《流体输配管网 第4版》-第10章

第十章隧道与地下空间及超高层竖井通风设计理论与方法湖南大学土木工程学院龚光彩淳良10.1隧道及地下管廊通风计算方法310.1.1概述现代建设涉及隧道及地下管廊，地下管廊作为新兴的地下工程技术已在世界各国的建设中发挥重要中作用隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道、军事隧道等1970年国际经济合作与发展组织召开的隧道会议综合了各种因素，对隧道所下的定义为：“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2平方米的洞室。”4另外还有一类隧道，我们可称其为半地下空间通风隧道，例如广州某镇，地处广园快速路和广深铁路以南，接广深大道（国道G107），是广深高速公路与广深大道连接的交通枢纽，该项目涵盖高速公路改扩建、站场及匝道改造、下沉隧道、上盖空中公园等工程。在隧道通风设计时采用了CFD数值模拟方法，探究了该立交相关区域空气流动属性，分析不同工况下空气流动情况，为相关方案设计提供参考各类隧道的通风设计均需参照相关规范、标准来进行，疑难工程设计则应结合CFD数值模拟、风洞实验结果来进行隧道或地下空间的通风与优化设计。10.1.1概述5地下管廊也是高度综合性的地下空间，管廊内包含了电力、照明、通讯、给水、排水、污水、燃气等诸多专业领域的管路或管线，同时管廊本身还需要合理的通风系统以确保人员的生命与安全、设施安全等，是极其复杂的综合性通道。污水入廊段（四舱）管廊示例污水不入廊段（三舱）管廊示例地下管廊施工涉及支架安装工程、防水套管制作安装施工方案、电气工程、智能化工程、暖通工程、消防系统、排水系统等环节，本书主要介绍暖通通风。10.1.1概述610.1.2地下管廊系统通风设计及基本要求地下管廊暖通工程涉及系统设计，如通风方式、设备选型及通风控制措施等，施工过程亦应遵守相关规定。一般来说系统设计时其通风方式为：综合舱：采用自然进风、机械排风的通风方式，按不超过200m划分为各个通风区间即各个防火分区，每个防火分区设置机械排风、自然进风系统，中部自然进风，两端机械排风。排风风机设置于各防火分区两端，并兼作火灾后排烟。进风口和排风口处的通风竖井上均设置防雨雪百叶窗，布置在地面绿化带内。变压器管理用房如分变电所：采用自然通风方式，通风井布置在地面绿化带内，侧面设置防雨雪百叶窗（夏热冬冷地区，寒冷或严寒等地区应当结合气候特点处理）。变压器室内预留分体空调电源插座。地下管廊系统通风设计7系统设备选型：主要涉及排风设备及相应排烟防火阀等，排风机采用高温排烟离心式屋顶型通风机，满足在280℃时能连续工作0.5小时，排风机入口处设280℃电动排烟防火阀，典型如离心式屋顶排风机等，属消防型风机；自然进风口处设70℃电动防火阀：如电动排烟防火阀（MEEH），典型规格有800×800，平时常开，发生火灾时电信号关闭。火灾气体灭火后，电信号开启。带风量调节，可手动开启关闭，280℃熔断关闭输出反馈信号，关闭相应排烟风机；电动防烟防火阀（MEE），典型规格如1600×1600、500×1000等，平时常开，发生火灾时电信号关闭。火灾气体灭火后，电信号开启。带风量调节，可手动开启关闭，70℃熔断关闭输出反馈信号。10.1.2地下管廊系统通风设计及基本要求8暖通系统施工说明：（1）所有设备必须在到货后核对其基础尺寸，经确认无误后方可安装，否则须请土建工种依设备修改基础并达到设计强度后再进行安装，基础表面必须按设计标高找平抹光。风机安装可参照国标图集K101-1~4《通风机安装》等。（2）风管采用镀锌钢板制作，厚度及加工办法按《通风与空调工程施工及验收规范》的规定确定。直通大气的风管开口处均按安装不锈钢防虫丝网，网孔径尺寸一般宜为10mm×10mm。（3）所有风管必须设置必要的支、吊或托架，其结构形式要保证牢固可靠，可参见国标08K132。