地下綜合管廊自然通風(fēng)下溫濕度實(shí)測研究

薛宏旺, 李瓊, 鄭詩霖, 王野馳

(華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院, 廊坊 065201)

綜合管廊運(yùn)營中,潮濕環(huán)境對結(jié)構(gòu)造成的腐蝕一直是難以解決的現(xiàn)實(shí)問題。由于綜合管廊在中國建設(shè)時(shí)間短,運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)不足,缺乏對管廊內(nèi)部環(huán)境的關(guān)注,因而管廊本體結(jié)構(gòu)滲漏、管道銹蝕、通風(fēng)不暢等缺陷時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重威脅管廊及維護(hù)人員的安全,存在較大安全隱患。

隨著綜合管廊事業(yè)的不斷推進(jìn)和智慧管控平臺建設(shè),綜合管廊的內(nèi)部環(huán)境相關(guān)控制策略和有效的技術(shù)措施已取得一定進(jìn)展并開展了相關(guān)研究。《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838-2015中提到,實(shí)際運(yùn)營期間的換氣次數(shù)不應(yīng)小于2次/h;當(dāng)綜合管廊內(nèi)空氣溫度高于40 ℃溫度低于5 ℃時(shí)應(yīng)報(bào)警。施有志等[1]在研究中提到管廊廊內(nèi)相對濕度應(yīng)穩(wěn)定在60%～70%范圍內(nèi),當(dāng)廊內(nèi)濕度達(dá)到50%～80%,可對管廊內(nèi)部金屬構(gòu)件造成損害[2];當(dāng)廊內(nèi)濕度達(dá)到90%,可對廊內(nèi)敷設(shè)電纜造成極大的負(fù)面影響[3]。

何國青等[4]和張錦鵬[5]考慮多種因素對管廊溫度的影響,進(jìn)行管廊內(nèi)對流換熱的機(jī)理研究;劉婷等[6]和王亮等[7]通過數(shù)值模擬方法,對管廊濕度分布特性進(jìn)行對比分析,并進(jìn)行除濕實(shí)驗(yàn),得出影響廊內(nèi)濕度的原因;浦春林等[8]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)理論,利用數(shù)值模擬對地下綜合管廊的除濕模式下的通風(fēng)模式進(jìn)行了研究,研究結(jié)果得出除濕的最優(yōu)通風(fēng)形式。國玉山等[9]和李佳興等[10]在研究中通過計(jì)算熱負(fù)荷,對通風(fēng)量進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析。得出了管廊內(nèi)布溫度的分布規(guī)律。Li等[11]建立了縮小比例尺的實(shí)驗(yàn)裝置,對6種不同管道布置形式的截面在不同風(fēng)量條件下進(jìn)行試驗(yàn)得出最佳的管廊布置形式; 劉士李等[12]、Wang等[13]和陳偉等[14]利用ANSYS Fluent對綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬,給出地下綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)方案。徐誠等[15]以某地下綜合管廊工程為例并結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù),對風(fēng)量、風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析論證,給出風(fēng)機(jī)的選擇建議。

綜上所述,地下綜合管廊環(huán)境安全管控問題是中國地下綜合管廊規(guī)劃建設(shè)和智慧城市發(fā)展中亟待解決的問題,需要有效的監(jiān)測、運(yùn)營來實(shí)現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)化的管控。有關(guān)地下綜合管廊溫濕度控制與通風(fēng)控制的研究主要集中通風(fēng)控制模擬研究,實(shí)測方法探究地下綜合管廊環(huán)境規(guī)律的研究相對較少。現(xiàn)以一廊坊地下綜合管廊單元模塊作為研究對象,采用現(xiàn)場實(shí)測方法,重點(diǎn)對管廊內(nèi)外進(jìn)行溫濕度以及自然通風(fēng)條件下進(jìn)排風(fēng)風(fēng)速實(shí)測;進(jìn)一步分析得到管廊運(yùn)行維護(hù)過程中的內(nèi)部環(huán)境狀況以及管廊的換氣次數(shù),為地下綜合管廊的內(nèi)部環(huán)境安全管控策略制定及智慧通風(fēng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 實(shí)測概況

管廊位于河北省廊坊市燕郊鎮(zhèn)華北科技學(xué)院校園內(nèi),主要有電信、消防、電力,污水管線入廊,地下埋深1.6 m,廊凈高2.2 m,寬2.4 m,配有通風(fēng)井2座,間隔146.2 m,2#風(fēng)亭為進(jìn)風(fēng)口,1#風(fēng)亭為排風(fēng)口,風(fēng)口內(nèi)風(fēng)機(jī)為常閉消防排煙風(fēng)(Q=7 238 m3/h、H=773 Pa、N=2.2 kW),管廊單元參數(shù)如圖1所示。

