基于內(nèi)蒙古區(qū)域氣候特征的110 kV變電站建筑節(jié)能分析

張振，聶建春，薩仁高娃，張前，王安，宋瑞軍

（內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及城市化進程的不斷推進，建筑能耗占比已達(dá)我國總能耗的47%[1]。變電站建筑作為一種工業(yè)建筑，其建筑能耗的特殊性在于變配電站區(qū)工藝總體要求及電氣設(shè)備對房間熱環(huán)境的嚴(yán)格要求[2]，即變電站建筑為實現(xiàn)其自身的使用功能要求，不僅要消耗大量的資源，而且站內(nèi)電力設(shè)施設(shè)備的正常運行也對溫度有一定要求（尤其在寒冷地區(qū)）。因此，通過更多的節(jié)能手段降低變電站建筑能耗，是變電站節(jié)能研究與設(shè)計的關(guān)鍵所在。

在變電站建筑節(jié)能設(shè)計方面，國內(nèi)外已有許多研究成果[3-8]?，F(xiàn)階段對變電站建筑能耗的研究，大多是通過一個或多個單一影響因素對變電站建筑能耗的影響進行優(yōu)化改進，而對多個影響因素變化而產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)及影響分析卻少有深入探討。本文擬在供暖負(fù)荷不變的前提下，基于內(nèi)蒙古地區(qū)環(huán)境氣候特征，選取多個對內(nèi)蒙古地區(qū)變電站建筑能耗影響較大的影響因素，通過對各種類型變電站建筑（全戶內(nèi)站、半戶內(nèi)站、戶外站）動態(tài)能耗進行模擬，探究變電站建筑能耗各影響因子之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進而提出變電站建筑節(jié)能優(yōu)化策略。

1 內(nèi)蒙古地區(qū)環(huán)境氣候劃分及變電站建筑特點

不同氣候區(qū)域內(nèi)的氣候要素特征各不相同，為保證變電站建筑熱工設(shè)計與所屬氣候區(qū)域相適應(yīng)，依據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[9]中全國主要城市熱工設(shè)計區(qū)屬及建筑熱工設(shè)計用室外氣象參數(shù)，內(nèi)蒙古地區(qū)屬于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，其中嚴(yán)寒地區(qū)劃分為3個區(qū)，寒冷地區(qū)劃分為2個區(qū)，即嚴(yán)寒A、B、C區(qū)，寒冷A、B區(qū)。結(jié)合氣候區(qū)域劃分選取內(nèi)蒙古地區(qū)5個代表城市（分別為海拉爾、二連浩特、通遼、呼和浩特、吉蘭泰）的環(huán)境氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行對比分析，各城市相關(guān)氣候數(shù)據(jù)見表1。

表1 內(nèi)蒙古地區(qū)5個代表城市環(huán)境氣候數(shù)據(jù)

根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)變電站運行習(xí)慣、變電站電氣設(shè)備類型及相關(guān)要求，110 kV變電站建筑室內(nèi)功能房間主要包括：電容器室、配電裝置室、蓄電池室、主變壓器室、二次設(shè)備室、110 kV GIS室、衛(wèi)生間、備餐間、資料室、值班室、休息室、安全工具間、消防泵房等，不同區(qū)域房間有不同的室內(nèi)環(huán)境要求（見表2）。二次設(shè)備室、蓄電池室、休息室、值班室需要設(shè)置空調(diào)，用于夏季制冷降溫；二次設(shè)備室、蓄電池室、休息室、值班室、衛(wèi)生間、備餐間、消防泵房在冬季采用電暖器電熱采暖的方式維持所需的室內(nèi)溫度，其他區(qū)域則通過自然通風(fēng)或機械通風(fēng)的方式將熱量排出[9]。

表2 變電站建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)計要求

2 數(shù)值模擬

2.1 分析方法及模型方案的選取

為使能耗模擬更準(zhǔn)確、計算能力更強大，本文采用建筑動態(tài)能耗模擬方法，依據(jù)逐時變化的室外氣象數(shù)據(jù)、室內(nèi)人員活動狀況等信息，計算滿足室內(nèi)環(huán)境要求的全年逐時建筑供暖負(fù)荷。動態(tài)能耗模擬通過EnergyPlus軟件實現(xiàn)，模擬計算包括三部分：建筑能耗模型、暖通系統(tǒng)模型和設(shè)備效率模型，分別對建筑結(jié)構(gòu)的熱反應(yīng)，供暖、空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的熱動力行為，以及系統(tǒng)中主要能源設(shè)備的效率轉(zhuǎn)化問題進行分析。模擬時三者依次銜接，前一部分的輸出作為后一部分的輸入[10]。

