地下综合管廊自然通风下温湿度实测研究

薛宏旺, 李琼, 郑诗霖, 王野驰

(华北科技学院建筑工程学院, 廊坊 065201)

综合管廊运营中,潮湿环境对结构造成的腐蚀一直是难以解决的现实问题。由于综合管廊在中国建设时间短,运营管理经验不足,缺乏对管廊内部环境的关注,因而管廊本体结构渗漏、管道锈蚀、通风不畅等缺陷时有发生,严重威胁管廊及维护人员的安全,存在较大安全隐患。

随着综合管廊事业的不断推进和智慧管控平台建设,综合管廊的内部环境相关控制策略和有效的技术措施已取得一定进展并开展了相关研究。《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015中提到,实际运营期间的换气次数不应小于2次/h;当综合管廊内空气温度高于40 ℃温度低于5 ℃时应报警。施有志等[1]在研究中提到管廊廊内相对湿度应稳定在60%～70%范围内,当廊内湿度达到50%～80%,可对管廊内部金属构件造成损害[2];当廊内湿度达到90%,可对廊内敷设电缆造成极大的负面影响[3]。

何国青等[4]和张锦鹏[5]考虑多种因素对管廊温度的影响,进行管廊内对流换热的机理研究;刘婷等[6]和王亮等[7]通过数值模拟方法,对管廊湿度分布特性进行对比分析,并进行除湿实验,得出影响廊内湿度的原因;浦春林等[8]采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)理论,利用数值模拟对地下综合管廊的除湿模式下的通风模式进行了研究,研究结果得出除湿的最优通风形式。国玉山等[9]和李佳兴等[10]在研究中通过计算热负荷,对通风量进行数值模拟对比分析。得出了管廊内布温度的分布规律。Li等[11]建立了缩小比例尺的实验装置,对6种不同管道布置形式的截面在不同风量条件下进行试验得出最佳的管廊布置形式; 刘士李等[12]、Wang等[13]和陈伟等[14]利用ANSYS Fluent对综合管廊通风系统进行数值模拟,给出地下综合管廊最优通风方案。徐诚等[15]以某地下综合管廊工程为例并结合工程实测数据,对风量、风机参数进行分析论证,给出风机的选择建议。

综上所述,地下综合管廊环境安全管控问题是中国地下综合管廊规划建设和智慧城市发展中亟待解决的问题,需要有效的监测、运营来实现智能化、精准化的管控。有关地下综合管廊温湿度控制与通风控制的研究主要集中通风控制模拟研究,实测方法探究地下综合管廊环境规律的研究相对较少。现以一廊坊地下综合管廊单元模块作为研究对象,采用现场实测方法,重点对管廊内外进行温湿度以及自然通风条件下进排风风速实测;进一步分析得到管廊运行维护过程中的内部环境状况以及管廊的换气次数,为地下综合管廊的内部环境安全管控策略制定及智慧通风设计提供基础数据支撑。

1 研究方法

1.1 实测概况

管廊位于河北省廊坊市燕郊镇华北科技学院校园内,主要有电信、消防、电力,污水管线入廊,地下埋深1.6 m,廊净高2.2 m,宽2.4 m,配有通风井2座,间隔146.2 m,2#风亭为进风口,1#风亭为排风口,风口内风机为常闭消防排烟风(Q=7 238 m3/h、H=773 Pa、N=2.2 kW),管廊单元参数如图1所示。

图1 管廊相关模型图Fig.1 Pipe gallery related model diagram

1.2 实测方法与仪器

在地下综合管廊内、管廊外分别布置温湿度仪,24 h连续监测管廊内外温湿度的变化。在地下综合管廊1#、2#通风亭处布置测点(图2),集中测量各测点的风速,10:30-11:30,17:00-18:00,每5 min记录一次数据。

图2 实测仪器布置Fig.2 Arrangement of measuring instruments

实测仪器及参数的选择如表1所示。

表1 实测仪器及参数Table 1 Measuring instruments and parameters

1.3 数据处理方法

1.3.1 换气次数

换气次数是衡量空间稀释情况好坏,也就是通过稀释达到的混合程度的重要参数,同时也是估算空间通风量的依据。在《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015中,实际运营期间的换气次数不应小于2 次/h。具体计算方法如下。

(1)管廊区间风量计算。由于管廊内部基本无人员流动,根据实测风亭风速结果,通风井实际通风面积,可以计算出风亭在某时间段的风量,计算公式为

Q=3 600Fν

(1)

