地下封閉調(diào)蓄池通風(fēng)氣流分布評(píng)價(jià)和優(yōu)化

周燕昭 張亦昕 于文俊

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司

0 引言

調(diào)蓄池是緩解暴雨內(nèi)澇，削弱城市洪峰流量，促進(jìn)雨水回收利用的有效措施[1]。2019 年楊潔 [2]等介紹了地下調(diào)蓄池通風(fēng)除臭中通風(fēng)風(fēng)管、風(fēng)機(jī)的防腐防爆和通風(fēng)機(jī)布置等內(nèi)容。2019 年，周傳庭[3]考慮進(jìn)水階段H2S 釋放數(shù)量巨大，對(duì)調(diào)蓄池格柵間采用雙速風(fēng)機(jī)以及增設(shè)下排風(fēng)口給予了建議。2020 年笪健 [4]等通過濰坊市超大型調(diào)蓄池項(xiàng)目，總結(jié)了送排風(fēng)風(fēng)量的關(guān)系和負(fù)壓要求。2020 年張文勝[5]等結(jié)合武漢市黃孝河合流制溢流調(diào)蓄池，對(duì)調(diào)蓄室分格設(shè)計(jì)進(jìn)行了精心構(gòu)思。

然而當(dāng)前的規(guī)范和文獻(xiàn)中，對(duì)于風(fēng)口的布置、通風(fēng)形式的確定以及連通洞口的研究較少，設(shè)計(jì)人員在面對(duì)此類設(shè)計(jì)時(shí)，面臨一些困難：1 ）風(fēng)口布置缺乏理論指導(dǎo)。當(dāng)前關(guān)于調(diào)蓄池通風(fēng)風(fēng)口布置僅依托工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏模擬或?qū)嶒?yàn)的論證。2）獨(dú)立送排風(fēng)和交叉送排風(fēng)的優(yōu)劣效果不明確。獨(dú)立送排風(fēng)需要分別設(shè)置送排風(fēng)風(fēng)亭或風(fēng)機(jī)房，地上占地較大。交叉送排風(fēng)可對(duì)角設(shè)置風(fēng)機(jī)房或風(fēng)亭，地上面積節(jié)約，但實(shí)際通風(fēng)排污效果未知，故二者需要進(jìn)行對(duì)比和研究。3）連通洞對(duì)多格調(diào)蓄池通風(fēng)的利弊影響未知。大型調(diào)蓄池分隔溢流墻的連通洞設(shè)計(jì)，一方面是出于工藝專業(yè)保證雨水在各池體間配水均勻，另一方面是出于結(jié)構(gòu)專業(yè)避免墻體兩側(cè)水位不同造成的受力不均，但其對(duì)于暖通專業(yè)通風(fēng)效果的好壞影響目前未知。

針對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)，本文建立不同通風(fēng)位置、是否交叉送排風(fēng)、有無連通洞三種研究模型，分別制訂具體工況，進(jìn)行深入研究。

1 項(xiàng)目介紹

本次模擬參考了我院設(shè)計(jì)的 17 個(gè)調(diào)蓄池，對(duì)地下大型調(diào)蓄池模型參數(shù)進(jìn)行了梳理，最終選取廣西某項(xiàng)目全地下式封閉1#調(diào)蓄池作為典型模型進(jìn)行研究，如下圖。調(diào)蓄池模型長(zhǎng)50 m，單格寬6 m，高度5 m，主要包括：調(diào)蓄池池體、土建風(fēng)道、送排風(fēng)口、檢修通道、樓梯、分隔墻開洞等。

圖1 廣西某項(xiàng)目全地下式封閉1#調(diào)蓄池

2 模型構(gòu)建

2.1 物理模型

單格和雙格調(diào)蓄池通風(fēng)模型，具體參數(shù)可以參見表1。

表1 調(diào)蓄池通風(fēng)物理模型

2.2 邊界條件及理想假設(shè)

污染物散發(fā)源方面，取臭氣集中的排水溝為散發(fā)源，選擇關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、嗅閾低、易察覺的H2S為研究氣體。考慮目前國內(nèi)外調(diào)蓄池內(nèi)污染物散發(fā)量方面，無模擬或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，最終選用文獻(xiàn)[6-7]中研究的垃圾填埋場(chǎng)或垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站的H2S 散發(fā)量作為參考值進(jìn)行設(shè)置。

通風(fēng)風(fēng)量方面，根據(jù)規(guī)范[8]建議國內(nèi)一般取通風(fēng)次數(shù) 4～6 次/h，考慮調(diào)蓄池池體較大和臭氣積聚等情況，最終選擇 6 次/h，送風(fēng)風(fēng)量約占排風(fēng)風(fēng)量的80～90%，機(jī)械送排風(fēng)。由于單格調(diào)蓄池工況 1～9 的模型僅送排風(fēng)口數(shù)量和位置有區(qū)別，為避免贅述，以工況2 和工況7為例進(jìn)行示意。單格和雙格調(diào)蓄池模型如圖2～3。

