通風(fēng)形式對(duì)綜合管廊內(nèi)空氣溫度影響的研究

邱 灝 鄧志輝 袁艷平 曹曉玲

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通風(fēng)形式對(duì)綜合管廊內(nèi)空氣溫度影響的研究

邱 灝 鄧志輝 袁艷平 曹曉玲

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

為了對(duì)比綜合管廊常用的三種機(jī)械通風(fēng)形式通風(fēng)效果的差異，對(duì)三種通風(fēng)口布置形式在不同換氣次數(shù)下管廊內(nèi)的空氣溫度分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出了管廊內(nèi)空氣溫度分布特性，并對(duì)不同通風(fēng)口布置形式的通風(fēng)效果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：在高換氣次數(shù)時(shí)，一進(jìn)一排形式的排熱效率優(yōu)于其他兩種形式，空氣溫度均勻性也較好；而在低換氣次數(shù)時(shí)，則與其他兩種形式相差不大。

綜合管廊；通風(fēng)形式；數(shù)值模擬；溫度分布

0 引言

綜合管廊是用于容納電力、通信、給水等市政工程管線(xiàn)的城市地下構(gòu)筑物，具有節(jié)約地上資源、便于檢修養(yǎng)護(hù)等特點(diǎn)[1]。由于綜合管廊內(nèi)空氣流動(dòng)性較差，且電力電纜、熱力管道等會(huì)在運(yùn)營(yíng)時(shí)散發(fā)大量熱量，工作人員的日常檢修和微生物的活動(dòng)也會(huì)造成管廊內(nèi)氧氣含量的降低。因此，綜合管廊需要設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)以有效排出管廊內(nèi)的余熱，并為工作人員在檢修時(shí)提供適量的新鮮空氣[2]。

綜合管廊的通風(fēng)形式在實(shí)際中應(yīng)用較廣的是自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的機(jī)械通風(fēng)形式[3,4]，且可按通風(fēng)口布置進(jìn)一步分為：一端進(jìn)風(fēng)，一端排風(fēng)；中間進(jìn)風(fēng)，兩端排風(fēng)；兩端進(jìn)風(fēng)，中間排風(fēng)三種[5]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)上述三種綜合管廊通風(fēng)形式的比較選擇多出于理論層次上的定性描述，缺乏系統(tǒng)的分析比較。因此，本文將通過(guò)Fluent軟件模擬的方法對(duì)比分析不同形式下的通風(fēng)效果，并基于模擬結(jié)果作出對(duì)比分析。

1 數(shù)理模型及求解方法

1.1 物理模型

為了綜合考慮各因素的影響，本文在總結(jié)了24個(gè)既有綜合管廊工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，在所用模型中納入了10kV、110kV電纜各12孔（均選用導(dǎo)體斷面為630mm2的交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜）、通信電纜18孔、DN300給水管道和DN400污水管道，區(qū)間長(zhǎng)度為200m，并依據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838—2015等規(guī)范中相關(guān)條款的規(guī)定對(duì)管線(xiàn)布置方式、間距等進(jìn)行了配置，如圖1所示。

圖1 納入管線(xiàn)及布置示意圖

本文將三種模型按通風(fēng)口布置形式命名為一進(jìn)一排、一進(jìn)兩排和兩進(jìn)一排，模型尺寸均為200m×2.3m×2.6m（長(zhǎng)×寬×高），使用Gambit軟件進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分。為了減少網(wǎng)格數(shù)量以加快計(jì)算速度，并沒(méi)有畫(huà)出管廊圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電纜、管道的實(shí)體，而是通過(guò)在邊界面上給定相應(yīng)邊界條件、材料物性和厚度的方法考慮其影響[6]。

本文采用Fluent 15.0軟件進(jìn)行計(jì)算。以西安市夏季室外氣象參數(shù)作為計(jì)算參數(shù)，空氣假設(shè)為理想氣體，環(huán)境溫度為304K，環(huán)境壓力為一個(gè)大氣壓，湍流模型選取為k-epsilon模型。進(jìn)風(fēng)口采用Pressure-inlet邊界條件；排風(fēng)口采用Exhaust-fan邊界條件，排風(fēng)量依據(jù)不同換氣次數(shù)給出；10kV和110kV電纜設(shè)置為恒熱流邊界條件，熱流量依據(jù)IEC 60287中相關(guān)公式計(jì)算得出，分別為63.107W/m2和121.438W/m2；壁面設(shè)置為恒壁溫邊界條件，壁面溫度為290K，材料設(shè)置為鋼筋混凝土并給定0.3m壁厚；給水管和污水管同樣設(shè)置為恒壁溫邊界條件，壁面溫度為293K；通信電纜和模型兩端設(shè)置為絕熱邊界條件[7-9]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體所遵循的基本守恒定律包括：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：為流體密度；為時(shí)間；i為速度V在i方向的分量。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中：為靜壓；g為方向上的重力體積力；為動(dòng)力粘度。