防火阀必须单独设支、吊架。防火阀、排烟防火阀及排烟风管法兰之间的垫圈采用防火膨胀圈。（4）通风系统的风阀类部件均采用生产厂家的定型产品，其产品需满足设计及规范的性能要求；防火阀、电动防火阀、电动排烟阀应符合《建筑通风和排烟系统用防火阀门》中的有关规定，满足3C认证的相关要求。（5）风管上的防火阀、排烟防火阀安装前必须检验其灵活性和可靠性，达到关闭严密，动作可靠。安装时应注意阀柄要操作方便，切记影响阀杆和阀柄的运动。所有防火阀、排烟防火阀距防火墙、机房墙、楼板距离不应大于200mm，风管穿过处的缝隙用防火材料封堵。（6）风管及风管法兰间的垫片不应含有石棉及其他有害成分，且应耐油耐潮耐酸碱腐蚀，普通风管法兰垫片的工作温度不小于70℃。（7）风管安装时应注意风管和配件的可拆卸接口不得装在墙和楼板内，风管的纵向闭合缝必须交错布置，且不得在风管底部，风管安装的水平度允许偏差每米不应大于3mm，总偏差不应大于20mm。10.1.2地下管廊系统通风设计及基本要求9地下管廊防护要求一般如下：（1）各防护区必须为独立的区域。（2）防护区的围护结构及门窗的耐火极限不应低于0.5h；吊顶的耐火极限不应低于0.25h；围护结构及门窗的允许压强不宜小于1200pa。（3）防护区的通风系统在喷放药剂前应关闭，并设置防火阀。（4）防护区在无法自然通风的情况下，应设有排风设备，释放灭火药剂后应将其废气排净后人员方可入内进行检修，如需提前进入需带氧气呼吸器。（5）为保证灭火的可靠性，在灭火系统释放灭火药剂前或同时，应保证必要的联动操作，即灭火系统在发出灭火指令时，由控制系统发出联动指令切断电源，关闭或停止一切影响灭火效果的设备，（6）防护区内应配置专用的防毒面具，设置于防火门两侧。10.1.2地下管廊系统通风设计及基本要求1010.1.3隧道及管廊通风计算方法前面介绍了某些隧道及综合管廊的基本特点，关于隧道通风计算，可以查阅相关领域规范及其计算方法，若难以找到适宜方法或者是复杂隧道计算问题，可借助于CFD计算方法提供帮助，如前述广州某上盖式隧道，这里给出采用CFD方法得到的典型截面风速及污染物分布图。设计人员可通过这些结果结合相应规范采取合适的设计方案。1110.1.3隧道及管廊通风计算方法对于通风管廊，这里仅给出其通风量的常用计算方法。综合管廊通风量的确定，可大致分传统热平衡与考虑土壤热库作用两类。1210.1.3隧道及管廊通风计算方法1310.1.3隧道及管廊通风计算方法1410.1.3隧道及管廊通风计算方法对比两种计算方法可以发现，前者是根据热平衡方程进行计算，即考虑电缆及热力管道产生的热量等于进排风的焓差。而后者则主要根据考虑管廊的发热量会被土壤吸收，通风系统带走剩余的由设备产生的热量。在实际工程中，两者的计算结果相差较小。【解】（1）传统热平衡方程（2）考虑土壤“热库”效应：水力直径：

土壤热阻：风速：注意：此处需要对空气的定压比热在27℃条件下进行单位换算：综合管廊通风：两种计算方法误差为：1510.1.3隧道及管廊通风计算方法综上所述，管廊中为排除电缆发热的热量，需要的

通风量。在实际工程中，发热量除这里的电缆发热量外，还有其它热源废热需要排除，需逐一考虑计算；另外，各类气体污染物的排除亦需按卫生标准计算。

10.1超深地下空间及超高层竖井通风空气流动理论与设计计算方法1710.2.1概述超深地下空间计算问题极其复杂，本节通过两个计算案例初步说明超深地下空间及超高层竖井通风理论与设计计算方法。其中，第一个案例的研究目的是为了探索城市环境热力学参数对超深地下空间通风特性及多平台风机系统优化的影响。第二个案例基于超深地下空间的通风理论，提供了一种自然通风与热泵协同治理超高层电梯竖井热害噪音的新方法。