综合管廊通风系统设计研究★

王 涛 史晓光 樊 磊 张利伟 冯 莉 王 俊

(中国市政工程西北设计研究院有限公司陕西分院,陕西 西安 710075)

城市地下管线是指城市范围内供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视等工程管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”[1]。地下综合管廊是指在城市地下建造一个可以将各种市政地下管线集于一体，设有专门检修口、吊装口及监测系统，并实施统一规划、设计、建设及管理的地下隧道空间[2-4]。综合管廊对地下空间资源综合利用和避免管道维修造成的道路反复开挖具有重要意义，我国城市综合管廊建设是在社会经济高速发展前提下形成的必然趋势[5,6]。

地下工程的通风不同于普通民用建筑，其设计方法、参数取值及运行管理等独有特性[7]。管廊本体位于地下密闭空间，热湿空气和有害气体极易沉积，人员和微生物活动大量消耗氧气使内部环境急剧恶化，严重影响维护人员巡视和检修；并且廊内电力电缆、供热管道及污水管道等也散发大量热和恶臭[3,5,8,9]，故管廊必须设置通风系统才能保证良好卫生环境。本文深入研究目前国内外关于管廊通风系统设计原则和要点，并结合管廊通风系统设计实际工程经验，总结出针对管廊不同舱室不同通风区间设计通风系统的新理念，对管廊通风系统节能设计和运行维护安全有重要借鉴意义。

1 通风方式选择

管廊通风方式主要有自然通风、诱导式通风和机械通风三种[9-16]。为确保管廊正常地运行、巡检、事故(火灾)后排烟的安全性和经济性，并结合GB 50838—2015[17]中相关规定，优选机械通风，而针对管廊不同舱室应该采用如下形式：

1)天然气舱和污水舱采用机械进风、机械排风；

2)综合舱、电力舱及配电设备间采用自然进风、机械排风；

3)通风死区采用诱导式通风，以确保廊内良好的空气品质。

2 通风区间划分

管廊一般较长，根据消防要求，必须进行防火分区划分。GB 50838—2015[17]规定：天然气舱和电力舱室应每隔200 m采用耐火极限不低于3.0 h的不燃性墙体进行防火分隔。防火分区划分时还需综合考虑设备初投资、日常运维费、设备噪声以及安全防火性能等多种因素[13]。管廊通风区间主要有两类：防火分区和通风区间。

3 风口布置

管廊通风口主要分两类：廊内通风口和地面通风口。管廊的每个通风区间至少设有一个进风口和一个排风口，并且进、排风口沿着管廊交替布置[15]。GB 50838—2015[17]中只明确规定：天然气舱的排风口与其他舱室的排风口、进风口、人员出入口以及建(构)筑物口部距离不应小于10 m，对于其他进、排风口间距则未明确规定。为避免因距离过长，内部管线阻力带来的通风效率衰减过快，保证通风换气的有效性，其进、排风口间距不大于200 m[18]。

4 通风量

通风量既是保证廊内良好空气品质的重要条件，也是通风设备选型、各风口风速控制的主要依据，故合理计算各通风区间风量，不仅可以节约初投资，而且能保证通风系统安全和高效运行。计算通风量时必须明确管廊标准断面构造，常见管廊标准断面见图1。

4.1 电力舱通风量计算

4.1.1根据电缆发热量计算风量

1)单根电缆发热量计算。

式中：qd——电缆散热功率，W/(m·根)；

I——通过电缆的电流，A;

Ad——电缆的横截面面积，m2;

σ——电缆运行时的电阻率，Ω·m。

2)总散热功率。

P=qdLdN

(2)

式中：P——电缆总散热功率，W；

Ld——计算电缆的长度，m;

N——电缆回程数。

3)总通风量计算。

式中：Q——通风量，m3/h；

tp——排风温度，综合管廊取40 ℃;

tj——进风温度，取当地室外通风计算温度;

c——空气比热容，J/(kg·℃)；

ρ——空气密度，kg/m3。

4.1.2根据换气次数计算风量

Q=nLA

(4)

式中：n——管廊通风换气次数，次/h；

A——管廊有效断面面积，m2；

L——通风区间长度，m。

GB 50838—2015[17]中规定：正常通风换气次数不应小于2次/h，事故通风换气次数不应小于6次/h。

通过以上两种方式计算，取两者通风量最大值作为该区间通风量有效计算值。

4.2 热力舱通风量计算

4.2.1根据热力管道散热计算风量

1)单根热力管道散热量计算。

式中：qr——热力管道散热的热流密度，W/m2；

t——工作钢管外表面温度，℃;

ta——热力舱内的环境温度，℃;

