戴波 郭賢珊 鄧曉 郭美晨

1西南電力設(shè)計(jì)院股份有限公司

2國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓建設(shè)部

3重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

0 前言

在我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站的直流場(chǎng)形式在過(guò)去多采用戶外布置，隨著直流輸電的電壓等級(jí)不斷提高，直流的靜電吸塵效應(yīng)愈加明顯，設(shè)備在直流電壓下的積污遠(yuǎn)比在交流電壓下嚴(yán)重[1]，特高壓換流站直流場(chǎng)采用戶內(nèi)形式是必然趨勢(shì)[2]。

戶內(nèi)直流場(chǎng)建筑空間體積大，室內(nèi)散熱量也很大，為維持相對(duì)穩(wěn)定且合適的室內(nèi)溫濕度環(huán)境，必然導(dǎo)致其具有大量的暖通系統(tǒng)能耗[3]。在對(duì)高大空間建筑進(jìn)行暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行調(diào)控方式，會(huì)對(duì)系統(tǒng)保障與能耗都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。目前，CFD計(jì)算流體模擬技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，利用CFD軟件預(yù)測(cè)仿真室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布情況，從而得知設(shè)計(jì)方案的效果優(yōu)劣，這對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及減少系統(tǒng)能耗等方面都具有重要的指導(dǎo)作用[4]。

因此，本文對(duì)戶內(nèi)直流場(chǎng)這一特殊類型建筑物的室內(nèi)溫度環(huán)境控制技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性研究，分別提出了全程通風(fēng)系統(tǒng)及通風(fēng)與空調(diào)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方案，并運(yùn)用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)兩種不同方案下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，以為今后的此類建筑或相似類型建筑的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用與參考的價(jià)值。

1 項(xiàng)目概況

本文的研究對(duì)象是位于新疆地區(qū)的某個(gè)戶內(nèi)直流場(chǎng)，建筑外形呈“L”型立方體結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)到103 m，最大進(jìn)深達(dá)81 m，高度38.5 m。新疆直流場(chǎng)為一個(gè)整體式的高大空間建筑，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性較好，外墻上無(wú)可開(kāi)啟外窗等結(jié)構(gòu)。

圖1 戶內(nèi)直流場(chǎng)外形尺寸方位圖

戶內(nèi)直流場(chǎng)室內(nèi)熱源包括部分電氣設(shè)備元件與燈光照明系統(tǒng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)熱源額定總散熱量為945 kW，具體參數(shù)情況詳見(jiàn)表1。工作區(qū)內(nèi)的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表2所示。

表1 室內(nèi)熱源散熱情況統(tǒng)計(jì)表

表2 戶內(nèi)直流場(chǎng)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 溫控系統(tǒng)運(yùn)行方案

2.1 全程通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案

根據(jù)戶內(nèi)直流場(chǎng)在各溫度區(qū)間內(nèi)的計(jì)算通風(fēng)量，考慮風(fēng)機(jī)之間的互為備用與輪換使用性，送排風(fēng)機(jī)的單臺(tái)通風(fēng)量按照2×104m3/h進(jìn)行選擇。由于送風(fēng)要經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理，并且戶內(nèi)直流場(chǎng)空間大，送排風(fēng)管道較長(zhǎng)，故應(yīng)該選擇較高全壓風(fēng)機(jī)作為送風(fēng)機(jī)，較低全壓風(fēng)機(jī)作為排風(fēng)機(jī)。查閱相關(guān)樣本資料，本文通風(fēng)方案的送排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置情況如表3所示。

表3 戶內(nèi)直流場(chǎng)通風(fēng)方案設(shè)備配置情況

2.2 通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方案

戶內(nèi)直流場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)為：送風(fēng)溫度25 ℃，送風(fēng)風(fēng)量12×104m3/h，因此溫度值25 ℃作為通風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)點(diǎn)。在室外空氣干球溫度小于25 ℃的范圍內(nèi)，室內(nèi)溫控系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案完全相同。在室外空氣干球溫度大于25 ℃時(shí)，開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案。

根據(jù)新疆地區(qū)室外空氣溫度分布情況，選擇35 ℃計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組最大制冷量，為450 kW。因此，選擇2臺(tái)額定制冷量為500 kW的高溫型螺桿式冷水機(jī)組，一用一備。當(dāng)冷凍水出水溫度為18 ℃時(shí)，額定COP為7.4。冷凍水泵，冷卻水泵與冷卻塔與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，均設(shè)置兩臺(tái)相同設(shè)備，一用一備。冷凍水泵額定流量為86 m3/h，水泵揚(yáng)程30 mH2O，水泵效率0.72。冷卻水泵額定流量為103 m3/h，水泵揚(yáng)程25 mH2O，水泵效率0.75。冷卻塔額定散熱量為550 kW。

3 室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布情況比較

本工程采用上送下回的氣流組織形式，利用Fluent軟件對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)輸出戶內(nèi)直流場(chǎng)任一空間平面上的溫度云圖，顯示室內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況。為了便于描述與觀察，在戶內(nèi)直流場(chǎng)空間內(nèi)建立XYZ三維坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 戶內(nèi)直流場(chǎng)三維空間坐標(biāo)系

本文選擇最大進(jìn)風(fēng)溫度運(yùn)行方案作為對(duì)比工況，兩種模擬工況的具體參數(shù)情況如表4所示。

表4 通風(fēng)、空調(diào)模擬工況參數(shù)

