潘陽陽

廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

在新時期城市新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求下，城市空間的快速擴張和空間資源的制約是目前城市發(fā)展面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)，相對于有限空間資源的利用，城市發(fā)展與建設(shè)是不集約的，建設(shè)地下綜合管廊能夠促進土地資源和空間資源的節(jié)約利用，是城市發(fā)展的必然趨勢。

城市的更新與發(fā)展，越來越多的綜合管廊項目在投資建設(shè)。綜合管廊是建于地下用于市政公用管線敷設(shè)，包括給水、雨水、污水、再生水、天然氣、熱力管道、電力、通信等。由于處在地下封閉空間，里面的通風設(shè)計需滿足管廊的檢修維護、火災(zāi)撲救、燃氣泄漏排除、污水管道揮發(fā)的H2S、甲烷等易燃易爆氣體的排除要求。本文基于實際具體工程，分析綜合管廊的通風設(shè)計要點及設(shè)計中常遇到的難點問題，并對問題提出參考建議。

1 工程概況

本項目項目綜合管廊長約10 km，規(guī)劃沿中船中路建設(shè)綜合管廊，管廊斷面為三艙，包括電力艙，綜合艙和燃氣艙。電力艙內(nèi)設(shè)置有110 kV 線路6 回，綜合艙內(nèi)設(shè)置有10 kV 線路32 回、再生水DN300 一根、給水DN800/DN400，燃氣艙設(shè)置有DN250 燃氣管一根。

根據(jù)綜合管廊入廊管線分類以及規(guī)劃，綜合考慮后對規(guī)劃管廊斷面進行優(yōu)化設(shè)計，標準段管廊總寬10.65 m，總高4.6 m，凈空尺寸：110 kV 電力艙：寬2.6 m，高3.8 m；綜合艙：寬4.85 m，高3.8 m；燃氣艙：寬1.8 m，高3.8 m。根據(jù)防火分區(qū)要求，綜合管廊按不大于200 m 的距離設(shè)置防火墻和防火門。本工程電力艙設(shè)防火分區(qū)44 個，綜合艙設(shè)防火分區(qū)41 個，燃氣艙設(shè)防火分區(qū)40 個，共計125 個防火分區(qū)。管廊采用明挖法施工。

2 通風設(shè)計要求

本項目綜合管廊不同類型的艙室，通風系統(tǒng)不宜合用?？紤]到火災(zāi)危險性，不同的防火分區(qū)的通風設(shè)備不宜合用。綜合管廊應(yīng)根據(jù)防火分區(qū)劃分通風單元區(qū)間，通風系統(tǒng)應(yīng)能保證通風單元具備獨立通風換氣能力。同時，通風系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合管廊屬性能滿足以下的工況：

1）平時通風工況：消除管廊內(nèi)管線、電纜、設(shè)備等產(chǎn)生的熱量，同時保證艙內(nèi)溫度不大于40 ℃的要求所需要的通風量。

2）巡視通風工況：為了方便維護人員在管徑內(nèi)巡視及維修，必須保證艙內(nèi)新風量滿足人員所需最小新風量要求，且換氣次數(shù)不小于2 次/h。

3）事故后排煙工況：隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，采用窒息，滅火方式，待火災(zāi)熄滅后，排除艙內(nèi)煙氣。

4）事故通風工況：天然氣艙內(nèi)天然氣濃度大于其爆炸下限濃度值（體積分數(shù)）20%時，應(yīng)啟動該段及其相鄰段事故通風，風機應(yīng)采用防爆風機。

3 通風系統(tǒng)方案及通風區(qū)段劃分

本項目綜合管廊有三個艙，包括電力艙、綜合艙和燃氣艙。根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB 50838-2015 7.2.1 條的要求[1]，綜合艙內(nèi)未有污水管道入倉，可采用自然進風和機械排風相結(jié)合的通風方式。燃氣艙應(yīng)采用機械進、排風的通風方式。電力艙發(fā)熱量較大，采用自然通風或機械通風需通過計算后確定，在滿足消除余熱及風機余壓滿足設(shè)計要求的情況下，優(yōu)先選擇自然進風和機械排風相結(jié)合的通風方式（見圖1）。

