地下綜合管廊自然通風下溫濕度實測研究

薛宏旺, 李瓊, 鄭詩霖, 王野馳

(華北科技學院建筑工程學院, 廊坊 065201)

綜合管廊運營中,潮濕環境對結構造成的腐蝕一直是難以解決的現實問題。由于綜合管廊在中國建設時間短,運營管理經驗不足,缺乏對管廊內部環境的關注,因而管廊本體結構滲漏、管道銹蝕、通風不暢等缺陷時有發生,嚴重威脅管廊及維護人員的安全,存在較大安全隱患。

隨著綜合管廊事業的不斷推進和智慧管控平臺建設,綜合管廊的內部環境相關控制策略和有效的技術措施已取得一定進展并開展了相關研究。《城市綜合管廊工程技術規范》GB50838-2015中提到,實際運營期間的換氣次數不應小于2次/h;當綜合管廊內空氣溫度高于40 ℃溫度低于5 ℃時應報警。施有志等[1]在研究中提到管廊廊內相對濕度應穩定在60%～70%范圍內,當廊內濕度達到50%～80%,可對管廊內部金屬構件造成損害[2];當廊內濕度達到90%,可對廊內敷設電纜造成極大的負面影響[3]。

何國青等[4]和張錦鵬[5]考慮多種因素對管廊溫度的影響,進行管廊內對流換熱的機理研究;劉婷等[6]和王亮等[7]通過數值模擬方法,對管廊濕度分布特性進行對比分析,并進行除濕實驗,得出影響廊內濕度的原因;浦春林等[8]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)理論,利用數值模擬對地下綜合管廊的除濕模式下的通風模式進行了研究,研究結果得出除濕的最優通風形式。國玉山等[9]和李佳興等[10]在研究中通過計算熱負荷,對通風量進行數值模擬對比分析。得出了管廊內布溫度的分布規律。Li等[11]建立了縮小比例尺的實驗裝置,對6種不同管道布置形式的截面在不同風量條件下進行試驗得出最佳的管廊布置形式; 劉士李等[12]、Wang等[13]和陳偉等[14]利用ANSYS Fluent對綜合管廊通風系統進行數值模擬,給出地下綜合管廊最優通風方案。徐誠等[15]以某地下綜合管廊工程為例并結合工程實測數據,對風量、風機參數進行分析論證,給出風機的選擇建議。

綜上所述,地下綜合管廊環境安全管控問題是中國地下綜合管廊規劃建設和智慧城市發展中亟待解決的問題,需要有效的監測、運營來實現智能化、精準化的管控。有關地下綜合管廊溫濕度控制與通風控制的研究主要集中通風控制模擬研究,實測方法探究地下綜合管廊環境規律的研究相對較少。現以一廊坊地下綜合管廊單元模塊作為研究對象,采用現場實測方法,重點對管廊內外進行溫濕度以及自然通風條件下進排風風速實測;進一步分析得到管廊運行維護過程中的內部環境狀況以及管廊的換氣次數,為地下綜合管廊的內部環境安全管控策略制定及智慧通風設計提供基礎數據支撐。

1 研究方法

1.1 實測概況

管廊位于河北省廊坊市燕郊鎮華北科技學院校園內,主要有電信、消防、電力,污水管線入廊,地下埋深1.6 m,廊凈高2.2 m,寬2.4 m,配有通風井2座,間隔146.2 m,2#風亭為進風口,1#風亭為排風口,風口內風機為常閉消防排煙風(Q=7 238 m3/h、H=773 Pa、N=2.2 kW),管廊單元參數如圖1所示。

圖1 管廊相關模型圖Fig.1 Pipe gallery related model diagram

1.2 實測方法與儀器

在地下綜合管廊內、管廊外分別布置溫濕度儀,24 h連續監測管廊內外溫濕度的變化。在地下綜合管廊1#、2#通風亭處布置測點(圖2),集中測量各測點的風速,10:30-11:30,17:00-18:00,每5 min記錄一次數據。

圖2 實測儀器布置Fig.2 Arrangement of measuring instruments

實測儀器及參數的選擇如表1所示。

表1 實測儀器及參數Table 1 Measuring instruments and parameters

1.3 數據處理方法

1.3.1 換氣次數

換氣次數是衡量空間稀釋情況好壞,也就是通過稀釋達到的混合程度的重要參數,同時也是估算空間通風量的依據。在《城市綜合管廊工程技術規范》GB50838-2015中,實際運營期間的換氣次數不應小于2 次/h。具體計算方法如下。

(1)管廊區間風量計算。由于管廊內部基本無人員流動,根據實測風亭風速結果,通風井實際通風面積,可以計算出風亭在某時間段的風量,計算公式為

Q=3 600Fν

(1)

