摘要
关键词
作者
城市综合管廊是用于容纳两类及以上 城市工程管线的地下构筑物，可便于各种管线的敷设和日常管理，有效利用地下空间。 综合管廊作为地下封闭空间，通风条件较差，内部敷设的电缆管道等在工作时散发大量热量，存在火灾隐患。 同时，工作人员的日常检修和微生物的活动会降低管廊内氧气含量。 因此，综合管廊需要设置通风系统有效排出管廊内的余热，为工作人员在检修时提供适量的新鲜空气，保障管廊内部环境安全舒适。
近年来，国内外学者对建筑热压自然通风进行了一系列研究。 Li等人研究了不同坡度下热压对隧道内自然通风的影响。 Xie等人研究了竖井对隧道火灾中烟气排放的影响。 于波等人通过建造通风竖井，利用实验测试验证了自然通风在地铁隧道中应用的可行性。
当前综合管廊应用较广泛的通风形式为机械通风，对自然通风在综合管廊的应用研究较少。 自然通风的驱动力主要来自热压和风压，由于风压具有变化幅度大、不稳定的特点，且管廊多位于地下空间，风压对其内部的气流组织影响较小，本研究主要考虑热压作用。 热压作用与进排风口高差和室内外温差相关，室内外温差和进排风口高差越大，热压作用越明显。 当地下管廊内存在热源时，管廊内空气温度高于室外。 综合舱上、下部存在压差。 同时，竖井或管廊坡度使管廊内两洞口存在高程差，热空气在热压的影响下从高洞口排出，外界空气由低洞口进入，从而达到排除管廊内余热或烟气的效果。
本文对管廊综合舱进行热压自然通风模拟研究，分别改变进排风口高差及管廊内散热量，观察采用自然通风系统时管廊综合舱的气流分布，分析进排风口高差、舱内散热量、管线布置及排风口面积对热压自然通风的影响，探究自然通风系统在综合管廊的应用效果。
1.1物理模型
以夏季工况为例，根据不同研究目标对应设置边界条件，具体设置如下：
1）进风口设置为自然压力入口（pressure-inlet），进风温度选取重庆地区夏季室外通风计算温度，设置为30.6 ℃，排风口设置为压力出口（pressure-outlet）。
2）电缆材料设置为交联聚乙烯，其边界条件设置为恒热流，具体型号及全部类型电缆的散热量如表1所示。
3）通信电缆设置为绝热边界条件。
4）管廊壁面设置为绝热边界条件。地下管廊埋深较浅，壁面温度受气温影响较大。文献研究表明，考虑最不利工况，可假设壁面温度与管廊内空气温度相同。
本次模拟过程中电缆舱室内流动的空气可以看作低速不可压缩流体，将Fluent中的求解器设置为压力基求解器。湍流模型选择 K - ε 模型，同时考虑发热电缆对舱室内空气有浮升力的影响，符合Boussinesq假设。本研究以舱室通风稳态过程为主，综合考虑精确度和收敛速度，选择SIMPLEC算法。收敛准则设置为湍流项残差值小于10 -4 ，能量项残差值小于10 -6 。
模型网格数目对模拟计算结果的准确性有直接影响。为了验证数值模拟结果与模型网格数目无关，采用不同的网格划分方式，对4种不同网格数目的模型进行CFD计算，结果如图2所示。不同数目网格温度偏差较小，最大值和最小值偏差约为3%。综合考虑偏差结果和计算时间，本文选取网格数为2 556 565的模型进行模拟计算。
为验证计算模型的准确性，参照文献所提供的模型和试验数据，对本文计算方法进行验证，结果如图3所示。由图3可以看出，数值模拟与模型测试在相同位置的测点温度分布趋势相似，温度差异较小。对模拟结果与测试数据进行误差分析，最小相对误差为0.2%，最大相对误差为5.1%，平均误差为2.6%，误差处于工程分析可接受范围内。因此，验证了本文CFD数值模拟方法的可行性，可用来对地下管廊气流分布特性进行模拟预测。
热压自然通风中，进排风口高差会对管廊中的气流组织产生影响。 为科学合理地分析管廊内不同区域的气流分布情况，选取量纲一距离 z * （ z * = z / L ，其中 z 为纵剖面距进风口端的距离，m； L 为模型长度，m）表示管廊综合舱内沿长度方向不同纵剖面位置。
通过依次选取距离进风口端不同位置（ z * =0.05、0.50、0.95）纵剖面，结合工程设计实践的实际情况，不同进排风口高差（2、4、6 m）下的速度 v 分布如图4～6所示。 由图4～6可以看出： 随着进排风口高差增大，相同位置纵剖面的风速增大，这是由于管廊内部热压增大，进排风口压差增大； 需特别注意的是，空气进入后沿着管廊前进，风速沿竖直方向呈分层状态逐渐显现； 空气温度受电缆散热影响升高，在浮力作用下逐渐汇集于管廊中上部区域； 在 z * =0.95纵剖面附近，由于近排风口的附加“搅动”效应，速度分布呈均匀化趋势，热空气由排风口排出。
图7、8分别显示了进排风口高差为2 m时 x =0 m和 y =1.7 m位置剖面的速度分布情况。 由图7可以看出： 外界空气从进风口进入管廊，由于进风口截面较小，进风口区域空气速度较高； 随着空气沿管廊长度方向流向排风口，速度沿高度方向逐渐呈现分层现象； 靠近排风口区域，空气速度分布逐渐趋于均匀。 由图8可以看出： 在通行检修区域，两侧靠近进排风口位置空气速度较高； 通信电缆及给水管道区和高压电缆区截面面积较小，风速大于通行检修区域。
