何顯江 張雪劍 王說(shuō)說(shuō) 崔璐創(chuàng) 燕飛飛

摘 要：預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備集成程度較高，要維持內(nèi)部環(huán)境在一個(gè)適宜的溫度就不得不配置一定數(shù)量的空調(diào)，空調(diào)的選擇不僅關(guān)乎設(shè)備運(yùn)行的可靠性，還影響預(yù)制艙整體的能耗和經(jīng)濟(jì)性。鑒于此，通過(guò)逐項(xiàng)對(duì)預(yù)制艙熱平衡的分析，提出了一種預(yù)制艙系統(tǒng)受熱分析的思路和方法，以確定預(yù)制艙所需的制冷負(fù)荷大小。

關(guān)鍵詞：預(yù)裝式變電站;預(yù)制艙;受熱分析;傳熱系數(shù);制冷負(fù)荷;發(fā)熱估算

中圖分類號(hào)：TM63? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0001-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.001

0 ???引言

預(yù)裝式變電站是將變電站電氣系統(tǒng)中的主要設(shè)備在工廠內(nèi)完成相關(guān)配線、調(diào)試后裝入預(yù)制艙模塊內(nèi)，通過(guò)物流運(yùn)輸至工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接組建成變電站的新型電站。其具有建設(shè)周期短，集成化高，可靠度高等諸多優(yōu)勢(shì)，在電力行業(yè)已成為一種受認(rèn)可并廣泛使用的產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用于10、35、110、220 kV等電壓等級(jí)變電站的建設(shè)。預(yù)制艙和預(yù)制艙內(nèi)部如圖1、圖2所示。

在預(yù)裝式變電站中，由于電網(wǎng)企業(yè)對(duì)電能損耗不敏感，并且預(yù)制艙的熱量分析和暖通設(shè)計(jì)理論目前也比較少，常規(guī)預(yù)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(guó)家已出臺(tái)多項(xiàng)規(guī)范指導(dǎo)性文件，詳細(xì)描述了民用與工業(yè)建筑的暖通如何設(shè)計(jì)與計(jì)算，但在預(yù)制艙行業(yè)仍是一片空白，業(yè)內(nèi)人員很多還在采用多少瓦每平米制冷負(fù)荷指標(biāo)來(lái)選擇預(yù)制艙的空調(diào)配置。本文提出了一種預(yù)制艙使用情況下系統(tǒng)熱平衡分析的條件設(shè)定和計(jì)算路徑，并提供對(duì)應(yīng)的計(jì)算和取值方法供大家一起探討。

1 ???預(yù)制艙系統(tǒng)熱平衡分析的條件設(shè)定

1.1 ???預(yù)制艙系統(tǒng)的熱擾特性和分析方法的選取

現(xiàn)行的GB 50019、GB 50176和GB 50189規(guī)范分別針對(duì)工業(yè)建筑、民用建筑和公共建筑提供了相對(duì)應(yīng)的熱平衡計(jì)算方法，但預(yù)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(duì)系統(tǒng)整體的影響很小，如果完全按規(guī)范的計(jì)算方法，所得結(jié)果將大大超出實(shí)際情況，因此本文對(duì)某些差異特性將進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)核心的圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱、新風(fēng)傳熱、設(shè)備發(fā)熱量做計(jì)算。預(yù)制艙系統(tǒng)熱平衡如圖3所示，其簡(jiǎn)化分析如下：

1）太陽(yáng)輻射擾量：通過(guò)采光窗等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱量。預(yù)制艙通常不設(shè)或少設(shè)對(duì)外的窗戶，故此熱源忽略。

2）人體潛熱和顯熱擾量：預(yù)制艙通常為無(wú)人值守，且運(yùn)維人員進(jìn)入艙內(nèi)的人數(shù)和次數(shù)往往有限，常規(guī)預(yù)制艙可忽略，若預(yù)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(fù)荷。

3）照明燈具輻射擾量：預(yù)制艙已全面要求采用LED燈具，輻射熱量很低，其次預(yù)制艙內(nèi)燈具在運(yùn)維時(shí)開(kāi)啟的時(shí)長(zhǎng)較短，且往往開(kāi)啟的時(shí)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(yùn)擾量：預(yù)制艙運(yùn)行時(shí)較少有食品或物料進(jìn)出，故此熱源忽略。

