深埋地下工程圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)熱特性及設(shè)計策略

鄭清華　耿世彬　李　永　劉隆旺

(1.陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京　210007;　2.廣東省清遠市人民防空辦公室，廣東 清遠　511500)

0　引言

人防工程和軍事指揮工程深埋于地下，研究其熱特性可為工程的保障提供理論基礎(chǔ)。姚楊等[2]在對地下工程進行了現(xiàn)場實測和計算機跟蹤模擬的基礎(chǔ)上，探討深埋地下工程圍護結(jié)構(gòu)傳熱動態(tài)變化規(guī)律。張樹光等[3,4]建立了深埋巷道圍巖的熱擴散數(shù)學(xué)模型。溫建軍等[5]對水電站壩體的通風換熱特性進行了研究，提出了內(nèi)部空氣溫度的解析解。袁艷平[6]借鑒了ITPE方法研究了單建式淺埋、深埋地下工程傳熱問題，王琴建立了深埋地下工程三維動態(tài)耦合傳熱模型，并使用整場技術(shù)求解[7]?；谏盥竦叵鹿こ虃鳠嶝摵商攸c，著重分析圍護結(jié)構(gòu)對地下工程的動態(tài)負荷的影響，并提出相應(yīng)的設(shè)計策略。

1　深埋工程圍護結(jié)構(gòu)傳熱模型

相關(guān)的文獻[7](手冊)表明當工程的長寬比大于2時，可以將深埋地下工程的圍護結(jié)構(gòu)傳熱簡化為當量圓柱體來計算，如圖1所示。可以將深埋地下工程的傳熱問題簡化為圓形斷面的一維傳熱問題。

巖土初始問題為恒溫層溫度，這時的傳熱過程屬于恒溫邊界條件下的傳熱問題，簡稱使用期的傳熱計算，屬于Dirichlet問題。則其控制方程為：

(1)

其中，t(r,τ)為巖石內(nèi)某處某時刻的溫度，℃；a為巖石的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；h為空氣與巖石的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為使用期工程內(nèi)設(shè)計溫度值，℃；t∞為巖石的初始溫度，℃。

將巖土視為一半無限大物體，在已知巖土表面溫度周期性變化的情況下，可以用分離變量法解得巖土的溫度場為[8]：

(2)

不同地域的地表年平均地溫各不一樣，從式(2)可知，將帶來不同地域的地溫不同，同時不同深處的地溫也不同。聯(lián)合求解式(1)，式(2)即可得到深埋地下工程的圍護結(jié)構(gòu)的換熱量。

2　圍護結(jié)構(gòu)熱負荷分析

根據(jù)式(1)，式(2)，基于南京地區(qū)氣象參數(shù)可以得到圍護結(jié)構(gòu)熱負荷隨埋深和時間的變化圖，如圖2，圖3所示。從圖2可以看出當埋深在0 m～10 m范圍內(nèi)時，圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷變化較大，當?shù)販剡x取最大變化趨勢(夏季)時，熱負荷隨埋深急劇增大；當埋深大于15 m時，熱負荷值基本趨于穩(wěn)定值。從圖3可以看出當埋深大于15 m，運行時間大于2 000 h時圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷趨于穩(wěn)定值。在初期，由于圍護結(jié)構(gòu)的溫度相對較低，圍護結(jié)構(gòu)可以降低工程的冷負荷，然而由于周圍巖土的熱擴散能力有限，隨著散熱量逐漸增加，熱量不斷地在圍護巖土內(nèi)堆積，巖土的天然降溫作用消失。

我國地域廣闊，不同地區(qū)深埋地溫差別較大，從最高的25.3 ℃(?？?到最低的(海拉爾)1.6 ℃相差23 ℃，地溫的地域性差異必然帶來圍護結(jié)構(gòu)熱負荷具有較大差異，對全國部分典型城市的深埋地下工程圍護結(jié)構(gòu)熱負荷計算，可以得到不同地域地溫與圍護結(jié)構(gòu)熱負荷的關(guān)系圖，如圖4所示。

從圖4可見，不同的地域，由于地溫具有較大差別帶來圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷也具有較大的差異，總體來說，隨著地溫的升高熱負荷逐漸減小，在地溫偏高的廣州和?？诘貐^(qū)甚至出現(xiàn)了冷負荷，不同地域的深埋地下工程圍護結(jié)構(gòu)熱負荷差異明顯。因此在進行熱負荷計算分析時，應(yīng)注意區(qū)域差異性的影響。

3　深埋地下熱環(huán)境設(shè)計策略

針對地下工程熱處理設(shè)計，根據(jù)前文分析，其必須綜合考慮以下幾點：

1)工程的地域性分布特點。

我國幅員遼闊，不同地域的工程熱工參數(shù)包括地溫、空氣濕度等差異較大；人員對空氣環(huán)境參數(shù)的要求也有一定差異，在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

2)圍護結(jié)構(gòu)熱量堆積問題。

工程巖土圍護結(jié)構(gòu)初始溫度較低，具有天然冷卻作用，然而隨著運行時間增加，熱量不斷在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)堆積，這使得后期熱量處理更加困難。

3)工程排熱可靠性。

新型探測和打擊武器的發(fā)展，必須合理考慮工程熱排放的偽裝和安全措施。

4　結(jié)語

通過對深埋地下工程圍護負荷特性分析可知，由于深埋地下工程熱環(huán)境特殊性，深埋地下工程熱負荷特性與地面工程具有較大的差異，不能簡單照搬地面工程的熱負荷設(shè)計；埋深對圍護結(jié)構(gòu)的負荷具有較大的影響，特別是埋深和不同地域差異性影響較大。為深埋地下工程高熱環(huán)境保障提供一定的參考。

參考文獻:

[1]黃福其，張家猷，謝守穆，等．深埋地下工程熱工計算方法[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981．

[2]劉軍，姚楊，王清勤．地下建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱的模擬與分析[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]張樹光．深埋巷道圍巖溫度場的數(shù)值模擬分析[J]．科學(xué)技術(shù)與工程,2006，6(14)：2194-2196．

[4]張樹光，孫樹魁，張向東，等．熱害礦井巷道溫度場分布規(guī)律研究[J]．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2003，14(3)：9-11．

[5]溫建軍，李安桂，董宇.壩體通風換熱性能的解析研究[J].制冷空調(diào)與電力機械,2010(31):20-25.

[6]袁艷平．深埋地下工程巖土耦合傳熱規(guī)律研究[D]．南京：解放軍理工大學(xué)，2005.

[7]《地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計手冊》編寫組．地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983．

[8]茅靳豐，韓旭.深埋地下工程熱濕理論與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．