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城市综合管廊通风系统设计

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1 综合管廊通风系统功能 综合管廊内空间属于地下封闭空间,通风条件差。为保证管廊内各种市政管线在适宜的环境中正常运行,保证进入管廊巡视的维护人员在安全卫生的环境中工作,需要对管廊进行通风换气,以排除其内部废气、余热。当管廊内发生火灾时,通风系统应能协助控制火势蔓延。在火灾后,通风系统应能及时排除管廊内积聚的有毒烟气。 综合管廊通风系统的主要功能包括以下几个方面: 1) 保证及时排出管廊内各种管线的余热,控制管廊内的温度最高不超过40 ℃;

1 综合管廊通风系统功能


综合管廊内空间属于地下封闭空间,通风条件差。为保证管廊内各种市政管线在适宜的环境中正常运行,保证进入管廊巡视的维护人员在安全卫生的环境中工作,需要对管廊进行通风换气,以排除其内部废气、余热。当管廊内发生火灾时,通风系统应能协助控制火势蔓延。在火灾后,通风系统应能及时排除管廊内积聚的有毒烟气。


综合管廊通风系统的主要功能包括以下几个方面:

1) 保证及时排出管廊内各种管线的余热,控制管廊内的温度最高不超过40 ℃;

2) 控制燃气舱内天然气浓度在其爆炸下限浓度值(体积分数)的20%以内;

3) 控制污水舱内H2S,CH4气体浓度不超过环境与设备监控系统的设定值;

4) 为检修人员提供适量的新鲜空气,保证氧气体积分数不低于19.5%;

5) 发生事故时能实现密闭灭火,并实现灭火后的强制通风排烟,为后续工程抢修人员提供符合要求的内部空气环境。


2 综合管廊通风设计原则


2.1 通风方式选择

GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》第7.2.1条规定:“综合管廊宜采用自然进风和机械排风相结合的通风方式。天然气管道舱和含有污水管道的舱室应采用机械进、排风的通风方式”。因此,燃气舱、污水舱采用“机械进+机械排”的通风方式,其他舱室可根据工程的具体情况确定通风方式,推荐采用“自然进+机械排”或“机械进+机械排”的通风方式。

2.2 通风区间设置

综合管廊中2个相邻的通风口之间形成1个完整的通风区间。由于综合管廊长度一般在数km左右,作为管廊通风,不可能只划分为1个通风区间。规范中对综合管廊通风区间的长度未作具体要求,但在实际工程中,通风区间的长度主要受限于通风口的位置,而通风口位置又受限于地面风亭的位置,需根据项目情况具体确定。此外,通风区间越长,通风量越大,管廊内的断面风速越大。过大的断面风速不利于巡检人员进入管廊内进行巡视、检修等活动,且随着断面风速的增大,通风系统的阻力也将增大。出于安全、节能的考虑,并保证通风效果,通风区间不宜过长;有条件时通风区间应按防火分区设置;在地面风亭的位置受限严重时,也可以将多个防火分区合并为1个通风区间设置通风系统。

2.3 通风系统组成

综合管廊的每个舱室设置通风区间,每个通风区间设置独立的通风系统。各通风系统包括通风口、风道、风机、防火阀等。


3 各舱室通风量计算


GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》第7.2.2条对综合管廊通风量计算进行了规定。此外,综合管廊通风量计算还需考虑排除管廊内各种管线散发的余热,最终设计风量应按两者中的较大值确定。

综合管廊内的余热量来源主要有:1) 电力电缆的发热量;2) 热力管线(热水管、蒸汽管)的发热量;3) 管廊内的灯具、水泵、风机(只计算送风机)、配电柜等设备的发热量。