圖1 通風亭剖面圖

綜合管廊按不大于200 m 的距離設(shè)置防火墻和防火門，通風井及通風機房結(jié)合防火分區(qū)設(shè)置，每個防火分區(qū)作為一個通風區(qū)段，兩端設(shè)置進風井及排風井，通風機房及人員逃生口、出入口、吊裝口可結(jié)合設(shè)置（見圖2）。通風井結(jié)合環(huán)境設(shè)置在道路中間綠化帶，風井百葉底應(yīng)高出地面500 mm 以上，滿足防洪倒灌的基本要求。通風口應(yīng)加設(shè)防止小動物進入的金屬網(wǎng)格，網(wǎng)格凈尺寸不應(yīng)大于10 mm×10 mm。

圖2 通風系統(tǒng)示意圖

4 綜合管廊通風風量計算

管廊的通風量需滿足上文所提到的四種工況要求，根據(jù)不同種類的管廊，計算方式如下：

1）燃氣艙

燃氣倉內(nèi)管道無發(fā)熱量，燃氣艙內(nèi)燃氣管線需考慮燃氣泄漏后事故通風，根據(jù)規(guī)范要求正常換氣次數(shù)不小于6 次/h，事故通風不小于12 次/h。

2）電力艙及綜合艙

電力艙及綜合艙內(nèi)均有電纜管，電纜管在傳輸過程中會產(chǎn)生熱量，對于長距離輸送的電纜，產(chǎn)生的熱量非常可觀，設(shè)計時必須對電纜的發(fā)熱量進行計算。

單束電纜發(fā)熱量計算公式[2]：

式中：q1為電纜散熱量，W/(m·根）；i 為電纜載流量，A；A 為電纜的橫斷面積，m2；σ 為電纜的電阻率，Ω·m。

電纜總散熱量計算公式[2]

式中：Q 為電纜總散熱量，W；L 為通風區(qū)段電纜長度，m；C 為電纜散熱損失系數(shù)，0.7；n 為電纜回數(shù)。

綜合管廊消除余熱所需通風量計算公式[2]

式中：G 為風量，m3/h；Q 為電纜總散熱量，kW；Q'為綜合管廊傳熱，可按電纜散熱的30%～40%估算，kW；C為空氣比熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ 為空氣密度，kg/m3。

除了滿足平時通風量，事故后通風量根據(jù)規(guī)范要求不小于6 次/h。

由于項目通風區(qū)段較多，取其中一個200 m 的通風區(qū)段風量計算結(jié)果進行風機選型分析，風量計算結(jié)果如下表：

表1 通風量計算表

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，通風系統(tǒng)在最高風量是平時通風風量的1.5 倍左右，故可采用雙速風機。平時通風模式下運行時，風機采用低速，事故通風或事故后通風工況下，風機采用高速可以快速把泄漏有害氣體或煙氣排走。

5 通風運行模式

每個防火分區(qū)段即通風區(qū)段設(shè)置火災(zāi)檢測信號、溫度傳感器、氧氣濃度探測器，燃氣艙還另外設(shè)置甲烷、硫化氫探測器。通過這些數(shù)據(jù)檢測，來連鎖控制對應(yīng)區(qū)段的風機及電動閥門運行。

平時工況下，當艙體內(nèi)溫度大于38 ℃時，風機低速運行，當溫度小于36 ℃時，風機停機。巡檢人員需進入管廊進行檢查前半小時，可開啟風機高速運行，當溫度小于28 ℃，含氧量體積分數(shù)大于19%時，巡檢人員可進井工作[3]，風機轉(zhuǎn)為低速運行直至人員出來為止；事故通風工況下，當檢測到燃氣艙體內(nèi)甲烷、硫化氫濃度超標時，立刻啟動風機高速運行，有害氣體排出艙體，避免發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。當艙體內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)檢測信號反饋到消防控制中心，發(fā)出警報，待確認著火區(qū)段及其相鄰區(qū)段人員均從最近逃生口撤離后，關(guān)閉此區(qū)域的防火門及所有排風機，關(guān)閉自然進風口的電動閥門，讓艙體內(nèi)處于密閉狀態(tài)，為氣體滅火提供條件。確認火災(zāi)熄滅后，開啟火區(qū)段及其相鄰區(qū)段的排風機高速運行，同時打開補風電動閥，保證通風系統(tǒng)有效運行。

