本发明涉及管廊或隧道排热通风技术领域，尤其涉及一种考虑壁面传热的综合管廊排热通风设计方法。
背景技术：
综合管廊属封闭型地下构筑物，废气的沉积、人员和微生物的活动都会造成沟内氧气含量的下降，另外沟内敷设的gil电缆等管线在运营时会散发大量热量，因此整个综合管廊必须设置通风系统。关于综合管廊的排热通风的合理性，一般是通过规范来定性判断。
当前规范关于排热通风的设计主要针对具有独立分区、通风区间为百米级的常规管廊，无法准确考虑长期作用下周围土体与管廊间的相互传热作用，管廊内温度梯度，以及舱内管线及支架对温度场与速度场的影响。另外，不同设计阶段的综合管廊设计所关的排热通风设计点是不同的。亟需提供考虑壁面排热作用的排热通风分析的通用分析方法，从而消除规范定性设计可能导致的安全隐患与不经济性。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种考虑壁面传热的综合管廊排热通风设计方法，消除了规范定性设计可能导致的安全隐患与不经济性。
考虑壁面传热的综合管廊排热通风设计方法，，所述方法包括：
s1：基于相关规范给出所述综合管廊的排热通风量，根据所述综合管廊的排热通风量设计所述综合管廊的排热通风系统。
s2：建立所述综合管廊的一维分析模型，并对所述s1中的所述综合管廊的排热通风系统进行排热分析，对所述综合管廊的排热通风系统参数进行修改。
s3：根据s2中的所述综合管廊的排热通风系统、基于计算流体力学软件openfoam建立所述综合管廊的三维节段模型，建立所述综合管廊的三维节段模型的温度场、速度场、湿度场，对所述综合管廊内的设备相关问题进行分析。
根据本发明的一个实施例，所述s2中的对所述s1中的所述综合管廊的排热通风系统进行排热分析，包括：
对所述s1中的所述综合管廊的排热通风系统进行短期排热分析，包括：将s1中的所述综合管廊的排热通风系统在不同季节气候下进行排热分析。
以及对所述s1中的所述综合管廊的排热通风系统进行长期排热分析，包括：针对不同年限得到所述不同年限下的所述综合管廊内的温度、湿度、速度沿廊的分布，以及所述综合管廊壁面温度随所述不同年限的变化；通过分析所述综合管廊的排热通风系统在不同季节气候下的排热，以及其相关排热关系，得到所述综合管廊的舱壁与土体的排热量，从而调整通风排热系统参数。
根据本发明的一个实施例，所述s2中的一维模型将所述综合管廊的隧道材料从所述综合管廊内壁到所述综合管廊外壁的排列分别为：混凝土、间隙、合成pvc、土壤。
根据本发明的一个实施例，所述将s1中的所述综合管廊的排热通风系统在不同季节气候下进行排热分析，包括对所述综合管廊的排热通风系统的夏季本期模式分析、对所述综合管廊的排热通风系统的夏季远期模式分析、对所述综合管廊的排热通风系统的冬季本期模式分析、对所述综合管廊的排热通风系统的夏季异常远期模式分析、对所述综合管廊的排热通风系统的过渡季节本期模式分析、对所述综合管廊的排热通风系统的过渡季节远期模式分析。
根据本发明的一个实施例，所述综合管廊的排热通风系统参数，包括：排风口流量、温度曲线与小时变化率。
本发明方法适用于所有综合管廊或隧道排热通风设计，特别是针对非常规的综合管廊或隧道。方案阶段快速评估管廊的设计能力，且考虑管廊坡度与温度梯度的影响；在初步设计阶段得到舱壁在不同通风量与温度下的壁面排热通风量，从而进一步的通风方案进行调整优化；在深化设计阶段对特定关键断面进行三维模型进行分析，以考虑电缆与支架对舱内温度场与速度场的影响，消除规范定性判断可能导致的安全隐患与不经济性。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本公开实施例的所述综合管廊排热通风的设计方法流程图；
图2是根据本公开实施例的所述gil舱排气通风系统示意图；
图3是根据本公开实施例的所述6种工况下管廊不同位置的温度辩护曲线图；
