0引言

預裝式變電站是將變電站電氣系統(tǒng)中的主要設備在工廠內完成相關配線、調試后裝入預制艙模塊內,通過物流運輸至工程現場進行拼接組建成變電站的新型電站。其具有建設周期短,集成化高,可靠度高等諸多優(yōu)勢,在電力行業(yè)已成為一種受認可并 廣泛使用的產品,廣泛運用于10、35、110、220kv等 電壓等級變電站的建設。預制艙和預制艙內部如圖1、圖2所示。

在預裝式變電站中,由于電網企業(yè)對電能損耗不敏感,并且預制艙的熱量分析和暖通設計理論 目前也比較少,常規(guī)預制艙單體能耗往往非常高,其中占最大比例的就是暖通系統(tǒng)的能耗。傳統(tǒng)建筑行業(yè),目前國家已出臺多項規(guī)范指導性文件,詳細描述了民用與工業(yè)建筑的暖通如何設計與計算,但在預制艙行業(yè)仍是一片空白,業(yè)內人員很多還在采用多少瓦每平米制冷負荷指標來選擇預制艙的空調配置。本文提出了一種預制艙使用情況下系統(tǒng)熱平衡分析的條件設定和計算路徑,并提供對應的計算和取值方法供大家一起探討。

1 預制艙系統(tǒng)熱平衡分析的條件設定

1.1 預制艙系統(tǒng)的熱擾特性和分析方法的選取

現行的GB 50019、GB 50176和GB 50189規(guī)范分別針對工業(yè)建筑、民用建筑和公共建筑提供了相對應的熱平衡計算方法,但預制艙系統(tǒng)和上述三類建筑還是有一定的差別,某些特性對系統(tǒng)整體的影響很小,如果完全按規(guī)范的計算方法,所得結果將大大超出實際情況,因此本文對某些差異特性將進行簡化,只對核心的圍護結構換熱、新風傳熱、設備發(fā)熱量做計算。預制艙系統(tǒng)熱平衡如圖3所示,其簡化分析如下:

1)太陽輻射擾量:通過采光窗等透明圍護結構進入的太陽輻射熱量。預制艙通常不設或少設對外的窗戶,故此熱源忽略。

2)人體潛熱和顯熱擾量:預制艙通常為無人值守,且運維人員進入艙內的人數和次數往往有限,常規(guī)預制艙可忽略,若預制艙為人員集中的中控室等位置,可額外增加一定的制冷負荷。

3)照明燈具輻射擾量:預制艙已全面要求采用LED燈具,輻射熱量很低,其次預制艙內燈具在運維時開啟的時長較短,且往往開啟的時段(陰天或夜晚)并不在本文所討論的極端情況下,故此熱源忽略。

4)食物或物料搬運擾量:預制艙運行時較少有食品或物料進出,故此熱源忽略。

5)領室擾量:預制艙大多數時候均為一艙一用,較少在一個預制艙內設置大量的格室和樓層,且各房間均采用保溫隔斷,因此領室擾量較小,可忽略。

6)空氣滲透擾量:預制艙密閉性良好,且工作中通常是不打開門的,所有進出線孔洞均以防火泥等防火措施封堵,以防止火情蔓延和小動物進入,故此熱源忽略。

7)空氣、人員等引起的濕量擾量:預制艙穩(wěn)定運行時,艙內濕度已相對穩(wěn)定,相變現象極少,故此熱源忽略。

1.2 預制艙系統(tǒng)熱量計算條件的假定

實際生活中, 自然條件下一個物體的得熱和耗熱通常是動態(tài)的,如空氣流動速度、光照強度等條件不是恒定不變的,在保證系統(tǒng)熱量計算量與精度合理的前提條件下,必要的受熱條件設定及參數簡化是不可避免的,同時也需保證計算方法具備必要的通用性,因此將計算條件假定為:

1)環(huán)境條件:夏季氣溫最熱、太陽輻照最強的月份,所有設備全天候運行的情況下;

2)導熱條件:預制艙圍護結構為熱惰性的保溫外墻且室內溫度允許一定的波動值,可視為內部環(huán)境已穩(wěn)定,其換熱過程可簡化為線性穩(wěn)態(tài)換熱,保溫結構如圖4所示;

3)熱表面條件:通常預制艙同一結構具備相同的保溫結構體系,而同質材料表面具備一致的熱物理性能,如反射系數、傳熱系數等,因此放棄面積加權算法;

