通风形式对综合管廊内空气温度影响的研究

邱 灏 邓志辉 袁艳平 曹晓玲



通风形式对综合管廊内空气温度影响的研究

邱 灏 邓志辉 袁艳平 曹晓玲

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

为了对比综合管廊常用的三种机械通风形式通风效果的差异，对三种通风口布置形式在不同换气次数下管廊内的空气温度分布情况进行了数值模拟。得出了管廊内空气温度分布特性，并对不同通风口布置形式的通风效果进行了对比分析。结果表明：在高换气次数时，一进一排形式的排热效率优于其他两种形式，空气温度均匀性也较好；而在低换气次数时，则与其他两种形式相差不大。

综合管廊；通风形式；数值模拟；温度分布

0 引言

综合管廊是用于容纳电力、通信、给水等市政工程管线的城市地下构筑物，具有节约地上资源、便于检修养护等特点[1]。由于综合管廊内空气流动性较差，且电力电缆、热力管道等会在运营时散发大量热量，工作人员的日常检修和微生物的活动也会造成管廊内氧气含量的降低。因此，综合管廊需要设置通风系统以有效排出管廊内的余热，并为工作人员在检修时提供适量的新鲜空气[2]。

综合管廊的通风形式在实际中应用较广的是自然进风、机械排风相结合的机械通风形式[3,4]，且可按通风口布置进一步分为：一端进风，一端排风；中间进风，两端排风；两端进风，中间排风三种[5]。在工程实际应用中，对上述三种综合管廊通风形式的比较选择多出于理论层次上的定性描述，缺乏系统的分析比较。因此，本文将通过Fluent软件模拟的方法对比分析不同形式下的通风效果，并基于模拟结果作出对比分析。

1 数理模型及求解方法

1.1 物理模型

为了综合考虑各因素的影响，本文在总结了24个既有综合管廊工程项目的基础上，在所用模型中纳入了10kV、110kV电缆各12孔（均选用导体断面为630mm2的交联聚乙烯铜芯电缆）、通信电缆18孔、DN300给水管道和DN400污水管道，区间长度为200m，并依据《城市综合管廊工程技术规范》GB50838—2015等规范中相关条款的规定对管线布置方式、间距等进行了配置，如图1所示。

图1 纳入管线及布置示意图

本文将三种模型按通风口布置形式命名为一进一排、一进两排和两进一排，模型尺寸均为200m×2.3m×2.6m（长×宽×高），使用Gambit软件进行三维建模和网格划分。为了减少网格数量以加快计算速度，并没有画出管廊围护结构和内部电缆、管道的实体，而是通过在边界面上给定相应边界条件、材料物性和厚度的方法考虑其影响[6]。

本文采用Fluent 15.0软件进行计算。以西安市夏季室外气象参数作为计算参数，空气假设为理想气体，环境温度为304K，环境压力为一个大气压，湍流模型选取为k-epsilon模型。进风口采用Pressure-inlet边界条件；排风口采用Exhaust-fan边界条件，排风量依据不同换气次数给出；10kV和110kV电缆设置为恒热流边界条件，热流量依据IEC 60287中相关公式计算得出，分别为63.107W/m2和121.438W/m2；壁面设置为恒壁温边界条件，壁面温度为290K，材料设置为钢筋混凝土并给定0.3m壁厚；给水管和污水管同样设置为恒壁温边界条件，壁面温度为293K；通信电缆和模型两端设置为绝热边界条件[7-9]。

1.2 数学模型

流体所遵循的基本守恒定律包括：

（1）质量守恒方程

式中：为流体密度；为时间；i为速度V在i方向的分量。

（2）动量守恒方程

式中：为静压；g为方向上的重力体积力；为动力粘度。

（3）能量守恒方程

式中：c为比热容；为温度；为流体的传热系数；S为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，简称为粘性耗散项。