圖1 管廊相關(guān)模型圖Fig.1 Pipe gallery related model diagram

1.2 實(shí)測方法與儀器

在地下綜合管廊內(nèi)、管廊外分別布置溫濕度儀,24 h連續(xù)監(jiān)測管廊內(nèi)外溫濕度的變化。在地下綜合管廊1#、2#通風(fēng)亭處布置測點(diǎn)(圖2),集中測量各測點(diǎn)的風(fēng)速,10:30-11:30,17:00-18:00,每5 min記錄一次數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)測儀器布置Fig.2 Arrangement of measuring instruments

實(shí)測儀器及參數(shù)的選擇如表1所示。

表1 實(shí)測儀器及參數(shù)Table 1 Measuring instruments and parameters

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 換氣次數(shù)

換氣次數(shù)是衡量空間稀釋情況好壞,也就是通過稀釋達(dá)到的混合程度的重要參數(shù),同時(shí)也是估算空間通風(fēng)量的依據(jù)。在《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838-2015中,實(shí)際運(yùn)營期間的換氣次數(shù)不應(yīng)小于2 次/h。具體計(jì)算方法如下。

(1)管廊區(qū)間風(fēng)量計(jì)算。由于管廊內(nèi)部基本無人員流動(dòng),根據(jù)實(shí)測風(fēng)亭風(fēng)速結(jié)果,通風(fēng)井實(shí)際通風(fēng)面積,可以計(jì)算出風(fēng)亭在某時(shí)間段的風(fēng)量,計(jì)算公式為

Q=3 600Fν

(1)

式(1)中:Q為管廊某時(shí)段風(fēng)量,m3/s;F為平均風(fēng)口通風(fēng)面積m2;ν為測得的風(fēng)口平均風(fēng)速,m/s。

(2)管廊換氣次數(shù)計(jì)算。根據(jù)管廊圖紙計(jì)算管廊內(nèi)部體積,結(jié)合已計(jì)算風(fēng)量可得出管廊的換氣次數(shù)結(jié)果,計(jì)算公式為

n=Q/V

(2)

式(2)中:n為管廊某時(shí)段的換氣次數(shù),次/h;V為管廊的內(nèi)部體積,m3。

(3)換氣次數(shù)簡化計(jì)算。本次研究中有尺寸相同的兩個(gè)風(fēng)亭,取平均風(fēng)口通風(fēng)面積為0.64 m2;依據(jù)管廊圖紙得出管廊內(nèi)部空間面積為1 075.2 m3;將數(shù)值代入式(1)和式(2)中可得最終換氣次數(shù)的簡便計(jì)算公式為

n=2.14ν

(3)

式(3)中:n為管廊某時(shí)段的換氣次數(shù),次/h;ν為測得的風(fēng)口平均風(fēng)速,m/s。

1.3.2 皮爾遜相關(guān)系數(shù)

選用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法求出風(fēng)速測量時(shí)段風(fēng)速與廊內(nèi)外溫濕度的相關(guān)系數(shù)以及顯著水平,皮爾遜相關(guān)系數(shù)由卡爾·皮爾遜從在19世紀(jì)80年代提出,廣泛用于度量兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度,其值介于-1～1[16-17],相關(guān)公式為

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 管廊內(nèi)外溫濕度變化

溫濕度實(shí)測數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控,本文研究在管廊內(nèi)布置溫濕度監(jiān)控儀,取全時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采取2021年5-10月、2022年10月-2023年2月管廊內(nèi)溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(圖3),由相關(guān)溫濕度的變化可得出如下規(guī)律。

2021年北京地區(qū)平均溫度為19 ℃圖3 年溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)Fig.3 Annual temperature and humidity monitoring data

(1)溫度變化:由圖3可知,管廊內(nèi)溫度規(guī)范中所規(guī)定的5～40 ℃,與廊外溫度變化相比,管廊內(nèi)的溫度基本維持穩(wěn)定,呈現(xiàn)光滑的曲線,其年波動(dòng)范圍為11.7～23.5 ℃(差值11.8 ℃),廊外溫度年波動(dòng)范圍為-10.5～36.2 ℃(差值46.7 ℃),廊外溫度每降低5 ℃,廊內(nèi)溫度最大降低1.3 ℃;由圖4可知廊外溫濕度呈現(xiàn)十分規(guī)律的正弦波動(dòng)關(guān)系,廊內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)變化不明顯,廊內(nèi)溫度波動(dòng)范圍為18.7～19.1 ℃(差值0.4 ℃),廊外溫度年波動(dòng)范圍為9.8～17.4 ℃(差值7.6 ℃), 廊外溫度每降低5 ℃,廊內(nèi)溫度最大降低0.3 ℃。