2.1.2 不同位置剖面温度分布
图12、13分别显示了进排风口高差为2 m时 x =0 m和 y =1.7 m位置剖面的温度分布情况。 由图12可以看出： 外界空气由进风口进入，在电缆散热的作用下，温度沿排风口方向逐渐上升； 同时由于空气受浮升力影响，沿高度方向温度呈现分层现象，热空气聚集在管廊中后端区域（ z =125～195 m）。 由图13可以看出： 高压电缆区温度受电缆散热影响，横剖面温度较高； 在通行检修区 z =140～174 m附近，局部区域受热空气堆积影响，温度达到近50 ℃。
图14显示了进排风口高差改变时对沿管廊长度方向（ z 轴）不同位置纵剖面平均温度的影响。 由图14可以看出： 不同进排风口高差下的温度分布趋势相同，纵剖面温度沿管廊的进深方向逐渐增大； 管廊末端近排风口区域温度有所下降。 从物理本质上看，CFD模拟给出的纵剖面平均温度系按面积加权平均原理给出的； 在近排风口区域，由于排风口附加的“搅动”效应，速度分布呈均匀化趋势，管廊上部区域的较高温度所占“比例”被下部较大区域“平均化”了，导致纵剖面平均温度有所降低。 由于靠近排风口区域的热空气被大量排出，尽管没有更低温度（比前端温度更低）的空气补充，纵剖面的平均温度还是被“被动”拉低。 笔者所在团队前期对地下廊道排风口处温度测试时也发现了同样的现象。
2.2 舱内电缆散热量的影响
2.2.1 不同位置纵剖面速度分布
2.2.2 不同位置纵剖面温度分布
不同舱内电缆散热量下的纵剖面平均温度如图16所示。由图16可以看出：空气在热压自然通风的作用下沿管廊进深方向运动，不断带走高压电缆产生的余热，空气温度逐渐升高；同样发现，近排风口区域，受排风口附加的“搅动”效应影响，近排风口区域的纵剖面温度分层发生变化，管廊下部温度较低的区域所占比例增大，导致上部较高温度所占区域比例被平均化，因此 z * =0.8～1.0范围的纵剖面平均温度下降；比较不同电缆散热量下管廊整体温度分布，电缆散热量增大，温度变化趋势相似，不同电缆散热量的管廊内相同位置纵剖面平均温度升高。
对于综合管廊自然通风系统，文献 指出可以利用自然通风满足管廊内部的通风需求。 因此，基于上述研究结果，对进排风口高差、舱内热源强度、管线布置及排风口尺寸进行进一步优化探究。
图17显示了不同进排风口高差下巫山综合管廊自然通风系统通风量及换气次数随电缆散热量的变化。 由图17可以看出，综合舱内通风量及换气次数随电缆散热量和进排风口高差增大而增大，可以满足规范对通风量的要求（正常通风换气次数不应小于2 h -1 ）。 为便于工程参考，管廊体积按照扣除管道所占空间的净体积进行计算，如表2所示。 当进排风口高差为6 m、电缆散热量为96.24 kW时，通风量最高达到10 620 m 3 /h（换气次数为11.08 h -1 ）。
合理的管线布置在一定程度上可降低管廊内的温度，为分析管线贴墙与离墙布置对管廊纵剖面平均温度的影响，模拟分析了离墙0.1 m位置（参考大多数工程的实际情况）管廊纵剖面平均温度，如图18所示。 由图18可以看出，对于离墙布置，管廊沿 z 方向纵剖面温度下降，与贴墙布置比较，平均温度相比下降约3.8%。 这是由于电缆与管廊侧壁的距离增大有利于高压电缆层的热空气对流扩散。
GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》第5.4.6条规定： 综合管廊进、排风口的净尺寸应满足通风设备进出的最小尺寸要求。 为了探究排风口尺寸对自然通风效果的影响，现分别对风口面积为1.0、1.5、2.5 m 2 的3种自然通风管廊模型进行CFD模拟，模拟结果如表3所示。 由表3可以看出： 增大排风口面积，排风口风速减小，排风温度下降； 当排风口面积分别增大0.5 m 2 和1.5 m 2 时，热压通风量分别增大了22.3%和35.9%。 因此，增大排风口面积可以在一定程度上增大管廊综合舱内的热压通风量。
1）增大进排风口高差或管廊内散 热量时，管廊舱室内风速增大。 同一进排风口高差或管廊内散热量下，自进风口端至排风口端，速度和温度沿竖直方向呈分层状态逐渐显现。
2）通过优 化 管线布置，将电缆远离侧壁后，管廊内不同位置纵剖面温度较优化前平均温度下降约3.8%。
3）增大排风口面积，综合舱内热压通风量随之增大。 当排风口面积比原面积（1.0 m 2 ）分别增大0.5 m 2 和1.5 m 2 时，热压通风量分别增大了22.3%和35.9%。
4）在实际应用中，可采取自然通风与机械通风风口相结合的布置方式，基于舱内电缆散热量，通过合理设计进排风口高差、管线布置及排风口面积，强化自然通风效果，达到节能的同时满足管廊通风规范设计要求。
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