地下綜合管廊運行優化研究

李粵川? 鄧志輝

地下綜合管廊運行優化研究

李粵川? 鄧志輝

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

使用STAR-CCM+建立數值模型，模擬計算城市地下綜合管廊通風降溫，分別以排風口和管廊內幾個點為通風停止溫度控制點。分析對比各溫度控制點下，管廊溫度場分布和通風效果。分析表明：單位時間通風量低時，管廊空氣溫度分布均勻性雖較好，但是排熱效率很差；選用管廊內一點作為溫度控制點時，空氣溫度分布均勻性和排熱效率均優于以排風口溫度為控制點。

數值模擬；綜合管廊；通風散熱；運行優化

0 引言

隨著經濟發展，城市對用電量的需求變大，由于地面空間的緊張，綜合管廊也已經在各大城市開始展露其重要性。其中綜合艙主要用于電力電纜、通信電纜以及部分水管的布置。由于綜合艙內電力電纜在運營時會散發大量熱量，工作人員的檢修與維護也需要氧氣。因此綜合艙需要設置通風系統排出余熱，并且為工作人員提供必需的氧氣[1]。

由于綜合管廊興起不久，雖然已經有城市綜合管廊工程技術規范（GB 50838-2015）對綜合管廊的建設有指導作用，但其中關于綜合管廊建成后實際的運營管理并未在多方面給出標準。特別是具體的通風方案，運營時基本上都是設計人員在參考規范的基礎上以經驗來制定。通常情況通風系統風機的啟停采用定時控制與溫控探測器控制相結合的控制方式[2]。定時控制即正常工況下每隔一段時間開啟風機通風降溫，周期性的運行風機；溫控探測器控制則是在檢測溫度超過預設上限溫度40℃時，自動開啟風機進行降溫。通風時長通常是讓管廊溫度降到一定溫度后就停止通風或者直接就是讓風機運行一段時間后關機，沒有具體的參考規范。各綜合管廊運維放對于這個降溫下限溫度也是取值不一，而且參考點也各不一樣，通常以排風口平均溫度作為參考。本文研究目的旨在探究綜合管廊通風降溫時的溫度場分布，從多方面考慮得出一個較為合理的溫度控制點，為綜合管廊的運行提供一個優化方向。

1 綜合管廊綜合艙數值模擬

1.1 物理模型

綜合管廊管線的布置應滿以下基本條件[3]：

（1）熱力管道不應與電力電纜同艙敷設；

（2）110kV及以上電力電纜，不應與通信電纜同側布置；

（3）綜合管廊標準斷面內部凈高應根據容納管線的種類、規格、數量、安裝要求等綜合確定，不宜小于2.4m；

（4）綜合管廊通道凈寬，應滿足管道、配件及設備運輸的要求，并應符合下列規定：綜合管廊內兩側設置支架或管道時，檢修通道凈寬不宜小于1.0m；單側設置支架或管道時，檢修通道凈寬不宜小于0.9m。

再考慮到模型的一般適用性以及根據已有綜合管廊總結得到本文所使用的綜合艙物理模型，10kV和110kV銅芯交聯聚乙烯電纜各6孔（詳細數據見表1）、通信電纜15孔、DN300給水管道一根，通風區間長度200m，進風口排風口分別位于兩端，如圖1所示[4]。

圖1 管廊布局

表1 電纜屬性

1.2 數學模型

流體遵循三大基本守恒定律：質量、動量和能量守恒定律[5]。

質量守恒方程：

式中：為氣體密度；為時間；、、分別為速度矢量在、、方向上的分量。

動量守恒方程：

式中：為靜壓；為時間；x、x分別為、方向的坐標；u、u分別為流體速度沿、方向的分量；為氣體密度；為應力矢量；g為方向的重力分量；F為由阻力和能源而引起的其他能源項。

能量守恒方程：

式中：為熵；為時間；x為方向的坐標；u為流體速度沿方向的分量；為溫度；為氣體密度；為分子傳導率；k為有湍流而引起的傳導率；S為定義的體積源。

1.3 模型簡化

本文使用STAR-CCM+建立模型，為減少網格數量從而偏于計算，對影響因素較小部分適當簡化。電纜、通信電纜、管道并沒有畫出其實體，而是只畫出其外形，通過在邊界上給出相適應的邊界條件、材料特性等進行計算。還做出了一些假設：綜合艙室的圍護結構各組成材料為各向同性的均勻介質，且物性參數都保持不變設為常數；熱源只考慮電纜散熱，忽略管廊內燈具等的散熱；主要研究的是正常運行的工況，通常無人，忽略人的因素。