式(1)中:Q为管廊某时段风量,m3/s;F为平均风口通风面积m2;ν为测得的风口平均风速,m/s。

(2)管廊换气次数计算。根据管廊图纸计算管廊内部体积,结合已计算风量可得出管廊的换气次数结果,计算公式为

n=Q/V

(2)

式(2)中:n为管廊某时段的换气次数,次/h;V为管廊的内部体积,m3。

(3)换气次数简化计算。本次研究中有尺寸相同的两个风亭,取平均风口通风面积为0.64 m2;依据管廊图纸得出管廊内部空间面积为1 075.2 m3;将数值代入式(1)和式(2)中可得最终换气次数的简便计算公式为

n=2.14ν

(3)

式(3)中:n为管廊某时段的换气次数,次/h;ν为测得的风口平均风速,m/s。

1.3.2 皮尔逊相关系数

选用皮尔逊相关系数法求出风速测量时段风速与廊内外温湿度的相关系数以及显著水平,皮尔逊相关系数由卡尔·皮尔逊从在19世纪80年代提出,广泛用于度量两个变量之间的相关程度,其值介于-1～1[16-17],相关公式为

(4)

2 结果分析

2.1 管廊内外温湿度变化

温湿度实测数据可实时监控,本文研究在管廊内布置温湿度监控仪,取全时段数据进行分析,采取2021年5-10月、2022年10月-2023年2月管廊内温湿度监控数据(图3),由相关温湿度的变化可得出如下规律。

2021年北京地区平均温度为19 ℃图3 年温湿度监控数据Fig.3 Annual temperature and humidity monitoring data

(1)温度变化:由图3可知,管廊内温度规范中所规定的5～40 ℃,与廊外温度变化相比,管廊内的温度基本维持稳定,呈现光滑的曲线,其年波动范围为11.7～23.5 ℃(差值11.8 ℃),廊外温度年波动范围为-10.5～36.2 ℃(差值46.7 ℃),廊外温度每降低5 ℃,廊内温度最大降低1.3 ℃;由图4可知廊外温湿度呈现十分规律的正弦波动关系,廊内温湿度数据变化不明显,廊内温度波动范围为18.7～19.1 ℃(差值0.4 ℃),廊外温度年波动范围为9.8～17.4 ℃(差值7.6 ℃), 廊外温度每降低5 ℃,廊内温度最大降低0.3 ℃。

图4 2022年10月20日24 h温湿度变化Fig.4 24-hour temperature and humidity change on October 20, 2022

对比分析可知管廊内温度受日变化温度影响小,受年平均气温影响大[18],并且与外界环境有着密切的关系。廊内温度分布稳定主要是由于地下综合管廊壁面与土壤之间的换热作用,本文研究中,温湿度检测仪布置位置距地面距离为3.0 m,地下 管廊壁面与浅表层土壤之间存在热传导,相对低温的壁面与廊内空气有对流换热作用[19]。

(2)相对湿度变化:图3显示,管廊内外相对湿度的变化比较复杂,管廊内环境相对封闭,如果廊内相对湿度超标,廊内设施会长期处于高湿度的环境中,廊内的湿度超标需要及时发现并处理。根据相关研究[1-3]综合考虑,将60%～70%界定为临界湿度,>70%为超标湿度,2021年5月-2021年11月的湿度数据显示,管廊内最低湿度为61.5%(已达临界湿度范围),最高湿度为100%,湿度在60%～70%的占比0.4%,湿度>70%的占比98.2%;2022-2023年数据显示,管廊内最低湿度为12.3%,最高湿度为79.8%,湿度在60%～70%的占比7.4%,湿度>70%的占比3.2%。根据图5以及现场工况可知,2021年10月份廊内湿度远远超过要求范围,2022年10月份数据相对良好。

图5 2021、2022年10月温湿度变化图Fig.5 Temperature and humidity changes in October 2021 and 2022

造成管廊内湿度较大的原因主要有:①管廊内排水系统设置不当,相关研究表明,集水坑的设计、潜水泵的布置不满足要求会营养廊内湿度[20-21],如若出现强降水、施工缝渗水等(图6)情况,管廊内积水无法及时排走,水蒸发后进入管廊空气中可导致廊内湿度超标;2021年7月份北京地区的降雨量达到518.7 m3,经过实测后得到2021年10月份廊内积水深度达到了0.5 m,由图5可知,积水是造成廊内湿度超标的重要因素;②不合理的通风换气导致室外湿度较大的空气到灌入管廊内,相对湿度的不断升高,再加之冷热空气的交替,可能会出现过饱和的状态,最终导致结露现象(图6)的出现。

