城市综合管廊通风系统关键技术研究

国玉山 于秋燕 赵兴海 王新彤

北京市市政工程设计研究总院有限公司

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，城市化水平的不断提高，城市建设用地的需求量大幅度增加，现代城市对市政管线的需求量也越来越大，城市空间容量的供需矛盾日益突出。作为综合利用地下空间的有效措施之一，综合管廊能合理紧凑地布置市政管线，减少各种市政管线使用的地下空间，提高对地下空间的利用和管理水平。

然而，在实际工程设计中综合管廊通风系统在不同舱室通风量的设计、不同断面和管线布置形式下的通风阻力的计算以及在电力舱的电缆散热效果等方面研究仍比较匮乏，进而造成通风设备压头偏小或偏大，导致通风换气效果不满足要求或风机选型压头过大象，造成浪费。另外，正确的电力舱舱室余热计算是合理选择通风系统容量的关键基础，必须正确分析研究电缆散热的传热学机理，计算出通过管廊壁面传递的热量，剩余的热量才是需要通过系统排出的余热，则可避免仅按通风次数造成通风量偏大的现象，实现减少通风系统土建投资及其运行费用目的。

1 管廊工程调研

本文选取了未来科技城综合管廊、南京河西管廊、世园会管廊、副中心行政区管廊、成都市中和片区管廊、南京江东南路管廊、东坝管廊、廊坊管廊的通风设计参数进行对比分析，归纳总结不同项目设计原则的差异性，并结合理论计算分析不同长度通风分区对管廊内通风换气及排烟效果的影响。

表1 不同管廊设计参数

通过对不同地区综合管廊项目的调研可以得出，燃气舱通风分区长度均按照不超过200 m 设计，电力舱、水信舱、热力舱、综合舱等通风分区长度有200 m、400 m 和800 m，正常工况通风换气次数最小的2.5 次/h，最大17.4 次/h，燃气舱事故工况换气次数最小的14.5 次/h，最大17.6 次/h，其余舱室事故工况换气次数最小的2.5 次/h，最大14.7 次/h。通过以上数据可以看出，实际管廊工程中通风系统设计没有统一的标准做法，有些工程风机选型过大，能耗较高，下文将通过理论分析及工程实测的方法研究管廊通风分区的长度及风机选型要求。

2 管廊通风量理论计算

《城市综合管廊工程技术规范》（G50838--2015）中规定电力舱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。而对于电力舱、热力舱这种有管线发热量的舱室并没有给出详细的通风量计算，以下将通过计算各舱室的热负荷对通风量进行计算。

2.1 电力舱散热量

国内综合管廊所纳入电力电缆的电压等级通常为10 kV、110 kV 和220 kV，下图为高压110 KV 交联聚乙烯铜芯电缆断面图，计算模型选取多层圆环一维稳态导热[1]。

式中：Q-电缆散热量，W；L-电缆长度，m；λi-第i 层材料的导热系数，W/(m·℃)；ri-第i 层材料的半径，m；t1-电缆导体的温度，取90℃；t0-管廊内温度，℃；a0-电缆表面对流换热系数，W/(m2·℃)。

根据上述公式可以计算出不同规格电力电缆的在综合管廊内的额定载流量及额定载流量对应的每米电缆散热量，详见表2。

表2 不同规格电力电缆散热量

电力舱内发热量一部分右通风系统排除，另一部分通过舱室壁面与周围突然发生热交换，综合管廊覆土深度一般为2-10 m，土壤温度变化较小，本文取17 ℃，参照相关文献中土壤的热阻值1.2 m2·K/W，电力舱修正后的发热量公式为：

式中：Q-电缆散热量，W；L-电缆长度，m；A-舱室断面积，m2；c-空气比热；tp-排风温度，取40 ℃；ts-室外通风计算温度，℃；t0-土壤温度，取17 ℃；Re-土壤热阻m2·K/W；q-管线单位长度发热量。

根据上式可以算出电力舱修正后的发热量，根据发热量计算出的通风量需要与根据换气次数的通风量对比，取大值，并校核冬季工况下的舱内温度，保证不低于5 ℃。

2.2 热力舱散热量

一般情况下，为了减小热损失、节约能源、维持介质一定的热力参数以满足用户需求，当热力管道中输送介质的温度高于50 ℃时需设保温。热力管道常用的保温材料有：岩棉、矿棉、膨胀珍珠岩和泡沫橡塑等。在保温良好的情况下，热力管道热损失约占总输送热量的5%～8%，根据管道输送介质的温度及管径的不同，查表3 得出单位面积热力管道热损失[3]。

表3 不同热力管道散热量

带保温的热力管道的散热模型也是多层圆筒壁的稳态导热，考虑土壤吸热后的计算公式参照电力电缆计算公式。

3 工程实测

3.1 测试内容

本文选取未来科技城综合管廊进行测试，测试内容包括舱室断面平均风速、温度。

选取相邻两个通风区段进行测试，每个通风区段分成4 个断面进行测量，断面间距50 m，断面1-断面4 为进风流向排风方向。每个断面测点的布置形式采用网格式，详见图1。

