天津海河隧道泡沫-水噴霧系統(tǒng)保溫措施升級及改造

隋洪瑞， 周金忠， 賀維國

(1. 天津市濱海新區(qū)建投集團(tuán)隧道養(yǎng)管有限公司， 天津 300456； 2. 中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300133)

0 引言

天津中央大道海河隧道(簡稱海河隧道)工程起自新港3號路，終至海河南津沽公路立交，隧道全長3.38 km，雙向6車道，為我國北方寒冷地區(qū)首座采用泡沫-水噴霧系統(tǒng)的水下交通隧道。氣象資料顯示，濱海新區(qū)冬季最冷月月平均溫度-2～-5 ℃，歷史最低溫度-17.8 ℃。隧道原設(shè)計對水噴霧系統(tǒng)采取電伴熱保溫，管道系統(tǒng)保溫效果較好，但雨淋閥組保溫效果較差，以致雨淋閥組在冬季運行不暢，進(jìn)而影響泡沫-水噴霧系統(tǒng)的正常工作。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對隧道消防系統(tǒng)的電保溫都有研究。國外的研究起步較早，20世紀(jì)80年代Henry[1]就對電伴熱的操作原理、優(yōu)點和缺點進(jìn)行了分析，這是電伴熱應(yīng)用于管道保溫的早期研究，但是否可用于水下隧道管道保溫，尚不明確。

國內(nèi)類似的研究起步較晚，目前仍以應(yīng)用為主。袁有位等[2]以國道318線川藏公路項目為依托，對設(shè)置在隧道內(nèi)，采用聚氨酯發(fā)泡材料包裹的保溫材料(保溫層厚50 mm)進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮淼纼?nèi)采用聚氨酯進(jìn)行包裹保溫即可滿足要求，無需設(shè)置電伴熱。張玉偉等[3]針對寒冷地區(qū)公路隧道消防管道放空現(xiàn)象，根據(jù)傳熱學(xué)原理，采用多工況對比分析，通過數(shù)值模擬結(jié)果驗證了消防支管放空的具體數(shù)值，可為寒區(qū)隧道消防管道保溫設(shè)計提供依據(jù)。潘勇等[4]對寒冷地區(qū)公路隧道的幾種消防管道保溫防凍方案進(jìn)行了分析對比，從防凍原理、操作的難易程度、系統(tǒng)造價及實際使用效果等方面分析，得出應(yīng)根據(jù)隧道實際情況采取合適的保溫措施的結(jié)論。其他專家學(xué)者主要從管道保溫層厚度[5]、保溫系統(tǒng)控制、保溫方式模擬計算[6]、設(shè)備保溫層厚度[7]等方面進(jìn)行研究。

以上研究結(jié)果對管道保溫的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義，但對隧道內(nèi)的泡沫-水噴霧系統(tǒng)，尤其是核心組件雨淋閥組的保溫并未涉及。主要原因是目前國內(nèi)設(shè)置泡沫-水噴霧系統(tǒng)的隧道大部分位于南方，而南方冬季氣溫較高，基本不會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象；北方天氣寒冷，但設(shè)計泡沫-水噴霧系統(tǒng)的隧道較少，因此目前國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究成果較少，基本屬于空白。針對此技術(shù)難題，通過實測溫度、查閱規(guī)范[8-13]、著作[14-15]，對雨淋閥組的保溫區(qū)域和保溫措施提出相應(yīng)的解決方案，確保雨淋閥組在冬季正常運行。

1 泡沫-水噴霧系統(tǒng)防凍設(shè)計及分析

1.1 泡沫-水噴霧系統(tǒng)防凍設(shè)計現(xiàn)狀及存在的問題

泡沫-水噴霧系統(tǒng)防凍設(shè)計現(xiàn)狀為： 離兩端隧道口200 m范圍內(nèi)的泡沫-水噴霧供水管道設(shè)計了電伴熱保溫，雨淋閥組內(nèi)部為異形不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此電伴熱保溫施工時僅對箱內(nèi)管徑較大的管道做纏繞保溫，其余小管徑及異形閥門組件未考慮保溫。

