地下綜合管廊內(nèi)部除濕通風(fēng)組織方案研究

浦春林 姜裕華 胡一葦 王亮 朱家毅 何國青

1 蘇州城市地下綜合管廊開發(fā)有限公司

2 悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司

3 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院

0 引言

在南方沿海地區(qū)，地下管廊高濕的環(huán)境不僅引起衛(wèi)生環(huán)境惡化，還縮短廊內(nèi)儀器和設(shè)備壽命，增加運(yùn)營成本[1-2]。因此，這些地區(qū)地下管廊須考慮除濕系統(tǒng)。管廊濕負(fù)荷來自外界新風(fēng)和廊內(nèi)濕源散發(fā)。通風(fēng)是保障廊內(nèi)環(huán)境的有效手段[3-4]，雖然新風(fēng)在秋冬比較干燥[5]，但在夏季卻是濕源，強(qiáng)度遠(yuǎn)大于廊內(nèi)濕源。比較合理的除濕方案是將廊內(nèi)外濕源分開處理：由專用新風(fēng)除濕機(jī)處理新風(fēng)，而廊內(nèi)使用功率較小的除濕系統(tǒng)除濕。

地下管廊分區(qū)通常長度在200 m 及以上[6]，遠(yuǎn)超一般除濕機(jī)的作用半徑[7]。由于管廊內(nèi)部空間有限，管道布置成本高，需要合理設(shè)計(jì)除濕及通風(fēng)方案。本文用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)分析優(yōu)化管廊除濕系統(tǒng)的通風(fēng)方案，為管廊內(nèi)部除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 管廊CFD 模型及通風(fēng)方案

以蘇州城北路管廊標(biāo)準(zhǔn)段為例，選取水信艙和電力艙作為研究對象。水信艙代表內(nèi)置物較少的艙，而電力艙設(shè)置了隔層并布置了電纜，代表內(nèi)置物較多的艙。管廊簡化為長200 m 的長方體，截面積則根據(jù)艙室種類的不同略有差異，水信艙的寬和高為2.8 m×4.8 m，電力艙的寬和高為2.4 m×4.05 m。

除濕系統(tǒng)的進(jìn)回風(fēng)口布置方案如圖1 所示，共有9 個(gè)案例，主要目的是研究誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，送回風(fēng)口數(shù)量和布置方式以及電纜和隔層等對除濕系統(tǒng)控制廊內(nèi)濕度效果的影響。模型1 和模型2 為送回風(fēng)口布置在兩端的直流通風(fēng)模式，其中在模型2 的中間加了誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，以加速送風(fēng)氣流的混合。模型3 將管廊分成均勻10 段，每段兩端設(shè)置一對送回風(fēng)口。模型4 的進(jìn)風(fēng)口與模型3 相同，但是只在管廊側(cè)壁面的中間設(shè)置了一個(gè)集中回風(fēng)口。模型5 和6 不對管廊分段，而是在同一位置布置送回風(fēng)口，模擬獨(dú)立的除濕機(jī)。模型5 為1 對/20 m 的送回風(fēng)口，模型6 為1 對/10 m 的送回風(fēng)口。模型7 和模型8 對比分析了多個(gè)送風(fēng)口對應(yīng)一個(gè)回風(fēng)口的通風(fēng)模式，以達(dá)到在滿足除濕要求的基礎(chǔ)上，盡可能減少風(fēng)口設(shè)置的目的。模型7 的送回風(fēng)口均設(shè)置在頂部，但每5 個(gè)送風(fēng)口對應(yīng)一個(gè)回風(fēng)口。模型8 在管廊末端底部的壁面處設(shè)置了一個(gè)集中的回風(fēng)口。模型9 根據(jù)管廊的實(shí)際情況納入了48 根電力電纜以研究管廊內(nèi)電纜分布對空氣流動(dòng)以及相對濕度分布產(chǎn)生的影響，并且保留了電力艙上下空間之間的隔斷結(jié)構(gòu)。建模時(shí)忽略電纜支架、管道支架等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電纜簡化為截面積相同的長方體，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整位置以方便網(wǎng)格的劃分。所有模型中，送風(fēng)口均設(shè)置在管廊頂部。此外，模型5～9 在管廊面靠一側(cè)壁面還設(shè)置了一條寬20 cm 的水槽以模擬局部高濕負(fù)荷區(qū)域?qū)穸确植嫉挠绊憽?/p>

圖1 送回風(fēng)口布置案例的示意圖

2 CFD 建模方法

采用ANSYS ICEM 17.2 軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了減小網(wǎng)格扭曲率以提升網(wǎng)格質(zhì)量，采用了塊切割的方法來生成六面體網(wǎng)格。對壁面附近及進(jìn)出風(fēng)口處進(jìn)行網(wǎng)格加密，使其能夠更好地模擬邊界層效應(yīng)。以每隔20 m 設(shè)置進(jìn)風(fēng)口的模型為例，劃分完成后的網(wǎng)格如圖2 所示。求解器設(shè)置為基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器。開啟組分運(yùn)輸模型，修改混合組分為氣態(tài)水和空氣的混合物。湍流模型選擇k-ε Realizable 模型，近壁面處理選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力-速度耦合選擇SIMPLEC算法。壓力離散格式選擇Standard，其余離散格式選擇二階迎風(fēng)格式。