5）領(lǐng)室擾量：預(yù)制艙大多數(shù)時(shí)候均為一艙一用，較少在一個(gè)預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置大量的格室和樓層，且各房間均采用保溫隔斷，因此領(lǐng)室擾量較小，可忽略。

6）空氣滲透擾量：預(yù)制艙密閉性良好，且工作中通常是不打開(kāi)門(mén)的，所有進(jìn)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(dòng)物進(jìn)入，故此熱源忽略。

7）空氣、人員等引起的濕量擾量：預(yù)制艙穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，艙內(nèi)濕度已相對(duì)穩(wěn)定，相變現(xiàn)象極少，故此熱源忽略。

1.2 ???預(yù)制艙系統(tǒng)熱量計(jì)算條件的假定

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

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

2）導(dǎo)熱條件：預(yù)制艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)為熱惰性的保溫外墻且室內(nèi)溫度允許一定的波動(dòng)值，可視為內(nèi)部環(huán)境已穩(wěn)定，其換熱過(guò)程可簡(jiǎn)化為線性穩(wěn)態(tài)換熱，保溫結(jié)構(gòu)如圖4所示;

3）熱表面條件：通常預(yù)制艙同一結(jié)構(gòu)具備相同的保溫結(jié)構(gòu)體系，而同質(zhì)材料表面具備一致的熱物理性能，如反射系數(shù)、傳熱系數(shù)等，因此放棄面積加權(quán)算法;

4）熱源分布：預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備在穩(wěn)定運(yùn)行后經(jīng)內(nèi)部空氣對(duì)流和輻射耦合，已經(jīng)形成一個(gè)溫度均勻的整體，可簡(jiǎn)化為一個(gè)均勻分布的面熱源。

2 ???通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量計(jì)算

通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量為預(yù)制艙從環(huán)境中獲得熱量的主要來(lái)源，這一熱源主要影響因素為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料熱阻、內(nèi)外溫差與換熱面積。首先需要計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同換熱面的綜合傳熱系數(shù)，再通過(guò)對(duì)每個(gè)換熱面計(jì)算熱量進(jìn)行累加，就可得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)從環(huán)境中吸收的熱量估值。需要注意的是，綜合傳熱系數(shù)可以將多層墻體簡(jiǎn)化為單層墻體進(jìn)行熱分析，大幅度減少計(jì)算工作量，其計(jì)算結(jié)果對(duì)墻體內(nèi)外表面方向換熱量大小的準(zhǔn)確性影響較小。但將實(shí)際的多層墻體簡(jiǎn)化成單層墻體后，計(jì)算得到的各分界面溫度分布嚴(yán)重失真。對(duì)關(guān)注多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布問(wèn)題的情況，不能使用綜合傳熱系數(shù)法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，即不能通過(guò)減少一兩層傳熱系數(shù)的計(jì)算而得到傳遞前層的溫度。

2.1 ???綜合傳熱系數(shù)計(jì)算方法

對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)的外墻，綜合傳熱系數(shù)的計(jì)算方法有兩種：面積加權(quán)算法和線性傳熱系數(shù)算法，本文是針對(duì)預(yù)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(dǎo)熱的傳熱系數(shù)算法。其計(jì)算公式如下：

K=（1）

式中：K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù);an為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，按文獻(xiàn)[1]表5.1.6-5選取;aw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，按文獻(xiàn)[1]表5.2.4-1選取;δ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料厚度;λ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，按文獻(xiàn)[2]附錄A選取;aλ為材料導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)，按文獻(xiàn)[3]表B.2選取;Rk為封閉空氣間層的熱阻，按文獻(xiàn)[1]表5.2.4-3選取;?為考慮熱橋影響，對(duì)主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正系數(shù)，按文獻(xiàn)[4]表A.0.3選取。

2.2 ???帶頂棚的坡屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)修正

傅里葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。對(duì)于有頂棚的坡屋面，因?yàn)槲菝婧晚斉镉幸欢▕A角，因此其傳熱系數(shù)需進(jìn)行修正，其計(jì)算方式如下：

