综合管廊电缆舱通风数值模拟研究

综合管廊电缆舱通风数值模拟研究
周游 周伟国*
同济大学机械与能源工程学院
摘 要： 采用数值模拟的方法对电缆舱通风进行研究， 建立了湍流数学模型， 分析电缆舱空气对流换热， 分析得到 随着通风距离的增长， 降温效果减弱， 导致局部温度过高， 电缆舱要进行合理的通风分区； 冬季要校核通风量以免 舱室过冷； 优化电缆布置， 电缆远离侧壁布置增强通风散热的效果。

关键词： 综合管廊 电缆舱 通风 散热 数值模拟
Study on Numerical Simulation of Utility Cable
Tunnel Ventilation System
ZHOU You,ZHOU Wei­guo*
School of Mechanical Engineering,Tongji University
Abstract: The performance of cable tunnel ventilation system is studied by numerical simulation method.The turbulence model is built to simulate the air convection heat transfer in cable cabin.Analyzing the simulation results,as the increase of the ventilation system cooling effect weakened,causing the local temperature is too high,so the cable tunnel need reasonable ventilation partition.In winter ， ventilation quantity need to be check to avoid tunnel too cold.
Optimization of cable layout,comparing with the close to the cabin wall layout,cables away from the side wall, enhancing the effect of ventilation and heat dissipation.
Keywords:utility tunnel,cable cabin,ventilation,heat dissipation,numerical simulation
收稿日期： 2016­2­15
通讯作者： 周伟国 （1961~）， 男， 博士， 教授； 上海市四平路 1239号同济大学综合楼602室 （200092）； E­mail:*******************.cn
综合管廊电缆舱是将电缆集中敷设的地下构筑 物， 在不通风的情况下， 电缆持续散热使舱室内的温
度过高， 将导致电缆外壳绝缘层老化， 缩短电缆使用 寿命， 甚至引起火灾。

同时， 随着温度的升高， 导线的 电阻增大， 电缆的载流量降低， 降低了电缆的利用率， 直接造成经济损失，及时的通风降温可以增加载流 量， 提高系统的运行效率。

另外， 检修人员需定期对管
廊进行检修， 舱室内的温度不能过高。

因此， 对电缆聚 集数量较多散热量较大的电缆舱， 需要进行通风对流 换热研究。

本文对上海某综合管廊电缆舱通风散热进
行数值模拟研究， 讨论通风分区的必要性、 校核冬季 所需风量以及电缆布置对风速流场和温度场的影响。

分析散热情况， 保证电缆舱安全高效运行的同时， 给维 修人员提供良好的维修环境， 以期为管廊建设提供参 考性意见。

1 理论计算
1） 电缆散热量
根据参考文献[1-2]， 电缆散热量P 为
式中：A 1 为电缆表面积， m 2
； n 为电缆数量； q 为单位面
积的单根电缆耗热量，
W/m 2。

1 P n A q
=×× （1）
第35 卷第 11 期 2016 年11 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.35No.11 Nov.2016.29~33
文章编号： 1003­0344 （2016） 011­029­6
. All Rights Reserved.
2） 风量
电缆舱散热所需风量考虑一旦使用强迫风冷， 原 来可以被大地吸收的部分热量也随之被进风带走。

电 缆散热所需的风量Q 计算如下
式中： C p 为常压下空气的单位热量，一般取 1.01kJ/
(kg · 益)；籽 空气 为空气密度， 驻 t 取 1.225kg/m 3
；为进排风 温差， 驻 t =t 排风 -t 进风 。

3） 电缆舱散热通风的速度
式中： A 为电缆舱有效断面面积；Q 为通风量； V 为风 速。

2 电缆舱散热数值模型
2.1 电缆舱的几何特征
根据参考文献[2]规定， 综合管廊标准断面内部高 度应根据容纳管线的种类、 规格、 数量、 安装要求等综 合确定， 不小于 2.4m ； 综合管廊内两侧设置支架或管
道时， 检修通道净宽不宜小于 1.0m 。