對于變電站模型的選取，本文基于內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司35~110 kV輸變電工程通用設(shè)計中的具有代表性的變電站模塊方案，即NM110-A2-1、NM110-A3-1、NM110-C-2（A為GIS方案，其中，A2為全戶站，A3為半戶內(nèi)站；C為瓷柱式斷路器站），分別代表全戶內(nèi)型（主變壓器、配電裝置等均布置室外）、半戶內(nèi)型（主變壓器位于室外，配電裝置布置在室內(nèi)）和戶外站型（主變壓器及配電裝置均布置于室外）變電站，模擬了建筑在上述5個城市的冬半年供暖負(fù)荷；通過確定不同類型變電站建筑供暖負(fù)荷的差異，并選取多個關(guān)鍵影響因素，分析其不同組合形式對供暖負(fù)荷的影響。

2.2 建筑模型構(gòu)建

針對目前變電站建筑能耗普遍較大，且缺乏有效的節(jié)能措施等問題，本文以3種不同建筑類型變電站（全戶內(nèi)、半戶內(nèi)及戶外），分別提取其建筑特征及建筑能耗相關(guān)信息并建立建筑模型，表3為3種類型變電站建筑參數(shù)及熱工性能參數(shù)。其他模擬參數(shù)依據(jù)GB 50189—2015《公共建筑建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]設(shè)置如下：人均占有面積10 m2，照明功率密度9 W/m2，房間普通設(shè)備功率密度15 W/m2，人員活動水平取值252。

表3 3種類型變電站建筑參數(shù)及熱工性能參數(shù)

內(nèi)熱源的大小通過電力設(shè)備發(fā)出的長波輻射來量化，即利用設(shè)備柜機占所在空間底面面積、高度及設(shè)備正常運行時的表面溫度，根據(jù)史蒂芬玻爾茲曼定律來估算長波輻射量（見式（1）），以此來量化設(shè)備內(nèi)熱源對室內(nèi)采暖能耗的影響。各類型變電站不同房間的內(nèi)熱源值見表4。

式中：qn—空間內(nèi)內(nèi)熱源的大小，W/m2；

Cw—電力設(shè)備表面材料的輻射系數(shù)，W/（m2·K4）；

T—電力設(shè)備正常運行時的表面絕對溫度，K；

A—設(shè)備表面積，m2；

a—設(shè)備所在的建筑空間底面面積，m2。

基于表3、表4，應(yīng)用Design Building軟件構(gòu)建建筑物的物理模型，并利用建筑能耗軟件Energy?Plus進行能耗模擬分析，獲得內(nèi)蒙古地區(qū)典型110 kV變電站建筑物理模型示意圖見圖1所示。

表4 各類型變電站不同房間的內(nèi)熱源值 W/m2

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)典型110 kV變電站建筑物理模型示意圖

（1）全戶內(nèi)類型。以NM110-A2-1的主控通信樓為例，建筑面積1 146.9 m2。該建筑體形系數(shù)較大，建筑各面的窗墻面積比較小（尤其是南向），且窗傳熱系數(shù)較大。

（2）半戶內(nèi)類型。以NM110-A3-1的主控室和配電室為例，建筑面積713.6 m2，體形系數(shù)較大。

（3）戶外站類型。以NM110-C-2的主控室和配電室為例，建筑面積432.4 m2。該建筑外墻傳熱系數(shù)較大，東西兩向窗戶面積較大，同時北向窗戶面積為0。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 變電站建筑類型對采暖能耗的影響