K=（2）

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

2.3 ???夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均綜合溫度取值

為了求得預(yù)制艙內(nèi)外的溫差值，在已知室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的前提下，需要求得預(yù)制艙的室外計(jì)算溫度。對(duì)于室外計(jì)算溫度，以往的計(jì)算方法為直接取值日最高氣溫，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的熱惰性，同時(shí)外部環(huán)境氣溫與太陽(yáng)照射在換熱面是共同作用的，因此該方法得到的結(jié)果和實(shí)際條件差距較大。當(dāng)然，預(yù)制艙換熱也可分別計(jì)算空氣對(duì)流換熱和陽(yáng)光照射吸熱再累加，但計(jì)算過(guò)程需獲得圍護(hù)材料的輻射吸收率、蓄熱、黑度等參數(shù)，由于預(yù)制艙圍護(hù)材料和顏色都是可定制的，導(dǎo)致前述參數(shù)獲得途徑煩瑣，計(jì)算方法難以具有普適性。故采用暖通設(shè)計(jì)規(guī)范中通過(guò)氣象氣溫權(quán)重修正和太陽(yáng)輻射吸收率修正的方式來(lái)獲得室外計(jì)算日平均綜合溫度，該溫度是綜合考慮室外平均氣溫與陽(yáng)光輻照共同作用的估算值，具有較好的普適性，其計(jì)算方法如下：

tzp=twp+（3）

式中：tzp為夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均綜合溫度;twp為夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度，來(lái)自式（4）;Jp為圍護(hù)結(jié)構(gòu)所在朝向太陽(yáng)總輻射照度的日平均值，按文獻(xiàn)[1]附錄C選取，選取時(shí)需注意應(yīng)按照總平圖的TN向（真實(shí)北）取值而非PN向（建筑北）;ρ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收系數(shù)，按文獻(xiàn)[3]表B.5選取。

夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度twp要獲得更準(zhǔn)確的值，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳居涗浀睦勰旮邷貧庀髷?shù)據(jù)求平均值。為便于計(jì)算，也可以根據(jù)累年最熱月平均溫度和累年極端最高溫度進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，其計(jì)算方式如下：

twp=0.80trp+0.20tmax（4）

式中：trp為累年最熱月平均溫度，由地區(qū)氣象數(shù)據(jù)取得;tmax為累年極端最高溫度，由地區(qū)氣象數(shù)據(jù)取得。

最后，按照局部計(jì)算然后累加的方法得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合得熱量，即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱引起的冷負(fù)荷。其計(jì)算方式如下：

局部受熱計(jì)算CL=KF（tzp-tn）（5）

圍護(hù)整體受熱計(jì)算CL圍護(hù)=CL外墻+CL屋頂+CL底部（6）

式中：K為屋面和頂棚的綜合傳熱系數(shù)，來(lái)自式（1）;F為外墻、屋頂、底部區(qū)域?qū)?yīng)的換熱面積;tn為夏季空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，來(lái)自設(shè)計(jì)條件設(shè)定;CL圍護(hù)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱引起的冷負(fù)荷;CL外墻為外墻冷負(fù)荷;CL屋頂為屋頂冷負(fù)荷;CL底部為底部冷負(fù)荷。

3 ???新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量計(jì)算

GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于工業(yè)建筑并未要求配置新風(fēng)系統(tǒng)并計(jì)算新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量，在實(shí)際預(yù)裝式變電站項(xiàng)目中，是否將新風(fēng)系統(tǒng)傳入熱量納入空調(diào)制冷負(fù)荷應(yīng)分開(kāi)考慮。對(duì)于常規(guī)的僅使用風(fēng)機(jī)作為事故排煙或臨時(shí)換氣的場(chǎng)景，因風(fēng)機(jī)并不是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的子系統(tǒng)，建議忽略此部分熱量以增加空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于使用微正壓空調(diào)的場(chǎng)景，鑒于微正壓空調(diào)需要長(zhǎng)時(shí)間引入新風(fēng)，且大部分微正壓空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)未設(shè)置壓差控制系統(tǒng)，建議對(duì)新風(fēng)傳入熱量做計(jì)算并納入空調(diào)制冷負(fù)荷，其計(jì)算方法如下：

CL新風(fēng)=（7）

式中：CL新風(fēng)為新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量;ρ空氣為空氣密度;Gw為空氣流量;iN為夏季空調(diào)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)焓值，可按室外環(huán)境的溫度和濕度由焓濕圖查出;iW為夏季空調(diào)室外狀態(tài)點(diǎn)焓值，可按室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度由焓濕圖查出。