在电缆支架的层 间距离的最小值见表1。

表1 电缆布置规范
选取上海某综合管廊电缆舱一个通风区间为研
究对象， 通风区间长度为 200m ， 截面积为 9m 2
， 高 3m ， 宽 3m 的矩形断面，舱室内为三相电流系统中 110kv 电缆， 共 10回， 分层布置在电缆舱两侧， 上下排电缆间 距0.5m ， 满足以上电缆布置要求。

电缆舱标准断面图 如图1所示。

图1 电缆舱标准断面图
2.2 几何模型及简化
对实际的管廊电缆舱进行简化。

电缆舱室简化为
长200m ， 宽高均为3m 的长方体， 10回30根110kV 电 缆， 简化成半径为 160mm 的圆柱体， 与电缆形状基本
一致。

左侧最上层电缆为电缆1。

简化风口为风机进口 的平面， 风口长宽均为0.8m ， 分别设置在舱室的两端。

简化后的电缆舱模型如图2所示。

为了使求解方便， 忽 略影响较小的次要因数，
建模时作如下假设， 假设当电 缆发热量与散热达到平衡时， 电缆温度场分布不随时 间改变； 假设电缆各组成材料均为各向同性均匀介质， 且各部分物性参数均为常数； 支架相对舱室面积较小， 且区段布置， 假设忽略电缆支架。

图2 简化后电缆舱模型图
本文用 ANSYS ICEM CFD 软件对几何体进行六
面体结构化网格划分， 电缆侧采用 O 型网格， 对电缆 舱内部进行空间离散化，为进入求解器计算做准备。

对电缆表面及进出风口处进行网格加密， 使其更准确
的描述几何特征。

为了排除网格数量对模拟结果的影 响，对网格进行独立性检验，本文使用网格数量在
1.7×10 6 ~5.4×10 6 范围，计算结果显示，在这个范围 内， 舱室某一相同断面温度变化幅度小于3%， 说明网
格具有独立性， 因此取网格总数量3.4×106。

网格断面 图如图3所示。

图3 网格断面图
2.3 模型的建立尧数值模型及求解方法选择
（2）
c p P
Q t r =
××D 空气
（3）
Q
v A
=
2016年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·30· 电缆电压级和类型、敷设特征 普通支架、吊架
/mm 最上层支架距顶板最小距离
/mm 底层最小 /mm 35kV 三芯、110~220kV 、每层 1 根以上
300
380­450
100
. All Rights Reserved.
流体流动满足物理守恒定律， 基本物理守恒定律 包括： 质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律，
控制方程是对这些物理守恒定律的数学描述 [3]。

电缆舱室内通风， 空气流动为湍流， 开启湍流模
型。

选用准确度较高的Relizable k-着模型。

利用壁面 函数等方法简化壁面附近的网格划分。

电缆舱散热研究中， 包括钢筋混凝土和电缆两种 固体材料和空气一种流体介质，
数值模拟所涉及的材 料物性参数如表2所示。

因为在控制方程中包括重力 项，需要考虑空气密度的变化对流动的影响，采用 Boussinesq 空气模型。

Bossinesq 模型把空气密度视作 常数， 只对动量方程中的浮力项作相应的处理。

表2 材料物性参数表
电缆设置为第二类边界条件，热流边界条件，
110kV 电缆热流量近似为18W/m 2
， 粗糙度吟=0.05mm ，
电缆舱壁面设为绝热边界条件，舱室壁粗糙度△=0.
05mm 。

