城市电缆隧道发热量及通风量的计算分析.pdf
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?
通?
风?
收稿日期:
2010-09-02作者简介:
彭金龙（1967?
）,男,工程师,E-mai:
lpeng_jinlong。
城市电缆隧道发热量及通风量的计算分析彭金龙,吴?
炜（中铁二院工程集团有限责任公司地下铁道设计研究院,成都?
610031）摘?
要:
通过对电缆发热量的计算分析,结合城市电缆隧道通风需要满足的几种运行工况,给出城市电缆隧道通风量的计算办法,指出设计时应注意的事项,以期对类似工程具有参考价值。
同时,通过对城市电缆隧道通风系统有关方面的探讨,希望起到抛砖引玉的作用,共同完善城市电缆隧道的通风设计。
关键词:
城市电缆隧道;运行工况;发热量;通风量计算中图分类号:
TM726?
4;U231+?
5?
文献标识码:
A文章编号:
1004-2954（2010）S2-0070-03目前,现代城市中的高压输电线路,考虑到城市规划、景观、安全及维护管理方便等的需要,越来越多地采用地下电缆隧道进行电缆敷设,图1给出了广州某地目前采用电缆隧道进行电缆敷设的一个工程实例。
图1?
电缆隧道实景?
从图1可以看出,电缆隧道内布置有各种电压等级的动力、照明、控制电缆,在运行中会散发出一定的热量,导致隧道内温度升高,如果隧道内温度过高,会加速电缆外表面绝缘层的老化,电缆载流量也会下降,从而影响工艺性能1。
文献12指出电缆隧道的发热量大于150W/m时才有通风要求,通过对已投入使用的部分城市电缆隧道的实际调查,笔者发现隧道内霉味较重,空气品质较差,不满足巡视人员的劳动卫生条件,而现场也设有通风设备,分析原因,主要是隧道内电缆发热量远小于设计计算值,风机长期不运行所致;部分工程甚至还将原来设计安装的中型离心风机箱拆除后换成普通小型轴流风机,给工程造成了浪费。
因此,研究如何正确计算城市电缆隧道通风量就显得非常必要,而通风量的计算自然引出针对隧道内电缆发热量如何确定这一客观问题。
1?
城市电缆隧道发热量计算1?
1?
传统电缆发热量的计算通过对既有工程的实际调研得知:
部分工程计算电缆发热量时,采用有内热源的多层圆筒壁一维稳态导热公式3,图2给出了目前高压电缆110kV采用的断面示意图。
电缆发热量按下式计算图2?
交联聚乙烯绝缘电力电缆断面?
Q=t1-t012?
lr1a1+?
nj=112?
jlnrj+1rj+12?
lr0a0
（1）式中?
Q?
电缆散热量,W;l?
电缆的长度,m;?
i?
第i层材料的导热系数,W/（m?
）;ri?
第i层材料的半径,m;t1?
电缆导体的温度,?
;t0?
隧道内部温度,?
;?
0?
电缆表面对流换热系数,W/（m2?
）。
计算时,电缆导体温度取值为电缆导体允许的长期最高工作温度90?
电缆表面温度取值为电缆隧道内的设计温度40?
电缆的结构参数和各层材料的导热系数按照厂家提供的数据取值,比如标称截面800mm2的电缆导体直径约34?
0mm、绝缘厚度约16?
0mm、皱纹铝套厚度约2?
0mm、护套厚度约4?
5mm、电缆外径约100?
0mm等,而护套和绝缘的导热系数约为0?
2857W/（m?
）。
按此条件计算单根电缆每米的发热量约49W,相当于电缆有约1500A载流量。
很显然,电缆的载流量是随着用户端的使用情况不断变化的,也就是说,具体工程电缆导体的温度也是在不断变化,但电缆导体的温度很少能够到达90?
简单地把电缆导体的温度取值为电缆导体允许的长期最高工作温度明显与实际情况不符,这样计算的结果就会导致风机选择偏大。
由于电缆导体的温度难于获得,表70铁道标准设计?
RAILWAY?
STANDARD?
DESIGN?
2010（增刊2）彭金龙,吴?
炜?
城市电缆隧道发热量及通风量的计算分析?
通?
风?
