±1100 kV户内直流场通风与空调运行效果探讨

依
1100kV 户内直流场通风与空调运行效果探讨 戴波 1 郭贤珊 2 邓晓 2 郭美晨 3
1西南电力设计院股份有限公司 2国家电网公司特高压建设部 3重庆大学城市建设与环境工程学院
摘 要： 本文以新疆的某个1100kV 特高压户内直流场作为案例， 结合实际情况分别提出全程通风系统及通风与 空调系统联合系统调控运行方案，
运用 Fluent 数值模拟对两运行模式下室内流场情况进行对比分析， 结果表明， 户内直流场采用通风送风方案时， 室内温度不均匀系数更小， 能量利用系数更大， 但是温度安全保证系数更低。

关键词： 特高压直流输电工程 户内直流场 通风空调 CFD 模拟
Discussion on Ventilation and Air Conditioning
Operation Effect of 依
1100kV Indoor DC Yard DAI Bo 1 ,GUO Xian­shan 2 ,DENG Xiao 2 ,GUO Mei­chen
3
1Southwest Power Design Institute Co.,Ltd. 2UHV Construction Department of State Grid Corporation
3Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University
Abstract: Taking a 1100kV UHV indoor DC field in Xinjiang as an example,this paper puts forward the control and operation schemes of ventilation system and ventilation combined air conditioning system,and compares the indoor flow field under the two operation modes by using fluent numerical simulation.When the ventilation and air supply scheme is adopted,the indoor temperature inhomogeneity coefficient is smaller and the energy utilization coefficient is larger,but the temperature safety guarantee coefficient is lower.
Keywords:UHVDC transmission project,indoor DC field,ventilation and air conditioning,CFD
收稿日期： 2018­11­28
作者简介： 戴波 （1976）， 本科， 高工； 西南电力设计院有限公司电网分公司 （610021）； E­mail:****************
0 前言
在我国高压直流输电系统中， 换流站的直流场形 式在过去多采用户外布置， 随着直流输电的电压等级
不断提高， 直流的静电吸尘效应愈加明显， 设备在直
流电压下的积污远比在交流电压下严重 [1]
， 特高压换 流站直流场采用户内形式是必然趋势
[2] 。

户内直流场建筑空间体积大，室内散热量也很
大，
为维持相对稳定且合适的室内温湿度环境， 必然 导致其具有大量的暖通系统能耗 [3]。

在对高大空间建
筑进行暖通系统设计时， 暖通空调系统设计方案及运 行调控方式， 会对系统保障与能耗都会产生较大的影 响。

目前，
CFD 计算流体模拟技术在暖通空调领域得 到了越来越广泛地应用， 利用CFD 软件预测仿真室内 空气流场分布情况， 从而得知设计方案的效果优劣， 这 对于优化系统设计方案以及减少系统能耗等方面都
具有重要的指导作用
[4] 。

因此， 本文对户内直流场这一特殊类型建筑物的
第 39 卷第 2 期 2020年 2 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.39No.2 Feb.2020.80~83
文章编号： 1003­0344 （2020） 2­080­4
室内温度环境控制技术进行针对性研究， 分别提出了 全程通风系统及通风与空调联合系统运行调控方案， 并运用 CFD 数值模拟软件对两种不同方案下的温度 场和速度场进行模拟分析， 以为今后的此类建筑或相 似类型建筑的温控系统设计提供指导作用与参考的 价值。

1 项目概况
本文的研究对象是位于新疆地区的某个户内直 流场， 建筑外形呈
“L ” 型立方体结构， 最大跨度达到 103m ，
最大进深达81m ， 高度 38.5m 。

新疆直流场为 一个整体式的高大空间建筑，外围护结构密闭性较
好， 外墙上无可开启外窗等结构。

图1 户内直流场外形尺寸方位图
户内直流场室内热源包括部分电气设备元件与
灯光照明系统， 据统计， 室内热源额定总散热量为 945kW ，
具体参数情况详见表1。

工作区内的环境设计 参数取值如表2所示。

表1 室内热源散热情况统计表
表2 户内直流场室内环境设计参数表
2 温控系统运行方案
2.1 全程通风系统运行方案
根据户内直流场在各温度区间内的计算通风量， 考虑风机之间的互为备用与轮换使用性， 送排风机的
单台通风量按照2伊 10
4 m 3
/h 进行选择。

