預(yù)制艙系統(tǒng)熱平衡分析

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、220kv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(jì)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(xiàng)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(jì)與計(jì)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(jì)算路徑,并提供對應(yīng)的計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)開啟的時(shí)長較短,且往往開啟的時(shí)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(shí)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(shí)候均為一艙一用,較少在一個(gè)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(dòng)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(shí),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(jì)算條件的假定

實(shí)際生活中, 自然條件下一個(gè)物體的得熱和耗熱通常是動(dòng)態(tài)的,如空氣流動(dòng)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(jì)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(shí)也需保證計(jì)算方法具備必要的通用性,因此將計(jì)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(dòng)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(gè)溫度均勻的整體,可簡化為一個(gè)均勻分布的面熱源。

2通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量計(jì)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(jì)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(gè)換熱面計(jì)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(jì)算工作量,其計(jì)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(jì)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(jì)算而得到傳遞前層的溫度。

2.1綜合傳熱系數(shù)計(jì)算方法

對于復(fù)合結(jié)構(gòu)的外墻,綜合傳熱系數(shù)的計(jì)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(jì)算公式如下:

式中:K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù);a_n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;a_w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;a_λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù),按文獻(xiàn)[3]表B.2選取;R_k為封閉空氣間層的熱阻,按文獻(xiàn)[1]表5.2.4-3選取;φ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(shí)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?yàn)槲菝婧晚斉镉幸欢▕A角,因此其傳熱系數(shù)需進(jìn)行修正,其計(jì)算方式如下:

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(jì)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(jì)溫度的前提下,需要求得預(yù)制艙的室外計(jì)算溫度。對于室外計(jì)算溫度,以往的計(jì)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(shí)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(jì)算空氣對流換熱和陽光照射吸熱再累加,但計(jì)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(jì)算方法難以具有普適性。故采用暖通設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算方法如下:

式中:t_zp為夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均綜合溫度;t_wp為夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度,來自式(4);J_p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(shí)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);P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(jì)算日平均溫度t_wp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(jì)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(jì)算,其計(jì)算方式如下:

式中:t_rp為累年最熱月平均溫度,由地區(qū)氣象數(shù)據(jù)取得;t_max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(jì)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(jì)算方式如下:

局部受熱計(jì)算CL=KF(t_zp-t_n) (5)

圍護(hù)整體受熱計(jì)算CL_圍護(hù)=CL_外墻十CL_屋頂十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;t_n為夏季空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度,來自設(shè)計(jì)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(jì)算

GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(jì)算新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量,在實(shí)際預(yù)裝式變電站項(xiàng) 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(shí)換氣的場景,因風(fēng)機(jī)并不是長時(shí)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(shí)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(jì)算并納入空調(diào)制冷負(fù)荷,其計(jì)算方法如下:

式中:CL_{新風(fēng)}為新風(fēng)系統(tǒng)傳入的熱量;P_空氣 為空氣密度;G_w為空氣流量;i_N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;i_W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(jì)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(jì),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(jì)算與經(jīng)驗(yàn)發(fā)熱量取值建議。

4.1 干式變壓器的發(fā)熱計(jì)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(jì)算較為復(fù)雜,為簡化計(jì)算,只計(jì)算空載損耗與額定負(fù)載有功損耗,其計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[5],過程如下:

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;P_k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;s_rt為變壓器額定容量;cosθ₂為變壓器功率因數(shù);I₂為變壓器二次側(cè)負(fù)載電流;I_2RT 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(jì)算

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

P_e=P_k(β²-1)(9)

式中:P_e為變壓器超銘牌額定值時(shí)增加的損耗;P_k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(yàn)發(fā)熱值

常規(guī)設(shè)備發(fā)熱量也可按表1取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行快速估算。

表1常規(guī)設(shè)備發(fā)熱量取值參考表

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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)也能從站用變?nèi)萘亢偷蛪汗駭嗦菲鬟x擇等方面降低項(xiàng)目整體配置成本。目前整個(gè)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(jì)算方法。對預(yù)制艙的熱分析和計(jì)算有利于暖通設(shè)計(jì)時(shí)提高其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)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(jì)具有極高的探討和研究價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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2024年第11期第1篇