地下综合管廊内部除湿通风组织方案研究

2021-01-21浦春林姜裕华胡一苇王亮朱家毅何国青

建筑热能通风空调 2020年12期

关键词：水槽管廊风口

浦春林姜裕华胡一苇王亮朱家毅何国青

1 苏州城市地下综合管廊开发有限公司

2 悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司

3 浙江大学建筑工程学院

0 引言

在南方沿海地区，地下管廊高湿的环境不仅引起卫生环境恶化，还缩短廊内仪器和设备寿命，增加运营成本[1-2]。因此，这些地区地下管廊须考虑除湿系统。管廊湿负荷来自外界新风和廊内湿源散发。通风是保障廊内环境的有效手段[3-4]，虽然新风在秋冬比较干燥[5]，但在夏季却是湿源，强度远大于廊内湿源。比较合理的除湿方案是将廊内外湿源分开处理：由专用新风除湿机处理新风，而廊内使用功率较小的除湿系统除湿。

地下管廊分区通常长度在200 m 及以上[6]，远超一般除湿机的作用半径[7]。由于管廊内部空间有限，管道布置成本高，需要合理设计除湿及通风方案。本文用计算流体动力学技术分析优化管廊除湿系统的通风方案，为管廊内部除湿系统设计提供参考。

1 管廊CFD 模型及通风方案

以苏州城北路管廊标准段为例，选取水信舱和电力舱作为研究对象。水信舱代表内置物较少的舱，而电力舱设置了隔层并布置了电缆，代表内置物较多的舱。管廊简化为长200 m 的长方体，截面积则根据舱室种类的不同略有差异，水信舱的宽和高为2.8 m×4.8 m，电力舱的宽和高为2.4 m×4.05 m。

除湿系统的进回风口布置方案如图1 所示，共有9 个案例，主要目的是研究诱导风机，送回风口数量和布置方式以及电缆和隔层等对除湿系统控制廊内湿度效果的影响。模型1 和模型2 为送回风口布置在两端的直流通风模式，其中在模型2 的中间加了诱导风机，以加速送风气流的混合。模型3 将管廊分成均匀10 段，每段两端设置一对送回风口。模型4 的进风口与模型3 相同，但是只在管廊侧壁面的中间设置了一个集中回风口。模型5 和6 不对管廊分段，而是在同一位置布置送回风口，模拟独立的除湿机。模型5 为1 对/20 m 的送回风口，模型6 为1 对/10 m 的送回风口。模型7 和模型8 对比分析了多个送风口对应一个回风口的通风模式，以达到在满足除湿要求的基础上，尽可能减少风口设置的目的。模型7 的送回风口均设置在顶部，但每5 个送风口对应一个回风口。模型8 在管廊末端底部的壁面处设置了一个集中的回风口。模型9 根据管廊的实际情况纳入了48 根电力电缆以研究管廊内电缆分布对空气流动以及相对湿度分布产生的影响，并且保留了电力舱上下空间之间的隔断结构。建模时忽略电缆支架、管道支架等内部结构，电缆简化为截面积相同的长方体，同时适当调整位置以方便网格的划分。所有模型中，送风口均设置在管廊顶部。此外，模型5～9 在管廊面靠一侧壁面还设置了一条宽20 cm 的水槽以模拟局部高湿负荷区域对湿度分布的影响。

图1 送回风口布置案例的示意图

2 CFD 建模方法

采用ANSYS ICEM 17.2 软件对模型进行网格划分。为了减小网格扭曲率以提升网格质量，采用了块切割的方法来生成六面体网格。对壁面附近及进出风口处进行网格加密，使其能够更好地模拟边界层效应。以每隔20 m 设置进风口的模型为例，划分完成后的网格如图2 所示。求解器设置为基于压力的稳态求解器。开启组分运输模型，修改混合组分为气态水和空气的混合物。湍流模型选择k-ε Realizable 模型，近壁面处理选择标准壁面函数。压力-速度耦合选择SIMPLEC算法。压力离散格式选择Standard，其余离散格式选择二阶迎风格式。

图2 模型整体网格及细节网格示意图

进风口设置为速度入口条件（velocity-inlet），所有模型的送风口的总流量为定值，数值参考小型除湿机的风量为Q=1000 m3/hr，进风温度视同管廊温度，湿度由下式确定：

式中：d送为送风湿度；d管廊内为管廊内设计湿度（按22℃，65%）；W 为设计湿负荷，W=3 kg/h；ρ 为空气密度，1.2 kg/m3。

仅考虑管廊不通风的情况，管廊内存在两个湿负荷来源，一是管廊壁面的水蒸气散发，强度均匀且为4.53×10-5g/(m2·s)（按整个管廊0.5 kg/h 算），温度为22 ℃。二是水槽暴露水面的蒸发，散发强度为0.0174 g/(m2·s)（按整个管廊2.5 kg/h 算）。经计算，送风湿度为8.461 g/kg，相当于表冷出风12 ℃相对湿度95%的出风参数。送风口模拟了被表冷器除湿之后又被余热加热回升至管廊温度的状态参数，这样减少除湿本身对管廊温度的影响。湍流条件选择湍流强度（Turbulent Intensity）和水力直径（Hydraulic Diameter），水力的直径即为进风口的直径，湍流强度由式（2）估算给出：