式(1)中:Q為管廊某時段風量,m3/s;F為平均風口通風面積m2;ν為測得的風口平均風速,m/s。

(2)管廊換氣次數計算。根據管廊圖紙計算管廊內部體積,結合已計算風量可得出管廊的換氣次數結果,計算公式為

n=Q/V

(2)

式(2)中:n為管廊某時段的換氣次數,次/h;V為管廊的內部體積,m3。

(3)換氣次數簡化計算。本次研究中有尺寸相同的兩個風亭,取平均風口通風面積為0.64 m2;依據管廊圖紙得出管廊內部空間面積為1 075.2 m3;將數值代入式(1)和式(2)中可得最終換氣次數的簡便計算公式為

n=2.14ν

(3)

式(3)中:n為管廊某時段的換氣次數,次/h;ν為測得的風口平均風速,m/s。

1.3.2 皮爾遜相關系數

選用皮爾遜相關系數法求出風速測量時段風速與廊內外溫濕度的相關系數以及顯著水平,皮爾遜相關系數由卡爾·皮爾遜從在19世紀80年代提出,廣泛用于度量兩個變量之間的相關程度,其值介于-1～1[16-17],相關公式為

(4)

2 結果分析

2.1 管廊內外溫濕度變化

溫濕度實測數據可實時監控,本文研究在管廊內布置溫濕度監控儀,取全時段數據進行分析,采取2021年5-10月、2022年10月-2023年2月管廊內溫濕度監控數據(圖3),由相關溫濕度的變化可得出如下規律。

2021年北京地區平均溫度為19 ℃圖3 年溫濕度監控數據Fig.3 Annual temperature and humidity monitoring data

(1)溫度變化:由圖3可知,管廊內溫度規范中所規定的5～40 ℃,與廊外溫度變化相比,管廊內的溫度基本維持穩定,呈現光滑的曲線,其年波動范圍為11.7～23.5 ℃(差值11.8 ℃),廊外溫度年波動范圍為-10.5～36.2 ℃(差值46.7 ℃),廊外溫度每降低5 ℃,廊內溫度最大降低1.3 ℃;由圖4可知廊外溫濕度呈現十分規律的正弦波動關系,廊內溫濕度數據變化不明顯,廊內溫度波動范圍為18.7～19.1 ℃(差值0.4 ℃),廊外溫度年波動范圍為9.8～17.4 ℃(差值7.6 ℃), 廊外溫度每降低5 ℃,廊內溫度最大降低0.3 ℃。

圖4 2022年10月20日24 h溫濕度變化Fig.4 24-hour temperature and humidity change on October 20, 2022

對比分析可知管廊內溫度受日變化溫度影響小,受年平均氣溫影響大[18],并且與外界環境有著密切的關系。廊內溫度分布穩定主要是由于地下綜合管廊壁面與土壤之間的換熱作用,本文研究中,溫濕度檢測儀布置位置距地面距離為3.0 m,地下 管廊壁面與淺表層土壤之間存在熱傳導,相對低溫的壁面與廊內空氣有對流換熱作用[19]。

(2)相對濕度變化:圖3顯示,管廊內外相對濕度的變化比較復雜,管廊內環境相對封閉,如果廊內相對濕度超標,廊內設施會長期處于高濕度的環境中,廊內的濕度超標需要及時發現并處理。根據相關研究[1-3]綜合考慮,將60%～70%界定為臨界濕度,>70%為超標濕度,2021年5月-2021年11月的濕度數據顯示,管廊內最低濕度為61.5%(已達臨界濕度范圍),最高濕度為100%,濕度在60%～70%的占比0.4%,濕度>70%的占比98.2%;2022-2023年數據顯示,管廊內最低濕度為12.3%,最高濕度為79.8%,濕度在60%～70%的占比7.4%,濕度>70%的占比3.2%。根據圖5以及現場工況可知,2021年10月份廊內濕度遠遠超過要求范圍,2022年10月份數據相對良好。

圖5 2021、2022年10月溫濕度變化圖Fig.5 Temperature and humidity changes in October 2021 and 2022

造成管廊內濕度較大的原因主要有:①管廊內排水系統設置不當,相關研究表明,集水坑的設計、潛水泵的布置不滿足要求會營養廊內濕度[20-21],如若出現強降水、施工縫滲水等(圖6)情況,管廊內積水無法及時排走,水蒸發后進入管廊空氣中可導致廊內濕度超標;2021年7月份北京地區的降雨量達到518.7 m3,經過實測后得到2021年10月份廊內積水深度達到了0.5 m,由圖5可知,積水是造成廊內濕度超標的重要因素;②不合理的通風換氣導致室外濕度較大的空氣到灌入管廊內,相對濕度的不斷升高,再加之冷熱空氣的交替,可能會出現過飽和的狀態,最終導致結露現象(圖6)的出現。