图4是是根据本发明公开实施例的所述管廊传热模拟的边界条件示意图；
图5(a)是根据本发明公开实施例的所述gil舱内不同位置最高空气温度在第1年、第10年、第30年的变化曲线图；
图5(b)是根据本发明公开实施例的所述gil舱舱内不同位置最高壁面温度在第1年、第10年与第30年的变化曲线图；
图5(c)是根据本发明公开实施例的所述gil舱内在第1年、第10年、第30年的相对湿度的变化曲线图；
图6(a)是根据本发明公开实施例的所述gil舱典型位置bk2+070处最高气温度随时间的变化曲线图；
图6(b)是根据本发明公开实施例的所述gil典型位置壁面温度随时间的变化曲线图；
图7(a)是根据本发明公开实施例的所述gil表面温度分布示意图；
图7(b)是根据本发明公开实施例的所述典型gil管廊入口、中部与出口断面的温度分布示意图；
图7(c)是是根据本发明公开实施例的所述gil管廊入口、中部与出口断面的速度分布示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明方法适用于所有综合管廊或隧道排热通风设计，特别是针对非常规的综合管廊或隧道。本发明方法可在方案阶段快速评估管廊的设计能力，且考虑管廊坡度与温度梯度的影响；在初步设计阶段得到舱壁在不同通风量与温度下的壁面排热通风量，从而进一步的通风方案进行调整优化；在深化设计阶段对特定关键断面进行三维模型进行分析，以考虑电缆与支架对舱内温度场与速度场的影响。本方法可消除规范定性判断可能导致的安全隐患与不经济性。
以武汉江夏区谭鑫培路地下综合管廊作为实际案例给出本发明的最佳实践案例。
武汉市江夏区谭鑫培路地下综合管廊位于武汉市江夏区，综合管廊起点端为武昌大道，终点为花山大道，由武昌大道至花山大道(由西向东)分为起点端gil单舱、综合管廊主舱(包括gil舱、综合舱及高压电缆舱)、终点端gil单舱。综合管廊主舱起点为武昌大道东侧)武昌大道与谭鑫培路交汇处，然后向东沿谭鑫培路北侧绿化带布置，途经古驿北路交叉口、文化大道交叉口，终点位于谭鑫培路与阳光大道交汇处，长度约为2.29km。起点端gil单舱沿武昌大道东侧布置，将500kv夏凤i、ii回架空线路引入gil单舱，长度约为0.145km；终点端gil单舱沿江夏大道北侧向东敷设至金龙大街，随后沿金龙大街南侧继续向东延伸至花山大道交叉口，再沿花山大道西侧往南延伸与就近的铁塔相连，长度约为3.8km。表1为综合管廊的横截面典型尺寸，如表1所示。
表1综合管廊的横截面典型尺寸
短期模拟期间将施加14天(336小时)相应夏季、冬季与过度季节设计条件数据，即恒定温度和相对湿度，该参数不受环境条件的季节性变化的影响。该模拟可以快速评估隧道的通风能力，一般在方案设计时使用。短期分析分析中不同季节采取的气象参数主要有：1)过渡季节的平均气温为16.6℃，室外热计算温度为-0.3℃；2)冬季户外通风计算温度为3.7℃，冬季空调室外计算温度为-2.6℃，冬季空调室外计算相对湿度为77％；3)夏季空调室外计算干球温度为35.2℃，夏季空调室外计算湿球温度为28.4℃，夏季通风室外计算温度为32.0℃，夏季通风户外相对湿度为67％，夏季空调室外计算平均每日温度为32.0℃。长期模拟将基于典型年气象数据进行长期模拟，用于通风系统排热分析的深化阶段。长期模拟的天气数据来自energyplus数据库中武汉市年小时数据，如图5所示。长期模拟将考虑gil舱30年(262800小时)的时间范围的，尤其侧重于第1年，第10年和第30年。由于这是一项长期研究，其结果受环境条件的季节性变化影响，长期分析使用了从湖北省武汉市获得的1年小时天气数据。
图1为根据本公开实施例的所述综合管廊排热通风的设计方法流程图，包括：
s1：基于相关规范给出所述综合管廊的排热通风量，根据所述综合管廊的排热通风量设计所述综合管廊的排热通风系统。