在综合管廊中,灯具、水泵、送风机、配电柜等设备发热量一般较小,且一般均为间歇性开启,工程设计时可以忽略。因此,应主要考虑电力电缆、热力管线的发热量。

3.1 电力舱通风量计算

3.1.1 电缆的散热量计算

1条n芯(不包括不载流的中性线和PE线)电缆的热损失功率为1.png

式中  qR为1条电缆的热损失功率,W/m;n为1条电缆的芯数;I为1条电缆的允许持续载流量,A;σ为电缆运行时平均温度为60 ℃时的电缆芯电阻率,对于铝芯电缆为3.3×10-8 Ω·m,对于铜芯电缆为2.0×10-8 Ω·m;A为电缆芯截面积,m2。

综合管廊(电力舱)内N条n芯(不包括不载流的中性线和PE线)电缆的热损失功率为

2.png

式中  Q1为电缆的热损失功率,kW;K0为同时使用系数,可取0.60~0.95,当舱内电缆较多时取下限,舱内电缆较少时取上限;L为电缆长度,m;qRi为第i条电缆的热损失功率,W/m。

由于电流通过电缆的损失基本转换为热量散发到管廊中,电缆的热损失功率可以看作电缆的散热量。需要注意的是,在实际运行时,电缆的允许持续载流量应按照敷设条件、环境温度、排列方式、电缆间距、护层接地方式等因素进行修正,切不可按照电气相关手册的电缆允许载流量作为计算输入条件,有条件时应由电缆的管线设计单位提供电缆的载流量;同时,考虑到电力电缆供电的区域存在双回路供电、不同供电区域的用电高峰出现的时间差异等因素,某个供电回路出现满载的可能性非常低,而电力舱内所有电力电缆同时出现满载的可能性更低,因此必须考虑一定的同时使用系数。

3.1.2 排除余热所需的通风量计算

640.png

式中  G为所需通风量,m3/h;c为空气比热容,取1.01 kJ/(kg·℃);ρ为空气平均密度,kg/m3;tp为排风温度,排热工况取40 ℃,巡视工况取35 ℃;tj为进风温度,℃,按当地夏季室外通风计算干球温度进行取值。

如果考虑舱室内的部分热量通过侧壁和底板(顶板)传递给土壤,通风量可以减少。考虑土壤传热后,每个通风区间排除余热所需的通风量计算公式为

640 (1).png

式中  Q0为舱室通过侧壁和底板(顶板)传递给土壤的热量,kW。

Q0精确的计算方法可参照GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》无恒温要求的防空地下室围护结构的传热量计算方法,本文采用下式简化计算:

640 (2).png

式中  K为管廊侧壁和底板(顶板)向土壤的平均传热系数,W/(m2·K),综合管廊可取0.20 W/(m2·K);F为管廊侧壁和底板(顶板)向土壤的传热面积,m2;Δt为管廊内空气与侧壁(底板)表面平均温差,℃。

通过式(3)计算得到的通风量较大,电缆的散热量全部由通风系统排除;式(4)考虑电力舱侧壁和底板(顶板)向土壤的传热,排除舱内余热的通风量相应减少。

3.1.3 设计通风量的确定

电力舱通风量除了应满足排除舱内余热的通风量要求之外,还需符合规范规定的正常和事故通风换气次数,取二者中较大值作为设计通风量。

3.2 热力舱通风量计算

热力舱(或含有热力管道的舱室)中的热力管道主要包括热水管道、蒸汽管道等。GB  50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》第6.5.3条规定“管道及附件保温结构的表面温度不得超过50 ℃”。该温度低于CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》第11.1.3条规定的60 ℃,在确定热力管道的保温材料厚度时需注意。

3.2.1 热力管道的散热损失计算

热力管道在管廊内一般为架空敷设,管道表面单位面积的散热损失计算公式为

640 (3).png

热力管道的散热损失为640 (4).png

式(6),(7)中  q为热力管道表面单位面积的散热损失,W/m2;to为热力管道的外表面温度,℃;ta为热力管道舱内的环境温度,℃;λ为保温材料在平均使用温度下的导热系数,W/(m·K);D1为热力管道保温层的外径(直径),m;D0为热力管道的外径(直径),m;αs为保温层外表面的表面传热系数,W/(m2·K);L1为热力管道的长度,m;Q2为热力管道的散热损失,kW。