图1 各舱室断面及布点位置图

3.2 测试结果

未来科技城综合管廊是4 舱结构，分为电力舱I、电力舱II、水信舱、热力舱，其中两个电力舱断面结构基本一致，只测其中一个舱，本次测试选取电力舱II、水信舱和热力舱的两个通风分区进行测试。各舱室的通风模式为机械排风、自然进风，并辅助以诱导风机增强通风效果。

针对电力舱II 一个通风分区分别进行四种模式的切换测试断面风速，分别是排风机低速运行（诱导风机关闭）、排风机低速运行（诱导风机开启闭）、排风机高速运行（诱导风机关闭）、排风机高速运行（诱导风机开启），测试结果详见图2。

图2 电力舱II 不同通风模式下的断面平均风速

从图2 可以看出，诱导风机关闭状态下风机低速运行时断面平均风速约为0.15 m/s，通风换气量约为3564 m3/h，换气次数为2.7 次/h，风机高速运行时断面平均风速约为0.3 m/s，通风换气量约为7128 m3/h，换气次数为5.5 次/h。

诱导风机开启状态下风机低速运行时断面平均风速约为0.9 m/s。风机高速运行时断面平均风速约为1.18 m/s。按照《城市综合管廊工程技术规范》中规定的正常通风工况换气次数不小于2 次，事故工况不小于6 次的要求，上述长度194 m 的电力舱平常工况下通风换气可以不开启诱导风机，但事故工况必须开启诱导风机加强空气流通才能满足换气次数要求。

热力舱截面积10 m2，排风机为单速风机，分别测试诱导风机开启、关闭状态下的通风效果，测试结果见图3。

图3 热力舱不同通风模式下的断面平均风速

从图3 可以看出，诱导风机关闭状态下的热力舱断面平均风速约为0.15 m/s，通风换气量约为5400 m3/h，换气次数为2.8 次/h。诱导风机开启状态下的热力舱断面平均风速约为0.4 m/s，通风换气量约为14400 m3/h，换气次数为7.4 次/h，热力舱事故工况必须开启诱导风机辅助通风。

水信舱截面积为13 m2，排风机为单速风机，分别测试诱导风机开启、关闭状态下的通风效果，测试结果见图4。

图4 水信舱不同通风模式下的断面平均风速

从图4 可以看出，诱导风机关闭状态下的水信舱断面平均风速约为0.1 m/s，通风换气量约为4680 m3/h，换气次数为1.9 次/h。诱导风机开启状态下的热力舱断面平均风速约为0.35 m/s，通风换气量约为16380 m3/h，换气次数为6.5 次/h，因此，水信舱平常工况及事故工况必须开启诱导风机辅助通风。

4 通风分区长度分析

《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）中有如下规定: 天然气管道舱及容纳电力电缆的舱室应每隔200 米采用耐火极限不低于3.0 h 的不燃性墙体进行防火分隔，防火分隔处的门应采用甲级防火门管线穿越防火隔断部位应采用阻火包等防火封堵措施进行严密封堵。规范中只针对燃气舱及电力舱防火分隔长度作了规定，并没有明确说明通风分区的长度要求，而不同的通风分区长度直接影响出地面风亭的数量、景观及工程造价，下文将以未来科技城的的测试结果对通风分区长度进行研究分析。

4.1 沿程阻力

空气从管廊舱室内壁面、各种管线及支架表面流过形成的粘滞阻力称为沿程阻力，沿程阻力的大小与空气的流速、管线表面的粗糙度及管廊断面尺寸有关，由于管廊内风速比较平稳，将管线对空气形成摩擦阻力损失简化为管廊壁面的沿程阻力损失，可按下式进行计算：

式中：py-单位长度沿程阻力，Pa/m；λ-摩擦阻力系数，Pa/m；de-舱室当量直径，m；ρ-空气密度，kg/m3；v-风速，m/s。

式中：K-壁面粗糙度，取0.452（考虑管线、支架对通风系统阻力的影响，支架长度一般为900 mm，壁面粗糙度5 mm）；Re-雷诺数，根据各断面风速分别计算。

根据以上公式分别计算出不同风速下雷诺数及单位长度沿程阻力并汇入表4～7。

表4 舱室内沿程阻力（200 m）

表5 舱室内沿程阻力（600 m）

表6 舱室内沿程阻力（800 m）

表7 舱室内沿程阻力（1200 m）

从表4～7 可以得出以下结论：

综合管廊当通风分区长度为200 m 时，沿程阻力基本在10 Pa 以内；随着通风分区长度增加沿程阻力增大，当通风分区增加到1200 m 时，平时通风沿程阻力约为10～30 Pa，而事故工况下通风沿程阻力为150～200 Pa。因此可以得出当通风分区较短时管廊内阻力损失主要来源于局部阻力损失，沿程阻力损失可忽略不计，当通风分区长度增加，管廊断面风速增大，沿程阻力不可忽视。