D——管道保温层外径，m；

Do——工作钢管外直径，m;

λ——保温材料热导率，W/(m·K);

α——保温层外表面的表面传热系数，W/(m2·K)。

2)总通风量计算。

式中：nr——热力管道根数。

4.2.2根据换气次数计算风量的方法

其计算风量的方法同4.1.2，通过以上两种方式计算，取二者中通风量的最大值作为该区间通风量有效计算值。

4.3 天然气舱通风量计算

天然气舱计算通风量时，取正常通风换气次数不应小于6次/h，事故通风换气次数不应小于12次/h；通过式(4)计算作为天然气舱通风量有效计算值。

4.4 综合舱通风量计算

综合舱计算通风量时，取正常通风换气次数不应小于2次/h，事故通风换气次数不应小于6次/h；通过式(4)计算作为综合舱通风量有效计算值。

5 通风设备选型与安装

通风设备是保证管廊通风系统安全运行的核心部件，并且是通风系统耗能的主体，因此通风设备的选型与安装至关重要。

5.1 设备选型

5.1.1风机选型原则

1)根据有效计算通风量的1.1倍选择风机型号；

2)通风机应能实现正常、事故通风两种功能；还应具备高效、低噪声及防腐功能；

3)天然气舱选配防爆防静电型通风机，热力舱和电力舱选配排烟风机，综合舱选配普通排烟风机，配电设备间选低噪声壁式风机，均能在280 ℃条件下工作0.5 h。

5.1.2防火阀选型原则

1)根据通风机型号选配防火阀；

2)防火阀应有电信号控制开、关功能，同时可手动、远程电动开关，火灾工况70 ℃电动关闭，排烟工况280 ℃电动关闭；

3)配置电动执行器，风机立式安装时需承载风机运行荷载。

5.2 设备校核

管廊通风设备校核主要指对风机选型校核，风机选型校核的原则是考察风机风压是否满足整个通风系统总阻力。通风阻力计算公式如下：

1)入口阻力计算。

式中：ΔPr——入口阻力损失，Pa；

ζe——入口损失系数；

vr——管廊入口风速，m/s。

2)沿程阻力计算。

式中：ΔPy——沿程阻力损失，Pa；

λ——管廊壁面摩阻损失系数；

Vs——管廊内部风速，m/s。

3)出口阻力计算。

式中：ΔPo——出口阻力损失，Pa；

ζo——出口损失系数；

vo——管廊出口风速，m/s。

4)自然风阻力计算。

式中：ΔPm——自然风阻力损失，Pa；

vn——自然风作用引起的管廊内风速。

5)总阻力计算。

ΔP=ΔPr+ΔPy+ΔPo+ΔPm

(11)

式中：ΔP——总阻力损失，Pa。

5.3 设备安装

管廊通风设备安装最基本原则是必须保证工作人员安装和运行维护设备有足够的操作空间，风机防火阀组合安装见图2。

6 系统工况

管廊通风系统是指将一系列进、排风口、送、排风道、风机、控制系统及其他附属设备组合成的一个通风整体。它借助换气稀释或通风排除等手段，来保障廊内空气环境质量。管廊通风系统运行工况主要有以下几种：

1)正常通风。该工况包括平时通风和巡检通风。平时通风是为满足管线的运行环境要求和排除廊内的余热、余湿及稀释有害物质；巡检工况是为运维检修人员提供良好卫生环境而进行的强制通风措施。

2)事故通风。该工况包括泄露事故通风和火灾及灾后排烟。泄露事故通风是为快速排走高温高压气体或有毒易爆炸气体，为检修提供条件。火灾及灾后排烟是当管廊某个防火分区内发生火灾时，自动关闭该防火分区和相邻防火分区的通风设备，相应的防火分区处于密闭缺氧状态，以利于灭火。待确认火熄灭后，开启该防火分区和相邻防火分区的通风设备进行排烟。

7 结语

1)采用不同舱室实际通风区间长度计算通风量，使通风设备选型做到最符合实际工程运行，不仅降低初投资，而且大大减少通风系统能耗，从而大幅降低后期运行成本；

2)针对不同舱室不同通风区间分别设计合理高效的通风系统，不仅可以保障综合管廊内具有良好的卫生环境，而且可以更好地防止或减少事故和人员伤亡；

3)综合管廊作为城市基础设施建设新需求，通风系统设计理论需要经过工程实践的反复检验，不断完善、总结、提升，才能更好地为城市各项功能服务。