二次設備預制艙保溫結(jié)構設計

張元，胡道徐，李葛忠，易杰，常永良

(1． 思源電氣股份有限公司，上海201108;2． 上海思源弘瑞自動化有限公司，上海201108)

青海110 kV 多巴變預制艙是國家電網(wǎng)公司第2批9 項標準配送式智能變電站試點預制艙工程的唯一一個華東以外的試點工程。預制艙智能變電站建設，需要遵循“安全性、適用性、通用性、經(jīng)濟性”協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則，實現(xiàn)“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”，結(jié)合通用設計、 “兩型一化”和全壽命周期設計等標準化建設成果〔1〕，并根據(jù)青海地區(qū)高寒高海拔、沙塵大特點作針對性設計。

由于受運輸條件限制(外保溫會占用一部分空間)，預制艙通常采用內(nèi)保溫的方式，內(nèi)保溫層材料與內(nèi)裝修材料通常合二為一〔2〕。例如，采用金屬面的聚苯乙烯、聚氨酯和巖棉等夾心板進行裝飾，或在泡沫塑料板表面貼石膏板或各類裝修板等。內(nèi)保溫形式的箱體容易出現(xiàn)熱橋現(xiàn)象，需要做適當處理，防止結(jié)露和發(fā)霉影響室內(nèi)環(huán)境。

而青海多巴顯著的特點就是高海拔寒冷氣候，因此保溫和隔熱設計對于預制艙整體設計顯得尤為重要。青海多巴縣的地理自然條件為:海拔高度:2 350～2 800 m;環(huán)境溫度:－31.7～+33.4 ℃;太陽輻射強度:1 120 Wm2;最大日溫差:25 ℃;平均相對濕度:61%;大氣壓力:86～106 kPa。

1 預制艙相關規(guī)范和要求

工程中用到的型預制艙的箱體尺寸(長×寬×高)為12 200 mm×2 500 mm×3 133 mm(以上長和寬的尺寸不包含頂蓋，但高度尺寸包含頂蓋)〔1〕。預制艙整體框架由鋼骨架結(jié)構焊接而成，滿足起吊、運輸、栓固、提供艙內(nèi)元器件安裝位置要求，整個保溫層結(jié)構使用外保溫層加內(nèi)保溫層來實現(xiàn)，墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結(jié)構構件、內(nèi)墻鋁塑板組成，吊頂采用巖棉夾芯板，底部采用巖棉板和巖棉夾芯板。

文獻〔1〕對于預制艙暖通的要求:每個預制艙內(nèi)設2 臺工業(yè)一體式空調(diào)，壁掛式安裝，1 臺故障時仍可滿足艙內(nèi)二次設備正常工作要求5～30 ℃。

冬季室外氣溫在一天中波動很小，其傳熱過程以穩(wěn)定傳熱為主;夏季室外氣溫和太陽輻射在一天中隨時間有較大的變化，是周期性的不穩(wěn)定傳熱。冬季保溫一般只要求提高圍護結(jié)構的熱阻，夏季隔熱不僅要求圍護結(jié)構有較大的熱阻，而且要求有較好的熱穩(wěn)定性。

保溫設計應確保內(nèi)表面不結(jié)露，即內(nèi)表面溫度不低于室內(nèi)空氣的露點溫度。結(jié)露點會使內(nèi)裝飾表面潮濕，霉變甚至滴水。內(nèi)保溫結(jié)構的露點位置是在靠近外墻內(nèi)側(cè)的表面存在結(jié)構冷(熱)橋的部位，這些部位因內(nèi)外溫差過大常產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，應避免結(jié)構冷(熱)橋的存在。

2 預制艙的保溫結(jié)構設計

2.1 保溫材料選擇

二次設備預制艙應盡可能采用熱導系數(shù)小的高效保溫隔熱材料，以減少保溫層的厚度，提高室內(nèi)使用面積〔3〕。目前主要的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、巖棉板、玻璃棉等。它們的材料性能對比見表1。

表1 聚氨酯噴涂硬泡與巖棉板部分性能對比

考慮到加工工藝和施工成本，此次預制艙的保溫材料選擇巖棉板和巖棉夾芯板，雖然熱阻低于聚氨酯和環(huán)保要求次于聚氨酯，但其防火性能大大優(yōu)于聚氨酯〔4〕。

2.2 墻體設計

墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結(jié)構構件、內(nèi)墻鋁塑板組成。

外巖棉板厚度為50 mm，內(nèi)巖棉板厚度為30 mm，同時在鋼方柱之間塞滿80 mm 厚巖棉板。金邦板是一種外墻裝飾板，呼吸紙的作用是使水氣單向透過性，水氣不向墻體滲透，歐松板為墊襯安裝呼吸紙和金邦板作用，結(jié)構構件為鋼方管，內(nèi)墻為鋁塑板加30 mm 厚的巖棉板。外巖棉板可依金邦板龍骨和鋼方柱間隙進行填充，內(nèi)巖棉板依鋁塑板大小進行填充，此次選用的鋁塑板的規(guī)格大小為1 220 mm×2 440 mm，采用無縫干掛方式進行安裝，達到內(nèi)裝飾面平整美觀的效果。墻體構成如圖1所示:

內(nèi)外雙層保溫的效果要比單一保溫層的保濕效果好(假設總厚度保持一致)，2 種方案均能符合節(jié)能傳熱阻的要求，但單一保溫層在進行內(nèi)裝飾時，一些內(nèi)裝飾面接口，如保溫夾芯板插接口，相互垂直的墻體以及墻體與屋面和地板的接縫等部位熱流密集，內(nèi)表面溫度較低，易產(chǎn)生冷(熱)橋，可能產(chǎn)生程度不同的結(jié)露現(xiàn)象。