18城市北京成都格尔木市哈尔滨昆明广州乌鲁木齐酒泉银川武汉郑州地温梯度(K/100m)3.42.442.733.3752.253.392.0162.842.882.842.41T0(K)283.37290.82287.37285.08290.98298.54287.84280.72283.10298.21295.72表10-1城市地温参数将所研究城市的典型气象年参数取平均值，得到每个月的平均温度和平均压力。将平均结果将作为CFD计算的边界条件和操作条件，可计算城市月平均温度和月平均压力的标准差，并分析环境热力参数的特征。标准差由式(10-5)计算。10.2.1概述19这里给出基本的三维模型方程，通风过程的控制方程包括质量、动量和能量输运方程。三维FVMCFD模型的质量、动量和能量输运方程为式(10-6)~(10-12)。采用标准模型得到湍流动能k和湍流耗散率ε。该求解器为基于密度的隐式求解器，对可压缩流体具有更好的性能。通过网格数量敏感性分析，本节示例中确定三维FVMCFD模型的网格数量为900万。10.2.1概述2010.2.2超深地下空间空气流动分析的CFD方法一维半经验模型的质量、动量和能量输运方程如式(10-13)~(10-14)所示。输运方程中的一些物理量由式(10-15)~(10-19)计算得到。空气与壁面间换热的计算方法如式(10-20)~(10-45)所示。通过网格数量敏感性分析，确定一维有限元CFD模型的网格数量为40.5万个，远远小于三维模型。根据阻力模型的不同，阻力系数的计算方式有所不同，下面列出7种常用主要的阻力系数计算模型。管道类型光滑拉制管玻璃热塑性塑料型钢熟铁钢制无缝焊接沥青铸铁马口铁粗糙度（mm）00.00150.00150.00150.0460.0460.0610.120.15管道类型铸铁木制排气管红铜和黄铜混凝土铆接管

粗糙度（mm）0.260.50.611.54.5

表10-2各管道粗糙度2110.2.2超深地下空间空气流动分析的CFD方法22如果管道中存在弯头、三通等局部损失，可通过下面的方程计算局部阻力损失，局部阻力系数可以查阅表格获取。其中层流换热努塞尔特数和湍流换热努塞尔特数可分别参考这两份资料进行计算。10.2.2超深地下空间空气流动分析的CFD方法23流体物理性质:三维模型和一维半经验模型的物理性质可以表示为与温度或压力有关的一些方程。特别是研究的流体是理想气体。虽然这种方法不能研究空气的组成对通风特性的影响，但它对本节感兴趣的对象已足够准确。具体如下:10.2.2超深地下空间空气流动分析的CFD方法24边界条件三维模型和一维半经验模型的边界条件相同。详情如下:10.2.2超深地下空间空气流动分析的CFD方法2510.2.3一种多平台风机配置优化方法一种多平台风机配置优化方法为了找到能够保证全年通风的风机配置，将计算出的月度最佳风机配置参数依次带入其他月份进行校核。通过该方法可以筛选出满足正常通风条件的风机参数。换句话说，如果满足其他月份出口压力均大于或等于零，则风机配置可满足全年通风要求。2610.2.4风机配置方法与主要建议模型验证图10-14气压(a)、流速(b)、密度(c)、温度(d)与通风路径的关系（分别通过三维模型和一维模型计算）27中国城市环境热力学参数分析图10-15各城市月平均温度(a)、月平均压力(b)图10-16各城市月平均温度(a)、月平均压力(b)的标准差10.2.4风机配置方法与主要建议28图10-17北京通风过程流体压力(a)、流速(b)、密度(c)和温度(d)10.2.4风机配置方法与主要建议29图10-17成都通风过程流体压力(a)、流速(b)、密度(c)和温度(d)10.2.4风机配置方法与主要建议30图10-19不同月份、不同城市的通风阻力(a)和最佳风机扬程(b)图10-20不同城市年通风阻力偏差(a)和相对偏差(b)10.2.4风机配置方法与主要建议31图10-21不同月份、不同城市风机的最佳安装情况（a)为北京、成都、哈尔