圖2 模型整體網(wǎng)格及細(xì)節(jié)網(wǎng)格示意圖

進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口條件（velocity-inlet），所有模型的送風(fēng)口的總流量為定值，數(shù)值參考小型除濕機(jī)的風(fēng)量為Q=1000 m3/hr，進(jìn)風(fēng)溫度視同管廊溫度，濕度由下式確定：

式中：d送為送風(fēng)濕度；d管廊內(nèi)為管廊內(nèi)設(shè)計(jì)濕度（按22℃，65%）；W 為設(shè)計(jì)濕負(fù)荷，W=3 kg/h；ρ 為空氣密度，1.2 kg/m3。

僅考慮管廊不通風(fēng)的情況，管廊內(nèi)存在兩個(gè)濕負(fù)荷來源，一是管廊壁面的水蒸氣散發(fā)，強(qiáng)度均勻且為4.53×10-5g/(m2·s)（按整個(gè)管廊0.5 kg/h 算），溫度為22 ℃。二是水槽暴露水面的蒸發(fā)，散發(fā)強(qiáng)度為0.0174 g/(m2·s)（按整個(gè)管廊2.5 kg/h 算）。經(jīng)計(jì)算，送風(fēng)濕度為8.461 g/kg，相當(dāng)于表冷出風(fēng)12 ℃相對濕度95%的出風(fēng)參數(shù)。送風(fēng)口模擬了被表冷器除濕之后又被余熱加熱回升至管廊溫度的狀態(tài)參數(shù)，這樣減少除濕本身對管廊溫度的影響。湍流條件選擇湍流強(qiáng)度（Turbulent Intensity）和水力直徑（Hydraulic Diameter），水力的直徑即為進(jìn)風(fēng)口的直徑，湍流強(qiáng)度由式（2）估算給出：

式中：I 為湍流強(qiáng)度；u 為平均速度；Dh為水力直徑；γ為運(yùn)動(dòng)粘度。排風(fēng)口設(shè)置為零壓力邊界條件。壁面外土壤溫度設(shè)為恒定22 ℃，不考慮電纜的發(fā)熱效應(yīng)。

3 模擬結(jié)果與分析

本研究關(guān)注的是管廊內(nèi)的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，可用兩個(gè)指標(biāo)關(guān)注結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)是壁面的相對濕度，另一個(gè)是管廊的平均相對濕度。因?yàn)闈褙?fù)荷來源均來自四周壁面或地面和頂面，因此管廊壁面空氣的相對濕度可以反映水蒸氣散發(fā)的順暢程度。如壁面空氣的相對濕度接近飽和，那么說明壁面水蒸氣散發(fā)比較困難，壁面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)高。而管廊內(nèi)的平均相對濕度則可以說明管廊內(nèi)物體表面結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 給出了模型1～8 水槽所在地面和相鄰最近的墻面的相對濕度分布云圖，這兩個(gè)面距離水槽最近，結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)最高。圖中空白部分為相對濕度超過95%的區(qū)域，面積大小反映結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)大小。

圖3 模型1～8 水槽所在地面和相鄰最近的墻面的相對濕度分布云圖

圖3（a）和（b）為模型1 和模型2 的兩個(gè)邊界面的相對濕度分布云圖。從圖中可以看到，在一進(jìn)一出的通風(fēng)模式下，氣流集中從入口進(jìn)入，沿管廊方向不斷吸收壁面散發(fā)的水汽，相對濕度逐漸升高至70%。對比模型1 和2，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)略微提高了相對濕度分布的均勻性，并未有顯著改善相對濕度的分布，可見誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)對于管廊濕度的控制的影響十分有限。

圖3（c）和（d）分別顯示了模型3 和4 的相對濕度分布云圖。雖然模型3 的送回風(fēng)口都在頂部，但在較強(qiáng)的送回氣流下，送風(fēng)射流和廊內(nèi)氣流還是經(jīng)過充分混合才被排至回風(fēng)口。模型4 的回風(fēng)口集中在管廊中間的底部，從結(jié)果上看，回風(fēng)口集中布置略微有改善管廊內(nèi)的相對濕度。

和模型1 和2 的云圖對比，加入多個(gè)送回風(fēng)口后，管廊內(nèi)的相對濕度更顯均勻，但數(shù)值更高。由此可見，對于長廊式空間，分布式送風(fēng)并不會(huì)改進(jìn)除濕系統(tǒng)的濕度控制效果。