4)熱源分布:預制艙內設備在穩(wěn)定運行后經內部空氣對流和輻射耦合,已經形成一個溫度均勻的整體,可簡化為一個均勻分布的面熱源。

2通過圍護結構傳入的熱量計算

通過圍護結構傳入的熱量為預制艙從環(huán)境中獲得熱量的主要來源,這一熱源主要影響因素為圍護結構的材料熱阻、內外溫差與換熱面積。首先需要計算出圍護結構不同換熱面的綜合傳熱系數,再通過對每個換熱面計算熱量進行累加,就可得到圍護結構從環(huán)境中吸收的熱量估值。需要注意的是,綜合傳熱系數可以將多層墻體簡化為單層墻體進行熱分析,大幅度減少計算工作量,其計算結果對墻體內外表面方向換熱量大小的準確性影響較小。但將實際的多層墻體簡化成單層墻體后,計算得到的各分界面溫度分布嚴重失真。對關注多層結構內部溫度分布問題的情況,不能使用綜合傳熱系數法進行簡化分析,即不能通過減少一兩層傳熱系數的計算而得到傳遞前層的溫度。

2.1綜合傳熱系數計算方法

對于復合結構的外墻,綜合傳熱系數的計算方法有兩種:面積加權算法和線性傳熱系數算法,本文是針對預制艙在極端溫度下維持溫度穩(wěn)定工況的靜態(tài)分析,因此采用一維線性穩(wěn)態(tài)導熱的傳熱系數算法。其計算公式如下:

式中:K為圍護結構的綜合傳熱系數;a_n為圍護結構內表面?zhèn)鳠嵯禂?按文獻[1]表5.1.6-5選取;a_w為圍護結構外表面?zhèn)鳠嵯禂?按文獻[1]表5.2.4-1選取;δ為圍護結構各層材料厚度;λ為圍護結構各層材料導熱系數,按文獻[2]附錄A選取;a_λ為材料導熱系數修正系數,按文獻[3]表B.2選取;R_k為封閉空氣間層的熱阻,按文獻[1]表5.2.4-3選取;φ為考慮熱橋影響,對主斷面?zhèn)鳠嵯禂档男拚禂?按文獻[4]表A.0.3選取。

2.2 帶頂棚的坡屋面?zhèn)鳠嵯禂敌拚?

傅里葉定律是熱傳導的基本定律,它指出:單位時間內的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。對于有頂棚的坡屋面,因為屋面和頂棚有一定夾角,因此其傳熱系數需進行修正,其計算方式如下:

式中:K為屋面和頂棚的綜合傳熱系數;K₁為頂棚的傳熱系數;K₂為屋面的傳熱系數;α為屋面和頂棚的夾角。

2.3 夏季空調室外計算日平均綜合溫度取值

為了求得預制艙內外的溫差值,在已知室內設計溫度的前提下,需要求得預制艙的室外計算溫度。對于室外計算溫度,以往的計算方法為直接取值日最高氣溫,但圍護結構具有一定的熱惰性,同時外部

環(huán)境氣溫與太陽照射在換熱面是共同作用的,因此該方法得到的結果和實際條件差距較大。當然,預制艙換熱也可分別計算空氣對流換熱和陽光照射吸熱再累加,但計算過程需獲得圍護材料的輻射吸收率、蓄熱、黑度等參數,由于預制艙圍護材料和顏色都是可定制的,導致前述參數獲得途徑煩瑣,計算方法難以具有普適性。故采用暖通設計規(guī)范中通過氣象氣溫權重修正和太陽輻射吸收率修正的方式來獲得室外計算日平均綜合溫度,該溫度是綜合考慮室外平均氣溫與陽光輻照共同作用的估算值,具有較好的普適性,其計算方法如下:

式中:t_zp為夏季空調室外計算日平均綜合溫度;t_wp為夏季空調室外計算日平均溫度,來自式(4);J_p為圍護結構所在朝向太陽總輻射照度的日平均值,按文獻[1]附錄C選取,選取時需注意應按照總平圖的TN向(真實北)取值而非PN向(建筑北);P為圍護結構外表面對太陽輻射熱的吸收系數,按文獻[3]表B.5選取。

夏季空調室外計算日平均溫度t_wp要獲得更準確的值,應根據當地氣象站記錄的累年高溫氣象數據求平均值。為便于計算,也可以根據累年最熱月平均溫度和累年極端最高溫度進行簡化計算,其計算方式如下:

式中:t_rp為累年最熱月平均溫度,由地區(qū)氣象數據取得;t_max為累年極端最高溫度,由地區(qū)氣象數據取得。

最后,按照局部計算然后累加的方法得出圍護結構的綜合得熱量,即為圍護結構換熱引起的冷負荷。其計算方式如下:

局部受熱計算CL=KF(t_zp-t_n) (5)

圍護整體受熱計算CL_圍護=CL_外墻十CL_屋頂十CL_底部 (6)

式中:K為屋面和頂棚的綜合傳熱系數,來自式(1);F為外墻、屋頂、底部區(qū)域對應的換熱面積;t_n為夏季空氣調節(jié)室內設計溫度,來自設計條件設定;CL_圍護為圍護結構換熱引起的冷負荷;CL_外墻為外墻冷負荷;CL_屋頂為屋頂冷負荷;CL_底部為底部冷負荷。

