綜合管廊電纜艙室通風(fēng)形式數(shù)值模擬研究

白思卓 樊越勝 王歡 李哲然 張鑫

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備與科學(xué)工程學(xué)院

0 引言

城市綜合管廊被稱為共同溝或共同管道，它是城市賴以正常運行的生命線，能夠提高土地使用率，在有限地下空間內(nèi)實現(xiàn)更多功能。與普通溝渠相比，能有效解決“馬路拉鏈”和“空中蜘蛛網(wǎng)”等問題[1-3]。

Jorge Curiel-Esparza等人[4]對各艙室內(nèi)潛在危害因素分析，指出各管線散發(fā)的熱量和水汽使內(nèi)部溫濕度增加，同時會滋生細(xì)菌、微生物等有害物質(zhì)。因此需設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，及時排除溝內(nèi)余熱余濕和有害氣體。劉加州[5]指出，電纜艙室內(nèi)一般采用機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)量采用換氣次數(shù)法估算會造成艙室斷面平均風(fēng)速過低，不利于艙室空氣的流動。董驥等[6]模擬電纜艙室機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)的通風(fēng)形式，指出沿徑向空氣流動性較差，斷面溫度低，但電纜側(cè)壁溫度較高。上述研究多針對機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，然而針對電纜艙室誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的研究，卻鮮有報道。

因此，本文通過數(shù)值模擬的方法，對電纜艙室內(nèi)機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)和誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)流場特性進(jìn)行比較，為綜合管廊電纜艙室通風(fēng)設(shè)計提供理論參考。

1 理論計算

取青島某綜合管廊電纜艙室的一個通風(fēng)分區(qū)作為研究對象，如圖1所示區(qū)間長度為200 m，截面積為7.8 m2的矩形斷面，內(nèi)有18根110 kV電纜載流量為600 A、截面尺寸800 mm2的電纜。16根10 kV電纜載流量為315A、截面尺寸90 mm2的電纜，上下排電纜間距0.5 m。

圖1 電纜艙室斷面圖

1.1 電纜發(fā)熱量的計算

彭金龍等[7]提出電纜發(fā)熱量采用有內(nèi)熱源多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式計算的不合理性，由于電纜導(dǎo)體溫度很少能到達(dá)90 ℃，將電纜導(dǎo)體溫度設(shè)定為電纜允許長期最高工作溫度與實際情況不符。因此采用規(guī)范[8]中提到的如下方法計算：

1條n芯（不包括不載流的中性線和PE線）電纜散熱量為：

隧道內(nèi)N條n芯（不包括不載流的中性線和PE線）電纜散熱量為：

式中：Pn為電纜熱損失功率，W；n為電纜芯數(shù)；I為電纜載電流，A；σL為電纜運行時平均溫度為60 ℃時的電纜芯電阻率；L為電纜長度，m；A為電纜芯截面，m2；K為電流參差系數(shù)，取0.9。

通過上述計算可得10 kV電纜每米發(fā)熱量為17.76 W，110 kV電纜每米發(fā)熱量為22.95 W，艙室內(nèi)電纜總發(fā)熱量為84.36 kW。

1.2 通風(fēng)量的計算

1）按規(guī)范[9]所給出通風(fēng)量計算公式，考慮電纜艙室與土壤換熱加以修正得到所需風(fēng)量：

式中：Φ1為艙板與土壤的換熱量，W；Φ 為電纜散熱量，W；tp為出風(fēng)溫度，℃；tj為進(jìn)風(fēng)溫度，℃。

式中：K為管廊側(cè)壁與土壤側(cè)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]取0.27W/(m2·K)；A為管廊側(cè)壁向土壤的傳熱面積，m2；tn為艙室內(nèi)平均溫度，℃，取33.5 ℃；td為艙室外土壤平均溫度，℃，取青島夏季6 m深土壤的溫度為13.4 ℃。

2）按規(guī)范[1]正常通風(fēng)通風(fēng)換氣次數(shù)2次/h，計算可得該艙室通風(fēng)量為52 m3/min。

在計算通風(fēng)量時也應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)仉娏Σ块T提供的資料作為參考。通過計算可知該電纜艙通風(fēng)量為336 m3/min。

