高冷地區(qū)變電站建筑群風(fēng)環(huán)境與及布局優(yōu)化

陳翔宇盧敏王軍*陳軍敬成君

1四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 2四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司

0 引言

風(fēng)對(duì)建筑室內(nèi)外環(huán)境有重要的影響，合理的建筑群布局應(yīng)該充分利用自然通風(fēng)，改善建筑群區(qū)域的微氣候，讓整個(gè)建筑群處于良好的風(fēng)環(huán)境下[1]。建筑群和構(gòu)筑物會(huì)顯著改變近地面風(fēng)的流程。近地風(fēng)的速度，壓力和方向與建筑物的外形、尺度、建筑物之間的相對(duì)位置及周圍地形地貌有著很復(fù)雜的關(guān)系[2-3]。當(dāng)有較強(qiáng)來流時(shí)，建筑物周圍某些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，如果強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)在建筑物入口、通道、露臺(tái)等行人頻繁活動(dòng)的區(qū)域，則可能使行人感到不舒適，甚至形成風(fēng)災(zāi)[4-6]。因此，需要對(duì)建筑群進(jìn)行合理布局，營(yíng)造良好的室外風(fēng)環(huán)境，滿足建筑自然通風(fēng)和冬季防風(fēng)的需求。

另一方面，高海拔寒冷地區(qū)變電站作為一類對(duì)風(fēng)環(huán)境有重要要求的建筑群，在高寒地區(qū)的氣候條件下，實(shí)現(xiàn)合理的室外風(fēng)環(huán)境對(duì)促進(jìn)變電站建筑夏季通風(fēng)和降低冬季采暖需求有重要意義[7-9]，這也符合國(guó)家電網(wǎng)提出的“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”，即“兩型一化”變電站建設(shè)目標(biāo)。為此，本文將以爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達(dá)110 kV變電站、甘孜220 kV變電站為研究對(duì)象，結(jié)合風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與模擬方法，對(duì)高海拔寒冷地區(qū)變電站建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析并確定合理的優(yōu)化布局形式，為該地區(qū)變電站建筑布局提供理論指導(dǎo)。

1 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與模擬方法

1.1 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與舒適度

按照《GB/T50378-2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，室外風(fēng)環(huán)境應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)包括：1）場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外行走、活動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)；2）過渡季、夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風(fēng)區(qū)，）50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于0.5 Pa；3）在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向下，建筑物周圍人行區(qū)（距地面1.5 m高處）風(fēng)速小于5 m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2；除迎風(fēng)第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面風(fēng)壓差不大于5 Pa。

1.2 風(fēng)環(huán)境模擬方法

首先，對(duì)變電站建筑群進(jìn)行建模；然后，基于CFD方法，合理確定控制方程組（包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程）和邊界條件；最后，假設(shè)流體不可壓縮且穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件等進(jìn)行模擬分析。

在上述過程中，控制方程的離散采用六面體和四面體相結(jié)合的網(wǎng)格單元，保證在流程變化劇烈的區(qū)域網(wǎng)格做到細(xì)化，網(wǎng)格的變化呈現(xiàn)漸變趨勢(shì)，以保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。壓力離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，速度離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE格式。

此外，來流邊界選用大氣梯度變化的指數(shù)來流風(fēng)速進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)建筑所處的地形條件，選取不同的冪指數(shù)；出流邊界假定出流面上的流動(dòng)已充分發(fā)展，其出口壓力設(shè)為大氣壓；上空面和兩側(cè)面的空氣流動(dòng)幾乎不受建筑物的影響，設(shè)為自由無滑移表面；建筑壁面與地面邊界對(duì)于未考慮粗糙度的情況，采用指數(shù)關(guān)系式修正粗糙度帶來的影響，對(duì)于實(shí)際建筑的幾何再現(xiàn)，應(yīng)采用適應(yīng)實(shí)際地面條件的邊界條件，對(duì)于光滑壁面，應(yīng)采用對(duì)數(shù)定律。

2 風(fēng)環(huán)境模擬對(duì)象與條件

2.1 風(fēng)環(huán)境模擬對(duì)象

選擇爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達(dá)110 kV變電站、甘孜220 kV變電站作為典型分析對(duì)象，三個(gè)變電站的建筑信息如表1所示。同時(shí)，根據(jù)爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達(dá)110 kV變電站、甘孜220 kV變電站的建筑信息，建立計(jì)算分析建筑群模型，分別如圖1～圖3所示。

表1 典型分析對(duì)象建筑信息

圖1 爐霍縣貢唐崗光伏電站

圖2 色達(dá)110千伏變電站

圖3 甘孜220千伏變電站

另一方面，根據(jù)爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達(dá)110千伏變電站、甘孜220千伏變電站建筑群的布局特點(diǎn)，可以把計(jì)算模型劃分為兩類，即“U型”和“Ⅱ型”。同時(shí)，模擬三個(gè)變電站在A向、B向、C向和D向最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下距地面1.5 m位置的風(fēng)環(huán)境狀況，包括風(fēng)速大小分布、風(fēng)速矢量分布、風(fēng)壓分布和平均空氣齡分布。

2.2 風(fēng)環(huán)境模擬條件

依據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，以理塘、甘孜、馬爾康、拉薩、昌都、西寧地區(qū)的室外風(fēng)環(huán)境參數(shù)為參照，可以看到，高寒地區(qū)在夏季條件下室外平均風(fēng)速在1.7～3.1 m/s范圍內(nèi)變化，而在冬季條件下室外平均風(fēng)速在1.7～3.3 m/s范圍內(nèi)變化。因此，在風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)算分析過程中，室外風(fēng)速條件選擇以下 3種情況：1.5 m/s、2.5 m/s和3.5 m/s。