該隧道從2015年1月開通運行至2019年4年多時間里，隧道內(nèi)每年冬季均有一段時間的溫度低于0 ℃，第1年最低溫度達(dá)-8 ℃(3 d左右)，第2、3年最低溫度均為-3 ℃(25 d左右)，第4年最低溫度達(dá)-8 ℃(3 d左右)。

運營第1年，冬季泡沫-水噴霧系統(tǒng)供水管不結(jié)凍，但是，部分泡沫-水噴霧系統(tǒng)雨淋閥組在低溫時發(fā)生管道結(jié)凍現(xiàn)象，為此，只好每年冬季將泡沫-水噴霧系統(tǒng)的消防水管放空，待開春后再沖水啟用。

1.2 系統(tǒng)存在的問題及分析

通過對上述問題進(jìn)行調(diào)研，對“系統(tǒng)供水管不結(jié)凍”原因分析如下： 首先，泡沫噴霧系統(tǒng)供水管布置在隧道中間管廊內(nèi)，管道和室外相對獨立，溫度相對偏高(管廊相對隧道平均高3～5 ℃)；其次，在離隧道口200 m范圍內(nèi)的供水管段均設(shè)置管道保溫及電伴熱，保證了管廊段內(nèi)兩端溫度較低的管道溫度適當(dāng)加高；最后，供水管的管徑比較大(DN150)，不容易結(jié)凍。

對于“部分雨淋閥組管道結(jié)凍”原因分析如下： 首先，雨淋閥組設(shè)計在主隧道墻上，此處溫度明顯比管廊里低；其次，雨淋閥箱體內(nèi)部件構(gòu)造復(fù)雜，且形狀不規(guī)則，需要經(jīng)常檢修，無法同普通管道一樣設(shè)置電伴熱保溫，加上雨淋閥組的部分管道管徑小，因此更容易結(jié)凍。

原設(shè)計圖上所有泡沫-水噴霧雨淋閥均設(shè)計了管道保溫及電伴熱，從理論上講，是可以解決保溫問題的。但是，運營時發(fā)現(xiàn)，雨淋閥組是一個復(fù)雜的異形體，并且連接的附屬管道管徑較小，在頻繁的維修中，經(jīng)常要打開保溫層，從而影響電伴熱效果，導(dǎo)致雨淋閥組在冬季無法正常工作。

根據(jù)水噴霧系統(tǒng)原理可知，泡沫-水噴霧系統(tǒng)為開式自動滅火系統(tǒng)，雨淋閥前必須維持一定壓力的水，確保火災(zāi)時快速啟動。因此，嚴(yán)格意義上講，雨淋閥組之前的管道在正常情況下不應(yīng)泄空，否則無法實現(xiàn)自動滅火系統(tǒng)的基本功能。也就是說，即便在冬季嚴(yán)寒天氣下，也必須維持水噴霧系統(tǒng)供水管道及雨淋閥組溫度，保證不結(jié)凍。

綜上可知，很有必要設(shè)計一種適合北方地區(qū)雨淋閥組的保溫措施。

2 隧道溫度實測及分析

2.1 測溫點布置

沿隧道從北向南設(shè)置9個測溫點，測量溫度時間為每天早上6:00左右，此時車流量較少，可避免汽車行駛影響隧道真實溫度，測量結(jié)果能更真實地反映隧道內(nèi)溫度縱向分布規(guī)律，測溫點沿隧道分布見圖1。測溫點距洞口距離指該點與最近的隧道洞口距離，見表1。

圖1 測溫點沿隧道分布圖

2.2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

首先，從2017年11月—2018年3月的溫度記錄中，每個月選取有代表性的4 d進(jìn)行分析，整理結(jié)果見表2。

表1 測溫點距隧道洞口距離

表2 溫度測量結(jié)果(2017年11月—2018年3月)

對上述測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，形成曲線，見圖2。

由測量結(jié)果可知： 1)隧道內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在1月至2月； 2)隧道溫度整體呈現(xiàn)中間高、兩端低的走勢，即距離隧道洞口越遠(yuǎn)，溫度越高； 3)隧道兩端的敞口段，北側(cè)入口的溫度明顯低于南側(cè)入口，因此隧道保溫應(yīng)重點對北側(cè)入口進(jìn)行保護(hù)； 4)隧道最低溫度出現(xiàn)在1月23日，當(dāng)日隧道入口B71的溫度為-8 ℃，B52的溫度為0 ℃，B52距離北側(cè)隧道洞口697.7 m，此范圍內(nèi)的管道及雨淋閥組均有結(jié)冰的可能。