2 電纜艙數(shù)值模型

2.1 物理模型的簡化和網(wǎng)格的劃分

電纜艙模型簡化為長200 m，高3 m，寬2.6 m的長方體。10 kV和110 kV電纜線簡化為直徑為100 mm和320 mm的圓柱體，進(jìn)排風(fēng)口尺寸均為1.5 m×1.2 m，分別設(shè)置在模型的頂部兩端。

本文采用Gambit進(jìn)行模型建立和網(wǎng)格劃分，圖2、3分別為機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)和誘導(dǎo)通風(fēng)模型網(wǎng)格斷面圖。

圖2 模型1

圖3 模型2

選用FYA-3型號射流風(fēng)機(jī)，數(shù)量確定參照地下車庫誘導(dǎo)通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)選取方式，每隔20 m放置一臺，共9臺，實現(xiàn)氣流的接力效果。

參數(shù)如表1所示，箱體尺寸為600 mm×500 mm×250 mm，噴嘴設(shè)定為直徑140 mm高200 mm的圓柱，設(shè)置在艙室內(nèi)中間位置，距地面高2.78 m。

表1 YDF-3無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表

為了便于模擬分析，忽略次要因素的影響，對電纜艙室模型進(jìn)行合理簡化：

1）在正常工作狀態(tài)下，艙室內(nèi)部的氣體為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動。

2）管廊內(nèi)部表面絕熱，進(jìn)出口表面和電纜表面外，其余壁面不與外界發(fā)生熱交換。

3）電纜艙發(fā)熱量和通風(fēng)散熱量達(dá)到平衡時，艙室內(nèi)的溫度分布不隨時間變化。

4）艙室內(nèi)的電纜支架相對較小，假設(shè)忽略電纜支架的影響。

2.2 邊界條件和模擬工況的確定

艙室內(nèi)氣流流動的控制方程為定常流不可壓N-S方程，模型選用realiazble k-ε 雙方程湍流模型，采用SIMPLEC算法。壁面條件主要分為兩種，一種是管廊內(nèi)部的絕熱表面，與外界不發(fā)生熱交換。另一種是管廊內(nèi)發(fā)熱電纜表面，該表面有一定的發(fā)熱量和傳熱能力，兩種壁面均設(shè)置為壁面無滑移條件。電纜艙室進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為壓力進(jìn)口，出口設(shè)定為速度出口。

10 kV和110 kV電纜設(shè)置為恒熱流邊界條件，熱流量依據(jù)相關(guān)公式的計算結(jié)果分別為17.76 W/m和22.95 W/m，材料設(shè)置為交聯(lián)聚乙烯。

射流風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口設(shè)定為速度出口,風(fēng)速大小取12.5 m/s，方向沿艙室長度方向，與前水平方向向下15°。模擬工況見表2。

表2 模擬各工況條件設(shè)定

3 工況模擬結(jié)果對比

3.1 溫度場分布分析

圖4與圖5為兩種工況下電纜艙室Z=0截面的溫度分布。由圖4可知，在進(jìn)風(fēng)口20 m內(nèi)艙室空氣溫度較低，這是由于氣流在進(jìn)風(fēng)口處產(chǎn)生大量渦流，使靠近進(jìn)風(fēng)口處的熱量與外界空氣充分換熱。

在國家大力推進(jìn)區(qū)域發(fā)展與脫貧攻堅的政策支撐下，我國將會在2020年實現(xiàn)農(nóng)村貧困人口全面脫貧。但是，信息的貧困與經(jīng)濟(jì)的貧困不同，不可能通過財政補貼和稅收來調(diào)節(jié)。增強脫貧群眾再就業(yè)的內(nèi)生動力，使之提高在社會經(jīng)濟(jì)活動中的地位，提高信息利用水平和效率才是關(guān)鍵。群眾信息素質(zhì)高低決定信息消費質(zhì)量的好壞。提高全民信息素質(zhì)、改變和培育信息消費觀念、提高信息消費水平、增強信息消費能力、加強創(chuàng)新主體(群眾)的信息能力是信息脫貧的關(guān)鍵所在。

圖4 工況1艙室Z=0截面溫度分布

圖5 工況2艙室Z=0截面溫度分布

在進(jìn)排風(fēng)口中心約100 m內(nèi)溫度分布均勻，該區(qū)域的空氣溫度主要受電纜發(fā)熱的影響。排風(fēng)口處風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，受氣流推拉作用使熱量在排風(fēng)口處聚集，從而排風(fēng)口附近的空氣溫度最高。