由于送风要经 过过滤处理， 并且户内直流场空间大， 送排风管道较
长， 故应该选择较高全压风机作为送风机， 较低全压风 机作为排风机。

查阅相关样本资料，本文通风方案的 送排风系统设备配置情况如表3所示。

表3 户内直流场通风方案设备配置情况
2.2 通风与空调系统联合运行方案
户内直流场的空调系统送风参数为：
送风温度 25益， 送风风量 12伊 10 4 m 3
/h ， 因此温度值 25 益作为通 风系统与空调系统转换的状态点。

在室外空气干球温 度小于25益的范围内， 室内温控系统与通风系统运行 方案完全相同。

在室外空气干球温度大于 25 益时， 开 启空调系统运行方案。

根据新疆地区室外空气温度分布情况， 选择 35益 计算空调系统冷水机组最大制冷量， 为450kW 。

因此， 选择 2台额定制冷量为500kW 的高温型螺杆式冷水
机组， 一用一备。

当冷冻水出水温度为 18 益时， 额定 COP 为7.4。

冷冻水泵，
冷却水泵与冷却塔与冷水机组 一一对应， 均设置两台相同设备， 一用一备。

冷冻水泵
额定流量为 86m 3
/h ，水泵扬程 30mH 2 O ，水泵效率 0.72。

冷却水泵额定流量为 103m 3
/h ，
水泵扬程 25 mH 2 O ， 水泵效率 0.75。

冷却塔额定散热量为 550kW 。

3 室内空气流场分布情况比较
本工程采用上送下回的气流组织形式，利用 Fluent 软件对室内空间进行数值模拟，通过输出户内
直流场任一空间平面上的温度云图， 显示室内温度场
分布情况。

为了便于描述与观察，在户内直流场空间 内建立XYZ 三维坐标系，
如图2所示。

图2
户内直流场三维空间坐标系
设备 数量 单位 单位发热量/kW
总发热量/kW
平波电抗器 2 台 384 768 滤波电抗器 1 台 40 40 RI 电抗器 2 台 50 100 母线 300 m 0.07 21 灯具
228
盏
0.07
16
标高/m 温度/℃ 相对湿度/% 正压值/Pa 26
10~45
10~50
5~10
参数
送风机 排风机 类型 柜式离心风机
离心风机 配置台数 13 11
额定风量/m 3
/h 2×10 4
2×10
4
风机全压/Pa 800 530 风机功率/kW
11
7.5
戴波等： 依 1100kV 户内直流场通风与空调运行效果探讨 第 39 卷第 2 期 ·81·
本文选择最大进风温度运行方案作为对比工况， 两种模拟工况的具体参数情况如表4所示。

表4 通风尧空调模拟工况参数
3.1温度场分布
特征截面 X=21.3为平波电抗器在 YZ平面的纵 向中心截面具有空气热分层现象，由图3可以看出温 度场呈上高下低分布状态。

图3中，空调方案较之于 通风方案， 其空间温度增量更大， 温度分层现象更明 显， 原因在于空调方案的送风温度更低、 送风量更小， 故温度场分布更不均匀。

并且在有设备物体遮挡的区 域， 空气温度分层现象也更明显。

（a） 空调方案
（b） 通风方案
图3 户内直流场X=21.3特征截面温度云图
图 4为户内直流场 Y=5特征截面在空调方案与 通风方案工况下的温度云图。

整体看来， 空调方案的 空气温度低于通风方案。

在空调方案中， 温度场分布 呈现以送风口为中心逐渐向四周扩散升温的现象， 而 通风方案中， 整体温度场分布为沿 X坐标轴正向方向 空气温度逐渐降低的趋势。

这是由于空调方案且有更 大的送风温差， 故在刚送入直流场内时送风空气温度 远低于室内空气温度， 故室内空气温度分布不均匀性 较大， 出现明显的空气温度分层现象。

而通风方案送 风温差小且送风量大， 在高密度热负荷空间区域空气 温度更高。

（a） 空调方案
（b） 通风方案
图4 户内直流场Y=5特征截面温度云图
3.2速度场分布
图 5至图 7分别为户内直流场在 X、 Y、 Z三个方 向选择的特征截面在空调方案与通风方案工况下室 内空气的速度矢量图。