4.2 局部阻力

进、排风口部局部阻力主要发生在进风百叶处、进风突缩、进风阀处、排风阀门处、排风突扩以及进排风节点处土建风道的弯折，局部阻力损失按照以下公式计算：

式中：Pj-局部阻力，Pa/m；ε-局部阻力系数，Pa/m；ρ-空气密度，kg/m3；v-风速，m/s。

新风亭入口百叶风速按3.0～4.0 m/s，百叶通风率取50%，百叶倾斜角度取45 度，进风百叶局部阻力为4，计算阻力约为21.6～38.4 Pa。排风百叶风速可取4.0～5.0 m/s，排风百叶局部阻力系数取8，则阻力约76.8～120 Pa。

新风由百叶进入井道为突扩，局部阻力系数取0.8，计算阻力约为4.3～7.7 Pa。新风通过节点防火阀为突缩—防火阀—突扩的变化过程，局部阻力变化比较复杂，查阅《供热空调实用手册中》相关数据，将进风防火阀处综合局部阻力系数定为2.88，防火阀尺寸为1 m×1 m，进风防火阀处局部总阻力约为15.5～27.6 Pa。排风口部局部阻力近似认为等同于进风口部。

由此可以得出，在考虑1.1 安全系数的前提下200 m 长度通风分区管廊内局部阻力损失约为83～245 Pa。

4.3 通风分区长度分析

由于燃气舱每隔200 m 划分为一个防火分隔，若发生燃气泄漏，可燃气体会漂浮于舱室上方，此时如果采用400 m 长度的通风分区，可燃气体将会阻隔在防火墙一侧，很难及时排除顶部的可燃气体，并且燃气舱火灾危险等级为甲级，因此，燃气舱通风分区应按照防火分隔划分，不建议跨越防火分隔。

热力舱、水信舱，规范中没有明确规定单个防火分隔的长度，工程中有些按照200 m 划分的防火分隔，有些没有划分防火分隔。对于没有划分防火分隔的热力舱、水信舱，400 m 长通风分区总阻力损失约为36～71 Pa，600 m 通风分区时，总阻力损失增加约为72～145 Pa，不同通风分区长度阻力损失见表8。

表8 不同通风分区阻力损失

对于已经按照200 m 划分了防火分隔的热力舱或水信舱，若采用400 m 的通风分区，需要在防火墙上方设置电动排烟阀，平时常开，灭火时关闭，扑灭后开启排烟。这时需要考虑空气通过电动排烟阀时的局部阻力损失（防火门关闭的最不利情况），将空气通过电动排烟阀看做突缩、突扩的过程，局部阻力系数取2.88，电动排烟阀尺寸取1 m×0.5 m，空气通过排烟阀的流速取5.6 m/s，此时电动排烟阀处的局部阻力约为54 Pa，采用600 m 的通风分区电动排烟阀处增加的局部阻力约为108 Pa，风机压头需要满足550 Pa 的要求。采用800 m 的通风分区电动排烟阀处增加的局部阻力约为162 Pa，风机压头需要满足750 Pa 的要求。采用1000 m 的通风分区电动排烟阀处增加的局部阻力约为432 Pa，风机压头需要满足1100 Pa 的要求，风机选型困难。因此，当通风分区跨越防火分隔时，建议将通风分区长度控制在800 m 以内（燃气舱、电力舱除外），没有防火分隔时建议通风分区控制在1200 m 内。

4 结论

1）燃气舱火灾危险性为甲级，发生事故危险等级高，通风分区应按照防火分隔划分，不建议跨越防火分隔。

2）水信舱、热力舱火灾危险等级为丙级（不划分防火分隔），当采用400 m 通风分区时，总阻力损失约为116～317 Pa。当采用600 m 通风分区时，总阻力损失约为155～391 Pa，当采用800 m 通风分区时，总阻力损失约为192～525 Pa。当采用1000 m 通风分区时，总阻力损失约为236～600 Pa，当采用1200 m 通风分区时，总阻力损失约为278～737 Pa。因此，从通风阻力角度分析水信舱、热力舱通风分区长度可以结合工程现状条件适当加长，但考虑管廊内实际通风换气效果、事故后排气效果及风亭占地面积，建议将通风分区长度控制在1200 m 以内。

3）电力舱规范要求按照200 m 划分防火分隔，火灾危险等级为丙级，采用600 m 的通风分区时总阻力约为550 Pa。采用800 m 的通风分区时总阻力约为750 Pa，但通风分区跨越防火分隔时会存在烟气聚积在防火墙一侧不能及时排出的情况，出于最大限度减小火灾危害性考虑，电力舱通风分区长度建议控制在600 m 以内。

4）增加通风分区长度可以减少风亭数量，但同时会增大单个风亭的占地面积，通风分区长度每增加200 m 风亭占地及百叶面积扩大一倍，风亭高度增加约0.2 m，景观方面应根据风亭与周边景观结合情况选择合适的通风分区长度及风亭体量。