3.2.2 排除余热所需的通风量计算

舱室内余热全部由通风排除,通风量计算公式为

640 (5).png

如果考虑舱室内的部分热量通过舱壁和底板传递给土壤,通风量可以减少,其通风量计算公式为640 (6).png

3.2.3 设计通风量确定

热力舱通风量除了应满足排除舱内余热的通风量要求之外,还需符合规范规定的正常和事故通风换气次数,取二者中较大值作为设计通风量。

3.3 污水舱、燃气舱通风量计算

污水舱、燃气舱的通风量应根据舱室断面尺寸、通风区间长度、规范规定的正常和事故通风换气次数要求确定。


4  通风设备选型


根据各舱室通风量计算结果,进行设备选型,但应注意以下几点:


1) 考虑到电力舱等舱室发生火灾时,密闭灭火时自动关闭风机及阀门、火灾后开启风机及风阀排烟的要求,上述舱室的排风机应采用耐高温排烟风机,排风机入口阀门应采用动作温度为280 ℃的电动排烟防火阀,送风机出口阀门应采用动作温度为70 ℃的电动防火阀。

2) 考虑到燃气舱事故通风工况对风机、风阀的要求,送、排风风机及防火阀等附件均应采用防爆型。

3) 为节省造价,除燃气舱外,各舱室的通风机可以根据排除余热的通风量、正常和事故通风量中的较大值进行选型,实际运行中,正常通风时的换气次数2 h-1可通过控制通风机的运行时间达到设计要求。

4) 燃气舱通风机可选用2台通风机,正常通风时互为备用,单台风机的风量按换气次数6 h-1确定;也可选用1台双速风机,高挡风量按换气次数12 h-1确定,低挡风量满足正常通风换气次数6 h-1要求。


5  通风口布置相邻2个通风区间的通风机房宜集中布置,管廊内的风口、逃生口等集中布置在防火墙两侧,配电间在通风机房的两侧设置;通风口在竖直方向上一般设置在管廊标准段上方的覆土内,在水平位置上应结合风亭位置设置,一般布置在道路一侧的绿化带下方。


风亭百叶的面积应满足通风系统的要求,计算式如下:

640 (7).png

式中  At为风亭百叶的面积,m2;Gm为通过百叶的最大通风量,m3/h;v为百叶风速,m/s,一般取5 m/s;k为百叶的有效面积系数,取0.5。


6  控制与运行策略

6.1 控制策略

综合管廊应设置环境与设备监控系统,并对各舱室内的温度、湿度、含氧量等参数进行检测,燃气舱还要设置燃气泄漏报警器,以便控制通风系统的运行,通风设备控制方式宜采用就地手动、就地自动和远程控制相结合的方式。6.2 运行策略

1) 正常通风工况:采用间歇运行的方式,既满足卫生要求又节能。

2) 巡视检修工况:为了安全考虑,在巡检人员进入综合管廊前,需提前启动通风系统,以保证管廊内温度、湿度、含氧量达到卫生标准。

3) 高温报警工况:当舱室内任一通风区间的空气温度超过设定值(40 ℃)时,温度报警控制器发出报警信号,同时立即联动启动该通风区间的通风设备进行强制换气降温。

4) 事故通风工况:燃气舱内设有可燃气体探测报警系统,且与燃气舱事故通风系统连锁。当舱室内任一通风区间的天然气浓度大于其爆炸下限浓度值(体积分数)的20%时,可燃气体报警控制器发出报警信号,同时立即联动启用事故段分区及其相邻分区的事故通风设备进行强制换气。