（3）能量守恒方程

式中：c為比熱容；為溫度；為流體的傳熱系數(shù)；S為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，簡(jiǎn)稱(chēng)為粘性耗散項(xiàng)。

2 模擬結(jié)果及分析

本文模擬了3種不同通風(fēng)口布置形式在每小時(shí)換氣次數(shù)分別為2、4、6、8、10、12次時(shí)的溫度分布。

2.1 綜合管廊內(nèi)空氣溫度分布特性

下面以一進(jìn)一排的通風(fēng)口布置形式在換氣次數(shù)為12次/h的工況下為例，對(duì)綜合管廊內(nèi)空氣的溫度分布特性進(jìn)行分析。

（1）縱向空氣溫度分布

圖2為管廊縱向中心面（即=1.15）的空氣溫度分布云圖。從圖中可以看出，沿Z軸負(fù)向管廊內(nèi)空氣溫度逐漸升高，管廊上部空氣溫度高于下部。一方面，外界溫度較低的空氣進(jìn)入管廊后與各表面發(fā)生對(duì)流換熱，同時(shí)在排風(fēng)機(jī)的作用下沿Z軸負(fù)向遷移。由于電纜沿著Z軸方向均勻散熱，低溫空氣在行進(jìn)過(guò)程中溫度逐漸升高，換熱能力也逐漸降低。另一方面，同一橫向截面由于空氣溫差導(dǎo)致密度差，因而產(chǎn)生浮升力。在浮升力的作用下，管廊內(nèi)空氣在豎直方向發(fā)生了熱空氣上浮而冷空氣下沉的二次遷移。在上述兩方面的綜合作用下，管廊內(nèi)便形成了如圖所示的溫度分布。其他兩種形式下管廊內(nèi)空氣溫度則呈對(duì)稱(chēng)分布，限于篇幅，不再贅述。

圖2 一進(jìn)一排縱向中心面空氣溫度分布云圖

（2）橫向空氣溫度分布

圖3為管廊橫向截面的空氣溫度分布云圖，截面依次選取為從進(jìn)風(fēng)口至排風(fēng)口之間5%、35%、65%和95%處?？梢钥闯?，外界空氣進(jìn)入管廊后與左側(cè)電力電纜進(jìn)行熱交換，出現(xiàn)了左側(cè)空氣溫度高于右側(cè)的情況。另外，由于慣性作用，進(jìn)風(fēng)口附近上部區(qū)域空氣縱向流速低于下部區(qū)域，所以上層電力電纜附近空氣與之換熱更加充分，因而在上層電力電纜附近出現(xiàn)了空氣溫度較高的區(qū)域（如圖a所示）?？諝庠诠芾葍?nèi)縱向遷移的過(guò)程中持續(xù)與電力電纜進(jìn)行熱交換，空氣溫度逐漸升高，熱空氣在密度差的作用下聚集在管廊上部空間，并發(fā)生明顯的溫度分層現(xiàn)象（如圖b、c、d所示）。同時(shí)，也可以注意到高溫區(qū)域始終出現(xiàn)在上層電力電纜附近的頂部空間，這是由于下層電力電纜附近被加熱的空氣在縱向流動(dòng)的過(guò)程中也在垂直向上遷移并進(jìn)一步與上層電力電纜進(jìn)行熱交換，最后聚集在上層電力電纜附近的頂部空間。

2.2 不同通風(fēng)口布置形式通風(fēng)效果對(duì)比

（1）排熱效率

不同的氣流組織形式，即使在排熱能力相近或相同的情況下，消耗的能源也存在著差異。通常用排熱效率來(lái)考察氣流組織形式的能量利用有效 性[4,5]，可用式（4）定義：

圖4給出了三種機(jī)械通風(fēng)形式下在不同換氣次數(shù)下的排熱效率?？梢钥闯?，一進(jìn)一排形式下的排熱效率明顯高于其他兩種形式。在換氣次數(shù)較高時(shí)，各形式的排熱效率隨換氣次數(shù)的變化較??；而在換氣次數(shù)較低時(shí)，各形式的排熱效率均隨換氣次數(shù)的減小而降低，尤以一進(jìn)一排形式較為明顯。

