預(yù)制艙系統(tǒng)熱平衡分析

何顯江 張雪劍 王說說 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，通過逐項對預(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：TM63? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：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)，通過物流運(yùn)輸至工程現(xiàn)場進(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，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)對電能損耗不敏感，并且預(yù)制艙的熱量分析和暖通設(shè)計理論目前也比較少，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)，目前國家已出臺多項規(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)計與計算，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)定和計算路徑，并提供對應(yīng)的計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)范分別針對工業(yè)建筑、民用建筑和公共建筑提供了相對應(yīng)的熱平衡計算方法，但預(yù)制艙系統(tǒng)和上述三類建筑還是有一定的差別，某些特性對系統(tǒng)整體的影響很小，如果完全按規(guī)范的計算方法，所得結(jié)果將大大超出實(shí)際情況，因此本文對某些差異特性將進(jìn)行簡化，只對核心的圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱、新風(fēng)傳熱、設(shè)備發(fā)熱量做計算。預(yù)制艙系統(tǒng)熱平衡如圖3所示，其簡化分析如下：

1）太陽輻射擾量：通過采光窗等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入的太陽輻射熱量。預(yù)制艙通常不設(shè)或少設(shè)對外的窗戶，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)維時開啟的時長較短，且往往開啟的時段（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)時候均為一艙一用，較少在一個預(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門的，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，艙內(nèi)濕度已相對穩(wěn)定，相變現(xiàn)象極少，故此熱源忽略。

1.2 ???預(yù)制艙系統(tǒng)熱量計算條件的假定

實(shí)際生活中，自然條件下一個物體的得熱和耗熱通常是動態(tài)的，如空氣流動速度、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)簡化是不可避免的，同時也需保證計算方法具備必要的通用性，因此將計算條件假定為：

1）環(huán)境條件：夏季氣溫最熱、太陽輻照最強(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值，可視為內(nèi)部環(huán)境已穩(wěn)定，其換熱過程可簡化為線性穩(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)部空氣對流和輻射耦合，已經(jīng)形成一個溫度均勻的整體，可簡化為一個均勻分布的面熱源。

2 ???通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量計算

通過圍護(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)，再通過對每個換熱面計算熱量進(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)可以將多層墻體簡化為單層墻體進(jìn)行熱分析，大幅度減少計算工作量，其計算結(jié)果對墻體內(nèi)外表面方向換熱量大小的準(zhǔn)確性影響較小。但將實(shí)際的多層墻體簡化成單層墻體后，計算得到的各分界面溫度分布嚴(yán)重失真。對關(guān)注多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布問題的情況，不能使用綜合傳熱系數(shù)法進(jìn)行簡化分析，即不能通過減少一兩層傳熱系數(shù)的計算而得到傳遞前層的溫度。

2.1 ???綜合傳熱系數(shù)計算方法

對于復(fù)合結(jié)構(gòu)的外墻，綜合傳熱系數(shù)的計算方法有兩種：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：單位時間內(nèi)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。對于有頂棚的坡屋面，因為屋面和頂棚有一定夾角，因此其傳熱系數(shù)需進(jìn)行修正，其計算方式如下：

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)計溫度的前提下，需要求得預(yù)制艙的室外計算溫度。對于室外計算溫度，以往的計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，同時外部環(huán)境氣溫與太陽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算空氣對流換熱和陽光照射吸熱再累加，但計算過程需獲得圍護(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，計算方法難以具有普適性。故采用暖通設(shè)計規(guī)范中通過氣象氣溫權(quán)重修正和太陽輻射吸收率修正的方式來獲得室外計算日平均綜合溫度，該溫度是綜合考慮室外平均氣溫與陽光輻照共同作用的估算值，具有較好的普適性，其計算方法如下：

tzp=twp+（3）

式中：tzp為夏季空調(diào)室外計算日平均綜合溫度;twp為夏季空調(diào)室外計算日平均溫度，來自式（4）;Jp為圍護(hù)結(jié)構(gòu)所在朝向太陽總輻射照度的日平均值，按文獻(xiàn)[1]附錄C選取，選取時需注意應(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)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(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)行簡化計算，其計算方式如下：

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。其計算方式如下：

局部受熱計算CL=KF（tzp-tn）（5）

圍護(hù)整體受熱計算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)計溫度，來自設(shè)計條件設(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)傳入的熱量計算

GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中對于工業(yè)建筑并未要求配置新風(fēng)系統(tǒng)并計算新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量，在實(shí)際預(yù)裝式變電站項目中，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)分開考慮。對于常規(guī)的僅使用風(fēng)機(jī)作為事故排煙或臨時換氣的場景，因風(fēng)機(jī)并不是長時間運(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。對于使用微正壓空調(diào)的場景，鑒于微正壓空調(diào)需要長時間引入新風(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)，建議對新風(fēng)傳入熱量做計算并納入空調(diào)制冷負(fù)荷，其計算方法如下：

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。

通過實(shí)際計算可以發(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)的考量過程中，將新風(fēng)量按滿足需求的最小值設(shè)計，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)熱量計算與經(jīng)驗發(fā)熱量取值建議。

4.1 ???干式變壓器的發(fā)熱計算

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算較為復(fù)雜，為簡化計算，只計算空載損耗與額定負(fù)載有功損耗，其計算方法可參考文獻(xiàn)[5]，過程如下：

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)熱計算

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

Pe=Pk（β2-1）（9）

式中：Pe為變壓器超銘牌額定值時增加的損耗;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)驗發(fā)熱值

常規(guī)設(shè)備發(fā)熱量也可按表1取經(jīng)驗值進(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

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)，對其設(shè)計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)計也能從站用變?nèi)萘亢偷蛪汗駭嗦菲鬟x擇等方面降低項目整體配置成本。目前整個預(yù)裝式建筑領(lǐng)域的研究和探討都相對較少，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)可的計算方法。對預(yù)制艙的熱分析和計算有利于暖通設(shè)計時提高其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，同時此類分析也可以對輕鋼房屋等行業(yè)起到一定的參考作用，因此預(yù)制艙的暖通系統(tǒng)設(shè)計具有極高的探討和研究價值。

[參考文獻(xiàn)]

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

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：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。