1.4 求解設置

本文使用STAR-CCM+進行模擬計算。使用切割體網格，并對電纜周圍進行加密。以成都地區為例，通風降溫時進風溫度設置為成都夏季室外通風溫度301.5K，湍流模型設置為k-epsilon模型；通風降溫時進風口邊界條件設為壓力出口，排風口邊界條件設為速度進口（速度設置為負數），風量根據估算的換氣次數給出；關閉風機管廊自然升溫時，由于進排風口都安裝有風機，考慮到阻力比較大，升溫工況進風口和排風口邊界條件設置為壁面；電纜熱規范設置為恒定熱流量，根據相關計算公式可算出10kV和110kV的熱流量分別為61.67W/m2和120.41W/m2；外壁面熱規范設置為溫度，取當地土壤溫度290K，材料為混凝土，厚度為0.4m；給水管的熱規范設置為溫度，取293K；通信線纜和管廊兩端熱規范都設置為絕熱[6-9]。

2 模擬結果及分析

本文模擬了排風口速度分別為2、3、4、5、6m/s，降溫下限溫度為309K時的工況。定義溫度控制點，即當該點溫度達到設置通風下限溫度時就停止通風。本研究共分析對比4個溫度控制點下管廊的溫度場分布、排熱效率。A控制點為排風口；根據初步模擬分析溫度場表明，高溫區域集中在排風口附近電纜正上方，且溫度都較為接近，取距排風口側防火門2m、5m、10m以及距頂部壁面0.1m、中心電纜正上方的點分別為B、C、D控制點。

2.1 綜合管廊內空氣溫度場分析對比

以排風口風速為5m/s的工況為例，分析管廊溫度場特性。圖2和圖3中，以靠近進風口側防火門為=0作為起點。

（1）管廊縱向空氣溫度場

取管廊中心縱向截面圖即圖1，可以看出溫度由進風口沿排風口方向逐漸升高，而且由下到上也是逐漸升高。形成這樣溫度場的主要原因首先是管廊外部較低溫度空氣進入后在風機帶動下向排風口移動，途中與管廊內部空氣進行換熱，溫度逐漸升高，到后面由于與管廊主流溫度接近，換熱效率下降；其次，由于空氣密度不一，高溫空氣在浮升力的作用下往上聚集較冷空氣則下沉。

（2）管廊橫向空氣溫度場

如圖2所示，可以發現任意截面左側溫度較高于右側，這主要是因為電纜在左側，外界空氣與之換熱形成；右側上部空氣溫度也比較高，是因為左側高溫空氣上浮時被頂部壁面阻擋，向右側遷移引起；上部區域整體溫度高于下部，是由于熱浮升力的影響，高溫空氣往上聚集，并且在遠離進風口的區域形成明顯的分層現象。對比4張圖可進一步看出，距離送風口越遠，截面溫度差越明顯，溫度值也越高，越不利于散熱。

2.2 通風效果對比

（1）空氣溫度分布的均勻性

雖然管廊內雖一般無人值守，而且規范只要求管廊空氣平均溫度不高于40℃，對管廊內具體溫度分布等并無具體要求。電纜達到穩態運行時,導體溫度的變化受外界環境溫度的變化影響靈敏,降低外界環境溫度,可以提高電纜載流量[10]。較為合理的溫度分布，可以減少甚至避免部分區域出現較高溫度影響電纜壽命和輸電性能。所以應該要求通風后管廊內溫度分布具有一定的均勻性。

圖4 管廊空氣溫度標準差

通過模擬計算結果可知以A點作為降溫溫度控制點時，單次通風時間都少于B、C、D點。首先研究管廊內空氣溫度的標準差，值越小則說明空氣溫度分布越均勻。從圖4可知B、C、D控制點下，標準差基本上都小于A控制點。主要原因是B、C、D控制點下，通風時間較A控制點下長，換熱更充分，近壁面溫度逐漸穩定，且趨于空氣溫度平均值，所以溫度分布均勻性較好。A控制點在低風速時，標準差低于另外3點，表現出空氣溫度分布均勻性較好。主要原因是A控制點下，排風風速小，單位時間內換氣量少，而且管廊內斷面風速較低，導致空氣整體溫度都偏高，溫度分布均勻性有所提升。

沿管廊縱向方向每隔10m截取一個平面，共19個面。計算不同排風口風速下這19個截面的空氣平均溫度與管廊空氣平均溫度的標準差，值越小則說明空氣溫度分布越均勻。如圖5所示，可發現其規律與圖4所示基本一致，原因也相同，此處不再贅述。