gil舱内gil管道为双侧2回布置，每侧一回，每回3相，共6相。gil舱正常工况为2回(6相)同时运行；n-1工况为1回(3相)运行，一回停运。
表2gil舱的发热量
综合舱内布置有一根dn1000m给水管道，35kv、10kv及0.4kv电缆，动力电缆，通信电缆等缆线。本期规划为2回35kv电缆与4回10kv电缆；远期规划为2回35kv电缆，16回10kv电缆与10回0.4kv电缆。
表3综合舱的发热量
高压电缆舱内的缆线均为远期规划，本期无缆线。远期缆线规划情况为2回220kv电缆与4回110kv电缆。
表4高压舱的发热量
gil舱本体位于地下，属于封闭的构筑物，本身空气流通不畅，且走势平坦，采用自然通风方式难以满足通风要求，故采用自然进风、机械排风的通风方式来排除舱内余热。综合考虑舱内风速、地面情况以及谭鑫培路段综合管廊的综合舱和高压电缆舱进、排风塔的布置情况，将gil舱划分为10个通风区间。单个通风区间的通风方式为沿廊纵向通风，通风区间的一端进风、另一端排风，相邻两个通风区间的进风(排风)合用一个进风塔(或排风塔)，为保证通风阻力的平衡，排风塔两端的通风区间长度尽量保持一致。每个通风区间配置2台，即每个通风塔处配置4台。如图2所示，gil舱排气通风系统示意图。
表5gil舱进排风口布置
表6gil舱排热通风量
综合舱划分了长度不等的13个防火分区，单个防火分区的长度不超过200m，防火分区之间通过防火门隔断。单个通风区间的通风方式为沿廊纵向通风，通风区间一端进风、另一端排风，单个通风区间与其防火分区规划一致，相邻两个通风区间的进风塔(或排风塔)合用，同时合用的进风塔(或排风塔)内用防火隔墙进行分隔，各通风区间的进风(排风)彼此独立，互不影响。各通风区间按远期规划配置3台相同风机，本期安装1台，单台风机的排风量能够满足本期排热通风、平时通风及事故后通风所需风量。
表7综合舱进风口与排风口位置
表8综合舱排热通风量
整个高压电缆舱防火分区的划分与综合舱同步。各通风区间按远期规划配置3台相同风机，本期安装1台，单台风机的排风量能够满足本期排热通风及平时通风所需风量。
表9高压舱进排风口布置
表10高压电缆舱排热通风量
在建立一维分析建模过程中进行了如下假定：首先，隧道中的气流不会在整个长度上相互混合，且任何隧道都没有分叉；其次假设每个舱室的横截面面积在每条隧道的整个长度内保持不变，隧道内混凝土墙壁的粗糙度取为3mm。
s2：建立所述综合管廊的一维分析模型，并对所述s1中的所述综合管廊的排热通风系统进行排热分析，对所述综合管廊的排热通风系统参数进行修改。
图4给出了gil舱的一维分析模型，图中相关参数为夏季n-1模式下的通风量。其中，隧道衬砌材料的厚度从内到外分别为混凝土(0.4m)、间隙(0.01m(接触电阻))、合成pvc(0.05m(隧道隔离))与土壤厚度(10m)。将采用该模型进行短期与长期分析。
表12给出了6种工况下各个区间的空气小时变化率(airchangeperhour,简称ach)与通风量。从表4中可以看出，在正常模式下，除冬季第7通风区间的ach刚好满足2次每小时的设计要求外，其他工况的ach达到3次及以上，特别是过渡季节，可对过渡季节的风机进行进一步的优化。在异常n-1模式下，ach在夏季与过渡季节都能满足6次以上的设计要求，但是冬季的最小ach为5.2次，比设计要求的6次偏低可适当增大冬季情况异常模式的通风量。
表12短期分析不同通风区间的小时空气变化率与流量
图3给出了6种工况下管廊不同位置的平均温度。从图中可以看出，夏季工况下廊内温度介于30℃与40℃之间，且夏季正常模式的最高温度达到39.4℃。考虑到武汉夏季极端情况下的最高温度会高于分析时的32℃，需要通过长期分析对该问题进行进一步的校核。
