云南干河泵站地下厂房通风系统模型试验＊

陈金华，马 晴，夏 磊，彭运林，郭建平

（1.重庆大学 国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045；3.重庆博建建筑设计有限公司，重庆 400020；4.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）

正在兴建的干河泵站是目前亚洲最大的地下抽水泵站，该泵站主体厂房位于地下，如果通风空调不良，长期在此环境下工作的人会感到疲倦、头晕等，而且还会对机电设备造成危害.所以合理设计地下厂房的通风空调系统，对维护地下厂房合理的温、湿度环境，保障机电设备正常运转和人员身体健康具有重要意义[1－2].对大型地下厂房通风空调系统的研究，目前主要有3种方法：根据相似理论进行模型试验[3]，CFD计算流体模拟分析[4－8]和网络模型数值模拟[9].本次模型试验是在数值模拟计算基础上进行的，试验模型的设计采用了模拟计算的优化方案.模型试验的目的是通过实验得出在夏季和过渡季节两个季节，水泵不同运行模式及不同送风温度下，泵站各层工作区的温度分布状况，以此来验证主厂房优化送风方案的合理性和可靠性.

1 地下厂房通风系统方案

泵站地下厂房通风系统主要由主厂房通风系统、检修阀室通风系统、电缆竖井通风系统等组成.

泵站主交通洞设送风机室，将通过一层灌浆廊道自然冷却或加热的室外空气沿主交通洞顶拱送风管送至主厂房上部，在主厂房吊顶上从端部引2支送风管利用喷口顶送风方式将空气送至电机层的各机组段.同时利用主厂房四周的防湿隔墙做通风道，通过设置轴流风机将电动机层的新鲜空气通过夹墙风管侧送至厂房的中间层、水泵层和阀层.

主厂房的排风设2个系统，一个系统通过工作廊道、母线廊道排至工作竖井，并通过设置在工作竖井顶部的风机排至室外；另一系统由球阀室顶部排至二层灌浆廊道，通过设置在端部的风机排至室外.整个地下厂房的通风示意图见图1.

2 气流组织分析

主厂房共4层，每层之间通过夹墙风管和楼梯间等相连，各层之间气流相互影响、贯通，构成一个复杂的洞室通风群，不同的气流组织形式对电站的设备运行、工艺要求都会产生重要的影响，如何确定正确、合理的气流组织是整个电站设计中的重点.

本试验利用CFD软件进行数值计算，确定合适的送风方式，为热态模型试验奠定基础.

图1 整个厂房的通风示意图Fig.1 The entire plant ventilation schemes

2.1 气流组织参数确定

1）送风量.确定送风量的基本原则为：送至厂房内总空气量，能够排出厂内的余热和余湿，使厂内的热湿环境达到机组运行、工艺生产的要求.根据电站提供的采暖与空气调节计算书可知，主厂房内排除余热所需总送风量为53 809m3／h，排除余湿所需总送风量为19 425m3／h，故确定主厂房送风机送风量54 000m3／h.

2）风口形式.地下厂房为高大空间，需采用大风量、长射流型的风口形式，参考同类厂房采用圆形喷口进行顶送风.

3）风口数量、风口尺寸及风口风速.本次计算中，采用假定参数法确定风口的相关参数，即根据泵站的初设情况考虑风口数量，假定送风口风速确定送风口尺寸，并对假定的风口布置形式进行气流组织模拟计算，对其通风效果进行检验.

根据泵站初设，风口布置形式分为2种模式.模式1：采用8个风口（只在电机层，不包括旁边的安装间），8个风口均匀布置，每个电机上平均布置2个.模式2：采用18个风口（其中安装间上布置4个），每个电机上布置2个，相邻电机上空布置2个.

当采用模式1时，假定风口流速分别取为8，10和12m／s 3种，对应的喷口直径分别为550，500和450mm.当采用模式2时，假定风口流速取为9和10m／s，对应的喷口直径为350mm，详细的工况设置见表1，其中括号内为安装间喷口速度.

