逆變器室自然通風(fēng)設(shè)計(jì)分析

呂 立 進(jìn)

(龍?jiān)?北京)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司，北京 100000)

逆變器室自然通風(fēng)設(shè)計(jì)分析

呂 立 進(jìn)

(龍?jiān)?北京)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司，北京 100000)

從通風(fēng)量計(jì)算、進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)面積計(jì)算、進(jìn)風(fēng)過(guò)濾等方面，介紹了太陽(yáng)能光伏電站內(nèi)逆變器室的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)例，利用Airpak軟件，對(duì)逆變器室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了仿真模擬，指出自然通風(fēng)方案節(jié)能效果明顯，可靠性高。

逆變器，自然通風(fēng)，光伏電站，仿真模擬

隨著我國(guó)新能源戰(zhàn)略不斷深化，太陽(yáng)能光伏電站得到了大規(guī)模發(fā)展建設(shè)，電站中逆變器、變壓器和電容器等發(fā)熱量大的電氣設(shè)備房間在高溫季節(jié)散熱問(wèn)題較為突出。以光伏發(fā)電的核心設(shè)備逆變器為例，設(shè)備散熱量大，1 MWp逆變器室散熱達(dá)到25 kW，根據(jù)廠家資料顯示，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)45 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)下降并影響使用壽命。因此必須采取有效的通風(fēng)散熱措施，保障設(shè)備正常安全運(yùn)行，滿足設(shè)備滿負(fù)荷工作要求。電氣設(shè)備用房散熱常規(guī)設(shè)計(jì)有自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)制冷三種形式。其中空調(diào)制冷效果最好，但是維護(hù)費(fèi)用也最高，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)易帶來(lái)室內(nèi)沙塵，但是維護(hù)費(fèi)用低，可靠性好，被經(jīng)常采用。本文重點(diǎn)討論了逆變器室自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。

1 逆變器室自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

自然通風(fēng)是利用自然能源而不依靠動(dòng)力維持適宜的室內(nèi)環(huán)境，具有較高的可靠性，是首選的通風(fēng)方式。逆變器室自然通風(fēng)設(shè)計(jì)主要考慮因素為設(shè)備散熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、室外通風(fēng)計(jì)算溫度、海拔高度和消防要求等，其他因素為室外風(fēng)速、風(fēng)沙影響、防止動(dòng)物進(jìn)入、自動(dòng)化控制和便于維護(hù)清潔。

1.1 通風(fēng)量計(jì)算

逆變器室通風(fēng)以消除余熱的換熱通風(fēng)為主，通風(fēng)量取廠家資料中的設(shè)備散熱量(如太陽(yáng)透過(guò)玻璃窗入射得熱較大時(shí)也應(yīng)一并計(jì)算)為依據(jù)計(jì)算的通風(fēng)量與相關(guān)規(guī)范中給出的換氣次數(shù)法確定的通風(fēng)量的較大值。

設(shè)計(jì)通風(fēng)量根據(jù)式(1)計(jì)算：

(1)

其中，Gp為逆變器室通風(fēng)量，m3/h；Q為設(shè)備散熱量，W；c為空氣比熱容，取1.01 kJ/(kg·℃)；ρa(bǔ)v為進(jìn)排風(fēng)平均密度，kg/m3；Δt為進(jìn)排風(fēng)溫差，℃。

夏季通風(fēng)室外設(shè)計(jì)溫度應(yīng)采用工程所在歷年最熱月14時(shí)的月平均溫度的平均值，不宜采用室外極端最高溫度，以免造成設(shè)計(jì)浪費(fèi)。

1.2 進(jìn)、排風(fēng)面積計(jì)算

進(jìn)風(fēng)裝置主要采用對(duì)開(kāi)窗、推拉窗、旋窗、進(jìn)風(fēng)百葉窗等。在夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，宜采用固定式進(jìn)風(fēng)百葉窗。在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，可設(shè)置電動(dòng)或手動(dòng)可調(diào)節(jié)式進(jìn)風(fēng)百葉窗，以便冬季關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行房間保溫。

排風(fēng)裝置主要有天窗和屋頂通風(fēng)器。

天窗和固定屋頂通風(fēng)器面積根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算確定。屋頂旋流式通風(fēng)器利用風(fēng)壓和熱壓綜合作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，不用電力，增大了通風(fēng)量，體形相對(duì)天窗小，可根據(jù)室內(nèi)排風(fēng)溫度與室外溫度差、排風(fēng)口中心與中和面的高度差以及室外溫度進(jìn)行選擇計(jì)算，但上述設(shè)備均需注意防雨。

(2)

(3)

其中,Gj，Gp分別為進(jìn)風(fēng)量及排風(fēng)量，kg/h；hj，hp分別為進(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口中心與中和面的高差，m；ρwf為夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3；ρp為排風(fēng)溫度下的空氣密度，kg/m3；ρnp為室內(nèi)空氣的平均密度，按作業(yè)地帶和排風(fēng)口處空氣密度的平均值采用；ζj，ζp分別為進(jìn)、排風(fēng)口的局部阻力系數(shù)；g為重力加速度，9.81 m/s2。

1.3 進(jìn)風(fēng)過(guò)濾

進(jìn)風(fēng)過(guò)濾根據(jù)機(jī)房潔凈度要求、室外環(huán)境含塵量和塵粒特征，選擇合適的過(guò)濾設(shè)備。電氣機(jī)房進(jìn)風(fēng)過(guò)濾常用方法是在進(jìn)風(fēng)百葉窗內(nèi)側(cè)安裝空氣過(guò)濾器。