2 模拟结果及分析

本文模拟了3种不同通风口布置形式在每小时换气次数分别为2、4、6、8、10、12次时的温度分布。

2.1 综合管廊内空气温度分布特性

下面以一进一排的通风口布置形式在换气次数为12次/h的工况下为例，对综合管廊内空气的温度分布特性进行分析。

（1）纵向空气温度分布

图2为管廊纵向中心面（即=1.15）的空气温度分布云图。从图中可以看出，沿Z轴负向管廊内空气温度逐渐升高，管廊上部空气温度高于下部。一方面，外界温度较低的空气进入管廊后与各表面发生对流换热，同时在排风机的作用下沿Z轴负向迁移。由于电缆沿着Z轴方向均匀散热，低温空气在行进过程中温度逐渐升高，换热能力也逐渐降低。另一方面，同一横向截面由于空气温差导致密度差，因而产生浮升力。在浮升力的作用下，管廊内空气在竖直方向发生了热空气上浮而冷空气下沉的二次迁移。在上述两方面的综合作用下，管廊内便形成了如图所示的温度分布。其他两种形式下管廊内空气温度则呈对称分布，限于篇幅，不再赘述。

图2 一进一排纵向中心面空气温度分布云图

（2）横向空气温度分布

图3为管廊横向截面的空气温度分布云图，截面依次选取为从进风口至排风口之间5%、35%、65%和95%处。可以看出，外界空气进入管廊后与左侧电力电缆进行热交换，出现了左侧空气温度高于右侧的情况。另外，由于惯性作用，进风口附近上部区域空气纵向流速低于下部区域，所以上层电力电缆附近空气与之换热更加充分，因而在上层电力电缆附近出现了空气温度较高的区域（如图a所示）。空气在管廊内纵向迁移的过程中持续与电力电缆进行热交换，空气温度逐渐升高，热空气在密度差的作用下聚集在管廊上部空间，并发生明显的温度分层现象（如图b、c、d所示）。同时，也可以注意到高温区域始终出现在上层电力电缆附近的顶部空间，这是由于下层电力电缆附近被加热的空气在纵向流动的过程中也在垂直向上迁移并进一步与上层电力电缆进行热交换，最后聚集在上层电力电缆附近的顶部空间。

2.2 不同通风口布置形式通风效果对比

（1）排热效率

不同的气流组织形式，即使在排热能力相近或相同的情况下，消耗的能源也存在着差异。通常用排热效率来考察气流组织形式的能量利用有效 性[4,5]，可用式（4）定义：

图4给出了三种机械通风形式下在不同换气次数下的排热效率。可以看出，一进一排形式下的排热效率明显高于其他两种形式。在换气次数较高时，各形式的排热效率随换气次数的变化较小；而在换气次数较低时，各形式的排热效率均随换气次数的减小而降低，尤以一进一排形式较为明显。

图4 排热效率随换气次数的变化

图5 围护结构排除热负荷

图6 空气平均温度随换气次数的变化

图7 排风平均温度随换气次数的变化

图8 空气平均流速随换气次数的变化

（2）空气温度分布均匀性

虽然管廊内气流组织形式较为单一，但仍希望管廊内空气温度分布具有一定的均匀性，尽量避免以高温区域空气温度作为管廊通风量的判定指标时，出现通风量较大而导致某些区域温度较低，造成通风能耗浪费的情况。

为了考察管廊内空气温度分布的均匀性，将三种模型沿Z轴方向每隔5m截取一个截面，共38个。以各换气次数下38个截面的空气平均温度与管廊内空气平均温度方差的平均值作为管廊内空气温度分布均匀性的判定指标，结果如图9所示。可以看出，在换气次数较高时，一进一排形式的空气温度分布均匀性较好，但随着换气次数的降低，空气温度分布均匀性逐渐变差。这是由于该形式下通风区间较长，在通风量较小的情况下无法及时排除高温空气导致其聚集在通风区间后半段而造成的。但在换气次数为2次/小时的情况下，由于管廊内空气温度整体较高，空气温度分布均匀性有所提升。而其他两种形式则在低换气次数时表现出了较好的空气温度分布均匀性，尤以两进一排形式更为明显。

