地下封閉調蓄池通風氣流分布評價和優化

周燕昭 張亦昕 于文俊

北京市市政工程設計研究總院有限公司

0 引言

調蓄池是緩解暴雨內澇，削弱城市洪峰流量，促進雨水回收利用的有效措施[1]。2019 年楊潔 [2]等介紹了地下調蓄池通風除臭中通風風管、風機的防腐防爆和通風機布置等內容。2019 年，周傳庭[3]考慮進水階段H2S 釋放數量巨大，對調蓄池格柵間采用雙速風機以及增設下排風口給予了建議。2020 年笪健 [4]等通過濰坊市超大型調蓄池項目，總結了送排風風量的關系和負壓要求。2020 年張文勝[5]等結合武漢市黃孝河合流制溢流調蓄池，對調蓄室分格設計進行了精心構思。

然而當前的規范和文獻中，對于風口的布置、通風形式的確定以及連通洞口的研究較少，設計人員在面對此類設計時，面臨一些困難：1 ）風口布置缺乏理論指導。當前關于調蓄池通風風口布置僅依托工程經驗，缺乏模擬或實驗的論證。2）獨立送排風和交叉送排風的優劣效果不明確。獨立送排風需要分別設置送排風風亭或風機房，地上占地較大。交叉送排風可對角設置風機房或風亭，地上面積節約，但實際通風排污效果未知，故二者需要進行對比和研究。3）連通洞對多格調蓄池通風的利弊影響未知。大型調蓄池分隔溢流墻的連通洞設計，一方面是出于工藝專業保證雨水在各池體間配水均勻，另一方面是出于結構專業避免墻體兩側水位不同造成的受力不均，但其對于暖通專業通風效果的好壞影響目前未知。

針對當前研究現狀及難點，本文建立不同通風位置、是否交叉送排風、有無連通洞三種研究模型，分別制訂具體工況，進行深入研究。

1 項目介紹

本次模擬參考了我院設計的 17 個調蓄池，對地下大型調蓄池模型參數進行了梳理，最終選取廣西某項目全地下式封閉1#調蓄池作為典型模型進行研究，如下圖。調蓄池模型長50 m，單格寬6 m，高度5 m，主要包括：調蓄池池體、土建風道、送排風口、檢修通道、樓梯、分隔墻開洞等。

圖1 廣西某項目全地下式封閉1#調蓄池

2 模型構建

2.1 物理模型

單格和雙格調蓄池通風模型，具體參數可以參見表1。

表1 調蓄池通風物理模型

2.2 邊界條件及理想假設

污染物散發源方面，取臭氣集中的排水溝為散發源，選擇關聯性強、嗅閾低、易察覺的H2S為研究氣體。考慮目前國內外調蓄池內污染物散發量方面，無模擬或實測數據，最終選用文獻[6-7]中研究的垃圾填埋場或垃圾轉運站的H2S 散發量作為參考值進行設置。

通風風量方面，根據規范[8]建議國內一般取通風次數 4～6 次/h，考慮調蓄池池體較大和臭氣積聚等情況，最終選擇 6 次/h，送風風量約占排風風量的80～90%，機械送排風。由于單格調蓄池工況 1～9 的模型僅送排風口數量和位置有區別，為避免贅述，以工況2 和工況7為例進行示意。單格和雙格調蓄池模型如圖2～3。

圖2 單格調蓄池通風模型

由于調蓄池內實際通風過程復雜，為方便研究，理想簡化如下：1 ）氣體視為理想不可壓縮氣體。2）模擬過程為穩態。3）認為散發源為均勻穩定的面源。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氣流的影響。

圖3 雙格調蓄池通風模型

2.3 評價指標

根據通風氣流的目的，氣流分布的評價主要分為三方面：通風有效性；排污有效性；能量利用有效性和熱舒適性[9]。

由于研究對象為封閉調蓄池，一方面，室內通風環境內不設采暖和空調，故不必考慮能量利用有效性和熱舒適性。另一方面，由于調蓄池內有 H2S 等污染物排放，并設有機械送排風措施，故需從新風的通風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 個角度，使用2 個絕對參數和2 個相對參數，通過4 個指標，全面立體地進行評價和優化。

2.3.1 通風有效性

1）空氣齡

空氣齡：空氣進入房間的時間 [10]，是一個絕對參數。空氣齡越小，新風進入房間的時間越短，室內空氣越新鮮，通風效果越好。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。空氣齡可以用數值計算法和示蹤氣體測量兩種方法得到，在數值模擬中，空氣齡的輸運方程可用式（1）表示。