式中：I 为湍流强度；u 为平均速度；Dh为水力直径；γ为运动粘度。排风口设置为零压力边界条件。壁面外土壤温度设为恒定22 ℃，不考虑电缆的发热效应。

3 模拟结果与分析

本研究关注的是管廊内的结露风险，可用两个指标关注结露风险，一个是壁面的相对湿度，另一个是管廊的平均相对湿度。因为湿负荷来源均来自四周壁面或地面和顶面，因此管廊壁面空气的相对湿度可以反映水蒸气散发的顺畅程度。如壁面空气的相对湿度接近饱和，那么说明壁面水蒸气散发比较困难，壁面结露风险高。而管廊内的平均相对湿度则可以说明管廊内物体表面结露的风险。

图3 给出了模型1～8 水槽所在地面和相邻最近的墙面的相对湿度分布云图，这两个面距离水槽最近，结露风险最高。图中空白部分为相对湿度超过95%的区域，面积大小反映结露风险大小。

图3 模型1～8 水槽所在地面和相邻最近的墙面的相对湿度分布云图

图3（a）和（b）为模型1 和模型2 的两个边界面的相对湿度分布云图。从图中可以看到，在一进一出的通风模式下，气流集中从入口进入，沿管廊方向不断吸收壁面散发的水汽，相对湿度逐渐升高至70%。对比模型1 和2，诱导风机略微提高了相对湿度分布的均匀性，并未有显著改善相对湿度的分布，可见诱导风机对于管廊湿度的控制的影响十分有限。

图3（c）和（d）分别显示了模型3 和4 的相对湿度分布云图。虽然模型3 的送回风口都在顶部，但在较强的送回气流下，送风射流和廊内气流还是经过充分混合才被排至回风口。模型4 的回风口集中在管廊中间的底部，从结果上看，回风口集中布置略微有改善管廊内的相对湿度。

和模型1 和2 的云图对比，加入多个送回风口后，管廊内的相对湿度更显均匀，但数值更高。由此可见，对于长廊式空间，分布式送风并不会改进除湿系统的湿度控制效果。

图3（e）～（h）为模型5～8 的空气相对湿度分布云图。在模型5 中，两对进回风口之间的区域形成了一个范围约10 m 左右的高相对湿度（大于95%）区域，结露风险增加。当送回风口的布置密度增加一倍（模型6），平均相对湿度降低，但壁面仍有较多的结露高风险区域。每一对送回风可以认为是一个独立除湿机。对比图3（e）和（f）可以看到，每个除湿机的有效除湿半径不超过5 m。对于200 m 管廊，需要布置至少20个除湿机，才能满足除湿要求。根据文献，除湿机的有效半径取决于送风速度[7]，但5 m 的有效半径在实际应用中已经属于比较大的了。

当减少回风口的数量后，湿度控制效果明显提高。模型7 和8 高湿区域明显少于模型5 和6，并且一端只设置一个集中回风口的模型8 的高湿区域最小。

从廊内湿度来看，最好的仍旧是模型1 和2，其廊内空间体积平均相对湿度低于60%，其次是模型3 和模型4，廊内空间体积平均相对湿度为67%。模型5～8的廊内空间体积平均相对湿度都超过了75%，其中模型5 最差。

上述模型中，送风参数和湿负荷都是一样的，根据质量守恒原理，在稳态的工况下，出风的参数也应一致，但由于不同的风口布置产生的通风效率不一样，管廊内的相对湿度分布也不一致。如果存在送风短路的情况，或者出现局部气流死角，这些区域的相对湿度就会高。从湿源的角度分析，理想的风口布置应当使回风口尽量靠近湿源，使得散发的水蒸气在廊内扩散之前就被排走。所计算的案例中，湿源的分布相对均匀，除了将回风口尽量靠近水槽外，并不存在集中布置的条件。从图3 可以看出，当气流主要沿着管廊方向时，出现局部气流死角的概率就小，局部高湿的区域就小。最好的是模型1 和2，其一进一回风口布置形成活塞气流，将管壁面和水槽散发的水蒸气最大限度的控制在边界层内，直至回风口，只在水槽附近出现高湿度。对比模型3 和5，虽然进回风口对数一样，但沿管廊长度方向布置的模型仍然远优于沿截面方向布置的模型5。

纵观上述8 个模型，模型1 和2 的方案是最佳的，不仅效果好，而且布置最经济（风口最少）。其次是模型8，在多个送风口的情况下，将回风口设置一端。而使用独立除湿机，不仅需要的设备数量多，而且控制效果不好。

模型9 纳入了电缆以及隔板，图4 显示了模型9的相对湿度分布云图。对比图3（h），增加了电缆和隔板后管廊的相对湿度整体有了明显的提高，不均性也大大增加。这主要是因为密集的电缆和隔板的存在对管廊内的空气流动产生了阻碍，特别是下半段出现诸多气流死角，导致相对湿度高，结露风险增加。