5) 有害气体报警工况:含有污水管道的舱室内设有H2S,CH4气体探测报警系统,当舱室内任一通风区间的H2S,CH4浓度超过设定值时,气体报警控制器发出报警信号,同时立即联动启动该通风区间的通风设备进行强制换气。

6) 火灾后通风工况:当舱室内任一防火区段发生火灾时,消防联动控制器立即联动关闭发生火灾的防火区段及其相邻分区的通风设备及电动防火阀,以确保该防火区段的密闭;待确认火灾熄灭并冷却后,重新打开该防火区段的电动防火阀及通风设备,进行火灾后通风,排除火灾后残余的有毒烟气,以便工作人员火灾后进入管廊进行清理工作。


7 工程实例

分析包头市某综合管廊工程全长约12.15 km,取其中某段长度为1.60 km的管廊作分析,其标准段断面见图1,拟容纳的管线包括110 kV高压电缆(8回)、10 kV电力(12回)、信息(22孔)、热力(2×DN700)、给水(DN600)、中水(DN600)、污水(DN1200)、燃气(DN315)等管线,拟布置于道路红线外南侧绿化带中。各舱室通风区间参数见表1。

10-1.png

7.1 通风量计算

7.1.1 计算条件

1) 热水管道运行温度为110 ℃,钢管外径为DN720×8(共2根),保温材料为离心玻璃棉,厚度为140 mm,相关参数为:ta=40 ℃,D0=720 mm,D1=1 000 mm,λ=0.0446 W/(m·K),αs=11.63 W/(m2·K);舱室内夏季的环境温度为35.5 ℃,进风温度取当地夏季室外通风计算干球温度27.4 ℃,排风温度为40 ℃。

2) 10 kV电缆(12回)采用三芯电缆(铜芯),允许持续载流量为350 A,电缆的截面积为300 mm2;110 kV电缆(8回)采用三根单芯电缆呈品字形配置(铜芯),允许持续载流量为420 A,电缆的截面积为630 mm2。

3) 采用简化计算方法、考虑夏季舱室通过舱壁和底板(顶板)传递给土壤的热量时,需要确定与土壤直接接触的舱室侧壁和底板(顶板)的表面平均温度,根据以往工程经验取21.5 ℃,Δt=14 ℃。

7.1.2 计算结果

将上述参数代入式(1)~(9),计算得到单根DN700热水管道的散热损失为19.8 W/m2,综合舱(含热力管道)舱壁和底板传递给土壤的热量为8 512 W,排除余热所需通风量为9003 m3/h,校核换气次数要求,可得到设计通风量为33 744 m3/h。

对于电力舱,按电缆的允许持续载流量计算,则10 kV三芯电缆单位长度的热损失功率为24.5 W/m,110 kV单芯电缆单位长度的热损失功率为5.6 W/m,同时使用系数取0.70,电力舱单个通风区间内的电缆总发热量为119.95 kW,通过舱壁和底板传递给土壤的热量为5.82 kW。各舱室的通风量计算结果见表2。

10-2.jpg

7.2 设备选型

该工程采用机械进风+机械排风的通风方式,各舱室通风机选型见表3。

10-3.jpg

7.3 风亭百叶面积计算

表4中列出了各舱室单个通风区间的风亭最小百叶面积,当多个通风区间的风亭百叶合并设置时,风亭最小百叶面积需相应累加。

7-3.png

7.4 通风口剖面

以综合舱、电力舱为例,通风口剖面图如图2所示。

7-4.png


8  结论

1) 结合工程实例,探讨了城市综合管廊通风系统功能、设计原则、各舱室的通风量计算方法及通风系统的控制与运行策略。

2) 总结了各舱室内不同管线的散热量计算公式,并考虑了舱室通过侧壁和底板(顶板)向土壤的传热过程,探讨了各舱室内需要排除的余热量的计算方法。

3) 考虑到实际运行时,多根电缆的最大发热量不可能同时出现,提出利用同时使用系数对舱室内电缆总散热量进行修正。

文章来源:《暖通空调》

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