2.3 頂部設計

制艙宜采用雙坡屋頂結(jié)構，也可采用單坡結(jié)構，屋面坡度6%，可預防積水和積雪。

為防止排水管冬天嚴寒情況下結(jié)冰爆裂，預制艙屋面采用散排水方式(空調(diào)排水管只有夏天會有滴水情況，冬天沒有，因此排除在這個情況之外，空調(diào)排水管采用暗敷方式。)。

預頂部保溫層的厚度為100 mm。頂部的結(jié)構如圖2 所示。

圖2 預制艙屋頂結(jié)構

2.4 底部設計

預制艙箱體底部安裝在架空的防潮濕的水泥墩，因此，除箱體前后、左右和頂部與室外空氣直接接觸外，底部也與室外空氣直接接觸。因此底部的保溫設計尤其重要。

底部采用H 型鋼和槽鋼焊接而成，底部保溫采用50 mm 厚巖棉板和50 mm 厚巖棉夾芯板，同時在預制艙的內(nèi)表面上鋪設38 mm 厚木基陶瓷防靜電地板，木質(zhì)材料有一定的保溫性能，同時中間有一定的密封空氣層，提高預制艙整體保溫效果。

考慮到整體密封要求，在完成線纜安裝后，須把預制艙底部進線口用防火泥封堵，以達到密封保溫的效果，同時進線口的大小設置為700 mm×600 mm 大小，增加保溫效果。預制艙底部結(jié)構如圖3:

圖3 預制艙底部結(jié)構

3 預制艙的熱仿真

通過以上艙體結(jié)構的保溫隔熱設計，只需要在艙體端部各安裝1 臺工業(yè)空調(diào)(制冷功率4 kW，制熱1 kW)和1 kW 電暖氣，即可滿足多巴地區(qū)設備運行要求。電暖氣輔助加熱為二次設備預制艙中首次嘗試使用，電暖氣采用不帶風扇壁掛式安裝的輻射加熱型，每套電暖氣由4 個最大額定功率250 W 的電暖片組成，布置在艙體內(nèi)長度方向的兩端。

預制艙熱仿真共選取了5 種極限情況來分析:

1)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，2 臺空調(diào)同時工作(制冷)，空調(diào)出風溫度18 ℃，每臺空調(diào)實際制冷，艙內(nèi)最低溫度18 ℃，最高溫度25.4 ℃。

2)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，空調(diào)1 失效，僅單臺空調(diào)工作(制冷)，空調(diào)出風溫度18 ℃，單臺空調(diào)實際制冷，艙內(nèi)最低溫度18.5 ℃，最高溫度28.3 ℃。

3)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱量，空調(diào)2 失效，僅單臺空調(diào)工作(制冷)，空調(diào)出風溫度18 ℃，單臺空調(diào)實際制冷，艙內(nèi)最低溫度19.3 ℃，最高溫度28.6 ℃。

4)冬季制熱。環(huán)境溫度－31.7 ℃，同時考慮艙外空氣流動的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，空調(diào)不工作，僅使用電暖器進行加熱。當電暖器實際加熱時，艙內(nèi)最低溫度19.1 ℃，最高溫度25.4 ℃。

5)極端低溫冷啟動制熱。從仿真計算結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度－31.7 ℃，艙內(nèi)屏柜不工作，并開啟電暖器和空調(diào)加熱，艙內(nèi)環(huán)境溫度從－31.7℃升溫到－5 ℃(溫升27 ℃)，用時10 h，加熱時間偏長。

加熱時間偏長的主要原因有:

1)整個預制艙熱容非常大，而加熱功率相對較小;

2)隨著艙內(nèi)溫度的升高，導致內(nèi)外溫差增加。會有更多的熱量與外界進行熱交換，延長了加熱時間。

由仿真分析可得出結(jié)論:

1)保溫性能的高低對預制艙維持艙內(nèi)溫度十分重要，保溫性能越好，對預制艙制冷和加熱越有利;

2)按此保溫結(jié)構設計，制冷和加熱要求均可以滿足文獻〔1〕規(guī)定的艙內(nèi)二次設備正常工作要求5～30 ℃;

3)預制艙低溫冷啟動的預加熱時間較長，調(diào)試時(裝置不發(fā)熱)如遇極端低溫(－31.7 ℃)，大約需要封閉情況下加熱1 天方可進倉工作。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)預制艙的研究才剛剛開始起步，對該領域的熱工研究尚未形成體系，青海110 kV 多巴變預制艙根據(jù)青海地區(qū)高寒高海拔、沙塵大特點作針對性設計，為這一類型地區(qū)預制艙今后設計研發(fā)提供了可供參考的實例。

二次設備預制艙可以讓變電站建設更容易，具有占地少、投資省的突出優(yōu)點。隨著行業(yè)越來越多的資源投入，生產(chǎn)加工工藝的發(fā)展，在優(yōu)化布局、增強保溫性能、抗風沙和減少制造加工工期上還需進一步深入研究。預制艙的未來發(fā)展可以滿足全球各地區(qū)特殊環(huán)境的要求，同時也滿足減少投資、縮短工期、低碳環(huán)保的要求。

〔1〕國家電網(wǎng)公司． 預制艙式二次組合設備技術規(guī)范(報批稿)〔S〕． 2013．

〔2〕嵇翔，但春林． 基于標準配送式智能變電站的集裝箱式電力設備艙方案研究〔J〕． 電力系統(tǒng)裝備，2013(7):74-78．

〔3〕林釗． 幾種常用保溫材料應用比較〔J〕． 制冷，2004，23(04):86-87．

〔4〕郭莉． 保溫材料的概況及選擇〔J〕． 四川電力技術，2005，28(01):52-55．