其次，為驗證最低溫度的持續(xù)時間，對2018年1月底至2月初連續(xù)低溫條件下的溫度進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，形成曲線，見圖3。

連續(xù)低溫條件下，從2018年1月21日至2月14日25 d的測量時間里，測量點B71有24 d在0 ℃或以下；測量點B61有22 d在0 ℃或以下；測量點N12有6 d在0 ℃以下；測量點E2及測量點B1均只有2 d在0 ℃以下。

最后，對2018年12月和2019年1月數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，結(jié)果見表4。對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，形成曲線，見圖4。

(a) 2017年11月

(b) 2017年12月

(c) 2018年1月

(d) 2018年2月

(e) 2018年3月

圖2隧道縱剖面溫度分布圖

Fig. 2 Temperature distribution in longitudinal profile of tunnel

表3 連續(xù)低溫條件下的隧道縱向溫度典型變化情況

圖3 連續(xù)低溫條件下的隧道縱向溫度變化情況

Fig. 3 Temperature variation along longitudinal tunnel direction under low temperature condition

與2017年冬季相比，2018年12月有記錄的日期中溫度0 ℃以下的達(dá)到22 d，而且出現(xiàn)的時間較2017年更早。

2.3 試驗結(jié)論

從以上測量的最冷月份數(shù)據(jù)可知： 1)B61(距北隧道口416.5 m)溫度持續(xù)低于0 ℃概率較高； 2)B52(距北隧道口697.7 m)，溫度基本大于0 ℃； 3)B11(距南隧道口978 m)，溫度基本在-1 ℃以上； 4)B23(距南隧道口1 278 m)，溫度基本大于1 ℃。

根據(jù)上述資料推斷： 1)在北隧道口500 m范圍內(nèi)，最低溫度到-8 ℃，該范圍的雨淋閥箱應(yīng)加強保溫； 2)距北隧道口500～700 m，最低溫度達(dá)-5 ℃，但持續(xù)低于0 ℃概率較低，時間較短，該范圍的雨淋閥箱應(yīng)進(jìn)行重點保溫； 3)距北隧道口700 m到距南隧道口1 200 m，溫度一般大于0 ℃，該范圍的雨淋閥箱應(yīng)進(jìn)行普通保溫； 4)距南隧道口1 200 m范圍內(nèi)，溫度可能小于0 ℃左右，應(yīng)進(jìn)行重點保溫。

表4 溫度測量結(jié)果(2018年12月和2019年1月)

(a) 2018年12月

(b) 2019年1月

3 雨淋閥箱保溫能耗計算

3.1 能耗計算的前提

根據(jù)現(xiàn)場提供的資料，泡沫噴霧系統(tǒng)雨淋閥箱體凈尺寸為930 mm×320 mm×1 280 mm，箱體采用2 mm厚鋁合金材質(zhì)。實際安裝中，隧道離壁墻距箱體有80 mm的空氣間隙，本測試將這種狀態(tài)定義為箱體不保溫狀態(tài)，其他部分均與隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻緊密貼合。為了節(jié)能起見，采用80 mm軟泡沫塑料填充箱體六面，本試驗將這種狀態(tài)定義為箱體保溫狀態(tài)。這時雨淋閥箱體實際尺寸為930 mm×400 mm×1 280 mm，箱體除門外側(cè)部分直接與隧道內(nèi)空氣相接外，其他部分均直接與隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻緊密貼合。

在計算過程中，假定箱體內(nèi)熱空氣為自然對流，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為5 m/s，與箱體壁之間為強對流換熱，隧道內(nèi)最低溫度為tw=-10 ℃，箱體內(nèi)需要保證溫度不低于tn=10 ℃。