舱室进口送风机送风为速度入口，速度为
5m/s ， 出口排风机排风， 设为速度出口， 速度为-5m/s 。

Fluent 采用有限体积法，确保了每个区域内物理 量的守恒性。

因为二阶迎风格式是绝对稳定的且精度 较高， 动量方程、 能量方程、 k 方程和 着方程采用二阶 迎风格式。

选用 SIMPLEC 算法来作为基于压力求解 的方法。

对出风口的温度、 质量流量进行监控， 物理量的
残差设为10 -4。

当残差满足要求且监控的温度在1000 次迭代内不再变化， 且排风口的质量流量与送风口的
流量相同时， 结束迭代计算， 认为已经收敛， 最后可得 到电缆舱室温度场、 速度场分布。

2.4 不同工况的确定
不同工况条件如表 3所示。

其中夏季工况， 当发
热量一定即单位面积发热量为 18W/m 2
的情况下， 夏 季工况下能把温度控制在 313K 以下所需的风量为
3.2m 3
/s 。

送风口最大风速5m/s ，最小的送风口面积为
0.64m 2 。

冬季进风温度为276.5K ，其他条件与夏季相
同。

电缆布置靠近电缆舱侧壁， 距离侧壁 0.04m， 相对
应的电缆远离侧壁布置， 距离侧壁0.34m 。

表3 工况条件
3 冬夏季工况模拟结果分析
夏季工况下， 电缆舱的温度分布情况如图4所示， 电缆舱温度在303K 到318K 之间， 初状态舱室温度为 313K ，通过结果可以看出通风可以使舱室温度降低。

其中进口处温度最低为308K ， 沿着长度方向温度逐渐
升高， 靠近出口区是高温空气聚积区，
温度较高达到 317K ， 其中上层空气温度高于底层空气温度。

通风区 间长度方向的电缆舱室温度分布， 可以看出沿长度方 向为温度为逐渐升高的趋势， 出口处， 因为排风机作 用， 空气对流速度加快， 温度有一定程度的降低。

图4 夏季工况电缆舱温度场
管廊电缆舱进口处速度较大，最大速度为 5m/s ， 整体电缆舱速度较小， 平均在0.4m/s ， 原因是舱室面积 较大， 送风量一定的情况下， 送风速度受到了一定的 限制。

这也是限制通风散热的主要原因。

分析得到， 风
速过小导致散热效果不佳，
可以通过提高舱室内的风 速来加速散热， 因为风速越大， 对流换热系数越大， 换 热效果越好。

通过模拟可以看出， 出口段附近温度没有明显的 下降， 原因是舱室风速较低， 进风口出风口断截面平均 速度可达到1m/s ， 其他地方基本平均在 0.4m/s ， 舱室内 部电缆散发的热量已经使空气温度足够高， 空气与壁 面温差变小，导致出口处的温降作用减弱。

在一定通 风量的情况下， 随着舱室长度的增加， 最后的温差越来 越小， 通风效果差， 必须进行通风分区。

图5中间断面的速度云图，中间靠下部区域空间
介质 密度
/kg/m
3
C p /J/(kg∙K) 导热系数 /W /(m ∙K )
粘性系数 /kg /(m∙s)
热膨胀系数
/1/K 钢筋混凝土
2600 970 1 ­­ ­­ 电缆 920 2300 0.3 ­­ ­­ 空气
1.225
1006.43
0.0242
1.7894e­5
0.00
34
周游等： 综合管廊电缆舱通风数值模拟研究
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案例
进风
速度 /m/s
排风 速度 /m/s 进风 温度 /K 进排风口 面积 /m
2
单位电缆 发热量 /W/m 2
风量
/m 3
/s
电缆布置 与侧壁距离
/m 案例 1 5 ­5 303.8 0.64 18 3.2 0.04 案例 2 5 ­5 276.5 0.64 18 3.2 0.04 案例 3
5
­5
303.8
0.64
18
3.2
0.34
. All Rights Reserved.
较大， 空气阻力小， 通过气流速度较大。

电缆靠侧壁处 速度却很小， 两侧的空气流量有限， 不能及时带走热 量。

断面宽度方向和高度方向速度分量非常小， 说明 在强制通风下， 气流虽然受到浮升力的影响， 但仍能 保证较好的一维流动特性， 径向的能量和质量交换几 乎完全被抑制。