滨、广州、乌鲁木齐、银川、武汉和郑州的结果(b)格尔木的结果;(c)是昆明的结果;(d)是酒泉的结果10.2.4风机配置方法与主要建议3210.2.4风机配置方法与主要建议检验每个月的参数能否满足全年通风需求1、格尔木可以以8月份最优参数来满足全年通风需求2、昆明可以以5月份的最优参数为基础，通过经一步增加风机扬程满足全年通风需求3、酒泉可以以七月份的最优参数来满足全年通风需求3310.2.4风机配置方法与主要建议为了研究城市深部地下空间通风特性和多平台风机系统的配置优化，应用带重力的可压缩CFD（计算流体动力学）模型，研究了城市环境热力学参数对我国城市深部地下空间全年通风特性的影响。建立了一种将优化算法与CFD方法相结合的多平台风机优化配置新算法，以满足全年通风的要求。1、城市环境热力参数对深部地下空间通风有较大的影响。在所研究的11个中国城市中，夏季通风阻力普遍高于冬季，全年通风阻力相对偏差在6.4%至54%之间，昆明的全年通风阻力相对偏差最小，哈尔滨的全年通风阻力相对偏差最大；2、2000m深度的地下空间通风也可能属于不可压缩流动。通风过程可以被简化为不可压缩流体的城市是广州，其最大相对密度变化仅为5.3％。然而，乌鲁木齐是最不宜被简化为不可压缩流的城市，其相对密度变化在10.83％至12.10％之间；3、优化计算之后发现，大多数城市在深部地下空间具有相同的多平台风机系统的最佳安装位置。少数城市具有特殊的最佳安装位置，如格尔木、昆明、酒泉。利用本文所提出的新算法可以分析和确定满足各城市全年通风需求的风机参数。可为我国城市深部地下空间工程的选址和人工环境营造提供参考，促进城市深部地下空间技术的发展。3410.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法从管网角度，超高层建筑与具有壁面加热或保温的地下空间具有相似性，密度改变，与大气环境存在热压差，从而产生噪音。要抑制这种主要因热压而产生的噪音，本质上是调节竖井或塔楼内空气温度和密度。本节以北京某大厦为例，该大厦位于北京市商务中心核心区，建筑总面积为43.7万m2，建筑高度为528m。该建筑在冬季运行过程中，建筑内筒存在明显的气动噪音，严重影响大楼的正常运行，同时强烈的烟囱效应也造成电梯门常常无法正常的开启和关闭。本节以电梯TA-01和TX-01所在电梯井为例研究调控电梯热压的具体方案，电梯井高度为514m，具体截面尺寸如图3所示。图10-22电梯竖井截面示意图3510.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法与前一部分超深地下空间相似，本节采用CFD方法分析超高层电梯井内的最大热压情况，但湍流模型选取有所不同。所采用的计算流体模型的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、理想气体物性方程。湍流模型为k-SST模型。3610.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法就工程设计与系统运行而言，电梯竖井内的复杂流动回归到通常之伯努利方程是有意义的。对某个超高竖井某个给定时刻（一般可指某个电梯井内与室外大气密度差条件或空气通路上某种密度沿程分布），虽然密度是沿流程变化的，考虑到流速较小，故仍可近似为伯努利方程，可能的最不利管路为：门厅围护结构通路+底层电梯门+顶层电梯门+其余部分空气通道，具体如式(10-59)所示，该方程为热压分配的伯努利方程：ΔP1可以现场实测，即门厅围护结构压差，单位为Pa；ΔP2为底部某最不利楼层（一般可为首层大堂）电梯门两侧压差，单位为Pa；ΔP3为顶部某最不利楼层（一般为最高层）电梯门两侧压差，单位为Pa；ΔP4为剩余部分通路上空气流动阻力损失（主要与围护结构形式及其封闭、隔断、围堵等方式有关，现场测试时与可合并测试或计算），单位为Pa；