由圖5可知，工況2受射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)作用，斷面溫度分布比工況1均勻。斷面最高溫度36.5 ℃，工況1斷面最高溫度41.5 ℃，可見工況2有利于艙室內(nèi)頂部設(shè)備的正常運行和工作人員的檢修。

圖6與圖7為距排風(fēng)口3 m處的溫度分布，由于有發(fā)熱電纜，電纜周圍空氣被加熱，受浮升力作用形成下冷上熱的溫度分布。工況1艙室頂部溫度明顯低于工況2，原因是射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)卷吸頂部高溫空氣與中部低溫空氣混合，帶動艙室內(nèi)空氣擾動形成良好的空氣流動，使得艙室內(nèi)溫差減小，斷面的平均溫度也隨之降低。

圖6 工況1 Y=95.5 m截面溫度分布

圖7 工況2 Y=95.5 m截面溫度分布

電纜艙室溫度分布均勻可避免以高溫區(qū)域溫度作為艙室通風(fēng)量的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，若通風(fēng)量過大不但使局部溫度過低，造成風(fēng)機(jī)能耗增大。

為研究兩種通風(fēng)系統(tǒng)下的溫度分布均勻特性，沿艙室長度方向每5 m取一截面，以進(jìn)風(fēng)口處的截面為起始斷面，共計39個面。各截面空氣平均溫度沿艙室長度方向變化趨勢如圖8所示。

圖8 各截面平均溫度分布

以39個截面的空氣平均溫度與管廊內(nèi)平均溫度方差的平均值作為艙內(nèi)空氣溫度均勻性的判定指標(biāo)，計算結(jié)果見表3。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)溫度方差比較

方差越小表示艙室內(nèi)溫度均勻性越好，上述結(jié)果表明，在通風(fēng)量為336 m3/min時，誘導(dǎo)通風(fēng)的空氣溫度分布均勻性優(yōu)于機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)。

3.2 速度場分布分析

規(guī)范[1]中指出排風(fēng)口風(fēng)速不應(yīng)大于5 m/s，艙室內(nèi)風(fēng)速不宜高于2 m/s。圖9與圖10為電纜艙室Z=0截面的速度沿徑向分布，由圖9可知在距進(jìn)風(fēng)口20 m范圍內(nèi)風(fēng)速梯度變化很大。20 m之后渦流強度變小，斷面平均速度下降為1.5 m/s左右趨于穩(wěn)定。在排風(fēng)口處排風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓同時截面收縮，出現(xiàn)了局部速度增大的現(xiàn)象。

圖9 工況1艙室Z=0截面速度分布

圖10 工況2艙室Z=0截面速度分布

圖10中工況2斷面平均風(fēng)速為1.8 m/s，射流風(fēng)機(jī)高速射流加劇室內(nèi)空氣擾動，上下層速度梯度，空氣流通較流暢，流動死角較少。

4 結(jié)論

1）電纜艙室通風(fēng)系統(tǒng)中，電纜發(fā)熱使艙室溫度升高，通風(fēng)效果沿長度方向減弱，靠近出口處形成高溫空氣集聚區(qū)，最高溫度分布在排風(fēng)口附近。

2）設(shè)計通風(fēng)量為336 m3/min時，采用機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)，艙內(nèi)最高溫度為43.6 ℃，高于規(guī)范[1]中的限值40 ℃。采用誘導(dǎo)通風(fēng)艙內(nèi)最高溫度為37.3 ℃。即在通風(fēng)量滿足通風(fēng)要求的條件下，誘導(dǎo)通風(fēng)比機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)艙室內(nèi)的最高溫度低。

3）對艙內(nèi)溫度場均勻性分析，采用機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)和誘導(dǎo)通風(fēng)時，艙室內(nèi)溫度場方差分別為6.645和4.667，誘導(dǎo)通風(fēng)的空氣溫度分布均勻性優(yōu)于機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)。

4）在機(jī)械排風(fēng)加自然補風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)中間段約100 m內(nèi)，氣流平均速度為1.5 m/s。誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)中間段約100 m內(nèi)，氣流平均速度為1.8 m/s，射流風(fēng)機(jī)射流加劇室內(nèi)空氣擾動，艙內(nèi)空氣流通更為通暢。