半地下变电站室内通风与气流组织分析

胡文斌，刘丽娜

(1.华南理工大学建筑设计研究院，广州510640;2.华南理工大学土木与交通学院，广州510640)

随着生活水平的提高，居民用电大幅增长，同时大型公共建筑的规模、档次也越来越高，用电量增加也非常可观，实际需求是要不断地在用电负荷中心或附近建设变电站.但又不可能提供更多相对独立的土地来用于变电站的建设.因此，通过设计半地下或地下变电站并保持变电站室内良好的通风与散热，也就成为解决这一问题的关键.

1 半地下变电站室内通风散热问题现状分析

通过对大量变电站室内通风进行模拟分析发现，造成变电站室内通风散热效果不好的原因主要有以下3点.

1.1 主变室通风量不足

主变室通风量不足导致主变室内温度偏高，进而造成油温过高，影响主变运行.这种现象在全自然通风变电站比较普遍，20世纪90年代中期建成投产的文德站，未改造前散热器进风口设于室内，当门窗关闭时无风可进，散热室顶部没有抽风机，主要靠烟囱效应抽风散热，其主变油温超过70℃左右，变压器室温接近40℃［1］.例如广州伍仙门变电站主变室由于设计中借用走廊及门上网孔作为进风口，造成进风量不足，240 MVA的主变在负荷仅为70～80 MVA时油温升已达45℃［2］.

1.2 主变室气流组织

主变通过冷却风机引入室外空气进行降温，所以气流组织的好坏直接影响着主变冷却效果.不合理的气流组织方式很可能造成进排风短路，进而影响主变的冷却效果.

1.3 主变室布局不良

主变室过于狭小也会造成室内温度较高.20世纪90年代初期广州投产的越秀、西关、黄沙变电站，虽然通过通风改造，主变油温过高现象已经改善，但由于主变室较为狭小，室温较高，巡视检修时人会觉得很热［3］.

半地下变电站由于变压器置于室内，使变压器损耗所产生的热量散发更加困难.因此，主变室的布局、主变室的通风量及气流组织的合理设计是保证供电效果、节约能源的重要环节［4］.

2 通风与气流组织设计方法

2.1 通风量的计算

变电站通风量计算中，不考虑四周墙壁的蓄热及与外界传热，计算所得结果会有一定的裕度，这样变压器室所需通风量为:

其中:L为变压器房的通风量，m3/h;Q为变压器负载损耗，包括空载损耗、负载损耗、辅助损耗，kW;ρ为空气密度取1.2 kg/m3;Cp为空气比热取1.012 kJ/kg;Δθ为进出风口温差，机械排风一般取10℃.

2.2 气流组织设计

1)气流组织设计的基本原则:一是合理组织进风口、排风口的设计，保证进风口的环境，避免或减少进风口路线有其他散热源.二是充分利用进风的风量，防止或减少气流短路现象.三是尽量减少在进风、排风的全过程中各种阻力的损失.

2)气流组织分析方法:通风气流组织分析方法主要有现场勘测法，风洞实验法和数值模拟法3种.由于变电站内部结构复杂，牵涉的环节较多，所以很难采用实验方法;风洞试验周期长，价格昂贵，不适合设计阶段的方案分析，因而其适用性受到较大的局限;数值模拟利用相似原理，做出实际建筑的模型，放入风洞，测定模型周围的压力分布，从而计算流速分布.数值模拟具有成本低、周期短、易于模拟真实条件的优点，近些年逐步成为气流组织分析的主要研究手段.

3 案例分析

3.1 概况

该案例为半地下建筑，其中地上两层，地上两层(主要部分局部一层).主要功能用房为:220 kV变电室、配电室、电容室、电抗室、控制室等.

3.2 模型介绍

在不丢失分析对象物理性能的前提下，主变室通风分析模型做了一些简化，如图1所示.

图1 分析模型注释示意图

主要参数设置为:

屋顶排风机:单台风量58 000 m3/h，共4台;

送风机:单台风量10 000 m3/h，共5台;

主变散热器自带风机:单台风量12 500 m3/h，共5台

屋顶排风口:12 000 mm×2 000 mm;

地下室地板进风格栅:9 400 mm×900 mm;侧墙进风百叶:9 400 mm×900 mm

3.3 方案分析

方案1:设置屋顶排风机

在屋顶设置排风机，考虑47次/h换气次数，考察室内风速场和温度场(见图2、3).由图3可知由于采用单侧进风，使得相对侧的空气温度偏高，由此提示需要增加进风部位.

方案2:外墙增加进风夹层

外墙增加进风夹层后，靠外墙侧区域的温度明显降低，超过45℃区域的面积明显减少，但是仍然可以看出，地下室进风侧的冷却空气存在短路，没有起到应有的冷却效果，由此提示，在地下室进风侧增加导流的构造或直接设置风机，将冷空气直接导向主变散热器位置，提高散热效果(见图4、5).

图4 方案2主变室垂直方向风速分布(等值线)

图5 方案2主变室垂直方向温度分布(等值线)

方案3:地下室地板进风格栅增加风塔

在地下室地板进风格栅增加风塔，风塔侧面开网式风口，风口高1 000 mm，地步距地200 mm.地下室地板进风格栅上增加风塔后，有效阻止了冷空气直接沿墙上升被排走的区域，将冷空气直接导入主变散热器的下部，提高冷却效果，避免了冷空气的损失.由此可以进一步提示，利用送风机将冷空气直接送入热器下部会更有效(见图6、7).

方案4:地下室进风塔增加送风机

送风机可以更直接地将冷空气送入散热器下部，从而减少超过45℃区域的面积(见图8、9).取得了良好的通风散热效果，但增加了一定的投资，需根据实际情况采用.

4 结语

利用数值模拟方法分析了主变室四种不同的

气流组织方案的通风散热效果，得出以下结论.

增加屋顶机械排风机后，室内通风和散热的效果都得到了较为明显的改善，但是一部分从地下室地板进风口进入的冷空气形成短路，有一定程度的浪费，并且造成与地板进风口相对一侧的温度偏高，通过增加进风部位会改善其通风效果.

在外墙增加进风夹层之后，靠外墙区域的通风散热得到明显改善，使得室内超过45℃区域的温度场面积明显减小，但地下室地板进入的冷却空气的短路效应没有改善.

为了改进地下室地板进风的短路效应，在地下室地板进风格栅增加了风塔，效果显著，但投资费用会有一定的增加，进入的冷却空气不能完全进入散热器的底部.

在地下室进风塔上增加了送风机，可以看出，室内的风速场和温度场效果达到了最好，也使得从地下室进入的冷空气得到充分的利用，但这种方式排风机数量增加较多，噪声源也多，消声降噪的费用也增加不少，总投资最大.

综合比较，方案3、4均能取得较好的通风散热效果，但前者所用的风机数量不多，噪声源集中，施工方便，总投资较少;而后者排风机较多，噪声源也多，总投资最大.

［1］ 莫文雄，曾文斐.室内变电站主变通风散热问题的分析及对策［J］.广东输电与变电技术，2004(5):27－31.

［2］ 余晓峰.室内变电站设计中应注意的问题［J］.广东电力，2001，14(2):74－78.

［3］ 吴镠镠，周建华.全自然通风室内110 kV自冷式大型主变的噪声及温升［J］.浙江电力，1999(5):11－14.

［4］ 樊德玺，刘欣彤.地下车库自然通风设计［J］.哈尔滨商业大学学报:自然科学报，2010，26(3):363－367.