圖4 2022年10月20日24 h溫濕度變化Fig.4 24-hour temperature and humidity change on October 20, 2022

對比分析可知管廊內(nèi)溫度受日變化溫度影響小,受年平均氣溫影響大[18],并且與外界環(huán)境有著密切的關(guān)系。廊內(nèi)溫度分布穩(wěn)定主要是由于地下綜合管廊壁面與土壤之間的換熱作用,本文研究中,溫濕度檢測儀布置位置距地面距離為3.0 m,地下 管廊壁面與淺表層土壤之間存在熱傳導(dǎo),相對低溫的壁面與廊內(nèi)空氣有對流換熱作用[19]。

(2)相對濕度變化:圖3顯示,管廊內(nèi)外相對濕度的變化比較復(fù)雜,管廊內(nèi)環(huán)境相對封閉,如果廊內(nèi)相對濕度超標(biāo),廊內(nèi)設(shè)施會長期處于高濕度的環(huán)境中,廊內(nèi)的濕度超標(biāo)需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。根據(jù)相關(guān)研究[1-3]綜合考慮,將60%～70%界定為臨界濕度,>70%為超標(biāo)濕度,2021年5月-2021年11月的濕度數(shù)據(jù)顯示,管廊內(nèi)最低濕度為61.5%(已達(dá)臨界濕度范圍),最高濕度為100%,濕度在60%～70%的占比0.4%,濕度>70%的占比98.2%;2022-2023年數(shù)據(jù)顯示,管廊內(nèi)最低濕度為12.3%,最高濕度為79.8%,濕度在60%～70%的占比7.4%,濕度>70%的占比3.2%。根據(jù)圖5以及現(xiàn)場工況可知,2021年10月份廊內(nèi)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求范圍,2022年10月份數(shù)據(jù)相對良好。

圖5 2021、2022年10月溫濕度變化圖Fig.5 Temperature and humidity changes in October 2021 and 2022

造成管廊內(nèi)濕度較大的原因主要有:①管廊內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng),相關(guān)研究表明,集水坑的設(shè)計(jì)、潛水泵的布置不滿足要求會營養(yǎng)廊內(nèi)濕度[20-21],如若出現(xiàn)強(qiáng)降水、施工縫滲水等(圖6)情況,管廊內(nèi)積水無法及時(shí)排走,水蒸發(fā)后進(jìn)入管廊空氣中可導(dǎo)致廊內(nèi)濕度超標(biāo);2021年7月份北京地區(qū)的降雨量達(dá)到518.7 m3,經(jīng)過實(shí)測后得到2021年10月份廊內(nèi)積水深度達(dá)到了0.5 m,由圖5可知,積水是造成廊內(nèi)濕度超標(biāo)的重要因素;②不合理的通風(fēng)換氣導(dǎo)致室外濕度較大的空氣到灌入管廊內(nèi),相對濕度的不斷升高,再加之冷熱空氣的交替,可能會出現(xiàn)過飽和的狀態(tài),最終導(dǎo)致結(jié)露現(xiàn)象(圖6)的出現(xiàn)。

圖6 廊內(nèi)環(huán)境問題Fig.6 Environmental problems in the corridor

2.2 相關(guān)性分析

通風(fēng)作為日常的運(yùn)維措施,對維持管廊內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定具有非常重要的作用,相比于隧道以及地鐵內(nèi)成熟的通風(fēng)管控體系,管廊內(nèi)通風(fēng)管控還需要相關(guān)的實(shí)測研究,進(jìn)一步完善在滿足其經(jīng)濟(jì)效益下的高效通風(fēng)方案。

在1#、2#風(fēng)亭處布置測點(diǎn),根據(jù)實(shí)測得出1#風(fēng)亭為排風(fēng)口,2#風(fēng)亭為進(jìn)風(fēng)口,在2022年10月15-21日集中進(jìn)行風(fēng)亭的風(fēng)速實(shí)測,得出洞口風(fēng)速數(shù)據(jù),兩洞口風(fēng)速經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)管廊進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速高于排風(fēng)口風(fēng)速(圖7),調(diào)查原因?yàn)槌ｉ]消防排風(fēng)扇會阻擋空氣流通。

圖7 風(fēng)亭通風(fēng)口風(fēng)速對比圖Fig.7 Comparison of wind speed at the vent of the wind pavilion