根據(jù)熱量由內(nèi)及外的傳遞模型研究可知，箱體內(nèi)熱量損失形式主要為對流傳熱、熱傳導(dǎo)等，可分為4個過程： 1)箱體內(nèi)熱空氣與箱體內(nèi)壁之間的自然對流換熱； 2)箱體內(nèi)壁至箱體外表面的熱傳導(dǎo)傳熱； 3)箱體外表面至外部空氣的強對流換熱； 4)箱體外壁與隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻之間的熱傳遞過程。

3.2 原始狀態(tài)下熱量傳遞計算

3.2.1 計算模型

原始狀態(tài)下，箱體未設(shè)保溫措施，熱量由箱內(nèi)至箱外的傳遞過程可以簡化為如圖5所示的模型。

(a) 箱門處

(b) 其他部位

Fig. 5 Schematic diagram of heat transfer inside and outside non-insulated box

箱體電加熱器能耗計算傳熱方程為

Φ=Ak(tn-tw)。

(1)

式中：Φ為雨淋閥箱熱量損失，W；A為箱體外表面積， m2；k為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為雨淋閥箱內(nèi)溫度， ℃；tw為雨淋閥箱外溫度， ℃。

其中，每個過程中的傳熱系數(shù)與箱體材料、箱體內(nèi)外溫差等因素有關(guān)，由此可知傳熱系數(shù)

(2)

式中：hn為箱體內(nèi)側(cè)空氣至箱體內(nèi)壁之前的熱交換系數(shù)；hw為箱體外壁至外側(cè)空氣之前的熱交換系數(shù)；δ1為箱體壁厚度，δ1=2×10-3m；λ1為箱體壁材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，λ1=158 W/(m·K)。

1.3.1 CU檢測 采用CU檢測右心房舒張末期面積(RAA)、右心室舒張末期前后徑(RVDd)、下腔靜脈塌陷率(ΔIVC)指標(biāo)，探頭型號為M5S，頻率(3.0±1.5)MHz，儀器型號Vivid E9，美國GE公司。

對圖5所示的熱傳遞模型，要計算箱體熱量損失，需要分別計算每部分的熱傳導(dǎo)系數(shù)，再分別計算箱內(nèi)至箱外4個傳遞過程的熱傳導(dǎo)系數(shù)及熱量損失。

3.2.2 熱量傳遞計算

3.2.2.1 箱門從內(nèi)至外的熱量損失

1)箱體內(nèi)空氣與內(nèi)壁的自然對流熱交換系數(shù)。

①計算箱體內(nèi)格拉曉夫數(shù)

(3)

計算得Grn=2.07×108，即1.43×104

②計算箱體內(nèi)的努賽爾特數(shù)

Nun=C(Grn×Pr)n。

(4)

根據(jù)Grn查表得系數(shù)C=0.59，指數(shù)n=1/4，0 ℃的空氣普朗特數(shù)Pr=0.707，熱傳導(dǎo)系數(shù)λ=0.024 4 (W/m·K)，計算得Nun=64.92。

③計算箱內(nèi)空氣與箱壁之間的熱交換系數(shù)

(5)

2) 箱體外壁與隧道內(nèi)空氣的強對流熱交換系數(shù)。

假定隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為u=5 m/s，隧道內(nèi)最低溫度為tw=-10 ℃，則空氣外掠箱體表面的努賽爾特數(shù)Nuw=0.664Re1/2Pr1/3。式中：Pr為普朗特數(shù)，0 ℃空氣Pr=0.707；Re為箱體外掠空氣流動的雷諾數(shù)。

(6)

式中l(wèi)為接觸過程中空氣的運行長度。

計算得Nuw=349.95。

箱體外壁與外部空氣熱交換系數(shù)

(7)

3) 確定箱門從內(nèi)至外的熱量損失。在箱體內(nèi)不做保溫層的情況下，箱門部分熱傳導(dǎo)系數(shù)

(8)

由上述計算過程可知，若箱體外側(cè)為強對流換熱，隧道內(nèi)溫度在0 ℃以下，箱體與隧道內(nèi)冷空氣的強對流換熱系數(shù)受隧道內(nèi)溫度的影響不大，但受隧道內(nèi)空氣流速影響較大。

最后，由箱門從內(nèi)至外的熱量損失

Φ1=Ak(tn-tw)=1.28×0.93×2.77×20=65.9 W。

(9)