3.1 溫度場(chǎng)分布

特征截面X=21.3為平波電抗器在YZ平面的縱向中心截面具有空氣熱分層現(xiàn)象，由圖3可以看出溫度場(chǎng)呈上高下低分布狀態(tài)。圖3中，空調(diào)方案較之于通風(fēng)方案，其空間溫度增量更大，溫度分層現(xiàn)象更明顯，原因在于空調(diào)方案的送風(fēng)溫度更低、送風(fēng)量更小，故溫度場(chǎng)分布更不均勻。并且在有設(shè)備物體遮擋的區(qū)域，空氣溫度分層現(xiàn)象也更明顯。

圖3 戶內(nèi)直流場(chǎng)X=21.3特征截面溫度云圖

圖4為戶內(nèi)直流場(chǎng)Y=5特征截面在空調(diào)方案與通風(fēng)方案工況下的溫度云圖。整體看來(lái)，空調(diào)方案的空氣溫度低于通風(fēng)方案。在空調(diào)方案中，溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)以送風(fēng)口為中心逐漸向四周擴(kuò)散升溫的現(xiàn)象，而通風(fēng)方案中，整體溫度場(chǎng)分布為沿X坐標(biāo)軸正向方向空氣溫度逐漸降低的趨勢(shì)。這是由于空調(diào)方案且有更大的送風(fēng)溫差，故在剛送入直流場(chǎng)內(nèi)時(shí)送風(fēng)空氣溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)空氣溫度，故室內(nèi)空氣溫度分布不均勻性較大，出現(xiàn)明顯的空氣溫度分層現(xiàn)象。而通風(fēng)方案送風(fēng)溫差小且送風(fēng)量大，在高密度熱負(fù)荷空間區(qū)域空氣溫度更高。

圖4 戶內(nèi)直流場(chǎng)Y=5特征截面溫度云圖

3.2 速度場(chǎng)分布

圖5至圖7分別為戶內(nèi)直流場(chǎng)在X、Y、Z三個(gè)方向選擇的特征截面在空調(diào)方案與通風(fēng)方案工況下室內(nèi)空氣的速度矢量圖。可以明顯看出，空調(diào)方案室內(nèi)氣流漩渦基本出現(xiàn)在靠近壁面處，且氣流漩渦較大，方向?yàn)檠刂诿孀陨舷蛳逻\(yùn)動(dòng)，這會(huì)將上部分空間的熱空氣重新帶回至下部空間，造成熱量堆積，不能順利排出；然而在平波電抗器處空氣運(yùn)動(dòng)方向持續(xù)向上至屋頂風(fēng)口排出，且其附近無(wú)氣流漩渦。采用通風(fēng)方案時(shí)，由于室內(nèi)送風(fēng)量大，在平波電抗器表面附近風(fēng)量與風(fēng)速均更大，這可以更有效地帶走平波電抗器散發(fā)的熱量，但是對(duì)其周圍空氣存在卷吸作用，故在設(shè)備上部空間周圍形成了較大的氣流漩渦。另外，由圖7可以看出，在平波電抗器處，空調(diào)方案的送風(fēng)速度高于通風(fēng)方案，這是因?yàn)榭照{(diào)送風(fēng)量少，單位風(fēng)量吸熱量則更多，進(jìn)而空氣受熱浮升力作用更明顯，風(fēng)速加大。

圖5 戶內(nèi)直流場(chǎng)X=21.3特征截面速度矢量圖

圖6 戶內(nèi)直流場(chǎng)Z=58.9特征截面速度矢量圖

圖7 戶內(nèi)直流場(chǎng)Y=20特征截面速度矢量圖

綜上，通風(fēng)方案室內(nèi)空氣流動(dòng)性更強(qiáng)，在平波電抗器表面風(fēng)量更大，更能有效帶走設(shè)備散發(fā)的熱量，但是由于風(fēng)量過(guò)大，室內(nèi)出現(xiàn)的氣流漩渦更多，這也有不利的影響，會(huì)將室內(nèi)上部空間的熱量重新帶回下部空間。

3.3 降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

從Fluent軟件模擬結(jié)果中提取數(shù)據(jù)，得到空調(diào)方案與通風(fēng)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比情況如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可知，戶內(nèi)直流場(chǎng)采用通風(fēng)方案時(shí)，室內(nèi)溫度不均勻系數(shù)比空調(diào)方案減小了30.09%，能量利用系數(shù)提高了30.44%，說(shuō)明較空調(diào)方案具有更好的空氣分布狀況。但是直流場(chǎng)內(nèi)控制區(qū)平均溫度增加了1.3 ℃，最高溫度增加了2.2 ℃，溫度安全保證系數(shù)降低了40.02%，說(shuō)明在保證場(chǎng)內(nèi)直流設(shè)備運(yùn)行方面具有較低的安全保證性。

表5 戶內(nèi)直流場(chǎng)空調(diào)方案與通風(fēng)方案對(duì)比

3 結(jié)論

本文在夏季運(yùn)行工況，對(duì)戶內(nèi)直流場(chǎng)室內(nèi)溫控系統(tǒng)提出兩種運(yùn)行方案，全程通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行調(diào)控方案。在全程通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案中，選擇最不利運(yùn)行工況的送風(fēng)參數(shù)與空調(diào)方案送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行比較，利用CFD模擬軟件得到戶內(nèi)直流場(chǎng)在兩種送風(fēng)方案下其室內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分布，以及相應(yīng)的氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)，表明了戶內(nèi)直流場(chǎng)采用通風(fēng)送風(fēng)方案時(shí)，室內(nèi)溫度不均勻系數(shù)更小，能量利用系數(shù)更大，說(shuō)明具有更好的空氣分布狀況，但是溫度安全保證系數(shù)更低，在保證場(chǎng)內(nèi)直流設(shè)備運(yùn)行方面具有更低的安全保證性。