图6 廊内环境问题Fig.6 Environmental problems in the corridor

2.2 相关性分析

通风作为日常的运维措施,对维持管廊内部环境稳定具有非常重要的作用,相比于隧道以及地铁内成熟的通风管控体系,管廊内通风管控还需要相关的实测研究,进一步完善在满足其经济效益下的高效通风方案。

在1#、2#风亭处布置测点,根据实测得出1#风亭为排风口,2#风亭为进风口,在2022年10月15-21日集中进行风亭的风速实测,得出洞口风速数据,两洞口风速经过对比可以发现管廊进风口风速高于排风口风速(图7),调查原因为常闭消防排风扇会阻挡空气流通。

图7 风亭通风口风速对比图Fig.7 Comparison of wind speed at the vent of the wind pavilion

将采集处理后的风速数据与管廊内外温相对湿度数据样品(图8)进行相关性分析,得出各元素之间的相关系数,如表2所示。

表2 管廊风速与温湿度相关系数表(N=390)Table 2 Correlation coefficient table between wind speed and temperature and humidity inpipe corridor(N=390)

各元素相关系数值由表2可知,廊内湿度与廊内温度呈极显著正相关(P<0.01);廊内湿度与廊外温度呈极显著正相关(P<0.01);廊外湿度与廊内温度、廊内湿度呈极显著正相关(P<0.01);风速与廊内温度、廊外湿度呈极显著正相关(P<0.01)。

以廊外温度作为控制变量,与廊内温度、廊内湿度的相关性系数为0.811和0.801;以廊外湿度为控制变量,与廊内温度的相关性系数为0.437;以风速作为控制变量,与廊内温度的相关性系数为0.295。因此,廊外温度是影响廊内环境的主要因素,廊外湿度次之,风速最小,由此得出结论:廊内环境受外部环境的影响较大,自然通风对于改善廊内温湿度环境效果有待改善。

3 结果讨论

3.1 换气次数

根据式(3)可求得测量时段(2022年10月15-21日)的换气次数(图9),由图可知本研究时段换气次数达到2 次/h的占比只有8.3%,可见管廊单元在自然通风下的换气次数,不满足规范中所提及的日常工况需要达到2次/h的换气次数要求,需要合理的通风措施进行改善。

图9 换气次数分析Fig.9 Analysis of air exchange times

3.2 对比分析

如表3所示,采用对比分析法,分析了本文研究与山东、江苏和上海等3个有关地下综合管廊通风模拟研究文献在通风工况、温湿度分布等方面的异同,为下一步地下综合管廊通风有效性的改进提供了思路。

表3 与其他项目对比Table 3 Compared with other projects

4 结论

以自然通风条件下的地下综合管廊作为实测对象,对管廊单元内外分别进行温湿度以及进排风风速实测,对实测数据进行温湿度变化分析、相关性分析以及通风有效性讨论,得出如下结论。

(1)管廊内温度受日变化温度影响小,受年平均气温影响大。廊外温度每降低5 ℃,年廊内温度最大降低1.3 ℃,单日廊内温度最大降低0.3 ℃;廊内温度分布稳定主要是由于地下综合管廊壁面与土壤之间的散热作用。2021年5-11月的湿度数据显示,管廊内最低温度为61.5%(已达临界湿度范围),最高湿度为100%,湿度在60%～70%的占比0.4%,湿度>70%的占比98.2%;2022-2023年数据显示,管廊内最低湿度为12.3%,最高湿度为79.8%,湿度在60%～70%的占比7.4%,湿度>70%的占比3.2%。廊内积水蒸发是管廊湿度升高的主要因素。

(2)廊内湿度与廊内温度呈极显著正相关(P<0.01);廊内湿度与廊外温度呈极显著正相关(P<0.01);廊外湿度与廊内温度、廊内湿度呈极显著正相关(P<0.01);风速与廊内温度、廊外湿度呈极显著正相关(P<0.01)。廊外温度与廊内温度、廊内湿度的相关性系数分别为0.811和0.801。

(3)本文研究中换气次数达到2次/h的占比8.3%,自然通风大部分时间不满足地下综合管廊正常运营维护的通风要求,地下综合管廊需要更加合理高效的通风策略,如何加强通风保证其温湿度达标,是下一步研究重点。