所以， 即使断面的平均温度不高， 但是 两电缆侧的温度却很高。

可以优化电缆布置， 降低电 缆侧的温度， 使散热效果更好。

图5中间断面的速度云图
现场考察综合管廊， 冬天电缆舱室的温度不是过 高而是过低， 尤其是在北方地区， 因为冬天室外温度 低， 送风温度较低的情况下， 带走一定热量所需的风 量必然减少，如果冬季还按照夏季工况运行的情况 下， 会使舱室内温度过低， 影响维修人员的正常作业。

方案二的数值模拟得出， 未调整风量的冬季电缆舱人 员站立呼吸面温度在277~290K之间，其中低温区域 较大， 将会影响维修人员的正常工作。

针对北方寒冷地区， 由于室外气温较低， 为防止 电缆舱内进入大量室外冷空气而引起舱室内部结冰， 建议参照规范 [4] 要求， 控制电缆隧道内的温度不低于 5.0 益， 即校核冬季通风量。

在上海， 冬季送风温度为 276.5K 时， 冬季所需的送风量代入式 （2）， 为 0.8m 3 /s， 送风速度代入式 （4） 为1.25m/s。

4优化电缆布置
图 6 为夏季工况电缆舱正中间断面的温度场分 布， 靠侧壁距离0.04m， 从图中可以看出最上排两根电 缆有大量的热量聚积， 靠壁侧散热效果不佳。

可以通 过优化电缆的布置来增强通风散热的效果。

将两侧电 缆分别往中间移动一段距离， 最初的电缆布置如图 7a 左所示，电缆距离侧壁 0.04m，优化后电缆距离侧壁 0.34m， 如图7b右所示。

图6靠近侧壁断面温度场分布图
（a） 优化前
（b） 优化后
图7优化先后靠侧壁电缆布置图
图8为优化后同一位置断面温度场分布图可以看 出电缆远离侧壁布置可以在很大程度上减小上排电 缆热量的聚积， 整体断面温度也有所降低。

图8离侧壁断面温度场分布图
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图 9 靠侧壁距离 0.04m 的断面速度场分布图与 图10靠侧壁距离0.04m 的断面速度场分布图对比， 可 以看出速度分布的不同。

后者在电缆附近速度有明显 增大， 尤其是时靠壁侧速度增大， 对流换热系数增大， 可以更好的达到电缆处通风散热的目的。

图9靠近侧壁断面速度场分布图
图10远离侧壁断面速度场分布图
图 11 为靠近侧壁和远离侧壁长度方向电缆 1 面 的温度分布， 上面红色的点代表靠近侧壁布置时电缆 1面各长度方向的温度，下面黑色的点代表远离侧壁 布置时电缆1面各长度方向的温度，可以看出电缆整 体温度上升的趋势是相同的， 但远离侧壁布置可以使 温度降低1K到1.5K。

图11靠近侧壁和远离侧壁长度方向电缆
1面的温度分布
除了考虑保证电缆安全运行的温度以外，有工作 人员到管廊里进行设备维修时， 还要对人在管廊内部 的舒适度进行分析， 由于距离管廊底部1.7m 高的地方 一般为人站立时的呼吸区域， 故可以取 y=1.7的平面， 进行人的舒适度分析。

图12靠近侧壁和远离侧壁长度 方向的y=1.7 面温度分布， 可以看出最初的 20m， 两种 布置方式的y=1.7面的温度基本相同， 沿着长度方向， 靠近侧壁布置的面温度升高速度逐渐加快， 最高温度 超过了313K， 将会一定程度上影响维修人员作业。

图12靠近侧壁和远离侧壁长度方向
的y=1.7面温度分布
图 13 靠近侧壁和远离侧壁长度方向的舱室断面 的温度分布， 从舱室断面平均温度也可以看出进行远 离侧壁优化布置的散热优势。