通過(guò)實(shí)際計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，新風(fēng)傳入熱量往往在空調(diào)制冷負(fù)荷中占據(jù)極高（通常約20%）的比例，建議在新風(fēng)的考量過(guò)程中，將新風(fēng)量按滿足需求的最小值設(shè)計(jì)，以提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 ???設(shè)備發(fā)熱量

預(yù)制艙內(nèi)集成的常見(jiàn)設(shè)備發(fā)熱量通常由設(shè)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(jì)算與經(jīng)驗(yàn)發(fā)熱量取值建議。

4.1 ???干式變壓器的發(fā)熱計(jì)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(jì)算較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，只計(jì)算空載損耗與額定負(fù)載有功損耗，其計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[5]，過(guò)程如下：

ΔP=P0+β2Pk=P0+

=P0+

（8）

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(fù)荷率;Pk為變壓器額定負(fù)載有功損耗;P2為變壓器二次側(cè)輸出功率;Srt為變壓器額定容量;cos θ2為變壓器功率因數(shù);I2為變壓器二次側(cè)負(fù)載電流;I2RT為變壓器二次側(cè)額定電流。

4.2 ???干式變壓器超額運(yùn)行發(fā)熱計(jì)算

在某些項(xiàng)目中，變壓器可能需要面對(duì)超額運(yùn)行的情況，此時(shí)需要計(jì)算其超額運(yùn)行發(fā)熱量，參考文獻(xiàn)[6]，其計(jì)算方式如下：

Pe=Pk（β2-1）（9）

式中：Pe為變壓器超銘牌額定值時(shí)增加的損耗;Pk為變壓器額定負(fù)載有功損耗;β為變壓器負(fù)荷率。

4.3 ???常規(guī)設(shè)備經(jīng)驗(yàn)發(fā)熱值

常規(guī)設(shè)備發(fā)熱量也可按表1取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行快速估算。

5 ???預(yù)制艙總體制冷負(fù)荷

預(yù)制艙所需的制冷負(fù)荷主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量、新風(fēng)傳熱與設(shè)備發(fā)熱量三部分，再乘以一定的安全系數(shù)，即可得到預(yù)制艙系統(tǒng)所需的制冷負(fù)荷大小，從而確定所需的空調(diào)制冷量，其計(jì)算如下：

Q冷=α×（CL圍護(hù)+CL新風(fēng)+Q設(shè)備）（10）

式中：Q冷為總體冷負(fù)荷;α為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，通常取1.1～1.3;Q設(shè)備為設(shè)備發(fā)熱量。

6 ???結(jié)束語(yǔ)

預(yù)制艙具有預(yù)制化、預(yù)集成化、生產(chǎn)工廠化、定制化等優(yōu)點(diǎn)，已從電力行業(yè)逐步轉(zhuǎn)向環(huán)保設(shè)備集成、化工分析、危廢品儲(chǔ)存等行業(yè)。而暖通系統(tǒng)作為預(yù)制艙自身耗電量最大的子系統(tǒng)，對(duì)其設(shè)計(jì)選型的探討有利于提高預(yù)制艙的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，并且好的設(shè)計(jì)也能從站用變?nèi)萘亢偷蛪汗駭嗦菲鬟x擇等方面降低項(xiàng)目整體配置成本。目前整個(gè)預(yù)裝式建筑領(lǐng)域的研究和探討都相對(duì)較少，預(yù)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(rèn)可的計(jì)算方法。對(duì)預(yù)制艙的熱分析和計(jì)算有利于暖通設(shè)計(jì)時(shí)提高其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)此類分析也可以對(duì)輕鋼房屋等行業(yè)起到一定的參考作用，因此預(yù)制艙的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極高的探討和研究?jī)r(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50019—2015[S].

[2] 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[J].建設(shè)科技，2015（10）：39-41.

[3] 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50176—2016[S].

[4] 徐偉，鄒瑜，陳曦，等.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189—2015[J].建設(shè)科技，2018（16）：39-45.

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[6] 陳華山.干式變壓器的通風(fēng)計(jì)算[J].變壓器，2000（12）：14-16.

收稿日期：2024-03-15

作者簡(jiǎn)介：何顯江（1990—），男，四川南充人，工程師，研究方向：預(yù)裝式變電站預(yù)制艙。