3 變電站風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析

3.1 爐霍縣貢唐崗光伏電站

通過對(duì)爐霍縣貢唐崗光伏電站在A向、B向、C向和D向最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下的風(fēng)環(huán)境模擬，可以發(fā)現(xiàn)，在最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下整個(gè)變電站內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯渦流區(qū)，從4個(gè)方位吹來的空氣沒有形成風(fēng)場(chǎng)死角。其次，圖4～圖7分別給出了爐霍縣貢唐崗光伏電站在四個(gè)朝向不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速、風(fēng)速放大系數(shù)、迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差、室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差。可以發(fā)現(xiàn)，B向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最大，A向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最小，風(fēng)速放大系數(shù)也有類似大小關(guān)系，相應(yīng)地，B向和A向分別引起了迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差以及室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差的最大值和最小值。由此表明，在以冬季供暖需求為建筑節(jié)能的主要矛盾角度考慮，應(yīng)減少站內(nèi)風(fēng)速以及滲透風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，那么在建筑群布局時(shí)，當(dāng)采用U型布置時(shí)，應(yīng)讓U底朝向主導(dǎo)風(fēng)向。

圖4 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速

圖5 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)風(fēng)速放大系數(shù)

圖6 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差

圖7 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差

3.2 色達(dá)110kV變電站

通過對(duì)色達(dá)110 kV變電站在A向、B向、C向和D向最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下的風(fēng)環(huán)境模擬，可以看到，在繞流作用的影響下，將引起迎風(fēng)面建筑兩側(cè)局部空氣流速增大。整個(gè)變電站內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯渦流區(qū)，從4個(gè)方位吹來的空氣沒有形成風(fēng)場(chǎng)死角。另一方面，圖8～圖11分別給出了色達(dá)110 kV變電站在四個(gè)朝向不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速、風(fēng)速放大系數(shù)、迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差、室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差?？梢园l(fā)現(xiàn)，B向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最大，而C向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最小，風(fēng)速放大系數(shù)也有類似大小關(guān)系，相應(yīng)地，B向和C向分別引起了迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差以及室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差的最大值和最小值。這一結(jié)果再次表明，在以冬季供暖需求為建筑節(jié)能的主要矛盾角度考慮，應(yīng)減少站內(nèi)風(fēng)速以及滲透風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，那么在建筑群布局時(shí)，當(dāng)采用U型布置時(shí)，應(yīng)讓U底朝向主導(dǎo)風(fēng)向。

圖8 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速

圖9 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)風(fēng)速放大系數(shù)

圖10 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差

圖11 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差

3.3 甘孜220 kV變電站

通過對(duì)甘孜220 kV變電站在A向、B向、C向和D向最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下的風(fēng)環(huán)境模擬，可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)變電站內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯渦流區(qū)，從4個(gè)方位吹來的空氣沒有形成風(fēng)場(chǎng)死角。此外，在繞流作用的影響下，將引起迎風(fēng)面建筑兩側(cè)局部空氣流速增大。其次，圖12～圖15分別給出了甘孜220 kV變電站在四個(gè)朝向不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速、風(fēng)速放大系數(shù)、迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差、室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差。可以發(fā)現(xiàn)，B向和D向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最大，A向和C向產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)速最小，風(fēng)速放大系數(shù)也有類似大小關(guān)系，相應(yīng)地，B向和D向會(huì)引起迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差以及室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差的出現(xiàn)最大值，而A向和C向帶來了迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差以及室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差的最小值。這一結(jié)果表明，在以冬季供暖需求為建筑節(jié)能的主要矛盾角度考慮，應(yīng)減少站內(nèi)風(fēng)速以及滲透風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，那么在建筑群布局時(shí)，當(dāng)采用II型布置時(shí)，應(yīng)讓II垂直于主導(dǎo)風(fēng)向。

圖12 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速

圖13 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)風(fēng)速放大系數(shù)

圖14 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差

圖15 不同風(fēng)速條件下站內(nèi)室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差

4 結(jié)論

本文通過對(duì)高海拔寒冷地區(qū)變電站建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析研究，可以得到以下結(jié)論和建議：

1）三個(gè)變電站內(nèi)均為出現(xiàn)明顯渦流去，而且四個(gè)方位吹來的空氣沒有形成風(fēng)場(chǎng)死角。

2）在最大風(fēng)速（3.5 m/s）條件下不同風(fēng)向?qū)φ緝?nèi)產(chǎn)生的最大風(fēng)速、風(fēng)速放大系數(shù)、迎風(fēng)面和背風(fēng)面最大風(fēng)壓差、室內(nèi)外表面最大風(fēng)壓差有所不同。

3）以冬季供暖需求為建筑節(jié)能的主要矛盾角度考慮，應(yīng)減少站內(nèi)風(fēng)速以及滲透風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)。

4）高海拔寒冷地區(qū)變電站建筑群布局設(shè)計(jì)的原則宜達(dá)到：當(dāng)建筑群采用“U型”布局時(shí)，應(yīng)讓U型底朝向主導(dǎo)風(fēng)向；當(dāng)建筑群采用“II型”布局時(shí)，應(yīng)讓II型垂直于主導(dǎo)風(fēng)向；當(dāng)建筑群采用其他形式布局時(shí)，建筑設(shè)置外窗側(cè)應(yīng)避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向。