3種變電站建筑在海拉爾、二連浩特、通遼、呼和浩特、吉蘭泰5個不同地區(qū)冬半年單位面積采暖能耗的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，各地區(qū)變電站供暖負(fù)荷均是全戶內(nèi)站＞半戶內(nèi)站＞戶外站。這是因為全戶內(nèi)站為二層建筑，建筑體積及外表面積明顯大于半戶內(nèi)站和戶外站，故所需的采暖能耗為全戶內(nèi)站大于半戶內(nèi)站和戶外站；半戶內(nèi)站的體形系數(shù)和建筑體積大于戶外站，因此半戶內(nèi)站的采暖能耗大于戶外站。同時，對比三類變電站的窗墻面積比可以發(fā)現(xiàn)，相較民用建筑，變電站建筑窗墻面積比相對自由，限制條件更少。另外，雖然此3種類型變電站建筑的外窗傳熱系數(shù)相同，但通過外窗的熱量損失也要考慮，且建筑的形體根據(jù)電氣設(shè)備功能要求已確定，故此處不考慮體形系數(shù)的變化。此外，變電站建筑室內(nèi)熱源值遠(yuǎn)大于普通民用建筑，故室內(nèi)熱源強度在變電站建筑中也是影響采暖能耗的節(jié)能設(shè)計參數(shù)之一。以下先通過控制單一變量，探討各面窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、內(nèi)熱源和換氣次數(shù)5個參數(shù)在同一地區(qū)對建筑供暖負(fù)荷的影響。

圖2 各地區(qū)冬半年單位面積供暖負(fù)荷

3.2 單個影響因子對供暖負(fù)荷的影響

選取各面窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、內(nèi)熱源值和換氣次數(shù)這5個對變電站建筑供暖負(fù)荷的主要影響因素，分別使單個因素發(fā)生5種變化，即分別減小50%、25%和增加25%、50%以及不變化，通過控制變量法分別對3種類型變電站建筑進行模擬分析，結(jié)果如圖3—圖7所示。

圖3 窗墻面積比對供暖負(fù)荷的影響

圖7 室內(nèi)熱源變化對供暖負(fù)荷的影響

從模擬結(jié)果可知，窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)和外墻傳熱系數(shù)越大，則供暖負(fù)荷越大，且基本成線性關(guān)系變化。減小換氣次數(shù)時，供暖負(fù)荷基本沒有變化，而增大25%出現(xiàn)較明顯變化，且從25%增大至50%時，供暖負(fù)荷增加更為突出。而室內(nèi)熱源變化正好相反，增大室內(nèi)熱源時，供暖負(fù)荷降低不明顯，但當(dāng)減少25%時，供暖負(fù)荷增加較明顯，且從25%減少至50%時，供暖負(fù)荷增加更為突出。

圖4 外窗傳熱系數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

圖5 外墻傳熱系數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

圖6 換氣次數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

3.3 多個影響因子對供暖負(fù)荷的影響

通過上述模擬可知，在已經(jīng)確定建筑形體的變電站建筑中，窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、室內(nèi)熱源及換氣次數(shù)的大小是決定采暖能耗的重要因素，在建筑能耗不變的前提下，分以下3種情況分別進行分析。

（1）使外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)與室內(nèi)熱源保持不變，窗墻面積比與外窗傳熱系數(shù)同時變化。

（2）使窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)與室內(nèi)熱源保持不變，外墻傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)同時變化。

（3）使窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)保持不變，室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)同時變化。

在這3種情況下，分別對3種不同類型的變電站建筑進行多次全面的采暖負(fù)荷模擬分析，得出150種不同工況的模擬結(jié)果。針對模擬結(jié)果，對各影響因素進行關(guān)聯(lián)性分析。

（1）外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比同時變化時，全戶內(nèi)站、半戶內(nèi)站以及戶外站的模擬結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比均減少50%和25%時，全戶內(nèi)站供暖負(fù)荷分別降低了46.48%和22.56%；半戶內(nèi)站分別降低了37.18%和25.33%；戶外站分別降低了40.74%和25.59%。

圖8 外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比變化時冬半年供暖負(fù)荷

（2）換氣次數(shù)的大小與外墻傳熱系數(shù)同時變化，全戶內(nèi)、半戶內(nèi)以及戶外站的模擬結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)和外墻傳熱系數(shù)均降低25%和50%時，全戶內(nèi)站供暖負(fù)荷分別降低了16.54%和30.75%；半戶內(nèi)站分別降低了24.49%和43.94%；戶外站分別降低了22.93%和37.05%。

圖9 換氣次數(shù)大小與外墻傳熱系數(shù)變化時冬半年采暖負(fù)荷

（3）室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)同時變化時，全戶內(nèi)、半戶內(nèi)以及戶外站的模擬結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)室內(nèi)熱源增大25%和50%，而外墻傳熱系數(shù)降低25%和50%時，全戶內(nèi)站采暖能耗比原先分別降低了31.85%和52.14%；半戶內(nèi)站分別降低了22.3%和40%；戶外站分別降低了16.54%和30.75%。