ΔP5为环境风压作用；ΔPtotal、ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4、ΔP5均受密度、气温及围护结构流体通路的变化而变化，单位为Pa。3710.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法通过建立电梯门两侧的压差与计算热压之间的映射关系，可以很方便的通过调控计算热压实现对电梯门两侧的压差的调控。图10-23电梯门两侧压差、热压与室外温度的关系图10-23所示为室外温度和计算热压及电梯门两侧压差之间的关系，可以看出计算热压明显高于电梯门两侧的压差。图10-24所示为计算热压与电梯门两侧压差之间的关系，可以看出电梯门两侧的压差和计算热压之间满足二次函数的关系，通过函数拟合可以的到电梯门两侧的压差与计算热压之间的关系。其中，电梯门两侧压差通过实验测量，计算热压通过式(10-59)计算。图10-24电梯门两侧压差与热压映射关系3810.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法通过测量发现电梯噪音和电梯门两侧的压差呈线性关系，如图10-25所示。通过拟合可以得到电梯噪音和电梯门两侧压差之间的关系。通过这些映射关系可以定量分析不同措施对电梯井热压和噪音的改善效果。在未采取措施之前，电梯井内温度为24℃，室外温度为-10℃，计算热压为773Pa，电梯门两侧压差为153.96Pa，电梯井内噪音为73.74dB。3910.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法（1）通过自然通风降低电梯井内热压若将电梯井内上下位置均开孔，使其形成一个自然通风闭环，可以考虑充分利用室外自然通风对电梯井内的空气进行降温。为了研究电梯井不同开孔位置对电梯井内压力的影响，模拟了开孔距离为10、100、200m，开孔面积为1㎡条件下的热压变化情况。由于对电梯井开孔条件下井内温度及压力进行模拟时，需要设置电梯井不同开孔位置，不同开孔孔径大小下流速入口边界条件。因此，首先需要计算不同开孔位置条件下的流速。图10-26侧壁开孔时电梯井内温度分布（开孔距离：10m）图10-27侧壁开孔时电梯井内温度分布（开孔距离：100m）4010.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法（2）利用冷板降低电梯井内热压图10-28所示为中部安装冷板时（冷板长为10m，温度为10℃）电梯井内温度分布。由图可知，在冷板附近区域的空气温度有一定程度降低。此时，可计算热压为768.25Pa，结合建立的映射关系，电梯门（厅门）两侧的压差为153.78Pa，噪音为73.71dB。同时，可计算出此时冷板制冷量为14.9kW。说明安装冷板的方式冷却效果较为有限，且制冷量较低，无法有效降低热压。此外，安装冷板需要通入冷冻水，若冷板发生泄漏，可能对电梯造成严重损害。图10-28中部安装冷板时电梯井内温度分布（冷板长：10m）4110.2.5超高层建筑竖井通风降温设计方法图10-29多联机冷却方案示意图（3）利用多联机冷却降低电梯井内热压多联机安装简单，易于调节，可以很好的满足各种不同情况电梯井冷却降温的需求。拟采用多联机来冷却电梯井内空气，从而减小电梯门两侧压差。图10-29所示为多联机冷却方案示意图，其中电梯井内有3块混凝土横梁，横梁上可以安置多联机室内机用于制冷，该方案相对于安装冷板，施工更加简单方便，且不会产生潜在的电梯运行安全隐患。此外，利用多联机冷却的同时，可以利用多联机冷凝热为室内供暖，承担一部分冬季室内热负荷。图10-30多联机制冷量为20kW时电梯井温度分布图10-31多联机制冷量为50kW