±1100 kV户内直流场通风与空调运行效果探讨

戴波 郭贤珊 邓晓 郭美晨

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

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103 m，最大进深达81 m，高度38.5 m。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945 kW，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2×104m3/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 ℃，送风风量12×104m3/h，因此温度值25 ℃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 ℃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 ℃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 ℃计算空调系统冷水机组最大制冷量，为450 kW。因此，选择2台额定制冷量为500 kW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 ℃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86 m3/h，水泵扬程30 mH2O，水泵效率0.72。冷却水泵额定流量为103 m3/h，水泵扬程25 mH2O，水泵效率0.75。冷却塔额定散热量为550 kW。

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

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、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。

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。

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。

图5 户内直流场X=21.3特征截面速度矢量图

图6 户内直流场Z=58.9特征截面速度矢量图

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 ℃，最高温度增加了2.2 ℃，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。