圖3（e）～（h）為模型5～8 的空氣相對濕度分布云圖。在模型5 中，兩對進(jìn)回風(fēng)口之間的區(qū)域形成了一個(gè)范圍約10 m 左右的高相對濕度（大于95%）區(qū)域，結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)送回風(fēng)口的布置密度增加一倍（模型6），平均相對濕度降低，但壁面仍有較多的結(jié)露高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。每一對送回風(fēng)可以認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立除濕機(jī)。對比圖3（e）和（f）可以看到，每個(gè)除濕機(jī)的有效除濕半徑不超過5 m。對于200 m 管廊，需要布置至少20個(gè)除濕機(jī)，才能滿足除濕要求。根據(jù)文獻(xiàn)，除濕機(jī)的有效半徑取決于送風(fēng)速度[7]，但5 m 的有效半徑在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)屬于比較大的了。

當(dāng)減少回風(fēng)口的數(shù)量后，濕度控制效果明顯提高。模型7 和8 高濕區(qū)域明顯少于模型5 和6，并且一端只設(shè)置一個(gè)集中回風(fēng)口的模型8 的高濕區(qū)域最小。

從廊內(nèi)濕度來看，最好的仍舊是模型1 和2，其廊內(nèi)空間體積平均相對濕度低于60%，其次是模型3 和模型4，廊內(nèi)空間體積平均相對濕度為67%。模型5～8的廊內(nèi)空間體積平均相對濕度都超過了75%，其中模型5 最差。

上述模型中，送風(fēng)參數(shù)和濕負(fù)荷都是一樣的，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在穩(wěn)態(tài)的工況下，出風(fēng)的參數(shù)也應(yīng)一致，但由于不同的風(fēng)口布置產(chǎn)生的通風(fēng)效率不一樣，管廊內(nèi)的相對濕度分布也不一致。如果存在送風(fēng)短路的情況，或者出現(xiàn)局部氣流死角，這些區(qū)域的相對濕度就會(huì)高。從濕源的角度分析，理想的風(fēng)口布置應(yīng)當(dāng)使回風(fēng)口盡量靠近濕源，使得散發(fā)的水蒸氣在廊內(nèi)擴(kuò)散之前就被排走。所計(jì)算的案例中，濕源的分布相對均勻，除了將回風(fēng)口盡量靠近水槽外，并不存在集中布置的條件。從圖3 可以看出，當(dāng)氣流主要沿著管廊方向時(shí)，出現(xiàn)局部氣流死角的概率就小，局部高濕的區(qū)域就小。最好的是模型1 和2，其一進(jìn)一回風(fēng)口布置形成活塞氣流，將管壁面和水槽散發(fā)的水蒸氣最大限度的控制在邊界層內(nèi)，直至回風(fēng)口，只在水槽附近出現(xiàn)高濕度。對比模型3 和5，雖然進(jìn)回風(fēng)口對數(shù)一樣，但沿管廊長度方向布置的模型仍然遠(yuǎn)優(yōu)于沿截面方向布置的模型5。

縱觀上述8 個(gè)模型，模型1 和2 的方案是最佳的，不僅效果好，而且布置最經(jīng)濟(jì)（風(fēng)口最少）。其次是模型8，在多個(gè)送風(fēng)口的情況下，將回風(fēng)口設(shè)置一端。而使用獨(dú)立除濕機(jī)，不僅需要的設(shè)備數(shù)量多，而且控制效果不好。

模型9 納入了電纜以及隔板，圖4 顯示了模型9的相對濕度分布云圖。對比圖3（h），增加了電纜和隔板后管廊的相對濕度整體有了明顯的提高，不均性也大大增加。這主要是因?yàn)槊芗碾娎|和隔板的存在對管廊內(nèi)的空氣流動(dòng)產(chǎn)生了阻礙，特別是下半段出現(xiàn)諸多氣流死角，導(dǎo)致相對濕度高，結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖4 模型9 的水槽所在地面和相鄰墻面的相對濕度分布云圖

4 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)對促進(jìn)管廊內(nèi)相對濕度分布的均勻性具有一定的幫助，但是單個(gè)風(fēng)機(jī)的影響范圍有限，考慮到風(fēng)機(jī)本身并無除濕作用還會(huì)增加設(shè)備成本，不建議在管廊中采用。

2）長管廊除濕送風(fēng)宜采用風(fēng)口布置兩端的一送一回的布置方式，可以實(shí)現(xiàn)廊內(nèi)較好的濕度控制效果。如果使用獨(dú)立除濕機(jī)，每臺(tái)設(shè)備的影響半徑不超過5 m，布置密度至少應(yīng)為1 臺(tái)/10 m，但采取風(fēng)管送風(fēng)可以減少除濕機(jī)的數(shù)量。

3）水槽的存在會(huì)導(dǎo)致管廊局部（水槽附近壁面）的相對濕度過高，存在局部結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

4）管廊內(nèi)密集的電纜和隔板設(shè)置對空氣流動(dòng)有明顯的阻礙作用，增加壁面氣流死區(qū)，增大壁面的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮優(yōu)化送風(fēng)形式，減少壁面氣流死角。