王 濤 史曉光 樊 磊 張利偉 馮 莉 王 俊

(中國(guó)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)?、熱力、電力、通信、廣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(gè)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(cè)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(duì)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(guó)城市綜合管廊建設(shè)是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展前提下形成的必然趨勢(shì)[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(dòng)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(shí)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(gè)通風(fēng)區(qū)間至少設(shè)有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)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(duì)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(guò)長(zhǎng)，內(nèi)部管線阻力帶來(lái)的通風(fēng)效率衰減過(guò)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(shí)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(guò)電纜的電流，A;

Ad——電纜的橫截面面積，m2;

σ——電纜運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(shí)，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(guò)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(shí)，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(guò)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(hào)；

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(hào)選配防火閥；

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

3)配置電動(dòng)執(zhí)行器，風(fēng)機(jī)立式安裝時(shí)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(duì)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(gè)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(gè)通風(fēng)整體。它借助換氣稀釋或通風(fēng)排除等手段，來(lái)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(shí)通風(fēng)和巡檢通風(fēng)。平時(shí)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(gè)防火分區(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)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(yǔ)

1)采用不同艙室實(shí)際通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)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(duì)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(guò)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)。