圖6 廊內環境問題Fig.6 Environmental problems in the corridor

2.2 相關性分析

通風作為日常的運維措施,對維持管廊內部環境穩定具有非常重要的作用,相比于隧道以及地鐵內成熟的通風管控體系,管廊內通風管控還需要相關的實測研究,進一步完善在滿足其經濟效益下的高效通風方案。

在1#、2#風亭處布置測點,根據實測得出1#風亭為排風口,2#風亭為進風口,在2022年10月15-21日集中進行風亭的風速實測,得出洞口風速數據,兩洞口風速經過對比可以發現管廊進風口風速高于排風口風速(圖7),調查原因為常閉消防排風扇會阻擋空氣流通。

圖7 風亭通風口風速對比圖Fig.7 Comparison of wind speed at the vent of the wind pavilion

將采集處理后的風速數據與管廊內外溫相對濕度數據樣品(圖8)進行相關性分析,得出各元素之間的相關系數,如表2所示。

表2 管廊風速與溫濕度相關系數表(N=390)Table 2 Correlation coefficient table between wind speed and temperature and humidity inpipe corridor(N=390)

各元素相關系數值由表2可知,廊內濕度與廊內溫度呈極顯著正相關(P<0.01);廊內濕度與廊外溫度呈極顯著正相關(P<0.01);廊外濕度與廊內溫度、廊內濕度呈極顯著正相關(P<0.01);風速與廊內溫度、廊外濕度呈極顯著正相關(P<0.01)。

以廊外溫度作為控制變量,與廊內溫度、廊內濕度的相關性系數為0.811和0.801;以廊外濕度為控制變量,與廊內溫度的相關性系數為0.437;以風速作為控制變量,與廊內溫度的相關性系數為0.295。因此,廊外溫度是影響廊內環境的主要因素,廊外濕度次之,風速最小,由此得出結論:廊內環境受外部環境的影響較大,自然通風對于改善廊內溫濕度環境效果有待改善。

3 結果討論

3.1 換氣次數

根據式(3)可求得測量時段(2022年10月15-21日)的換氣次數(圖9),由圖可知本研究時段換氣次數達到2 次/h的占比只有8.3%,可見管廊單元在自然通風下的換氣次數,不滿足規范中所提及的日常工況需要達到2次/h的換氣次數要求,需要合理的通風措施進行改善。

圖9 換氣次數分析Fig.9 Analysis of air exchange times

3.2 對比分析

如表3所示,采用對比分析法,分析了本文研究與山東、江蘇和上海等3個有關地下綜合管廊通風模擬研究文獻在通風工況、溫濕度分布等方面的異同,為下一步地下綜合管廊通風有效性的改進提供了思路。

表3 與其他項目對比Table 3 Compared with other projects

4 結論

以自然通風條件下的地下綜合管廊作為實測對象,對管廊單元內外分別進行溫濕度以及進排風風速實測,對實測數據進行溫濕度變化分析、相關性分析以及通風有效性討論,得出如下結論。

(1)管廊內溫度受日變化溫度影響小,受年平均氣溫影響大。廊外溫度每降低5 ℃,年廊內溫度最大降低1.3 ℃,單日廊內溫度最大降低0.3 ℃;廊內溫度分布穩定主要是由于地下綜合管廊壁面與土壤之間的散熱作用。2021年5-11月的濕度數據顯示,管廊內最低溫度為61.5%(已達臨界濕度范圍),最高濕度為100%,濕度在60%～70%的占比0.4%,濕度>70%的占比98.2%;2022-2023年數據顯示,管廊內最低濕度為12.3%,最高濕度為79.8%,濕度在60%～70%的占比7.4%,濕度>70%的占比3.2%。廊內積水蒸發是管廊濕度升高的主要因素。

(2)廊內濕度與廊內溫度呈極顯著正相關(P<0.01);廊內濕度與廊外溫度呈極顯著正相關(P<0.01);廊外濕度與廊內溫度、廊內濕度呈極顯著正相關(P<0.01);風速與廊內溫度、廊外濕度呈極顯著正相關(P<0.01)。廊外溫度與廊內溫度、廊內濕度的相關性系數分別為0.811和0.801。

(3)本文研究中換氣次數達到2次/h的占比8.3%,自然通風大部分時間不滿足地下綜合管廊正常運營維護的通風要求,地下綜合管廊需要更加合理高效的通風策略,如何加強通風保證其溫濕度達標,是下一步研究重點。