上述分析结果显示，参考规范排风公式设计的通风系统基本上可保持gil舱内满足温度不超过40℃，隧道内的空气温度可以在正常和n-1操作中控制。。除冬季正常模式外，其他工况的排风量能够满足排热通风要求。主要是由于隧道斜坡会导致隧道内的堆叠效应以及温度梯度导致的烟囱效应，降低某些隧道区段的目标通风率，需要引起设计上的重视。为了克服这种影响，在冬季正常运行期间激活额外的风扇，即在排风口2(mk1+830)、排风口3(bk0+370)与排风口3(bk3+255)额外启动一个风机，即需要开启两个风机，另外两个排风口只需开启一个风机。
高压舱与综合舱的通风区间相同，其一维模型与综合舱类似，综合舱、高压舱采用与gil舱类似的分析方法。
根据综合舱的短期排热工况分析，得到各个工况的排风口流量参数、温度曲线与小时变化率。综合舱的短期排热工况包括：夏季本期模式、夏季远期模式、冬季本期模式、夏季异常远期模式、过渡季节本期模式(春季、秋季)、过渡季节远期模式(春季、秋季)。
分析结果表明当前的排风通风方案能够满足排热通风要求，可进一步优化，特别是冬季与过渡季节的排风策略。
由于高压舱与综合舱的通风区间相同，其一维模型与综合舱类似。可得到相应的短期分析初步结果。
分析结果表明当前的排风通风方案能够满足排热通风要求，可进一步优化，特别是冬季与过渡季节的排风策略。
武汉隧道分析下列层被假定用于分析。各层示意图如下所示。
混凝土：厚度0.4米；绝缘材料：厚度0.01；土壤：无限大地基。
假定程序中的最后一层具有无限长度并与地面温度相互作用，该地面温度是根据土壤温度和地表下方隧道的深度计算的。在模拟过程中，土壤温度接近表面水平作为输入，假设为16.6℃，这是武汉地区的年平均温度。
ida隧道使用综合建模方法进行传热。这些方程组合在一起作为常微分方程组，并在时间上使用后向欧拉方法求解。
d·(tn-tn-1)/δtn＝k·tn+qn(2)
其中，
tn＝tn时刻的节点的矢量温度(tr或tz)(℃)
d＝热容量的对角矩阵
k＝三对角矩阵，离散传导/平流算子
δtn＝tn-tn-1＝时间步长(秒)
qn＝tn时刻的来源矢量
通过组合传热方程求解隧道内热平衡，可以计算得到每个时间步长的传热量。虽然不可能通过对流和传导获得不同的热量分数。通过对流公式可以计算通过隧道内流动所获取热量：
其中，
q:传递到隧道内流体的热量(kj)
cp:空气比热容,kj/kg.k
δt:温差,k
图5(a)、图5(b)、图5(c)分别给出了gil舱内不同位置最高空气温度、最高壁面温度与相对湿度在第1年、10年与30年夏的变化规律。结果表明，相对湿度没有超过70％，满足设计要求；壁面最高温度小于场内空气最高温度，且舱内空气最高速度超过40℃的设计值。主要是由于武汉地区在夏季极端天气下室外温度超过37℃，且每年大约有10天这样的天气。若在每个排风口继续使用4个风扇中的3个，可保证30年内98.11％的时间内舱内最高温度不超过40℃的设计值。考虑设备使用的耐久性与安全性，建议使用额外的可用风扇容量，在规定的时间内将隧道温度恢复到可接受的限度。通过分析，在该极端天气内，每个排风口中的4各电扇全部开启，可以将30年内的隧道内空气最高温度不超过39℃。
图6(a)、图6(b)分别给出了典型位置bk2+070处最高空气温度与舱内壁面温度随时间的变化与典型位置壁面温度随时间的变化。从图中可以看出，隧道空气和壁温升高在运行的前5-6年最为显着，并在30年的剩余时间内保持稳定。
表14给出了gil舱中夏季最热一天空气中排出的热量百分比，可以看出土体传递了约40％的热量。表15与表16分别给出了综合舱与高压舱的对流传热率。从表中可以看出，传热的关键因素是通风速度，随着通风速度的增加，更多的热量通过排风排出。应该注意的是，舱壁与周围土体的地面温度等于年平均温度，因此从墙壁到地面存在恒定的热连接，这取决于隧道通风速度，释放约10-40％的热量。gil管廊内的空气温度在夏季时比廊壁温度要高，而在冬季时要比廊壁温度要高。故在夏季时廊壁与周围土体将吸收管廊内的热量，在冬季时廊壁与土体将向管廊空气排出热量，即实际上冬季通风是可以将部分夏季蓄的热带走的。正因为廊壁与周围土体夏季吸热与冬季排热的共同作用导致廊壁的最高温度在10年以后保持稳定。基于已有的研究成果，管廊内若不进行通风排热，对应大负荷的管廊，最终的温度会远远超过40度的设定值。