圖2 單格調(diào)蓄池通風(fēng)模型

由于調(diào)蓄池內(nèi)實(shí)際通風(fēng)過程復(fù)雜，為方便研究，理想簡(jiǎn)化如下：1 ）氣體視為理想不可壓縮氣體。2）模擬過程為穩(wěn)態(tài)。3）認(rèn)為散發(fā)源為均勻穩(wěn)定的面源。4）不考慮其他污染物組分的相互影響。5）不考慮土壤等物體的熱量和濕度對(duì)氣流的影響。

圖3 雙格調(diào)蓄池通風(fēng)模型

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)通風(fēng)氣流的目的，氣流分布的評(píng)價(jià)主要分為三方面：通風(fēng)有效性；排污有效性；能量利用有效性和熱舒適性[9]。

由于研究對(duì)象為封閉調(diào)蓄池，一方面，室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境內(nèi)不設(shè)采暖和空調(diào)，故不必考慮能量利用有效性和熱舒適性。另一方面，由于調(diào)蓄池內(nèi)有 H2S 等污染物排放，并設(shè)有機(jī)械送排風(fēng)措施，故需從新風(fēng)的通風(fēng)效果和排污能力綜合分析。

本文通過空氣齡、換氣效率來研究通風(fēng)有效性。通過呼吸平面污染物濃度、排污效率來研究排污有效性，立足上述2 個(gè)角度，使用2 個(gè)絕對(duì)參數(shù)和2 個(gè)相對(duì)參數(shù)，通過4 個(gè)指標(biāo)，全面立體地進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

2.3.1 通風(fēng)有效性

1）空氣齡

空氣齡：空氣進(jìn)入房間的時(shí)間 [10]，是一個(gè)絕對(duì)參數(shù)?？諝恺g越小，新風(fēng)進(jìn)入房間的時(shí)間越短，室內(nèi)空氣越新鮮，通風(fēng)效果越好。因此，空氣齡常被看作空氣新鮮程度和換氣能力的重要指標(biāo)?？諝恺g可以用數(shù)值計(jì)算法和示蹤氣體測(cè)量?jī)煞N方法得到，在數(shù)值模擬中，空氣齡的輸運(yùn)方程可用式（1）表示。

2）換氣效率

換氣效率：理論最短換氣時(shí)間和實(shí)際平均換氣時(shí)間的比值，它與污染物擴(kuò)散無關(guān)[9]，是一個(gè)相對(duì)參數(shù)。換氣效率是衡量一個(gè)房間的空氣被新風(fēng)替換快慢的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其范圍為 0～100%，換氣效率越大，說明氣流自身更新越快。換氣效率的理論公式如下：

式中：η——換氣效率；τn——理論最短換氣時(shí)間，s；τ——實(shí)際平均換氣時(shí)間，s；V——房間體積，m3：G——送風(fēng)量，m3/ s。

2.3.2 排污有效性

1）呼吸高度污染物平均濃度

呼吸高度污染物平均濃度：是室內(nèi)呼吸高度（一般取距地面1.5 m）所在平面上各質(zhì)點(diǎn)的染物質(zhì)量濃度平均值。呼吸高度污染物濃度在數(shù)值模擬中運(yùn)用較多，可參考文獻(xiàn)[7，12]。將呼吸高度污染物平均濃度納入排污有效性的平均體系，有助于定性和定量進(jìn)行分析。

式中：C——呼吸高度污染物濃度，mg/m3；ci——呼吸平面任一質(zhì)點(diǎn)處污染物濃度，mg/m3；Ai——呼吸高度所研究污染物質(zhì)點(diǎn)的面積微元，m2；A——呼吸平面的總面積，m2。

2）排污效率

排污效率，也叫通風(fēng)效率、混合效率，是穩(wěn)態(tài)下污染物的出口濃度和室內(nèi)平均濃度的比值[13]，是相對(duì)參數(shù)。排污效率是研究通風(fēng)和排污有效性的重要指標(biāo)，其具體公式如下：

式中：Ev——排污效率；Cout——污染物出口濃度，mg/m3；C——室內(nèi)污染物平均濃度，m g/m3；

排污效率除了可以表示通風(fēng)系統(tǒng)的污染物排除能力，還可作為經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。對(duì)于同一房間和污染物擴(kuò)散源，排污效率越高，所需的風(fēng)機(jī)風(fēng)量越小，對(duì)應(yīng)的處理系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)的選型和能耗也可降低，故排污效率是一個(gè)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 結(jié)果分析

3.1 不同通風(fēng)位置結(jié)果分析

結(jié)合表2 和圖4～5 可以看出：

圖4 不同位置呼吸高度H2S 濃度分布

表2 不同通風(fēng)位置模擬結(jié)果

（1）對(duì)于排風(fēng)位置：關(guān)于調(diào)蓄池內(nèi)、走道板呼吸高度、臭氣源上方局部呼吸面 H2S 平均濃度，低位排風(fēng) ＜高低位排風(fēng) ＜ 高位排風(fēng)，排污效率正好相反，說明高位排風(fēng)不利于污染物及時(shí)排走，則低位排風(fēng)排污能力最佳。