面对流换热系数影响因素也很多,因此,不宜用有内热源的多层圆筒壁一维稳态导热公式进行电缆发热量计算,但该公式对于确定不同敷设方式下电缆的允许载流量是非常适用的。
1?
2?
针对电缆发热量的计算分析城市电缆隧道是一个相对封闭的空间,关于它的散热研究,无论是试验还是数值模拟都很少。
地下电缆隧道通风设计应排除隧道内聚集的热量,营造一个适宜的运行环境。
分析电缆隧道内的传热情况,由于电缆导体存在电阻,只要电缆内有电流通过导体就会发热,导体发热导致其温度升高,使电缆内外形成温差,有了温差就会使导体产生的热量通过绝缘层、护套层等传导到电缆表面,再通过辐射传热和对流换热等方式将热量散发到隧道,由于电缆表面温度不会太高,电缆散热主要是对流换热。
不同工程电缆在隧道内的排列方式不同,要准确地确定电缆表面的对流换热系数也是很困难的,同时,随着电缆导体温度的变化,导体的电阻率也会发生变化,通过同样的电流,导体的发热量也可能会有所区别。
因此,电缆隧道内部散热计算非常复杂,要非常准确地计算电缆发热量是很困难的,作为工程设计而言也是没有必要的。
由能量守恒原理可知,无论隧道内怎样传热,电缆的发热量最终都会散发到隧道中,因此电缆隧道的热量,笔者建议通过以下公式进行计算。
（1）母线发热量计算单束母线每米发热量的计算1q1=I2?
A
（2）式中?
q1?
母线散热量,W/（m?
根）;I?
通过母线的电流（载流量值,取该截面能承受的最大值）,A;A?
母线的横断面积,m2;?
设计温度时的母线电阻率,?
m。
母线总散热量计算1Q1=q1LC1n（3）式中?
Q1?
母线总散热量,W;L?
计算电缆的长度,m;C1?
电缆散热损失系数,0?
90;q1?
单束母线每米散热量,W/（m?
根）;n?
电缆回程数（束量）。
（2）电缆发热量计算1条n芯（不包括不载流的中性线和PE线）电缆的热损失功率2PR=nI2?
L/A（4）?
隧道内N条n芯（不包括不载流的中性线和PE线）电缆的热损失功率P=K（PR1+PR2+?
+PRN）（5）式中?
P?
电缆的热损失功率,W;n?
一条电缆的芯数;I?
一条电缆的计算负荷电流,A;?
电缆运行时平均温度为60?
时的电缆芯电阻率,对于铝芯电缆为0?
033?
10-6?
m,对于铜芯电缆为0?
020?
10-6?
m;L?
电缆长度,m;A?
电缆芯截面,m2;K?
电流参差系数,取0?
850?
95。
由于电流通过电缆的损失基本转换为热量散发到隧道当中,因此,电缆的热损失功率可以直接看作电缆的发热量。
关于电流量I在?
火力发电厂、变电所电缆敷设设计技术规定?
中说明如下:
电缆的允许持续电流应按各种敷设方式校验或修正,一般需考虑电缆线路的散热条件（如多回路并行敷设、直埋时的土壤热阻系数）、环境温度（户内敷设时需计入实际发热对气象温度的影响）;单芯电缆还应考虑三相排列及护层接地方式的影响（即考虑集肤效应和邻近效应）。
电气一次线专业人员在进行电缆选型计算时都会考虑不同敷设方式对电缆载流量的影响,因此,通风设计人员切不可按照电气相关手册的电缆允许载流量作为计算输入条件,电流量I必须由工艺专业向本专业提供,对于双回路供电,还需要考虑N-1工况的发热量,同时,对于工艺专业提供的数据还需要进行复核,避免经过主变压器出来的所有回路的输送功率比主变压器容量还大很多的情况出现。
（3）电缆隧道内除了各种电压等级的电缆电线外,还有灯具、水泵、风机（只计算送风机）、配电柜、变压器等,这部分的发热量计算在相关手册中均可找到计算方法;对隧道与大地之间的热量交换,可以按照人防规范附录执行。
因此,电缆隧道的综合得热量可以表述为Qz=（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8）/1000（6）式中?
Qz?
隧道内综合得热量,kW;Q1?
母线总散热量,W;Q2?
电缆总散热量,W;Q3?
灯具总散热量,W;Q4?
水泵总散热量,W;Q5?