圖10 外墻傳熱系數(shù)與室內(nèi)熱源變化時冬半年采暖負(fù)荷

4 優(yōu)化策略

基于外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積的關(guān)系、外墻傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)以及室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)關(guān)系的模擬結(jié)果，制訂以下優(yōu)化策略。

（1）GB 51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中要求變電站建筑總窗墻面積比不應(yīng)大于0.5[12]，上述變電站建筑模型均能滿足。在供暖負(fù)荷不變時，可以在降低外窗傳熱系數(shù)的同時提高窗墻面積比，既能充分滿足變電站建筑采光需求，又能減少建筑供暖負(fù)荷，起到節(jié)能降耗的目的[13-15]。例如，對于全戶內(nèi)站，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)減少50%、窗墻面積比增加50%時，其供暖負(fù)荷為20.6 W/m2，較兩者都不變時的供暖負(fù)荷減少10.09%。

（2）以全戶內(nèi)站建筑為例，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)或換氣次數(shù)同時減小25%和50%時，供暖負(fù)荷比原先分別降低了16.54%和30.75%，而增加外墻傳熱系數(shù)或換氣次數(shù)25%和50%時，其供暖負(fù)荷比原先分別增加了67.7%和271.13%。且當(dāng)換氣次數(shù)減少50%，外墻傳熱系數(shù)只增加25%時，供暖負(fù)荷還是會增加7.47%。由此可知，變電站建筑設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求，避免換氣次數(shù)和外墻傳熱系數(shù)的增加。

（3）變電站建筑節(jié)能不應(yīng)只考慮建筑的保溫性能，還應(yīng)綜合考慮建筑室內(nèi)熱源。對于具有較大室內(nèi)熱源的變電站建筑，由于設(shè)備自身可以產(chǎn)生大量的余熱，提高室內(nèi)溫度、因此在設(shè)計過程中應(yīng)充分分考慮室內(nèi)熱源密度，當(dāng)室內(nèi)熱源密度較大時，可以降低外墻保溫性能，增加其傳熱系數(shù)。以全戶內(nèi)站為例，不考慮室內(nèi)熱源時所需的采暖能耗為26.13 W/m2，而考慮了室內(nèi)熱源時，采暖能耗為19.63 W/m2，約減少33.11%，在降低外墻保溫性能的同時，實現(xiàn)了節(jié)約材料的目的。

5 結(jié)論

變電站作為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，其建筑能耗具有自身的特殊性，合理確定變電站建筑能耗特性是實現(xiàn)其建筑節(jié)能的關(guān)鍵。本文針對3種不同類型變電站建筑進行建模，模擬分析了其在內(nèi)蒙古不同地區(qū)的供暖負(fù)荷情況；在分析窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)和室內(nèi)熱源5個參數(shù)單個變化對供暖負(fù)荷的影響基礎(chǔ)上，研究了多個參數(shù)在不同組合方式下對供暖負(fù)荷的影響，得出以下結(jié)論。

（1）內(nèi)蒙古地區(qū)3種不同類型變電站建筑的供暖負(fù)荷大小排序為：全戶內(nèi)站＞半戶內(nèi)站＞戶外站。

（2）窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)和室內(nèi)熱源5個參數(shù)單個變化時，窗墻面積比和外窗傳熱系數(shù)與供暖負(fù)荷基本呈正相關(guān)線性關(guān)系；而外墻傳熱系數(shù)和換氣次數(shù)的增加與供暖負(fù)荷的增加基本成指數(shù)增加關(guān)系。

（3）在增加外窗傳熱系數(shù)的同時減少窗墻面積比，能夠同時實現(xiàn)采光與節(jié)能的效果；而對于外墻傳熱系數(shù)和換氣次數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求避免其數(shù)值的增加；同時設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮室內(nèi)熱源密度，當(dāng)其較大時可以降低外墻保溫性能，以增加其傳熱系數(shù)。

（4）由于變電站電氣設(shè)備的底面積是根據(jù)電氣專業(yè)的需求確定的，關(guān)于內(nèi)熱源對供暖負(fù)荷的影響情況，可根據(jù)具體建筑的實際情況做進一步的優(yōu)化研究。