图13靠近侧壁和远离侧壁长度方向的
舱室断面的温度分布
5结论
本文通过对综合管廊电缆舱进行数值模拟， 分析 电缆舱一个通风区间内， 电缆发热量为 18w/m 2 ， 通风 量为3.2m 3 /s时的温度场和速度场， 得出通风可以使舱 室温度降低， 因为舱室风速较低基本平均在0.4m/s
，
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设， 本文以裸管埋地为例， 敷设结构如图6所示。

图6 裸管暗埋敷设结构示意图
图 6 中 1 为 12mm 厚木质地板， 导热系数
0.17W /(K · m 2
)、 2 为 DN15 管道埋置在 30mm 厚的后
浇混凝土层中、
3 为120mm 厚的混凝土楼板， 混凝土 传热系数取1.72W/(K
· m 2 )。

由于暗埋管道敷设传热模 型较为复杂， 解析求解困难，
故采用数值模拟方法计 算。

计算条件如图 6 所示： 楼板上下空气温度设为 20 益，
对流换热系数取 8.7W/(益 · m 2 ) [14]
， 管道两侧各 1000mm 处按绝热处理； 热损失率仍以案例模型进行 计算， 其余参数不变，
结果见表2。

表2 入户支管不同敷设方式热损失计算结果
从表 2 中可以看出不保温管道的热损失是 30mm 橡塑保温管道热损失的5 倍之多，
而裸管暗埋 敷设管道热损失是不保温明装管道的近 3 倍， 是 30mm 橡塑保温管道的约 14 倍，可见管道的敷设方
式对管道热损失的影响巨大。

由此造成整个系统的热
损失率也会有巨大的差异，
就本文案例而言， 仅每户3 米入户循环支管由 30mm 橡塑保温明装敷设变成裸 管暗埋敷设会造成系统热损失率从 16.45%到 39.96%
的变化。

4 结论
经过对不同管道敷设方式的热损分析， 间接式集 中—分散太阳能热水系统的管道热损率随管路形式 的不同变化幅度较大， 因此在工程设计中应对不同的 管路形式采用不同的热损率估算。

参考文献
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[6] 彭应翔. 中新天津生态城太阳能热水系统分析[J]. 给水排水, 2011,37(1):68­71.
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[10] 工业设备及管道绝热工程设计规范(GB50264­97)[S]. [11] 贺平,孙刚, 王飞, 等.供热工程[M]. 北京: 中国建筑工业出版
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[13] 建筑给排水设计规范(2009版)(GB50015­2003)[S]. [14] 民用建筑热工设计规范(GB50176­93)[S].
（上接33页）
电缆散发的热量已经使通风空气温度足够高， 使得空 气与壁面温差变小， 沿长度方向温降作用减弱，
靠近出 口处形成高温空气聚积区， 所以通风区间不宜过长， 必 须进行通风分区。

冬季送风温度降低， 需要校核冬季所需的送风量， 考虑当地冬季的送风温度， 计算出适合的风量， 把风机 调成小功率模式运行， 以免造成舱室温度过低， 使最低 温度控制在5益以上， 避免影响维修人员进行维修。

优化电缆的布置方式， 使电缆远离侧壁布置， 对比 电缆表面、 人员站立呼吸面以及舱室断面平均温度， 显 示改变电缆布置可以使得通风散热的效果得到明显 改善。

参考文献
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地铁设计规范(GB50157-2013)[M]. 北京:中国建筑工业出版 社,2014.
t =20℃ t =20℃ q =0
q =0
入户支管敷设方式 30mm 橡塑保温明装敷设
不保温明装敷设
裸管温暗埋敷设
管道热损失/W/m 4.35
22.36 63 热损失率/%
16.45%
21.85%
39.96%
郭卫星等： 高层住宅集中 -分散太阳能热水管路热损分析
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