地下变电站热环境控制
山东建筑大学 朱旭伟
【摘 要】随着城市经济的不断发展和城市规模的不断扩大，建设地下变电站成为目前解决城市用地紧张的现实方案之一。改善地下变电站室内的热环境对地下变电站的使用具有十分重要的作用。因此本文对通过PHOENICS软件进行模拟，改变不同的送风条件和排风口的位置来改善室内热环境，得到合理的送风条件，降低变电器室内的温度，使变电器运行更加安全。
【关键词】地下水电站 热环境 数值模拟
Abstract：With the continuous development of urban economy and the continuous expansion of urban scale, the construction of underground substation has become one of the practical solutions to solve the shortage of urban land.Improving the indoor thermal environment of underground substation plays a very important role in the use of underground substation.Therefore, this paper uses PHOENICS software to simulate and change different air supply conditions and the location of exhaust outlets to improve the indoor thermal environment, obtain reasonable air supply conditions, reduce the temperature in the room of the transformer, and make the operation of the transformer safer.
0 引言
地下建筑建设进程的加速对暖通空调专业的设计也提出了较高的要求。为了改善地下建筑室内环境，大多采用机械通风的方式这将使整个地下建筑中的运行能耗费用大幅度提高[1]。地下变电站内发热设备间很多，根据规范中房间工作面和排风温度的要求，引入新风的处理形式有所不同[2]。主变压器室为直接引入外界新风、电抗器室、接地变室、站用变室的送风一般要通过冷却降温处理才能达到要求[3]。本文主要分析发热量最大的主变电器室内通风的状况，并通过改变模型的边界条件，探讨最有利的通风方式。通过用运CFD的方法探讨变电器室内最合理的送风速度、排风口位置，得到最有利于设备间降温要求的条件。
1 对220KV变压器室通风策略的优化
1.1 控制方程
在数值模拟中，室内流体只考虑因温度引起的密度变化而忽略因压强引起的密度变化，且满足Boussinesq 假设。采用RNG k-ε方程模型进行求解，辐射模型为Immersol辐射模型。RNG k-ε模型的表达式如下：
（1）
（2）
式中：C1ε和C2ε为经验常数,分别为1.42和1.68；μeff为扩散系数；k为湍动能；ε为耗散率。
1.2 物理模型
变压器室的尺寸为15.1m（长）×12.1m（宽）×10.1m（高）,变压器的尺寸经合理简化后一部分为10m（长）×5.5m（宽）×4.7m（高），另一部分为1.8m（长）×5.5m（宽）×2.2m（高）。变电器室的具体设置，如图3所示。设置两个送风口风口的尺寸为1.7m（长）×0.6m（宽），回风口位于屋顶，尺寸大小为3.45m（长）×3.05m（宽）。Line1-4为房间四个角的4个系列的测点，其中Line1的坐标为（3.1m，1.15，0-10.1m），Line2的坐标为（9.35m，1.15m，0-10.1m），Line3的坐标为（3.1m，11.5m，0-10.1m），Line4的坐标为（9.35m，11.5m，0-10.1m），如图3所示。变压器体积较大且设备的散热量很大，送入室内的空气经加热后不断上升，为了使送风气流与自然对流方向一致。主变压器室采用“下送上排”的通风方式。
图3 变压器室模型
1.3 边界条件
取济南市的夏季空调室外计算参数为此次地下变电站模拟的室外工况，室外的空气温度为31.3℃，变电室围护结构的温度也可以认为是室为的空气温度，所以维护结构的温度也为31.3℃。变电器主体的发热量为560w/m2。各个工况的具体设置见表1。为使模拟的结果更加严谨，同时也为了减轻计算机的运算负担。在网格划分时对模型的局部位置如送风口、排风口采取局部划分的原则。如图4所示。