2）換氣效率

換氣效率：理論最短換氣時間和實際平均換氣時間的比值，它與污染物擴散無關[9]，是一個相對參數。換氣效率是衡量一個房間的空氣被新風替換快慢的評價指標，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——理論最短換氣時間，s；τ——實際平均換氣時間，s；V——房間體積，m3：G——送風量，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：是室內呼吸高度（一般取距地面1.5 m）所在平面上各質點的染物質量濃度平均值。呼吸高度污染物濃度在數值模擬中運用較多，可參考文獻[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——呼吸平面任一質點處污染物濃度，mg/m3；Ai——呼吸高度所研究污染物質點的面積微元，m2；A——呼吸平面的總面積，m2。

2）排污效率

排污效率，也叫通風效率、混合效率，是穩態下污染物的出口濃度和室內平均濃度的比值[13]，是相對參數。排污效率是研究通風和排污有效性的重要指標，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——室內污染物平均濃度，m g/m3；

排污效率除了可以表示通風系統的污染物排除能力，還可作為經濟性能指標。對于同一房間和污染物擴散源，排污效率越高，所需的風機風量越小，對應的處理系統和輸配系統的選型和能耗也可降低，故排污效率是一個綜合的技術經濟指標。

3 結果分析

3.1 不同通風位置結果分析

結合表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 不同通風位置模擬結果

（1）對于排風位置：關于調蓄池內、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 ＜高低位排風 ＜ 高位排風，排污效率正好相反，說明高位排風不利于污染物及時排走，則低位排風排污能力最佳。

（2）對于送風位置：關于調蓄池內、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 ＜低位送風 ＜ 高低溫送風，排污效率正好相反，高位送風排污效果最佳。

（3）對于速度分布：走道板呼吸高度的氣流流速越大，人員檢修運行新風流動越好。高送低排氣流走道板呼吸高度速度最大，且結合速度剖面云圖可以看出，高送低排下的走道板區域新風射流距離最長，可均勻穩定落到走道板。

（4）除模擬結果以外，實際工程還需考慮送排風風道的土建施工難度，高送低排工況的送風土建風道不必做至調蓄池池底，無需下層開洞，對于降低施工難度和成本優勢很明顯。

綜上，采用高送低排的通風方式排污效果最佳，現場實施也最方便。

圖5 9 種工況的Y=3 m 剖面速度分布云圖

3.2 是否交叉送排風結果分析

結合表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 是否交叉送排風模擬結果

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

（2）在調蓄池內平均空氣齡方面：a.工況 10 獨立送排風下，調蓄池內平均空氣齡最低。b .三種工況的共同點為：靠近送風口空氣齡最短，靠近排風口位置空氣齡較大。c.三種工況的不同點：工況10 獨立送排風下，池內流場均勻穩定，幾乎沒有氣流死角，靠近排風口附近發生附壁射流，局部渦流區域較小，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域面積最大，最大空氣齡為978 s。

綜合上述分析：盲目為節省地面風亭或通風機房數量，采用交叉送排風的通風方式不可取，宜針對每格調蓄池采用獨立的送排風措施。

3.3 有無連通洞結果分析

由表 4 可知，在增設連通洞后的雙格調蓄池變化如下：

表4 有無連通洞模擬結果

（1）調蓄池內、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%，調蓄池內平均空氣齡降低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，地下空間的通風排污效果比速度場舒適性影響更重要。

綜上，增設連通洞有助地下調蓄池通風和排污。

4 結論

（1）對于含有污染物擴散和通風措施的工程，基于包括通風有效性和排污有效性氣流分布評價體系進行評價，可避免各指標局限性，有助于全面綜合分析。

（2）對比的9 種通風位置，調蓄池通風采用高送低排的通風有效性和排污有效性最好。

（3）獨立送排風優于交叉送排風，盲目為節省地面風亭或通風機房數量，采用交叉送排風的通風方式不可取，對于多格調蓄池應在每格采用獨立送排風措施。

（4）調蓄池內的連通洞有助于優化通風換氣，增設連通洞后，調蓄池內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，通風有效性和排污有效性均大幅改善。

（5）后續可結合連通洞尺寸、位置和個數等因素，對調蓄池通風氣流組織進一步優化。