图9 截面空气平均温度与管廊空气平均温度方差平均值

2.3 管廊机械通风形式评价

从上述的模拟结果可以看出，一进一排的机械通风形式在排热效率和空气温度分布均匀性两方面较其他两种通风形式具有较好的表现。此外，实际工程中往往希望通风口在满足通风功能需求的前提下减小对地上道路、景观及行车视野的影响，相对而言，包含更少通风口数量的通风形式更具优势。

2.4 管廊换气次数的合理选择

《城市综合管廊工程技术规范》规定了管廊内空气温度应尽量控制在40℃以下，并给出了换气次数的下限值2次/h。在夏季室外空气温度较高、管廊内电力电缆等散热源较多的情况下，2次/h的换气次数已经无法满足要求，应保证较高的换气次数并尽量采用一进一排的通风口布置形式以更加有效地降低管廊内的空气温度。以本文所选管廊模型为例，换气次数宜保持在10～12次/h才能保证管廊内空气温度在合理的范围内。

3 结论

通过对不同通风口布置形式下综合管廊内空气的温度分布特性的数值研究，可得出以下结论：

（1）自进风口至排风口方向，管廊内空气温度逐渐升高，管廊上部空气温度高于下部；

（2）在高换气次数时，一进一排形式下排热效率均高其他两种形式，而在低换气次数时与其他两种形式相差不大；

（3）在高换气次数时，一进一排形式下管廊内空气温度的均匀程度要优于其他两种形式，而在低换气次数时要次于其他两种形式；

（4）在室外空气温度较高且管廊内电力电缆等散热源较多的情况下，应尽量选取一进一排的通风口布置形式，并采用较高的换气次数。

[1] 于浩.城市综合管廊工程通风系统设计浅析[J].科技创新导报,2016,(36):50-51.

[2] 陈虹.共同沟的通风设计[J].发电与空调,2003,22(3): 11-12.

[3] 蔡昊.城市综合管廊通风系统设计刍议[J].山西建筑, 2016,42(15):116-117.

[4] 窦荣舟.谈地下城市综合管廊的通风设计[J].山西建筑,2016,42(15):126-127.

[5] 张锴生.小窑湾国际商务区综合管廊工程设计分析[D].大连:大连理工大学,2014.

[6] Ji-Oh Yoo. A numerical study of the effects of the ventilation velocity on the thermal characteristics in underground utility tunnel[J]. Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 2017,19(1):29-39.

[7] 马国栋.电线电缆载流量（第二版）[M].北京:中国电力出版社,2013.

[8] 杨智国.西安地铁沿线地层地温夏季分布规律观测研究[J].西安科技大学学报,2012,32(5):610-616.

[9] 黄景锐.西安市浅层地温场分布特征及其变化分析[D].西安:长安大学,2013.

[10] 马国栋.电线电缆载流量（第二版）[M].北京:中国电力出版社,2013.

[11] 戴锅生.传热学（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2010.

Study on the Influence of Ventilation Form on Air Temperature in Utility Tunnels

Qiu Hao Deng Zhihui Yuan Yanping Cao Xiaoling

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In order to compare the ventilation effect of the three kinds of mechanical ventilation forms commonly used in utility tunnels, the air temperature distribution in utility tunnels under different ventilation times was numerically simulated. The air temperature distribution characteristics of utility tunnels are obtained, and the ventilation effect of different vent arrangements is compared and analyzed. The results show that exhaust heat efficiency is higher than that of the other two forms when the ventilation rate is high, and the air temperature uniformity is also good. In the low ventilation rate, there is little difference from the other two forms.

utility tunnels; ventilation form; numerical simulation; temperature distribution

1671-6612（2018）06-668-05

TK124

A

建筑环境与能源高效利用四川青年科技创新研究团队项目（2015TD0015）

邱 灏（1989-），男，在读硕士研究生，E-mail：aaron_usual@163.com

邓志辉（1962-），男，硕士，副教授，E-mail：dzhwkl007@163.com

2018-03-15