表1 喷口参数设置Tab.1 Nozzle parameter settings

2.2 计算过程及结果

计算过程中，采用三维模型，将动量方程与能量方程进行分离迭代求解，送风喷口设置为速度入口，排风口设置为压力出口，各层的夹墙风机设置为压力提升边界.计算根据表1进行，分为多种工况，每种工况均对整个厂房内的速度场进行分析，并按《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计规程》的规定对计算结果进行验证，选出最优气流组织模式.

在工况1～工况3中，竖直切面速度云图见图2～图4.在工况4～工况6中，工作区内的速度云图见图5～图7.

图2 工况1竖直切面速度云图Fig.2 The velocity nephogram of vertical section under condition one

图3 工况2竖直切面速度云图Fig.3 The velocity nephogram of vertical section under condition two

图4 工况3竖直切面速度云图Fig.4 The velocity nephogram of vertical section under condition three

图5 工况4工作区速度云图Fig.5 The velocity nephogram of work area under condition four

图6 工况5工作区速度云图Fig.6 The velocity nephogram of work area under condition five

图7 工况6工作区速度云图Fig.7 The velocity nephogram of work area under condition six

根据计算结果可知，不同风口数量和风口速度对电机层气流组织影响较大，其余各层，由于采用侧送风，受喷口参数影响较小；所有计算工况中，当喷口速度为12m／s时，电机层工作区平均流速为1.53m／s，不满足规范要求，工况4～工况6的工作区平均流速虽然小于规范要求的0.8m／s，但从图5～图7可以明显看出，这3种工况在局部区域有流速超标现象.

通过在6种风口数量和尺寸组合工况下的模拟计算，最终确定最佳的风口布置方案为：电机层机组段布置直径为500mm的顶送风口8个，送风速度应控制在8～10m／s.

3 模型建立

3.1 各种相似比例尺的确定[10]

本项目以相似理论为依据，指导模型设计以及整个模型试验研究工作.模型需要确定的比例尺主要有几何比例尺、温度比例尺、速度比例尺、热量比例尺和风量比例尺.

由于厂房内有热源散发热量，厂房壁面吸热量小于热源散发的热量，因而存在需通风带走的余热.送风温度低于厂房内的气温，送风气流属于非等温射流.射流所受的重力大于浮力，重力和浮力之差称为有效重力，射流向下弯曲的程度取决于有效重力的大小，所以应采用阿基米德模型律.

模型的几何比例尺Cl是模型设计必须首先确定的参数.为方便模型制作和保证试验结果的准确，同时考虑试验场地的实际情况，本实验选定的几何比例尺为1∶10.确定了模型试验的几何比例尺Cl，进而就要确定模型送风温度、送风量、送风速度，进行热量模拟.根据阿基米德模型律，有Arm＝Arp.由此可得：

其中重力加速度可以认为是常数，即Cg＝1.模型与原型气流的送风绝对温度之比CT0≈1.为了对比和方便计算，一般取温差比例尺CΔT0＝1.模型地重庆和原型地云南大气压比例不等于1.当模型雷诺数处于自模区时，可计算出模型的各种比例尺，结果见表2.

3.2 模型整体设计思路

在确定了各种相似比例尺后，按照实际工程图纸，确定模型所需的几大部分，具体分以下4部分.

模型主体结构：模型骨架采用角钢搭建，外围壁面采用新型复合保温板，层与层之间铺设木工板，设备采用镀锌钢板制作.发热系统：电缆采用额定发热量为15W／m的灯带，其他设备、照明散热都使用额定功率为15W／m的白炽灯.送排风系统：利用空调实现不同温度的送风.检测系统：按照测试目标要求，共布置了125个温度测点.