將采集處理后的風(fēng)速數(shù)據(jù)與管廊內(nèi)外溫相對濕度數(shù)據(jù)樣品(圖8)進(jìn)行相關(guān)性分析,得出各元素之間的相關(guān)系數(shù),如表2所示。

表2 管廊風(fēng)速與溫濕度相關(guān)系數(shù)表(N=390)Table 2 Correlation coefficient table between wind speed and temperature and humidity inpipe corridor(N=390)

各元素相關(guān)系數(shù)值由表2可知,廊內(nèi)濕度與廊內(nèi)溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);廊內(nèi)濕度與廊外溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);廊外濕度與廊內(nèi)溫度、廊內(nèi)濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);風(fēng)速與廊內(nèi)溫度、廊外濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

以廊外溫度作為控制變量,與廊內(nèi)溫度、廊內(nèi)濕度的相關(guān)性系數(shù)為0.811和0.801;以廊外濕度為控制變量,與廊內(nèi)溫度的相關(guān)性系數(shù)為0.437;以風(fēng)速作為控制變量,與廊內(nèi)溫度的相關(guān)性系數(shù)為0.295。因此,廊外溫度是影響廊內(nèi)環(huán)境的主要因素,廊外濕度次之,風(fēng)速最小,由此得出結(jié)論:廊內(nèi)環(huán)境受外部環(huán)境的影響較大,自然通風(fēng)對于改善廊內(nèi)溫濕度環(huán)境效果有待改善。

3 結(jié)果討論

3.1 換氣次數(shù)

根據(jù)式(3)可求得測量時(shí)段(2022年10月15-21日)的換氣次數(shù)(圖9),由圖可知本研究時(shí)段換氣次數(shù)達(dá)到2 次/h的占比只有8.3%,可見管廊單元在自然通風(fēng)下的換氣次數(shù),不滿足規(guī)范中所提及的日常工況需要達(dá)到2次/h的換氣次數(shù)要求,需要合理的通風(fēng)措施進(jìn)行改善。

圖9 換氣次數(shù)分析Fig.9 Analysis of air exchange times

3.2 對比分析

如表3所示,采用對比分析法,分析了本文研究與山東、江蘇和上海等3個(gè)有關(guān)地下綜合管廊通風(fēng)模擬研究文獻(xiàn)在通風(fēng)工況、溫濕度分布等方面的異同,為下一步地下綜合管廊通風(fēng)有效性的改進(jìn)提供了思路。

表3 與其他項(xiàng)目對比Table 3 Compared with other projects

4 結(jié)論

以自然通風(fēng)條件下的地下綜合管廊作為實(shí)測對象,對管廊單元內(nèi)外分別進(jìn)行溫濕度以及進(jìn)排風(fēng)風(fēng)速實(shí)測,對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫濕度變化分析、相關(guān)性分析以及通風(fēng)有效性討論,得出如下結(jié)論。

(1)管廊內(nèi)溫度受日變化溫度影響小,受年平均氣溫影響大。廊外溫度每降低5 ℃,年廊內(nèi)溫度最大降低1.3 ℃,單日廊內(nèi)溫度最大降低0.3 ℃;廊內(nèi)溫度分布穩(wěn)定主要是由于地下綜合管廊壁面與土壤之間的散熱作用。2021年5-11月的濕度數(shù)據(jù)顯示,管廊內(nèi)最低溫度為61.5%(已達(dá)臨界濕度范圍),最高濕度為100%,濕度在60%～70%的占比0.4%,濕度>70%的占比98.2%;2022-2023年數(shù)據(jù)顯示,管廊內(nèi)最低濕度為12.3%,最高濕度為79.8%,濕度在60%～70%的占比7.4%,濕度>70%的占比3.2%。廊內(nèi)積水蒸發(fā)是管廊濕度升高的主要因素。

(2)廊內(nèi)濕度與廊內(nèi)溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);廊內(nèi)濕度與廊外溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);廊外濕度與廊內(nèi)溫度、廊內(nèi)濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);風(fēng)速與廊內(nèi)溫度、廊外濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。廊外溫度與廊內(nèi)溫度、廊內(nèi)濕度的相關(guān)性系數(shù)分別為0.811和0.801。

(3)本文研究中換氣次數(shù)達(dá)到2次/h的占比8.3%,自然通風(fēng)大部分時(shí)間不滿足地下綜合管廊正常運(yùn)營維護(hù)的通風(fēng)要求,地下綜合管廊需要更加合理高效的通風(fēng)策略,如何加強(qiáng)通風(fēng)保證其溫濕度達(dá)標(biāo),是下一步研究重點(diǎn)。