3新風系統(tǒng)傳入的熱量計算

GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中對于工業(yè)建筑并未要求配置新風系統(tǒng)并計算新風系統(tǒng)傳入的熱量,在實際預裝式變電站項 目中,是否將新風系統(tǒng)傳入熱量納入空調制冷負荷應分開考慮。對于常規(guī)的僅使用風機作為事故排煙或臨時換氣的場景,因風機并不是長時間運行的子系統(tǒng),建議忽略此部分熱量以增加空調系統(tǒng)的經濟性。對于使用微正壓空調的場景,鑒于微正壓空調需要長時間引入新風,且大部分微正壓空調新風系統(tǒng)未設置壓差控制系統(tǒng),建議對新風傳入熱量做計算并納入空調制冷負荷,其計算方法如下:

式中:CL_新風為新風系統(tǒng)傳入的熱量;P_空氣 為空氣密度;G_w為空氣流量;i_N為夏季空調室內狀態(tài)點焓值,可按室外環(huán)境的溫度和濕度由焓濕圖查出;i_W為夏季空調室外狀態(tài)點焓值,可按室內環(huán)境的溫度和濕度由焓濕圖查出。

通過實際計算可以發(fā)現,新風傳入熱量往往在空調制冷負荷中占據極高(通常約20%)的比例,建議在新風的考量過程中,將新風量按滿足需求的最小值設計,以提高空調系統(tǒng)的經濟性。

4 設備發(fā)熱量

預制艙內集成的常見設備發(fā)熱量通常由設備廠家提供,下文僅提供變壓器在額定工作狀態(tài)和超額工作狀態(tài)下的發(fā)熱量計算與經驗發(fā)熱量取值建議。

4.1 干式變壓器的發(fā)熱計算

變壓器發(fā)熱量可近似視為變壓器有功損耗,變壓器綜合有功損耗計算較為復雜,為簡化計算,只計算空載損耗與額定負載有功損耗,其計算方法可參考文獻[5],過程如下:

式中:ΔP為變壓器有功損耗;P₀為變壓器空載損耗;β為變壓器負荷率;P_k為變壓器額定負載有功損耗;P₂為變壓器二次側輸出功率;s_rt為變壓器額定容量;cosθ₂為變壓器功率因數;I₂為變壓器二次側負載電流;I_2RT 為變壓器二次側額定電流。

4.2 干式變壓器超額運行發(fā)熱計算

在某些項目中,變壓器可能需要面對超額運行的情況,此時需要計算其超額運行發(fā)熱量,參考文獻[6],其計算方式如下:

P_e=P_k(β²-1)(9)

式中:P_e為變壓器超銘牌額定值時增加的損耗;P_k為變壓器額定負載有功損耗;β為變壓器負荷率。

4.3 常規(guī)設備經驗發(fā)熱值

常規(guī)設備發(fā)熱量也可按表1取經驗值進行快速估算。

表1常規(guī)設備發(fā)熱量取值參考表

5 預制艙總體制冷負荷

預制艙所需的制冷負荷主要有圍護結構傳入的 熱量、新風傳熱與設備發(fā)熱量三部分,再乘以一定的安全系數,即可得到預制艙系統(tǒng)所需的制冷負荷大小,從而確定所需的空調制冷量,其計算如下:

Q_冷=α×(CL_圍護+CL_新風+Q_設備)(10)

式中:Q_冷為總體冷負荷;α為設計安全系數,通常取1.1~1.3;Q_設備為設備發(fā)熱量。

6 結束語

預制艙具有預制化、預集成化、生產工廠化、定制化等優(yōu)點,已從電力行業(yè)逐步轉向環(huán)保設備集成、化工分析、危廢品儲存等行業(yè)。而暖通系統(tǒng)作為預制艙自身耗電量最大的子系統(tǒng),對其設計選型的探討有利于提高預制艙的經濟性和節(jié)能性,并且好的設計也能從站用變容量和低壓柜斷路器選擇等方面降低項目整體配置成本。目前整個預裝式建筑領域的研究和探討都相對較少,預制艙也存在和其他建筑種類差別較大、用戶面小等特征,缺乏受廣泛認可的計算方法。對預制艙的熱分析和計算有利于暖通設計時提高其節(jié)能性和經濟性,同時此類分析也可以對輕鋼房屋等行業(yè)起到一定的參考作用,因此預制艙的暖通系統(tǒng)設計具有極高的探討和研究價值。

[參考文獻]

[1] 工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范:GB 50019—2015[S].

[2]全國民用建筑工程設計技術措施[J].建設科技,2015(10):39—41.

[3] 民用建筑熱工設計規(guī)范:GB 50176—2016[S].

[4]徐偉,鄒瑜,陳曦,等.國家標準《公共建筑節(jié)能設計標準》 GB 50189—2015[J].建設科技,2018(16):39—45.

[5]工業(yè)與民用供配電設計手冊(第四版)上、下冊[J].供用電,2018,35(6):2.

[6] 陳華山.干式變壓器的通風計算[J].變壓器,2000(12):14—16.

2024年第11期第1篇