表2 干河泵站通风模型相似比例尺Tab.2 The ventilation model similar scale of Ganhe pumping station

4 模型试验

本文模型试验采用了模拟计算优化的送风方案，在电机层机组段顶部设置8个风口.模型电机层送风口速度3.62m／s，对应的原型送风口速度为10.3m／s.

在总风量为54 000m3／h时，主厂房中间层、水泵层、球阀层及检修阀层的计算温度为限值温度，从安全角度来考虑，以上各层的送风量在前面计算的基础上乘以富裕系数1.2.即总风量调整为54 000 m3／h×1.2＝64 800m3／h，由于主厂房阀层相对湿度在计算时达到92.3%，因此加大送风量，将总风量取为66 000m3／h.

根据泵站提供夏季设计送风温度为23℃来确定模型夏季送风温度，应电站要求，本试验增加一个比实际送风温度略高的工况用以对比.过渡季节实际送风温度为16℃.当地冬季通风室外干球温度为4℃，直接送入室内，完全可以保证冬季室内空气设计最低温度10℃.所以本项目试验的重点在夏季和过渡季节.因此，在以上3种温度情况下，分别开启1台，2台以及3台机组安排试验.

具体的试验工况安排见表3，每种工况进行2～3次重复试验.

表3 试验工况方案表Tab.3 Test conditions

5 模型试验结果与分析

5.1 试验数据无因次化

模型试验要确定温度场，温度属于待定参数.为了由模型试验结果预测原型，必需将待定参数无因次化.

各测点无因次温度为：

式中：to为送风温度；te为排风温度；ti为测点测量温度.

5.2 模型试验结果转换为原型值

原型电机层热源总发热量为24.6kW，外壁面无法做到绝对保温，故冬夏两季皆有向外传热可能性，取10%被“壁面吸收”，则由送风带走的发电机层的送风余热量为：

原型送排风温差Δt为：

令为模型射流空间平均无因次温差，to为送风温度，则原型射流空间任意高度平均温度为：

5.3 电机层温度场模型试验数据处理

电机层夏季工况温度场模型试验数据处理见图8～图10.

图8 夏季工况1台机组不同送风温度典型测点无因次温度对比图Fig.8 The measuring point dimensionless temperature contrast for a typical units of different air supply temperature

图9 夏季工况2台机组不同送风温度典型测点无因次温度对比图Fig.9 The measuring point dimensionless temperature contrast for two typical units of different air supply temperature

各试验工况下，在厂房中部2台机组（即2＃，3＃机组）测点的无因次温度低于两端的2台机组（即1＃，4＃机组）测点的无因次温度，这主要是由于两端发热量大于中部发热量所致.各测试方案工作区无因次温差分布的特征为：最高温度出现在1＃和4＃机组处，且排风温度高于工作区平均温度.各测点无因次温差标准偏差不超过0.2.电机层工作区的温度分布均匀性较好.

图10 夏季工况3台机组不同送风温度典型测点无因次温度对比图Fig.10 The measuring point dimensionless temperature contrast for three typical units of different air supply temperature

5.4 模型试验结果

根据前述电机层夏季工况试验数据处理的方法，我们可以得到夏季和过渡季节共9种试验工况下各层的实验结果，见图11～图12.

图11 夏季各工况下各层平均温度分布Fig.11 The average temperature distribution of each layer in summer

图12 过渡季节各工况下各层平均温度分布Fig.12 The average temperature distribution of each layer in transition season

从图11～图12可以看出，各工况下，厂房内球阀2层温度最高.夏季当厂房送风温度为24.5℃时，球阀2层温度达29.46℃，厂房平均温度27.72℃，仍小于有关规范和设计要求的温度（30℃），则方案可行.过渡季节时，厂房内的最高温度为25.36℃，远低于30℃，可以采用变风量调节，减小总的送风量，降低输送能耗，实现节能.