可以明显看出，空调方案室内 气流漩涡基本出现在靠近壁面处， 且气流漩涡较大， 方 向为沿着壁面自上向下运动， 这会将上部分空间的热 空气重新带回至下部空间， 造成热量堆积， 不能顺利排 出； 然而在平波电抗器处空气运动方向持续向上至屋 顶风口排出， 且其附近无气流漩涡。

采用通风方案时， 由于室内送风量大， 在平波电抗器表面附近风量与风 速均更大， 这可以更有效地带走平波电抗器散发的热 量， 但是对其周围空气存在卷吸作用， 故在设备上部空 间周围形成了较大的气流漩涡。

另外，由图 7可以看 出， 在平波电抗器处， 空调方案的送风速度高于通风方 案， 这是因为空调送风量少， 单位风量吸热量则更多， 进而空气受热浮升力作用更明显， 风速加大。

（a） 空调方案
（b） 通风方案
图5 户内直流场X=21.3特征截面速度矢量图
模拟 工况 方案
名称
送风温度
/℃
送风风量
/m³/h
工况一 通风方案 35 24×10 4 工况二 空调方案 25 12×10
4
2020年 建 筑 热 能 通 风 空 调
·82·
（a ） 空调方案
（b ） 通风方案
图6 户内直流场Z =58.9特征截面速度矢量图
（a ） 空调方案
（b ） 通风方案
图7 户内直流场Y =20特征截面速度矢量图 综上， 通风方案室内空气流动性更强， 在平波电 抗器表面风量更大，更能有效带走设备散发的热量，
但是由于风量过大， 室内出现的气流漩涡更多， 这也 有不利的影响， 会将室内上部空间的热量重新带回下 部空间。

3.3 降温效果评价指标
从 Fluent 软件模拟结果中提取数据，
得到空调方 案与通风方案评价指标的对比情况如表5所示。

由表 中数据可知， 户内直流场采用通风方案时， 室内温度 不均匀系数比空调方案减小了30.09%， 能量利用系数 提高了 30.44%，
说明较空调方案具有更好的空气分布 状况。

但是直流场内控制区平均温度增加了1.3益， 最 高温度增加了 2.2 益，温度安全保证系数降低了
40.02%， 说明在保证场内直流设备运行方面具有较低 的安全保证性。

表5 户内直流场空调方案与通风方案对比
3 结论
本文在夏季运行工况， 对户内直流场室内温控系 统提出两种运行方案， 全程通风系统运行方案与通风
空调系统联合运行调控方案。

在全程通风系统运行方 案中， 选择最不利运行工况的送风参数与空调方案送
风参数进行比较， 利用CFD 模拟软件得到户内直流场 在两种送风方案下其室内空气的温度场与速度场分
布， 以及相应的气流组织评价指标， 表明了户内直流场 采用通风送风方案时， 室内温度不均匀系数更小， 能量
利用系数更大， 说明具有更好的空气分布状况，
但是温 度安全保证系数更低， 在保证场内直流设备运行方面 具有更低的安全保证性。

参考文献
[1]
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[3]
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[4]
谭广忠.关于换流站设备室内空调系统的探讨[J].中国科技信 息, 2008,(18):
145­146.
方案
控制区
平均温度 /℃
控制区 最高温度 /℃ 温度 安全保证 系数 温度 不均匀 系数 能量 利用 系数
空调方案
36.5 39.5 0.1222 0.0226 1.800 通风方案
37.8
41.7
0.0733
0.0198
2.348
参考文献
[1] 中国建筑科学研究院.多联机空调系统工程技术规程(JGJ174­ 2010)[S].北京: 中国建筑工业出版社,2010
[2] 周俊杰. 某超高层建筑多联式空调室外机布置气流组织模拟 分析[J].制冷空调与电力机械,2011,32(137): 49­51
[3]
王新亚,张志刚,聂亚飞.某高层办公楼多联机系统换热条件研 究[J].暖通空调,2013,43(增刊 1):127­130
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