廣州某長距離綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與思考

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(kuò)張和空間資源的制約是目前城市發(fā)展面臨的最嚴(yán)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(jìn)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(fēng)設(shè)計需滿足管廊的檢修維護(hù)、火災(zāi)撲救、燃?xì)庑孤┡懦⑽鬯艿罁]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(fēng)設(shè)計要點(diǎn)及設(shè)計中常遇到的難點(diǎn)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?xì)馀?。電力艙?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?xì)馀撛O(shè)置有DN250 燃?xì)夤芤桓?/p>

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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)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?xì)馀摚簩?.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?xì)馀撛O(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(fēng)設(shè)計要求

本項目綜合管廊不同類型的艙室，通風(fēng)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(fēng)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(fēng)單元區(qū)間，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能保證通風(fēng)單元具備獨(dú)立通風(fēng)換氣能力。同時，通風(fēng)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(fēng)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(fēng)量。

2）巡視通風(fēng)工況：為了方便維護(hù)人員在管徑內(nèi)巡視及維修，必須保證艙內(nèi)新風(fēng)量滿足人員所需最小新風(fēng)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(fēng)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?jǐn)?shù)）20%時，應(yīng)啟動該段及其相鄰段事故通風(fēng)，風(fēng)機(jī)應(yīng)采用防爆風(fēng)機(jī)。

3 通風(fēng)系統(tǒng)方案及通風(fēng)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?xì)馀?。根?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(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式。燃?xì)馀搼?yīng)采用機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)的通風(fēng)方式。電力艙發(fā)熱量較大，采用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)需通過計算后確定，在滿足消除余熱及風(fēng)機(jī)余壓滿足設(shè)計要求的情況下，優(yōu)先選擇自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式（見圖1）。

圖1 通風(fēng)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(fēng)井及通風(fēng)機(jī)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(fēng)區(qū)段，兩端設(shè)置進(jìn)風(fēng)井及排風(fēng)井，通風(fēng)機(jī)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(fēng)井結(jié)合環(huán)境設(shè)置在道路中間綠化帶，風(fēng)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(fēng)口應(yīng)加設(shè)防止小動物進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)示意圖

4 綜合管廊通風(fēng)風(fēng)量計算

管廊的通風(fēng)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?xì)馀?/p>

燃?xì)鈧}內(nèi)管道無發(fā)熱量，燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)夤芫€需考慮燃?xì)庑孤┖笫鹿释L(fēng)，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(fēng)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?？捎^，設(shè)計時必須對電纜的發(fā)熱量進(jìn)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(fēng)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(fēng)量計算公式[2]

式中：G 為風(fēng)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(fēng)量，事故后通風(fēng)量根據(jù)規(guī)范要求不小于6 次/h。

由于項目通風(fēng)區(qū)段較多，取其中一個200 m 的通風(fēng)區(qū)段風(fēng)量計算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型分析，風(fēng)量計算結(jié)果如下表：

表1 通風(fēng)量計算表

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

5 通風(fēng)運(yùn)行模式

每個防火分區(qū)段即通風(fēng)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?xì)馀撨€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(fēng)機(jī)及電動閥門運(yùn)行。

平時工況下，當(dāng)艙體內(nèi)溫度大于38 ℃時，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，當(dāng)溫度小于36 ℃時，風(fēng)機(jī)停機(jī)。巡檢人員需進(jìn)入管廊進(jìn)行檢查前半小時，可開啟風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，當(dāng)溫度小于28 ℃，含氧量體積分?jǐn)?shù)大于19%時，巡檢人員可進(jìn)井工作[3]，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行直至人員出來為止；事故通風(fēng)工況下，當(dāng)檢測到燃?xì)馀擉w內(nèi)甲烷、硫化氫濃度超標(biāo)時，立刻啟動風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，有害氣體排出艙體，避免發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。當(dāng)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(rèn)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(fēng)機(jī)，關(guān)閉自然進(jìn)風(fēng)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(rèn)火災(zāi)熄滅后，開啟火區(qū)段及其相鄰區(qū)段的排風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，同時打開補(bǔ)風(fēng)電動閥，保證通風(fēng)系統(tǒng)有效運(yùn)行。

6 通風(fēng)設(shè)備選型

風(fēng)機(jī)設(shè)備的選型均要求風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的阻力可按阻力計算公式得出。通風(fēng)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(dāng)量直徑，m；ν 為管內(nèi)風(fēng)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(fēng)機(jī)選型時，風(fēng)量的富裕量一般取10%，風(fēng)壓的富裕量一般取15%。噪聲需滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5]中4a 類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，即晝間70 dB(A)，夜間55 dB(A)。風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)附近運(yùn)行時的噪聲最小，軸功率最小，設(shè)計工況下通風(fēng)機(jī)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(fēng)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(dǎo)致計算出來的風(fēng)量比實際需求的大，增加系統(tǒng)投資。風(fēng)量大還會影響進(jìn)排風(fēng)口風(fēng)亭的風(fēng)口布置及風(fēng)亭高度，進(jìn)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(fù)雜，準(zhǔn)確的計算需有詳細(xì)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(fēng)和事故后排煙通風(fēng)。事故通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)來排除有害氣體，如燃?xì)馀摗⑽鬯?，換氣次數(shù)不小于12 次/h，排除有爆炸危險的氣體風(fēng)機(jī)需要采用防爆風(fēng)機(jī)。事故后排煙通風(fēng)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(dá)到消防人員進(jìn)入艙內(nèi)進(jìn)行災(zāi)后處理的條件。事故后通風(fēng)屬于正常通風(fēng)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(fēng)機(jī)入口端及自然通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)啟閉，滿足管廊四種運(yùn)行工況要求，無需設(shè)置70 ℃防火閥或280 ℃排煙防火閥，電動風(fēng)閥需滿足在280 ℃下連續(xù)運(yùn)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(fēng)設(shè)計要點(diǎn)，重點(diǎn)分析了設(shè)計過程中容易忽略的關(guān)鍵點(diǎn)，對通風(fēng)計算、系統(tǒng)閥門選擇給出建議。目前我國對于管廊通風(fēng)的設(shè)計規(guī)范條款較少，行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文提出的建議，可供參考。