圖4 排熱效率隨換氣次數(shù)的變化

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)排除熱負(fù)荷

圖6 空氣平均溫度隨換氣次數(shù)的變化

圖7 排風(fēng)平均溫度隨換氣次數(shù)的變化

圖8 空氣平均流速隨換氣次數(shù)的變化

（2）空氣溫度分布均勻性

雖然管廊內(nèi)氣流組織形式較為單一，但仍希望管廊內(nèi)空氣溫度分布具有一定的均勻性，盡量避免以高溫區(qū)域空氣溫度作為管廊通風(fēng)量的判定指標(biāo)時(shí)，出現(xiàn)通風(fēng)量較大而導(dǎo)致某些區(qū)域溫度較低，造成通風(fēng)能耗浪費(fèi)的情況。

為了考察管廊內(nèi)空氣溫度分布的均勻性，將三種模型沿Z軸方向每隔5m截取一個(gè)截面，共38個(gè)。以各換氣次數(shù)下38個(gè)截面的空氣平均溫度與管廊內(nèi)空氣平均溫度方差的平均值作為管廊內(nèi)空氣溫度分布均勻性的判定指標(biāo)，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯趽Q氣次數(shù)較高時(shí)，一進(jìn)一排形式的空氣溫度分布均勻性較好，但隨著換氣次數(shù)的降低，空氣溫度分布均勻性逐漸變差。這是由于該形式下通風(fēng)區(qū)間較長(zhǎng)，在通風(fēng)量較小的情況下無(wú)法及時(shí)排除高溫空氣導(dǎo)致其聚集在通風(fēng)區(qū)間后半段而造成的。但在換氣次數(shù)為2次/小時(shí)的情況下，由于管廊內(nèi)空氣溫度整體較高，空氣溫度分布均勻性有所提升。而其他兩種形式則在低換氣次數(shù)時(shí)表現(xiàn)出了較好的空氣溫度分布均勻性，尤以?xún)蛇M(jìn)一排形式更為明顯。

圖9 截面空氣平均溫度與管廊空氣平均溫度方差平均值

2.3 管廊機(jī)械通風(fēng)形式評(píng)價(jià)

從上述的模擬結(jié)果可以看出，一進(jìn)一排的機(jī)械通風(fēng)形式在排熱效率和空氣溫度分布均勻性?xún)煞矫孑^其他兩種通風(fēng)形式具有較好的表現(xiàn)。此外，實(shí)際工程中往往希望通風(fēng)口在滿(mǎn)足通風(fēng)功能需求的前提下減小對(duì)地上道路、景觀(guān)及行車(chē)視野的影響，相對(duì)而言，包含更少通風(fēng)口數(shù)量的通風(fēng)形式更具優(yōu)勢(shì)。

2.4 管廊換氣次數(shù)的合理選擇

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了管廊內(nèi)空氣溫度應(yīng)盡量控制在40℃以下，并給出了換氣次數(shù)的下限值2次/h。在夏季室外空氣溫度較高、管廊內(nèi)電力電纜等散熱源較多的情況下，2次/h的換氣次數(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，應(yīng)保證較高的換氣次數(shù)并盡量采用一進(jìn)一排的通風(fēng)口布置形式以更加有效地降低管廊內(nèi)的空氣溫度。以本文所選管廊模型為例，換氣次數(shù)宜保持在10～12次/h才能保證管廊內(nèi)空氣溫度在合理的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同通風(fēng)口布置形式下綜合管廊內(nèi)空氣的溫度分布特性的數(shù)值研究，可得出以下結(jié)論：

（1）自進(jìn)風(fēng)口至排風(fēng)口方向，管廊內(nèi)空氣溫度逐漸升高，管廊上部空氣溫度高于下部；

（2）在高換氣次數(shù)時(shí)，一進(jìn)一排形式下排熱效率均高其他兩種形式，而在低換氣次數(shù)時(shí)與其他兩種形式相差不大；

（3）在高換氣次數(shù)時(shí)，一進(jìn)一排形式下管廊內(nèi)空氣溫度的均勻程度要優(yōu)于其他兩種形式，而在低換氣次數(shù)時(shí)要次于其他兩種形式；

（4）在室外空氣溫度較高且管廊內(nèi)電力電纜等散熱源較多的情況下，應(yīng)盡量選取一進(jìn)一排的通風(fēng)口布置形式，并采用較高的換氣次數(shù)。

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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

建筑環(huán)境與能源高效利用四川青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015TD0015）

邱 灝（1989-），男，在讀碩士研究生，E-mail：aaron_usual@163.com

鄧志輝（1962-），男，碩士，副教授，E-mail：dzhwkl007@163.com

2018-03-15