6 结 论

干河泵站是目前亚洲修建的最大的地下抽水泵站.同地下水电站厂房一样，也需要依靠一定的通风空调方式来调节厂房内的温湿度，使室内空气参数达到规范的要求，保证运行检修人员的身心健康及保障设备的正常运转.本文通过气流组织模拟试验以及通风系统模型试验对干河泵站地下厂房通风空调系统进行研究，得出结论如下：

1）不同顶送风参数对电机层气流组织影响较大，但对其余各层影响较小，对于顶送风，在电机层满足空气射流原理、总送风量54 000m3／h不变的情况下，通过在6种风口数量和尺寸组合工况下的模拟计算，最终确定最佳的风口布置方案为：电机层机组段布置直径为500mm的顶送风口8个，送风速度控制在8～10m／s.

2）在夏季最高送风温度24.5℃时，厂房内最高温度为29.46℃，平均温度为27.72℃，满足相关设计规范对于温度的要求，泵站通风系统方案可行.电机层各测点无因次温差的标准偏差最大不超过0.2，这充分反映了电机层工作区气流分布的均匀性，验证了数值模拟优化的气流组织方案.

3）在部分机组开启及过渡季节运行时，室内温度较低，主厂房负荷减少，可减少送风量使主厂房的热湿环境达到规程要求，同时通风系统采用变风量运行可进一步实现节能.

[1] 谢龙祥.水电站地下厂房通风空调设计探讨[J].浙江水利科技，1999，3：45－46.XIE Long－xiang.Ventilation and air conditioning design of hydropower station underground factory building[J].Zhejiang Hydrotechnics，1999，3 ：45－46.（In Chinese）

[2] MYREFELT S.The reliability and availability of heating ventilation and air conditioning systems[J].Energy and Buildings，2004，6：17－20.

[3] 李晓丰.琅琊山水电站地下厂房通风模型装置设计与实验研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2003：8－10.LI Xiao－feng.Model installation design and study on ventilation experiment of Lang Ya Shan hydroelectric power station’s underground houses[D].Chongqing：School of Urban Construction ＆ Environmental Engineering，Chongqing University，2003：8－10.（In Chinese）

[4] 龙天渝，采增基，董宏明，等.水电站地下厂房通风气流组织数值模拟[J].建筑热能通风空调，2000，4：15－18.LONG Tian－yu，CAI Zeng－ji，DONG Hong－ming，etal.The numerical simulation for the ventilation of a underground main workshop in hydropower station[J].Building Energy ＆ Environment，2000，4：15－18.（In Chinese）

[5] NIELSEN P V.The selection of turbulence models for prediction of room airflow[J].ASHRAE Transactions，1998，104：1119－1126.

[6] NIELSEN P V.Description of supply openings in numerical models for room air distribution[J].ASHRAE Transactions，1992，98（1）：963－971.

[7] CHEN Qing－yan，XU Wei－ran.A zero equation turbulence model for indoor air flow simulation[J].Energy and Building，1998，28：137－144.

[8] 周良，张国强，彭建国，等.建筑节能及暖通空调仿真软件的现状和发展[J].湖南大学学报：自然科学版，2000，27（6）：103－107.ZHOU Liang，ZHANG Guo－qiang，PENG Jiang－guo，etal.Literature review of building energy simulation software[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2000，27（6）：103－107.（In Chinese）

[9] 肖益民.水电站地下洞室群自然通风网络模拟及应用研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2005：4－9.XIAO Yi－min.Studies on natural ventilation network simulation and application of the underground excavation cluster of hydropower station[D].Chongqing：School of Urban Construction ＆ Environmental Engineering，Chongqing University，2005：4－9.（In Chinese）

[10] 李安桂，唐怀林，张建飞，等.HHHT抽水蓄能电站地下主厂房母线层通风模型试验研究[J].制冷与空调，2009，23（5）：1－6.LI An－gui，TANG Huai－lin，ZHANG Jian－fei，etal.Ventilation model tests on HHHT pumped－storage powerhouse busbar layer[J].Refrigeration and Air Conditioning，2009，23（5）：1－6.（In Chinese）