风机总散热量,W;Q6?
配电柜总散热量,W;Q7?
变压器总散热量,W;Q8?
围岩总散热量,W。
71铁道标准设计?
RAILWAY?
STANDARD?
DESIGN?
2010（增刊2）?
通?
风?
彭金龙,吴?
炜?
城市电缆隧道发热量及通风量的计算分析当隧道内温度小于围岩温度时,围岩总散热量为正,反之,当隧道内温度大于围岩温度时,围岩总散热量为负。
由于隧道内平时无人,而巡视人员的发热量占隧道内部发热量的比例极小,作为工程设计可以忽略。
2?
城市电缆隧道通风量的计算结合电缆隧道内所需一定的环境温度要求以及人员维护检修需要,分析电缆隧道的通风需求,机械通风系统设计需要满足以下4种运行工况。
（1）排热工况:
排除隧道内的发热量,同时满足工艺对环境的要求而进行必要的通风。
（2）巡视工况:
为了方便运营维护人员到隧道内巡视及维修,需使隧道内空气质量满足劳动卫生要求而进行的通风。
（3）换气工况:
为维持隧道内的基本空气品质,排除隧道内的异味而进行的通风。
（4）灾后通风:
当隧道内发生火灾,采取密闭灭火的方式,人工确认火灾熄灭后,为排除隧道内烟气而进行的通风。
下面就以上4种工况风量的计算分析如下。
（1）排热、巡视通风量计算G=Qzc?
（ter-tin）式中?
G?
排热所需通风量,m3/s;Qz?
隧道内综合得热量,kW;c?
比热容,c=1?
01kJ/（kg?
）;?
平均空气密度,kg/m3;ter?
排风温度,根据不同工况选取;tin?
进风温度,按照当地室外通风计算干球温度进行选择。
（2）换气通风量计算电缆隧道会散发异味（SF6）。
同时,长期不通风会使隧道内的空气发生霉变,不利于保障运营人员的劳动卫生条件。
因此,必须维持隧道内空气品质在一定的水平,针对电缆隧道而言,目前未有相关规范和技术手册对此值进行规定,建议参照规范4暂按大于1次换气次数计算换气风量。
（3）灾后通风量计算电缆隧道火灾时采用密闭灭火,灭火后对隧道进行通风,排除隧道内的烟气,以便进入人员进行灾后恢复工作,笔者将这个通风叫做?
灾后通风?
是为了与?
事故通风?
进行区别,因为事故通风是用于排除或稀释生产房间内发生事故时突然散发的大量有害物质、有爆炸危险的气体或蒸气的通风方式4,进行事故通风的目的主要是为了在发生事故时快速排除或稀释有毒有害物质,避免事态进一步扩大4,以保障人员和/或财产安全,该通风量要求每小时大于12次换气次数4。
灾后通风量未有专门的规范给出此值,规范5第6?
0?
4条?
灭火后的防护区应通风换气,地下防护区和无窗或设固定窗扇的地上防护区,应设置机械排风装置,排风口宜设在防护区的下部并应直通室外。
通信机房、电子计算机房等场所的通风换气次数应不小于每小时5次?
。
分析灾后通风的功能需求知道,灾后通风量的大小与要求恢复生产的时间紧迫性密切相关,时间要求越短,则通风量需求越大,时间要求越长,则通风量需求越小,同时,要考虑尽量利用平时的通风系统,不宜过多的增加投资。
因此,笔者建议直接取值为巡视通风量和换气通风量的最大值。
风机风量的选择就取上述风量中的最大值。
为了节省运行费用、提高系统的安全性,风机尽量采用2台并联,既可以实现不同工况下的风量需求,也可以满足一台风机出现故障,另外一台可以暂时兼用所需。
具体风机选型应经过技术经济比较后确定。
3?