圖5 管廊截面空氣平均溫度標準差

（2）通風降溫排熱效率

不同溫度控制點的選擇，判斷其合理性不能只對比空氣溫度分布的均勻性，能量的利用率也是一個參考因素。由此可以通過排熱效率氣流組織形式的能量利用有效性來考察，定義式（4）：

（4）

圖6是4個溫度控制點在各排風口風速下的排熱效率。可以發現，一方面4個溫度控制點的排熱效率的值都是隨著風速增加而逐漸增大；另一方面，同排風風速下，B、C、D點為溫度控制點時的排熱效率要大于A點。前者主要是因為排風口風速越大，單位時間內進風量和斷面平均風速越大，同時根據縱掠平壁對流傳熱系數的特征關聯式，可知速度越快，空氣與壁面對流傳熱系數越大；后者原因是B、C、D點為溫度控制點時，通風時間更長。從而管廊內空氣與外界空氣換熱更充分，管廊自身的圍護結構帶走的熱量也更多，使得管廊內空氣平均溫度進一步下降，排熱效率也就更高。管廊空氣平均溫度如圖7所示。

圖6 排熱效率

圖7 管廊空氣平均溫度

2.3 溫度控制點的評價

通過上文模擬結果綜合分析，可以發現通風溫度控制點選擇管廊內的點相較于選擇排風口，更加合理。而針對管廊內的3點，B點在較高風速下排熱效率以及管廊內平均溫度都表現出更好的數值。雖然B點在空氣溫度分布均勻性上相比另外兩個點略微有所補足，但是由于模擬計算的是正常運行工況而非巡檢工況，管廊無人員活動，高效的排出余熱比空氣溫度分布均勻性更加重要。因此，在綜合艙通風降溫時選擇更靠近排風口的B點作為溫度控制點更具有優勢。B點離排風口側防火門距離為2m（單個通風區間長度的1%），位于電力電纜側中心正上方，距頂部壁面0.1m。

3 結論

（1）綜合管廊空氣平均溫度較低時，通常具有更好的排熱效率。

（2）低排風風速通風時，管廊空氣溫度分布均勻性雖好，但整體空氣溫度較高，排熱效率欠佳，所以一般應選擇較高風速。

（3）綜合管廊綜合艙通風溫度控制點，應選擇管廊內上部更靠近排風口的點，通常都具有更高效的排出余熱能力。

[1] 趙輝.城市電力電纜隧道的通風設計[J].華北電力技術, 2009,(6):11-13,16.

[2] 于浩.城市綜合管廊工程通風系統設計淺析[J].科技創新導報,2016,13(36):50-51.

[3] GB 50838-2015,城市綜合管廊工程技術規范[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[4] 王恒棟,薛偉辰.綜合管廊工程理論與實踐[M]北京:中國建筑工業出版社,2012．

[5] 李軍,武磊,向璐.基于star-ccm+進氣歧管的穩態CFD分析[J].湘潭大學自然科學學報,2015,37(2):97-101.

[6] 馬國棟.電線電纜載流量（第二版）[M].北京:中國電力出版社,2013.

[7] 楊智國.西安地鐵沿線地層地溫夏季分布規律觀測研究[J].西安科技大學學報,2012,32(05):610-616.

[8] 肖慶峰.城市越江公路隧道服務層通風及防災研究[D].成都:西南交通大學,2009.

[9] 劉丹丹,胡安焱,劉彩波,等.西安市淺層地溫場垂向分布特征及其影響因素分析[J].地下水,2014,36(6):1-3,8.

[10] 劉剛,雷成華.提高單芯電纜短時負荷載流量的試驗分析[J].高電壓技術,2011,37(5):1288-1293.

[11] 邱灝,鄧志輝,袁艷平,等.通風形式對綜合管廊內空氣溫度影響的研究[J].制冷與空調,2018,32(6):668-672.

Research on Operation Optimization of Utility Tunnel

Li Yuechuan Deng Zhihui

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

Using the STAR-CCM+ to establish a numerical model to simulate and calculate the cooling of the urban utility tunnel.The exhaust outlet and the a few points in utility tunnel are used as the ventilation stop temperature control points. Analyzing and comparing the temperature field distribution and ventilation effects of them. Analyzing the simulation results, the air temperature distribution uniformity of utility tunnel is good when the ventilation quantity of per unit time is low, but the heat removal efficiency is very poor;when choose one point in utility tunnel as the temperature control point, the air temperature distribution uniformity and the heat removal efficiency are better than the exhaust outlet temperature is the control point.

numerical simulation; utility tunnel; ventilation and heat dissipation; operation optimization

TK124

A

1671-6612（2020）05-549-05

李粵川（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：leeyuechuaneru@163.com

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

2019-12-09