表1 工况表
图4 网格划分图
1.4 网格无关性分析
以Case1为例进行网格无关性分析，以Case1中Line1为一系列测点。Case1模拟共进行三次网格数量分别为60万、80万、100万。由下图5可以看出在网格数量从60万变到80万时，Line1上相同位置的测点温度的最大变化为1.153℃，且变化值在0.9℃以上的测点数量占所有测点数量的14%。当网格数量从80万变到100万时，Line1上相同位置的测点温度的最大变化为0.362℃，且变化值在0.3℃以上测点数量仅占所有测点的10%。综合考虑计算机的运算能力和不同网格数量时相同位置温度的变化值，本次模拟选用的网格数量为80万。
图5 不同网格数量时Line1的温度变化图
2 结果和讨论
2.1 Case1温度和速度的分析
图6为Case1在水平面Z=2.3m的温度、速度模拟结果分析。通过图6可以看出温度、速度从进风口进入的扩散情况。两个进风口位于变电器的前侧，送风口A气流进入变电室遇到变电器的阻挡分别分为两股气流，其中的一股沿着变电器前进，直到遇到墙壁的遮挡而改变方向。另一部分在变电器背侧形成漩涡，来降低变电器背侧的温度。送风口B的一股气流遇到机器的遮挡在机器前侧形成旋涡。另一股气流自进风口自由扩散一段后就紧贴变电器侧壁直到到达另一侧墙壁而改变运动方向。因此在变电器背侧形成大的旋涡，从两个进风口进入的气流环绕变电器一周，以此来降低变电器整体的温度。
图6 Z=2.3m的温度、速度分布云图
从Case1的温度和速度分布云图中可以看出人员活动区域（离开变电器大约1m的区域外）的大部分温度在32-38.4℃，温度高于38.4℃的只占较小部分。这是因为气流的涡旋作用使中心只有较少量且温度较高的气流到达，另一个原因是从送风口出来的气流速度较大且在气流的前进方向无障碍物的遮挡，以至于气流在水平方向上没有充分扩散。
在Y=2.86m为进风口A的中心线，其温度、速度分布如图7所示。
图7 Y=2.86m的温度、速度分布
气流从送风口进入遇到变电器的阻挡，在变电器室地面与送风口壁之间形成旋涡。从图6中可以看出Z=2.3m以下的变电器前侧的温度分布在32.09-38.44℃,变电器背面的温度大部分在36.06-37.65℃。在变电器的顶部温度温度均大于40℃。图8为X=6m竖直截面上模拟的温度结果。X=6m是沿变电器室宽度方向上的变电器的中心剖面。从图8可以看出仅在变电器主体部分的上表面0-0.2m的局部位置出现温度38.72-39.82℃。在变电室内高度4.7m以下的温度大部分温度在39℃以下。
图8 X=6m竖直截面温度分布
2.2 Linel~Line4上温度随高度分布
Line1-4表示变电器室四个角的一系列的测点位置，在图3的变电器室模型图标出了四条直线的具体位置，其中Line2和Line4为远离进风口的两条直线，Line1和Line3分别位于送风口A、B的近风口端的两个角落。从下图9中可以看到四条测量线的温度随高度的变化情况。
图9 测量线温度随高度变化图
由上图可知Linel-Line4四个位置的测点温度在0~4m的高度上的变化较为波动，且空气温度在31.3-41.2℃之间变化。在变电器室内3.2m的高度以上的空气温度随高度的增加逐渐增大，其中Line4有微弱的线性关系。由于送风口B的中心高度为2.4m，所以和Line3处的空气温度在2.4m左右处形成的低温达到31.3℃，2.4m以下由于漩涡的存在，空气温度高于进风口中心的空气温度；2.4m以上空气温度随高度急剧变化。
2.3 模拟对比讨论
本节从三个重要参考平面和四条直线上的温度分布，对比分析了模拟结果。由于建筑结构的限制，发现高温区域所占的区间较大。因此对原来的模型进行优化，对优化后的变电室内的温度进行分析，判断所提出的优化方案是否具有可行性。
3 优化后的模拟结果
本节模拟以Case2和Case3为例进行，和Case1相同考虑辐射的条件。其中Case2改变排风口的位置为屋顶的中央，排风口的尺寸不变，其他边界条件和Case1相同；其中Case3送风速度为6.9m/s，其他条件和Case1相同。对比分析不同的优化方案的参考对象为：
1）Z=2.4m水平面，离开设备区域1m的温度、速度分布；
2）Z=4m水平面，离开设备区域1m的温度
3）Y=7.15变电器中心剖面的温度分布；