西北地區(qū)風(fēng)沙較大，宜選擇國(guó)標(biāo)初效過(guò)濾器，對(duì)于粒徑大于5 μm塵粒，效率為20%～80%。

2 工程實(shí)際應(yīng)用及仿真模擬

2.1 工程實(shí)際應(yīng)用

西北地區(qū)某50 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目中的1 MWp逆變器室，采用側(cè)墻加裝空氣過(guò)濾器的進(jìn)風(fēng)百葉窗進(jìn)行自然進(jìn)風(fēng)，屋面自然排風(fēng)，利用風(fēng)壓與熱壓綜合作用，進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)。經(jīng)采用上節(jié)方法計(jì)算后，確定側(cè)墻安裝2套進(jìn)風(fēng)百葉窗(規(guī)格2.3 m×0.9 m)，屋面安裝3套QM800屋頂旋流自然通風(fēng)器。逆變器室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，200 mm厚加氣混凝土外墻，外部貼50 mm厚擠塑聚苯板保溫，屋面結(jié)構(gòu)層120 mm厚，上方為80 mm厚擠塑聚苯板保溫。平面尺寸為4.5 m×11.9 m，高度3.6 m。逆變柜2.2 m×0.8 m，高度2.3 m，共2套；進(jìn)風(fēng)百葉窗尺寸為2.3 m×0.9 m，共2套；屋面設(shè)置QM800屋頂旋流自然通風(fēng)器3套。

2.2 Airpak軟件進(jìn)行仿真模擬

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展成熟,模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際工程有較強(qiáng)的參考意義。下面以面向HVAC領(lǐng)域的Airpak軟件為模擬仿真工具,對(duì)逆變器室夏季不利工況下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,分析其通風(fēng)效果。

該項(xiàng)目自然條件為室外夏季通風(fēng)計(jì)算溫度為26.4 ℃，大氣壓力845.5 hPa，室外平均風(fēng)速2.2 m/s。

室內(nèi)散熱量為25 kW，所需通風(fēng)量為6 847m3/h。因本工程主要是模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)，故選用Airpak軟件里的Indoor零方程湍流模型，該模型簡(jiǎn)單可靠，計(jì)算收斂速度快，收斂穩(wěn)定性好，適用于自然流動(dòng)。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

松弛因子：壓力0.3，動(dòng)量為0.7，溫度為1.0，速度為1.0，k=0.5，ε=0.5。

收斂準(zhǔn)則：連續(xù)性方程變量為1×10-3，能量變量為1×10-6，各速度分量變量為1×10-3。

采用穩(wěn)態(tài)算法，開(kāi)啟默認(rèn)的S2S輻射模型運(yùn)算，并開(kāi)啟了室內(nèi)空氣質(zhì)量/室內(nèi)舒適性控制可計(jì)算解決流場(chǎng)(流速和壓力)和溫度問(wèn)題。設(shè)置環(huán)境溫度為26.4 ℃，室內(nèi)初始溫度為環(huán)境溫度，室內(nèi)初始風(fēng)速為0，設(shè)置默認(rèn)流體為空氣。逆變器室通風(fēng)系統(tǒng)幾何模型見(jiàn)圖1，工作區(qū)溫度矢量圖見(jiàn)圖2。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)逆變器室內(nèi)環(huán)境仿真模擬可知，夏季不利工況下室內(nèi)溫度為21.8 ℃～31.6 ℃，采用自然通風(fēng)完全能夠達(dá)到設(shè)備正常工作所需要的溫度環(huán)境。根據(jù)工程實(shí)際反饋該自然通風(fēng)設(shè)計(jì)效果滿足預(yù)想要求。2)考慮到西北地區(qū)風(fēng)沙較大，為保持逆變器室內(nèi)潔凈，應(yīng)注意在進(jìn)風(fēng)百葉窗內(nèi)側(cè)安裝初效空氣過(guò)濾器，并且應(yīng)便于拆卸清洗和更換。3)為保證室內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行安全，屋面天窗或自然通風(fēng)器應(yīng)注意做好防雨措施。4)光伏電站逆變器室數(shù)量較多，進(jìn)風(fēng)百葉窗在冬季需關(guān)閉，進(jìn)行室內(nèi)保溫，建議選用電動(dòng)百葉窗，并宜有遠(yuǎn)程控制功能。5)逆變器室采用自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，節(jié)能效果明顯，可靠性提高。

[1] GB 50019—2003，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 實(shí)用供熱通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 黃 輝.06K105《屋頂自然通風(fēng)器選用與安裝》圖集[J].暖通空調(diào)，2006(12)：4.

Analysis of natural ventilation design for inverter room

Lv Lijin

(Longyuan(Beijing)SolarEnergyTechnologyLimitedCompany,Beijing100000,China)

From the ventilation amount calculation, air intake and exhaust area calculation, air filtering and other aspects, this paper introduced the natural ventilation design scheme of solar photovoltaic power generation inverter room, and combining with the examples, using Airpak software to simulate the inverter indoor environment, pointed out that the natural ventilation scheme had obvious energy-saving effect and high reliability.

inverter, natural ventilation, photovoltaic power generation, simulation

1009-6825(2017)01-0151-02

2016-10-25

呂立進(jìn)(1985- )，男，工程師

TU834.1

A