長區(qū)間綜合管廊通風(fēng)及排煙數(shù)值模擬

王紅藝 陳 康 田思楠

（1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124）

0 前言

城市地下綜合管廊能夠改善直埋市政管線的分散無序布置，正逐漸成為市政能源設(shè)施現(xiàn)代化的重要載體[1]。管廊內(nèi)須安排人員定期巡檢，為保障管線與運(yùn)維人員安全，須充分考慮通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置。以往設(shè)計工作中，通風(fēng)分區(qū)均按照200m防火區(qū)間對應(yīng)[2]。隨新舊城區(qū)的開發(fā)改造，管廊須結(jié)合既有建設(shè)條件、城市地下空間開發(fā)、城市景觀打造等共同推進(jìn)，綜合考慮幾個方面的影響，結(jié)合國內(nèi)外管廊建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，探索延長通風(fēng)區(qū)間長度已成為綜合管廊設(shè)計改進(jìn)的一種必要手段。

城市綜合管廊通風(fēng)多以機(jī)械通風(fēng)和自然+機(jī)械通風(fēng)為主。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行一般可分為通風(fēng)和排煙2種模式。平時通風(fēng)模式用于控制艙室高溫、有害氣體濃度、人員巡檢的新風(fēng)需求[3]。事故后排煙模式用于管廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)且火源熄滅以后，盡快有效排除廊內(nèi)煙氣。一般來講，隨著通風(fēng)區(qū)間的延長，通風(fēng)機(jī)全壓將增大。通過改變區(qū)間長度和通風(fēng)量對管廊的平時通風(fēng)阻力和事故排煙進(jìn)行了研究，在風(fēng)機(jī)選型、實(shí)現(xiàn)綜合管廊附屬設(shè)備節(jié)能、節(jié)省運(yùn)維能耗方面具有現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)樘剿鏖L區(qū)間綜合管廊通風(fēng)區(qū)間的合理設(shè)置提供一定的指導(dǎo)。

1 工況設(shè)定

1.1 工程概況

模擬研究對象為北京市某地下管廊。分別選擇燃?xì)馀撈綍r通風(fēng)和電力艙事故后排煙進(jìn)行研究。其中，燃?xì)馀搩舫叽?.5m×2.8m，電力艙凈尺寸2.6m×3.1m，斷面示意見圖1。

模擬的燃?xì)馀摓橐呀ü芾?，防火區(qū)間按照既有區(qū)間長度設(shè)定，模擬的電力艙為另一個待建管廊，防火區(qū)間每200m設(shè)置一處，如表1。

表1 模擬工況設(shè)定

1.2 模型設(shè)置

通風(fēng)阻力和排煙的數(shù)值模擬分別選擇研究領(lǐng)域內(nèi)常用的Fluent和Pyroism軟件。

計算流體力學(xué)通過將流場控制方程區(qū)域離散化，通過反復(fù)迭代的手段求得流動問題的數(shù)值解。軟件模擬計算的基礎(chǔ)是根據(jù)流體動力學(xué)中最基本的質(zhì)量（組分）守恒、動量守恒和能量守恒定律，建立基本方程[3-4]。

通風(fēng)模擬設(shè)置基本情況：大氣壓101325Pa，管廊內(nèi)的溫度為20℃，內(nèi)部氣體為不可壓縮的理想氣體，模型僅考慮燃?xì)馀搩?nèi)2根燃?xì)夤艿溃豢紤]自用支架。管廊進(jìn)出口均設(shè)置為速度邊界，進(jìn)出口速度根據(jù)通風(fēng)口尺寸及規(guī)范要求換氣次數(shù)設(shè)置。模擬針對管廊主體通風(fēng)情況進(jìn)行研究，未考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)出口與風(fēng)亭處的局部阻力。

排煙模擬中，利用FDS求解描述熱驅(qū)動的低速流動的黏性流體方程，通過網(wǎng)格劃分把設(shè)定的空間分成多個計算單元，對單元內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行計算，用質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分，能夠模擬火災(zāi)的發(fā)展和煙氣的蔓延狀況。數(shù)值模型按照圖1設(shè)置。火源尺寸設(shè)置為0.5m×0.5m。火源熱釋放速率設(shè)置為250kW。假定600s時火源熄滅，開啟排煙。

圖1 綜合管廊斷面尺寸

2 不同通風(fēng)區(qū)間長度下的通風(fēng)阻力研究

2.1 通風(fēng)阻力理論計算

管廊通風(fēng)系統(tǒng)的阻力包括沿程阻力和局部阻力。

2.1.1 沿程阻力

式中：ΔPm為單位長度沿程阻力，Pa/m；L為通風(fēng)區(qū)間長度。

2.1.2 局部阻力

式中： ΔPj為局部壓力損失，Pa；?為局部阻力系數(shù)；V為風(fēng)管內(nèi)局部壓力損失發(fā)生處的空氣流速， m/s；p為空氣密度， kg/m3，取1.2 kg/m3。

根據(jù)國標(biāo)圖集所給出的管廊通風(fēng)計算常用阻力系數(shù)，通過理論計算得到一個防火分區(qū)總阻力約為183Pa。此時未考慮管廊斷面變化、管廊坡度變化、轉(zhuǎn)角等產(chǎn)生的局部阻力。通過理論計算分析，綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的沿程阻力很小，其主要阻力來自于管廊區(qū)間內(nèi)防火門局部阻力，管廊至風(fēng)機(jī)出口段局部阻力阻力主要集中在進(jìn)排風(fēng)百葉處。

同樣的通過理論公式計算能夠得出通風(fēng)區(qū)間為150m/400m/600m/800m/1000m時的通風(fēng)阻力分別為183Pa/210Pa/277Pa/419Pa/665Pa。