3.2.2.2 箱體側(cè)壁與隧道結(jié)構(gòu)墻之間熱量損失

1) 箱體側(cè)壁與隧道結(jié)構(gòu)墻之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)。除箱門以外，其他部分的箱體側(cè)壁均與隧道結(jié)構(gòu)墻緊密貼合。假設(shè)隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻足夠厚，則由箱體至結(jié)構(gòu)側(cè)墻的熱傳導(dǎo)過程可近似為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。計算時，假設(shè)離箱體壁δ=0.5 m厚處的結(jié)構(gòu)墻溫度與隧道內(nèi)的空氣溫度相同，即tw=-10 ℃； 箱體內(nèi)壁的溫度與箱體內(nèi)空氣溫度相同，即tn=10 ℃； 混凝土板的導(dǎo)熱系數(shù)為λ3=0.79 W/(m·K)。該導(dǎo)熱過程的熱流密度

(10)

2) 確定箱體四周與結(jié)構(gòu)墻接觸部分熱量損失。箱體四周與結(jié)構(gòu)墻接觸部分的熱傳導(dǎo)功率

Φ2=qA=22.59×(1.28×0.93+2×1.28×0.4+2×0.93×0.4)=

66.83 W。

(11)

3.2.3 計算結(jié)果

在箱體內(nèi)未做保溫層的情況下，在隧道內(nèi)溫度為tw=-10 ℃時，要保證箱體內(nèi)溫度不低于10 ℃，則箱體內(nèi)須增加的電輔熱功率約為

Φ=Φ1+Φ2=132.73 W。

(12)

3.3 保溫措施下熱量傳遞計算

3.3.1 計算模型

增設(shè)保溫措施后，熱量由箱內(nèi)至箱外的傳遞過程可以簡化為如圖6所示的模型。箱體由內(nèi)至外的熱量損失形式主要為箱內(nèi)自然對流，箱體內(nèi)保溫層、箱體壁及隧道結(jié)構(gòu)墻之間的熱傳導(dǎo)，箱門外側(cè)與隧道內(nèi)空氣的強自然對流換熱等。

(a) 箱門處熱傳遞示意圖

(b) 其他部位熱傳遞示意圖

Fig. 6 Schematic diagram of heat transfer inside and outside box with insulation layer inside

3.3.2 熱量傳遞計算

3.3.2.1 箱門從內(nèi)至外的熱量損失

1)箱體內(nèi)空氣與內(nèi)壁的自然對流熱交換系數(shù): ①計算箱體內(nèi)格拉曉夫數(shù)Grn=1.83×108， 即1.43×104

Nun=0.59×(1.84×108×0.707)1/4=62.98。

(13)

根據(jù)自然對流層流狀態(tài)下熱交換系數(shù)計算公式可知，箱內(nèi)空氣與箱內(nèi)保溫層之間的熱交換系數(shù)

(14)

2)箱體外壁與隧道內(nèi)空氣的強對流熱交換系數(shù)。根據(jù)不保溫箱體計算可知箱門外壁與隧道內(nèi)冷空氣之間的強對流熱交換系數(shù)

(15)

3)箱門從內(nèi)至外的熱量損失。箱體壁材料熱傳導(dǎo)系數(shù)λ1=158 W/(m·K)，箱體內(nèi)保溫材料熱傳導(dǎo)系數(shù)λ2=0.041～0.048 W/(m·K)，計算時取λ2=0.045 W/(m·K)。因此，箱體內(nèi)外熱量傳遞的整個過程導(dǎo)熱系數(shù)

1.21 W/(m2·K)。

(16)

因此，在箱內(nèi)做保溫層的情況下，箱內(nèi)熱量通過箱門由內(nèi)至外的熱量損失功率

Φ1=Ak(tn-tw)=1.28×0.93×1.21×20=28.8 W。

(17)

3.3.2.2 箱體側(cè)壁與隧道結(jié)構(gòu)墻之間熱量損失

1)箱體側(cè)壁與隧道結(jié)構(gòu)墻之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)。假設(shè)離箱體壁δ3=0.5 m厚處的結(jié)構(gòu)墻溫度與隧道內(nèi)的空氣溫度相同，即tw=-10 ℃；箱體內(nèi)壁的溫度與箱體內(nèi)空氣溫度相同，即tn=10 ℃?；炷涟宓膶?dǎo)熱系數(shù)為λ3=0.79 W/(m·K)，箱體內(nèi)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為λ2=0.041～0.048 W/(m·K)，計算時取λ2=0.045 W/(m·K)，則該導(dǎo)熱過程的熱流密度