3.1 Case2和Case3在Z=2.4m水平面的温度模拟结果
不同优化方案（Case2和Case3）下水平面Z=2.4m的温度分布如图10所示。
图10 Case2和Case3在Z=2.4m的温度分布
分析图10中的Case2和Case3在Z=2.4m的温度场分布。在Case2中只改变送风口的位置，水平面Z=2.4m的温度范围为32.5-41.86℃。在Case3中不仅改变送风口的位置，还提高送风口风速到6.9m/s，水平面Z=2.4m的温度范围为32.5-39.76℃。且在Case3中出现部分高温区域的空间小于在Case2中的高温区域空间。Case2中在Z=2.4m的大部分区域温度都低于39.54℃，Case3中在Z=2.4m的大部分区域温度低于37.37℃，因此送入变电器室内新风的冷量在Case3中得到更加充分的利用。
3.2 Case2和Case3在Z=4m水平面的温度模拟结果
图11 Case2和Case3在Z=4m的温度分布
分析图11中的Case2和Case3在Z=4m的温度场分布。由图11（a）知在水平面Z=4m的空气温度分布在38.22-40.09℃之间。由图11（b）知在水平面Z=4m的空气温度分布在36.97-40.09℃之间。但从以上两图可以明显的看出在提高送风速度后，在Z=4m的高度上的最低温度要远低于在未提高风速的工况的同高度的温度。除此之外，在Case3中的36.97-38.22℃的低温度区域所占的空间要远大于Case2中的低温区域。因此可以得出Case3冷量得到充分的利用，其除热的效果更好。在Case2和Case3中均出现小部分的高温区域，Case3出现的小部分高温区域的空间小于Case2出现的小部分的高温区域。因此可以得出Case3冷量得到充分的利用，其除热的效果更好。
3.3 Case2和Case3在Y=7.15m变电器中心剖面的温度分布
Case2和Case3工况下在Y=7.15m竖直界面的温度分布如图12所示。
图12 Case2和Case3在Y=7.15m的温度分布
由图12的温度温度分布知，随着送风速度的升高变电器室4.2m以上区域的温度变低。变电器室内4m以下区域温度分布的分布趋势基本相同。Case2中变电器左侧Z方向上空气温度分别为33.79℃、34.98℃、36.18℃。在Case3中由于送风速度有所提升，变电器左侧Z方向上空气温度分别为33.79℃、34.98℃，与Case2相比此处的温度略有下降，Case3中温度分布的等温线与Case2相比也有所提高，且等温线的间距也有明显的变大。Case2和Case3中，在紧挨变电器上表面的空气温度最高可达41.56℃。
4 结论
地下变电站的变电器室是所有设备室内发热量最大、通风量最大的房间。本文重点模拟分析了变电器室内的通风降温状况。以Case1中的模型为基础进行合理送风方案的优化，得出以下结论。
1）在Case2中通过改变排风口的位置，来降低变电器室内的温度的效果并不明显。与Case1相比仅在排风口处有轻微的扰动，在变电器主体周围的温度变化微弱。因此在实际工程若要通过改变通风口位置来改变变电器室内温度的方案是不可行的。
2）以Case2案例，与Case3进行对比，提高送风速度后换气量增大。在Z=2.4m的高度上紧挨变电器周围温度的降幅仅为0.4℃，但在Z=4m的高度上，变电器室的整体区域空气温度温度降幅较明显，送入变电器室内的冷量得到了很好的利用。在实际工程若要降低变电器室内的温度，可以考虑提高送风速度（增大送风量）。
3）在Z=2.4m和Z=7m截面上，紧挨变电器右侧的空气会有局部高温出现区域，该区域出现高温区域的原因是变电器左侧空间小，冷量未能得到全部利用就离开了该区域。
5 本文不足之处于反思
1）本文的模拟仅设置了热源的发热量为560w/m2，并未考虑热源在变化时室内温度分布的变化。
2）本文总共进行了三种方案的的模拟，且尽在送风速度和排风口的位置有改变，没有用考虑其他因素的改变对变电器室内温度的影响。
3）本文只考虑了热环境的变化，并未考虑湿环境的变化。在以后的研究可以继续深入。
参考文献
[1] 王香丽.地下变电站通风空调系统的节能性研究[D].南京：东南大学.2012.
[2] 刘希臣.地下水电站热湿环境形成机理及节能调控策略[D].重庆：重庆大学2014.
[3] 王海.水电站地下洞室施工期湿环境及控制方法研究[D].西安：西南交通大学2015.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。