長區間綜合管廊通風及排煙數值模擬

王紅藝 陳 康 田思楠

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2.北京工業大學城市建設學部，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施現代化的重要載體[1]。管廊內須安排人員定期巡檢，為保障管線與運維人員安全，須充分考慮通風系統設置。以往設計工作中，通風分區均按照200m防火區間對應[2]。隨新舊城區的開發改造，管廊須結合既有建設條件、城市地下空間開發、城市景觀打造等共同推進，綜合考慮幾個方面的影響，結合國內外管廊建設經驗，探索延長通風區間長度已成為綜合管廊設計改進的一種必要手段。

城市綜合管廊通風多以機械通風和自然+機械通風為主。通風機運行一般可分為通風和排煙2種模式。平時通風模式用于控制艙室高溫、有害氣體濃度、人員巡檢的新風需求[3]。事故后排煙模式用于管廊內發生火災且火源熄滅以后，盡快有效排除廊內煙氣。一般來講，隨著通風區間的延長，通風機全壓將增大。通過改變區間長度和通風量對管廊的平時通風阻力和事故排煙進行了研究，在風機選型、實現綜合管廊附屬設備節能、節省運維能耗方面具有現實意義，能夠為探索長區間綜合管廊通風區間的合理設置提供一定的指導。

1 工況設定

1.1 工程概況

模擬研究對象為北京市某地下管廊。分別選擇燃氣艙平時通風和電力艙事故后排煙進行研究。其中，燃氣艙凈尺寸1.5m×2.8m，電力艙凈尺寸2.6m×3.1m，斷面示意見圖1。

模擬的燃氣艙為已建管廊，防火區間按照既有區間長度設定，模擬的電力艙為另一個待建管廊，防火區間每200m設置一處，如表1。

表1 模擬工況設定

1.2 模型設置

通風阻力和排煙的數值模擬分別選擇研究領域內常用的Fluent和Pyroism軟件。

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

通風模擬設置基本情況：大氣壓101325Pa，管廊內的溫度為20℃，內部氣體為不可壓縮的理想氣體，模型僅考慮燃氣艙內2根燃氣管道，不考慮自用支架。管廊進出口均設置為速度邊界，進出口速度根據通風口尺寸及規范要求換氣次數設置。模擬針對管廊主體通風情況進行研究，未考慮風機進出口與風亭處的局部阻力。

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

圖1 綜合管廊斷面尺寸

2 不同通風區間長度下的通風阻力研究

2.1 通風阻力理論計算

管廊通風系統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為通風區間長度。

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；V為風管內局部壓力損失發生處的空氣流速， m/s；p為空氣密度， kg/m3，取1.2 kg/m3。

根據國標圖集所給出的管廊通風計算常用阻力系數，通過理論計算得到一個防火分區總阻力約為183Pa。此時未考慮管廊斷面變化、管廊坡度變化、轉角等產生的局部阻力。通過理論計算分析，綜合管廊通風系統的沿程阻力很小，其主要阻力來自于管廊區間內防火門局部阻力，管廊至風機出口段局部阻力阻力主要集中在進排風百葉處。

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

2.2 通風阻力數值模擬

取斷面中心點位研究沿程通風風速與壓力損失情況。從圖2可知，隨著通風區間的增大，通風量增加，管廊通風風速隨之增加。在防火分隔部位，因過流斷面面積減少，引起管廊風速突變，對應通風阻力模擬結果，同樣是受防火分隔的影響，此處風速增大，根據局部阻力計算公式，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 管廊沿程風速與通風阻力數值模擬結果

區間總阻力增幅隨通風區間長度增加而增大，模擬結果見表2。

表2 主線管廊通風阻力模擬結果

將前述理論計算結果與模擬數據分別進行公式擬合如圖3，兩者趨勢基本一致。即隨著通風區間的增大，通風阻力增加更為明顯。項目設計中，克服管網內空氣流動阻力需要使用通風機全壓，根據通風機配用電機功率與單位風量耗功率計算公式（3）、公式（4）通風機的風量增大和全壓增加將導致電機功率增加較多，單位風量耗功率增大，不利于風機的節能。

圖3 不同通風區間長度管廊通風阻力計算結果擬合

式中：N風通風機配用電機功率；WS—單位風量耗功率；L—通風機的風量， m3/h；P—通風機的風壓，Pa；K—機電機容量安全系數；η—全壓效率；ηm—通風機機械效率；ηCD一電機及傳動效率，取 0. 855；ηF—風機效率，%。

3 不同通風區間長度下的排煙研究

由圖4知，200m通風區間下，約300s時，燃料燃燒耗氧已達到區間端頭處，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一步下降，900s后開始逐漸升高。以氧氣含量恢復原始狀態的時間為煙氣排盡時間，自開啟排煙開始，200m時約900s排盡管廊內的煙氣。400m通風區間時，廊內通風風速增大，有利于煙氣排除，約1400s時氧氣含量恢復正常。依次得到600m、800m、1000m區間下事故區間段和整個通風區間煙氣排盡時間。如圖5所示。

圖4 工況1-5近排風口處氧氣含量監測

圖5 各工況排煙時間

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

4 結論

根據平時通風阻力模擬結果，隨著通風區間的增加，風機風量也相應增加，通風機的風量增大和全壓增加將會造成電機功率增加較多，單位風量耗功率增大，不利于風機的節能。

結合煙氣排除數值模擬結果，隨著通風區間長度增加，事故區間段煙氣排盡時間逐漸縮短，總排煙時間600m以內通風區間增加有助于煙氣排除，超過600m煙氣須經過的防火分隔數量逐漸增加，影響了煙氣擴散，排煙所需時間將隨通風區間長度的增加而增大。

根據通風阻力模擬結果，考慮事故區間段和總通風分區的煙氣排盡時間，建議通風分區可控制在600m以內。對有特殊要求（城市景觀、施工工法）的，通風分區適宜長度需結合具體要求進一步研究。

排煙數值模擬與實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，已按照GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規范》設置有自動滅火設施，同時綜合管廊逐步實現智能化運行，火源有可能來不及完全發展即被撲滅，因此所提供數據及模擬結果僅供參考。