6 通風設(shè)備選型

風機設(shè)備的選型均要求風量、壓頭、噪聲、節(jié)能要求等參數(shù)滿足設(shè)計要求。壓頭的計算在設(shè)計過程中往往被工程師忽略，更趨向采用經(jīng)驗值來選型，通風系統(tǒng)的阻力可按阻力計算公式得出。通風系統(tǒng)的阻力包括沿程阻力和局部阻力[4]。

沿程壓力損失：

式中：λ 為摩擦阻力系數(shù)，混凝土管廊內(nèi)壁摩擦阻力系統(tǒng)λ 取0.04；ρ 為空氣密度，kg/m3；de為管道當量直徑，m；ν 為管內(nèi)風速，m/s；L 為管道長度，m。

局部壓力損失：

式中：ξ 為局部阻力系數(shù)。

風機選型時，風量的富裕量一般取10%，風壓的富裕量一般取15%。噪聲需滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[5]中4a 類區(qū)域標準，即晝間70 dB(A)，夜間55 dB(A)。風機在最高效率點附近運行時的噪聲最小，軸功率最小，設(shè)計工況下通風機效率不應(yīng)低于其最高效率的90%[6]。

7 問題思考

1）綜合艙、電力艙的通風量計算時，容易忽略管廊與土壤通過傳熱散失掉的這部分熱量，導致計算出來的風量比實際需求的大，增加系統(tǒng)投資。風量大還會影響進排風口風亭的風口布置及風亭高度，進而影響道路景觀。艙內(nèi)電纜的發(fā)熱主要是通過對流換熱的形式將部分熱量散發(fā)到艙體壁面，壁面通過傳熱把熱量釋放到土壤里，這部分熱量計算較為復雜，準確的計算需有詳細的溫度、傳熱系數(shù)等參數(shù)來支持，對于工程設(shè)計而言難度較大，故根據(jù)工程經(jīng)驗，這部分傳熱按發(fā)熱量的30%～40%估算，可根據(jù)艙內(nèi)空間大小及電纜數(shù)量來取值。

2）在設(shè)計過程中，有兩個概念容易混淆，事故通風和事故后排煙通風。事故通風是可能突然放散大量有害氣體或有爆炸危險氣體的場所需要設(shè)置通風系統(tǒng)來排除有害氣體，如燃氣艙、污水艙，換氣次數(shù)不小于12 次/h，排除有爆炸危險的氣體風機需要采用防爆風機。事故后排煙通風是火災(zāi)滅火后，需要把滅火后的有毒氣體、煙氣排走，使艙體內(nèi)環(huán)境達到消防人員進入艙內(nèi)進行災(zāi)后處理的條件。事故后通風屬于正常通風范疇，換氣次數(shù)不小于6 次/h。

3）綜合管廊內(nèi)通常情況下采用氣體滅火，著火時必須把管廊設(shè)計為封閉狀態(tài)，通常在排風機入口端及自然通風口端設(shè)置電動閥來實現(xiàn)這個狀態(tài)。管廊內(nèi)平時無人長期停留，內(nèi)部為水管、電纜線、無可燃性物體，跟一般民用和工業(yè)建筑排煙要求不同，無需考慮排煙系統(tǒng)。故采用電動閥來實現(xiàn)通風系統(tǒng)啟閉，滿足管廊四種運行工況要求，無需設(shè)置70 ℃防火閥或280 ℃排煙防火閥，電動風閥需滿足在280 ℃下連續(xù)運行半小時性能要求，以保證火災(zāi)后煙氣能順利排出。

8 結(jié)語

本文結(jié)合廣州某長距離綜合管廊工程介紹了管廊通風設(shè)計要點，重點分析了設(shè)計過程中容易忽略的關(guān)鍵點，對通風計算、系統(tǒng)閥門選擇給出建議。目前我國對于管廊通風的設(shè)計規(guī)范條款較少，行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的標準，本文提出的建議，可供參考。