（2）對(duì)于送風(fēng)位置：關(guān)于調(diào)蓄池內(nèi)、走道板呼吸高度、臭氣源上方局部呼吸面 H2S 平均濃度，高位送風(fēng) ＜低位送風(fēng) ＜ 高低溫送風(fēng)，排污效率正好相反，高位送風(fēng)排污效果最佳。

（3）對(duì)于速度分布：走道板呼吸高度的氣流流速越大，人員檢修運(yùn)行新風(fēng)流動(dòng)越好。高送低排氣流走道板呼吸高度速度最大，且結(jié)合速度剖面云圖可以看出，高送低排下的走道板區(qū)域新風(fēng)射流距離最長(zhǎng)，可均勻穩(wěn)定落到走道板。

（4）除模擬結(jié)果以外，實(shí)際工程還需考慮送排風(fēng)風(fēng)道的土建施工難度，高送低排工況的送風(fēng)土建風(fēng)道不必做至調(diào)蓄池池底，無需下層開洞，對(duì)于降低施工難度和成本優(yōu)勢(shì)很明顯。

綜上，采用高送低排的通風(fēng)方式排污效果最佳，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施也最方便。

圖5 9 種工況的Y=3 m 剖面速度分布云圖

3.2 是否交叉送排風(fēng)結(jié)果分析

結(jié)合表3 和圖6 可以看出：

圖6 走道板呼吸高度Z=3.5 m 空氣齡剖面云圖

表3 是否交叉送排風(fēng)模擬結(jié)果

（1）在H2S 平均濃度和排污效率方面，工況 10 的各位置平均 H2S 濃度數(shù)值均小于工況 11 和工況 12，排污效率也最高，優(yōu)勢(shì)最明顯。

（2）在調(diào)蓄池內(nèi)平均空氣齡方面：a.工況 10 獨(dú)立送排風(fēng)下，調(diào)蓄池內(nèi)平均空氣齡最低。b .三種工況的共同點(diǎn)為：靠近送風(fēng)口空氣齡最短，靠近排風(fēng)口位置空氣齡較大。c.三種工況的不同點(diǎn)：工況10 獨(dú)立送排風(fēng)下，池內(nèi)流場(chǎng)均勻穩(wěn)定，幾乎沒有氣流死角，靠近排風(fēng)口附近發(fā)生附壁射流，局部渦流區(qū)域較小，最大空氣齡為818 s，工況 11 交叉 1，在池體 1 的左下角有氣流渦流且區(qū)域較大，最大空氣齡9849 s。工況12 交叉2，在池體2 的中上部有氣流渦流且區(qū)域面積最大，最大空氣齡為978 s。

綜合上述分析：盲目為節(jié)省地面風(fēng)亭或通風(fēng)機(jī)房數(shù)量，采用交叉送排風(fēng)的通風(fēng)方式不可取，宜針對(duì)每格調(diào)蓄池采用獨(dú)立的送排風(fēng)措施。

3.3 有無連通洞結(jié)果分析

由表 4 可知，在增設(shè)連通洞后的雙格調(diào)蓄池變化如下：

表4 有無連通洞模擬結(jié)果

（1）調(diào)蓄池內(nèi)、走道板呼吸高度、臭氣源上方局部呼吸面 H2S 濃度分別降低：35.56%、15.67%、7.1%，調(diào)蓄池內(nèi)平均空氣齡降低8.26%，排污效率提高2.79。

（2）走道板高度速度下降約4.17%，雖氣流速度有所下降，從整體效果來看，地下空間的通風(fēng)排污效果比速度場(chǎng)舒適性影響更重要。

綜上，增設(shè)連通洞有助地下調(diào)蓄池通風(fēng)和排污。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于含有污染物擴(kuò)散和通風(fēng)措施的工程，基于包括通風(fēng)有效性和排污有效性氣流分布評(píng)價(jià)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，可避免各指標(biāo)局限性，有助于全面綜合分析。

（2）對(duì)比的9 種通風(fēng)位置，調(diào)蓄池通風(fēng)采用高送低排的通風(fēng)有效性和排污有效性最好。

（3）獨(dú)立送排風(fēng)優(yōu)于交叉送排風(fēng)，盲目為節(jié)省地面風(fēng)亭或通風(fēng)機(jī)房數(shù)量，采用交叉送排風(fēng)的通風(fēng)方式不可取，對(duì)于多格調(diào)蓄池應(yīng)在每格采用獨(dú)立送排風(fēng)措施。

（4）調(diào)蓄池內(nèi)的連通洞有助于優(yōu)化通風(fēng)換氣，增設(shè)連通洞后，調(diào)蓄池內(nèi)H2S 平均濃度和空氣齡可分別降低 35.56%，8.26%，排污效率提高 2.79，通風(fēng)有效性和排污有效性均大幅改善。

（5）后續(xù)可結(jié)合連通洞尺寸、位置和個(gè)數(shù)等因素，對(duì)調(diào)蓄池通風(fēng)氣流組織進(jìn)一步優(yōu)化。