表14gil舱夏季最热一天过排风对流排出的热量
表15高压舱夏季最热一天过排风对流排出的热量
表16综合舱夏季最热一天过排风对流排出的热量
s3：根据s2中的所述综合管廊的排热通风系统、基于计算流体力学软件openfoam建立所述综合管廊的三维节段模型，建立所述综合管廊的三维节段模型的温度场、速度场、湿度场，对所述综合的管廊内设备的相关问题进行分析。
本发明采用openfoam软件对管廊的gil、综合舱、高压舱进行三维模型的模拟。
openfoam是一个完全开源的软件，同时广泛用于不可压缩的低马赫数流域中。openfoam中包含的经典cfd工具都是有限体积方法，并且可以使用rans和les的各种湍流模型。reactingfoam(openfoam4.0)是针对于不同种类，化学反应，传热和变化的热力学属性的求解器。在此工程应用中，求解器被重新编译，可以输出密度，在使用中关闭了化学反应的方程式。模型选择rans标准k-ω-sst湍流模型，因为它可以更好的描述流动过程。计算采用瞬态计算，假定流动为不可压缩流动，采用有限体积法建立离散方程。求解方案中，对于时间，选用euler一阶离散；所有对流和粘性项都是二阶精确离散化的,使用gaussupwind或者gausslinear。
以gil舱为例，显示了代表性部分三个部分的温度场与速度场。其中，图7(a)给出了gil表面温度分布。从图中可以看出，gil管线表面的最高温度没有达到70℃，满足设计要求。底部gil管线表面温度最低，而顶部gil管线表面温度较高。图7(b)典给出了典型gil管廊入口、中部与出口断面的温度分布。从图中可以看，gil管线会加热管线周围的空气，导致gil附近的流动气体温度达到44℃。底层gil管线附近气体温度较低，而上层gil管线附近气体温度较高。其原因是由于温度梯度的存在，从而导致热空气由于浮力作用而上升，气流撞击低温上壁面因失去热量而变冷。
图7(c)给出了gil管廊入口、中部与出口断面的速度分布。从图中可以看出沿隧道长度方向有一个高速的中心区域，而在gil线和隧道墙之间的区域中，存在较低的风速区域。由于隧道壁面及管线支架的摩擦耗能作用，gil管线与舱壁之间区域的风速较小，中心区域流速较高，这与空气动力学理论是一致的。需要注意的是烟囱效应与壁面的导热作用会对温度场分布产生影响，特别是低通风量的情况下，需要在设计时予以考虑。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元或模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元或模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元或模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元或模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元或模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元或模块可以集成在一个处理单元或模块中，也可以是各个单元或模块单独物理存在，也可以两个或两个以上单元或模块集成在一个单元或模块中。上述集成的单元或模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元或模块的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。