(18)

2)箱體與結(jié)構(gòu)墻接觸部分熱量損失。箱內(nèi)做保溫層的情況下，箱體四周與結(jié)構(gòu)墻接觸部分的熱傳導(dǎo)功率

Φ2=qA=14.78×(1.28×0.93+2×1.28×0.4+2×0.93×

0.4)=43.73 W。

(19)

3.3.3 計算結(jié)果

若箱體內(nèi)采用22 mm厚硬泡沫塑料板做保溫層，隧道內(nèi)溫度為tw=-10 ℃，要保證箱體內(nèi)溫度不低于10 ℃，則箱體內(nèi)須增加的電輔熱功率約為Φ=Φ1+Φ2=72.53 W。

通過計算可知，箱體內(nèi)做保溫層比未做保溫層減小約50%的熱量損失。

3.3.4 影響因素分析

由上述計算可知，箱體內(nèi)熱量損失由內(nèi)至外主要分為通過箱門傳遞和通過箱體其他側(cè)壁傳遞2種。前者分為箱內(nèi)空氣與箱體內(nèi)壁之間的自然對流過程、由箱內(nèi)壁至箱外壁之間的熱傳導(dǎo)過程以及箱外壁與隧道內(nèi)空氣之間的強對流過程，其中，箱門外側(cè)與隧道內(nèi)空氣之間的強對流過程與隧道內(nèi)的風(fēng)速有關(guān)。后者分為箱內(nèi)空氣與箱體內(nèi)壁之間的自然對流過程和箱體內(nèi)壁至隧道結(jié)構(gòu)墻之間的熱傳導(dǎo)過程，箱體其他側(cè)壁與隧道結(jié)構(gòu)墻之間的換熱與隧道的溫度有關(guān)。

綜上，箱體熱量損失和隧道內(nèi)風(fēng)速、溫度有關(guān)，根據(jù)隧道內(nèi)不同風(fēng)速(5、3、1、0 m/s)，分別計算不同隧道溫度下對應(yīng)的箱體熱量損失。不同風(fēng)速下雨淋閥箱體的熱量損失與隧道內(nèi)溫度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 箱體熱量損失與隧道內(nèi)溫度的關(guān)系

Fig. 7 Relationship between heat loss of box and temperature in tunnel

由圖7可知，箱體熱量損失與隧道內(nèi)溫度呈線性關(guān)系。隧道內(nèi)風(fēng)速越低，同樣的隧道溫度下箱體熱量損失越?。划?dāng)隧道內(nèi)風(fēng)速為0時，同樣的溫度下箱體內(nèi)熱量損失最小，這是因為空氣具有很好的絕熱作用，通過箱門外表面的強對流熱量損失基本為0。

由測量及計算結(jié)果可知，箱外溫度對雨淋閥箱溫度維持的影響最大。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計的隧道內(nèi)溫度與箱體內(nèi)電加熱器平均耗電功率，繪制散點分布圖?？紤]到測量的誤差，作圖時選擇箱體內(nèi)溫度在8～12 ℃的數(shù)據(jù)作為重點研究對象，同時剔除平均耗電功率超高(不具備代表性)以及平均耗電功率為0的數(shù)據(jù)，線性擬合后如圖8所示。

圖8 隧道內(nèi)溫度與電加熱器實際耗電功率分布

Fig. 8 Temperature in tunnel and distribution of actual power consumption of electric heater

從理論計算和現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)擬合可以看出，箱體的熱量損失(電加熱器平均耗電功率)與隧道內(nèi)溫度成反比。由理論計算得出，當(dāng)隧道內(nèi)風(fēng)速為5 m/s、隧道內(nèi)溫度為0 ℃時，箱體的熱量損失功率為35.29 W；實際數(shù)據(jù)擬合顯示，當(dāng)隧道內(nèi)溫度為0 ℃時，電加熱器耗電功率為43.38 W，兩者相差并不是很大，這說明理論計算數(shù)據(jù)基本可靠。即當(dāng)雨淋閥箱體內(nèi)做內(nèi)保溫層時，在保證箱體內(nèi)溫度為10 ℃左右的狀態(tài)下，所需電加熱器平均耗電功率可近似采用公式

