩阻損失系數(shù)；

Vs——管廊內(nèi)部風(fēng)速，m/s。

3)出口阻力計(jì)算。

式中：ΔPo——出口阻力損失，Pa；

ζo——出口損失系數(shù)；

vo——管廊出口風(fēng)速，m/s。

4)自然風(fēng)阻力計(jì)算。

式中：ΔPm——自然風(fēng)阻力損失，Pa；

vn——自然風(fēng)作用引起的管廊內(nèi)風(fēng)速。

5)總阻力計(jì)算。

ΔP=ΔPr+ΔPy+ΔPo+ΔPm

(11)

式中：ΔP——總阻力損失，Pa。

5.3 設(shè)備安裝

管廊通風(fēng)設(shè)備安裝最基本原則是必須保證工作人員安裝和運(yùn)行維護(hù)設(shè)備有足夠的操作空間，風(fēng)機(jī)防火閥組合安裝見圖2。

6 系統(tǒng)工況

管廊通風(fēng)系統(tǒng)是指將一系列進(jìn)、排風(fēng)口、送、排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)及其他附屬設(shè)備組合成的一個通風(fēng)整體。它借助換氣稀釋或通風(fēng)排除等手段，來保障廊內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量。管廊通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況主要有以下幾種：

1)正常通風(fēng)。該工況包括平時通風(fēng)和巡檢通風(fēng)。平時通風(fēng)是為滿足管線的運(yùn)行環(huán)境要求和排除廊內(nèi)的余熱、余濕及稀釋有害物質(zhì)；巡檢工況是為運(yùn)維檢修人員提供良好衛(wèi)生環(huán)境而進(jìn)行的強(qiáng)制通風(fēng)措施。

2)事故通風(fēng)。該工況包括泄露事故通風(fēng)和火災(zāi)及災(zāi)后排煙。泄露事故通風(fēng)是為快速排走高溫高壓氣體或有毒易爆炸氣體，為檢修提供條件。火災(zāi)及災(zāi)后排煙是當(dāng)管廊某個防火分區(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，自動關(guān)閉該防火分區(qū)和相鄰防火分區(qū)的通風(fēng)設(shè)備，相應(yīng)的防火分區(qū)處于密閉缺氧狀態(tài)，以利于滅火。待確認(rèn)火熄滅后，開啟該防火分區(qū)和相鄰防火分區(qū)的通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行排煙。

7 結(jié)語

1)采用不同艙室實(shí)際通風(fēng)區(qū)間長度計(jì)算通風(fēng)量，使通風(fēng)設(shè)備選型做到最符合實(shí)際工程運(yùn)行，不僅降低初投資，而且大大減少通風(fēng)系統(tǒng)能耗，從而大幅降低后期運(yùn)行成本；

2)針對不同艙室不同通風(fēng)區(qū)間分別設(shè)計(jì)合理高效的通風(fēng)系統(tǒng)，不僅可以保障綜合管廊內(nèi)具有良好的衛(wèi)生環(huán)境，而且可以更好地防止或減少事故和人員傷亡；

3)綜合管廊作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新需求，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論需要經(jīng)過工程實(shí)踐的反復(fù)檢驗(yàn)，不斷完善、總結(jié)、提升，才能更好地為城市各項(xiàng)功能服務(wù)。