探讨我国城市电缆隧道逐渐增多,如广州、武汉、重庆、深圳等等地方也越来越多的利用电缆隧道进行电缆敷设,但关于城市电缆隧道通风设计的相关研究和报道却并不多见,现有的规范和手册并未对城市电缆隧道的通风设计进行系统性的规定,致使设计人员在进行工程设计时无章可循,对一些问题感到疑惑。
对前面提到的隧道内霉味较重,空气品质较差,我们在实际工程设计时增加了换气工况模式,期望能对隧道内部的空气品质有所改善。
文献1,6提出电缆隧道与围岩的传热量按照电缆隧道内部总发热量的30%估算的方法对于城市电缆隧道而言也值得商榷,不同的项目,隧道内部的发热量和隧道与围岩的换热量差异较大,简单采用一个固定的比例进行估算容易导致计算结果严重偏离。
此外,针对北方寒冷地区,由于室外气温较低,为防止电缆隧道内进入大量室外冷空气而引起给水管道冻结和隧道内部结冰,建议参照规范7要求,控制电缆隧道内的温度不低于5?
0?
即校核冬季通风量,根据全年通风量需求进行风机配置,并在控制模式中增加相应控制参数。
4?
结语本文根据城市电缆隧道的特点需求,重点介绍及探讨了电缆隧道内发热量、通风量的计算等方面的内容,以期对类似工程具有参考价值。
同时,通过对城市电缆隧道通风系统有关方面的探讨,希望起到抛砖引72铁道标准设计?
RAILWAY?
STANDARD?
DESIGN?
2010（增刊2）?
通?
风?
玉的作用,共同完善城市电缆隧道的通风设计。
参考文献:
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中国电力出版社,2005:
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2003,地铁设计规范S.收稿日期:
2010-09-02作者简介:
冯?
炼（1964?
）,女,教授,博士,E-mai:
l。
节能型屏蔽门系统换气量计算分析冯?
炼1,李?
鹏1,邓保顺2,刘?
江2（1?
西南交通大学机械工程学院,成都?
610031;2?
中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安?
410043）摘?
要:
屏蔽门上设置可控风口的节能型屏蔽门系统具有在空调季降低公共区冷负荷而非空调季节又能利用活塞风对车站进行通风换气的优点。
采用一维和三维相结合的数值模拟方法,对该节能型屏蔽门系统进行了模拟计算和分析,采用瞬态数值模拟方法对车站远期3种列车运行工况进行了计算分析,并从稀释CO2浓度角度校核了站台站厅的换气量。
结果表明该3种列车运行工况下车站换气量均能满足地铁规范要求,具有较好的节能效果,为其实际推广应用提供了理论依据。
关键词:
节能型屏蔽门;换气量;节能;活塞风;数值模拟中图分类号:
U231+?
6?
文献标识码:
A文章编号:
1004-2954（2010）S2-0073-03地铁列车在运行过程中所产生的活塞效应及其活塞风,对地铁环控影响复杂。
活塞效应不需要其他任何形式的能量输入,依靠列车自身的空气动力学效应,进行空气流动和循环1,活塞风通过站台和出入口引进新风可降低公共区温度及保证通风换气量,是降低地铁能耗的重要影响因素之一。
在开式系统和节能型屏蔽门系统中可以利用这种不需要附加动力的空气流动形式对地铁隧道进行通风换气。
本文中提到的节能型屏蔽门系统在非空调季节关闭了车站公共区的通风系统,旨在完全利用设置在屏蔽门上的可控风口引进活塞风来加强车站的通风换气。
由于乘客在站厅和站台只是通过和短暂的停留,所以温度场、速度场按过渡性舒适要求考虑。
计算流体力学CFD的发展,使得在地铁环控系统设计中采用CFD技术预测气流组织、优化设计方案成为可能。
为了保证车站内的空气品质以及地铁规范关于地下车站空气质量的要求,本文以西安地铁2号线北苑站为具体对象进行了三维瞬态数值模拟,主要对车站换气量进行了的分析。
1?
模型建立与分析方法1?
1?
工程概况北苑站为明挖地下二层岛式站台车站,站厅层公共区面积1219m2,站台层公共区面积1030m2,本站共设置4个人员出入口,车站纵剖面见图1所示。
根据一般地铁工程典型车站通风季节所需的通风量以及风口风速,并综合屏蔽门门体结构形式等因素综合考虑后初步分析确认,车站每侧站台屏蔽门可设置的百叶风口的最大面积约为15m2。
图1?
车站纵剖面（单位:
mm）1?
2?
模型的简化由于地铁车站结构庞大,内部空气流动复杂,如果按瞬态来模拟全尺寸的三维流动,问题将十分复杂,而73铁道标准设计?
RAILWAY?
STANDARD?
DESIGN?
2010（增刊2）
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