Φ=-3.713tw+35.29 W。

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式中tw為隧道內(nèi)環(huán)境溫度。

4 雨淋閥組的保溫設(shè)計

4.1 雨淋閥箱位置與能耗關(guān)系

根據(jù)隧道溫度檢測資料和雨淋閥箱保溫能耗分析得： 在北隧道口500 m范圍內(nèi)，雨淋閥箱保溫設(shè)施功率至少為65 W；距北隧道口500～700 m，功率至少為54 W；距北隧道口700 m到距南隧道口1 200 m，功率至少為30 W； 距南隧道口1 200 m范圍內(nèi)，功率至少為40 W。

4.2 雨淋閥箱保溫設(shè)施選型

經(jīng)整理得： 1)離隧道北口最近的10×2組雨淋閥箱應(yīng)加強保溫； 2)離隧道北口第2近的4×2組及離隧道南口最近的24×2組雨淋閥箱應(yīng)進(jìn)行重點保溫； 3)其他的雨淋閥箱應(yīng)進(jìn)行普通保溫?？紤]到不同部位發(fā)生低溫的概率及各種保溫設(shè)施的實際應(yīng)用情況，推薦加強保溫和重點保溫的雨淋閥箱采用電加熱器，普通保溫的雨淋閥箱采用管道保溫和電伴熱。

4.3 雨淋閥箱保溫設(shè)施參數(shù)

加強保溫、重點保溫的雨淋閥箱，為了保證電加熱器使用，箱內(nèi)最低溫度必須保證在8～12 ℃。為此，加強保溫的保溫設(shè)施功率必須保證在75 W以上，建議用100～150 W；重點保溫的保溫設(shè)施功率必須保證在54 W以上，建議用75～100 W；一般保護(hù)的雨淋閥箱，采用管道保溫和電伴熱，箱內(nèi)只要保證最低溫度大于5 ℃即可，功率至少為30 W，建議用50 W。考慮到特殊天氣時，整條隧道溫度均較低，為此，所有雨淋閥箱均采用保溫箱體，即在箱體六面均采用80 mm軟泡沫塑料填充。

5 結(jié)論與建議

1)實測資料顯示，隧道縱向溫度呈現(xiàn)一定規(guī)律，兩頭低，中間高，即南北洞口至隧道中心,溫度呈升高趨勢，與預(yù)測結(jié)果基本一致。

2)為保證冬季嚴(yán)寒天氣下的正常運行，寒冷地區(qū)水下隧道設(shè)置泡沫-水噴霧系統(tǒng)時，除管道系統(tǒng)設(shè)置保溫措施外，雨淋閥組應(yīng)進(jìn)行特殊保溫設(shè)計。

3)雨淋閥組的保溫措施應(yīng)以保溫模擬計算為前提。具體保溫措施與其位置有關(guān)，洞口溫度較低，雨淋閥箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置電加熱器，其余箱體應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)置電伴熱或普通保溫措施，但所有雨淋閥箱體都應(yīng)有基礎(chǔ)保溫措施。

4)箱體的熱量損失(電加熱器平均耗電功率)與隧道內(nèi)溫度成反比。當(dāng)雨淋閥箱體內(nèi)做內(nèi)保溫層時，在保證箱體內(nèi)溫度為10 ℃左右，所需電加熱器平均耗電功率可近似采用公式Φ=-3.713tw+35.29 W(此公式為數(shù)據(jù)擬合結(jié)論，目前僅適用于海河隧道)計算。

綜上，寒冷地區(qū)水下交通隧道設(shè)置泡沫噴霧滅火系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合工程所處的氣象環(huán)境，對雨淋閥箱進(jìn)行特殊保溫設(shè)計，如采用電加熱器； 雨淋閥組的保溫設(shè)計應(yīng)因地制宜、量體裁衣，即根據(jù)雨淋閥的實際位置，采取有重點、有差異的保溫措施。