2.2 通風(fēng)阻力數(shù)值模擬

取斷面中心點(diǎn)位研究沿程通風(fēng)風(fēng)速與壓力損失情況。從圖2可知，隨著通風(fēng)區(qū)間的增大，通風(fēng)量增加，管廊通風(fēng)風(fēng)速隨之增加。在防火分隔部位，因過流斷面面積減少，引起管廊風(fēng)速突變，對應(yīng)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果，同樣是受防火分隔的影響，此處風(fēng)速增大，根據(jù)局部阻力計算公式，此處的局部阻力較大，氣流通過防火門處的壓力損失增大，導(dǎo)致管廊阻力沿著氣流方向呈“階梯狀”增加的趨勢。

圖2 管廊沿程風(fēng)速與通風(fēng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果

區(qū)間總阻力增幅隨通風(fēng)區(qū)間長度增加而增大，模擬結(jié)果見表2。

表2 主線管廊通風(fēng)阻力模擬結(jié)果

將前述理論計算結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)分別進(jìn)行公式擬合如圖3，兩者趨勢基本一致。即隨著通風(fēng)區(qū)間的增大，通風(fēng)阻力增加更為明顯。項目設(shè)計中，克服管網(wǎng)內(nèi)空氣流動阻力需要使用通風(fēng)機(jī)全壓，根據(jù)通風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率與單位風(fēng)量耗功率計算公式（3）、公式（4）通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增大和全壓增加將導(dǎo)致電機(jī)功率增加較多，單位風(fēng)量耗功率增大，不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能。

圖3 不同通風(fēng)區(qū)間長度管廊通風(fēng)阻力計算結(jié)果擬合

式中：N風(fēng)通風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率；WS—單位風(fēng)量耗功率；L—通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量， m3/h；P—通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa；K—機(jī)電機(jī)容量安全系數(shù)；η—全壓效率；ηm—通風(fēng)機(jī)機(jī)械效率；ηCD一電機(jī)及傳動效率，取 0. 855；ηF—風(fēng)機(jī)效率，%。

3 不同通風(fēng)區(qū)間長度下的排煙研究

由圖4知，200m通風(fēng)區(qū)間下，約300s時，燃料燃燒耗氧已達(dá)到區(qū)間端頭處，排煙口附近氧氣含量開始逐漸下降。600s開啟排煙后，排煙口附近煙氣聚集造成此處氧氣含量進(jìn)一步下降，900s后開始逐漸升高。以氧氣含量恢復(fù)原始狀態(tài)的時間為煙氣排盡時間，自開啟排煙開始，200m時約900s排盡管廊內(nèi)的煙氣。400m通風(fēng)區(qū)間時，廊內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速增大，有利于煙氣排除，約1400s時氧氣含量恢復(fù)正常。依次得到600m、800m、1000m區(qū)間下事故區(qū)間段和整個通風(fēng)區(qū)間煙氣排盡時間。如圖5所示。

圖4 工況1-5近排風(fēng)口處氧氣含量監(jiān)測

圖5 各工況排煙時間

隨著通風(fēng)區(qū)間的增加，匹配風(fēng)量相應(yīng)增加，在斷面面積不變的情況下，斷面風(fēng)速將會增大。結(jié)合模擬結(jié)果，當(dāng)通風(fēng)區(qū)間為400m時，排盡煙氣所需要的時間小于200m通風(fēng)區(qū)間；通風(fēng)區(qū)間增至600m時，排盡煙氣所需要的時間大于400m通風(fēng)區(qū)間但小于200m通風(fēng)區(qū)間。通風(fēng)區(qū)間為800m、1000m時，煙氣須經(jīng)過的防火分隔數(shù)量逐漸增加，一定程度影響了煙氣擴(kuò)散，排煙所需時間將隨通風(fēng)區(qū)間長度的增加而增大。同時分析了不同通風(fēng)區(qū)間下著火區(qū)間的煙氣排除情況，可知隨通風(fēng)區(qū)間的延長，斷面風(fēng)速增大，有利于事故區(qū)間段煙氣的排除。著火分區(qū)排煙時間逐漸縮短。著火分區(qū)的煙氣排除有利于消防運(yùn)維人員等進(jìn)入及時掌握廊內(nèi)管線受損情況制定對策，總的排煙時間影響管廊的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

根據(jù)平時通風(fēng)阻力模擬結(jié)果，隨著通風(fēng)區(qū)間的增加，風(fēng)機(jī)風(fēng)量也相應(yīng)增加，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增大和全壓增加將會造成電機(jī)功率增加較多，單位風(fēng)量耗功率增大，不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能。

結(jié)合煙氣排除數(shù)值模擬結(jié)果，隨著通風(fēng)區(qū)間長度增加，事故區(qū)間段煙氣排盡時間逐漸縮短，總排煙時間600m以內(nèi)通風(fēng)區(qū)間增加有助于煙氣排除，超過600m煙氣須經(jīng)過的防火分隔數(shù)量逐漸增加，影響了煙氣擴(kuò)散，排煙所需時間將隨通風(fēng)區(qū)間長度的增加而增大。

根據(jù)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果，考慮事故區(qū)間段和總通風(fēng)分區(qū)的煙氣排盡時間，建議通風(fēng)分區(qū)可控制在600m以內(nèi)。對有特殊要求（城市景觀、施工工法）的，通風(fēng)分區(qū)適宜長度需結(jié)合具體要求進(jìn)一步研究。

排煙數(shù)值模擬與實(shí)際情況可能存在火源功率、煙氣生成量的差異。近年新建綜合管廊內(nèi)，已按照GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》設(shè)置有自動滅火設(shè)施，同時綜合管廊逐步實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，火源有可能來不及完全發(fā)展即被撲滅，因此所提供數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果僅供參考。