预制舱系统热平衡分析

何显江 张雪剑 王说说 崔璐创 燕飞飞

摘 要：预制舱内设备集成程度较高，要维持内部环境在一个适宜的温度就不得不配置一定数量的空调，空调的选择不仅关乎设备运行的可靠性，还影响预制舱整体的能耗和经济性。鉴于此，通过逐项对预制舱热平衡的分析，提出了一种预制舱系统受热分析的思路和方法，以确定预制舱所需的制冷负荷大小。

关键词：预装式变电站;预制舱;受热分析;传热系数;制冷负荷;发热估算

中图分类号：TM63    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）11-0001-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.001

0    引言

预装式变电站是将变电站电气系统中的主要设备在工厂内完成相关配线、调试后装入预制舱模块内，通过物流运输至工程现场进行拼接组建成变电站的新型电站。其具有建设周期短，集成化高，可靠度高等诸多优势，在电力行业已成为一种受认可并广泛使用的产品，广泛运用于10、35、110、220 kV等电压等级变电站的建设。预制舱和预制舱内部如图1、图2所示。

在预装式变电站中，由于电网企业对电能损耗不敏感，并且预制舱的热量分析和暖通设计理论目前也比较少，常规预制舱单体能耗往往非常高，其中占最大比例的就是暖通系统的能耗。传统建筑行业，目前国家已出台多项规范指导性文件，详细描述了民用与工业建筑的暖通如何设计与计算，但在预制舱行业仍是一片空白，业内人员很多还在采用多少瓦每平米制冷负荷指标来选择预制舱的空调配置。本文提出了一种预制舱使用情况下系统热平衡分析的条件设定和计算路径，并提供对应的计算和取值方法供大家一起探讨。

1    预制舱系统热平衡分析的条件设定

1.1    预制舱系统的热扰特性和分析方法的选取

现行的GB 50019、GB 50176和GB 50189规范分别针对工业建筑、民用建筑和公共建筑提供了相对应的热平衡计算方法，但预制舱系统和上述三类建筑还是有一定的差别，某些特性对系统整体的影响很小，如果完全按规范的计算方法，所得结果将大大超出实际情况，因此本文对某些差异特性将进行简化，只对核心的围护结构换热、新风传热、设备发热量做计算。预制舱系统热平衡如图3所示，其简化分析如下：

1）太阳辐射扰量：通过采光窗等透明围护结构进入的太阳辐射热量。预制舱通常不设或少设对外的窗户，故此热源忽略。

2）人体潜热和显热扰量：预制舱通常为无人值守，且运维人员进入舱内的人数和次数往往有限，常规预制舱可忽略，若预制舱为人员集中的中控室等位置，可额外增加一定的制冷负荷。

3）照明灯具辐射扰量：预制舱已全面要求采用LED灯具，辐射热量很低，其次预制舱内灯具在运维时开启的时长较短，且往往开启的时段（阴天或夜晚）并不在本文所讨论的极端情况下，故此热源忽略。

4）食物或物料搬运扰量：预制舱运行时较少有食品或物料进出，故此热源忽略。

5）领室扰量：预制舱大多数时候均为一舱一用，较少在一个预制舱内设置大量的格室和楼层，且各房间均采用保温隔断，因此领室扰量较小，可忽略。

6）空气渗透扰量：预制舱密闭性良好，且工作中通常是不打开门的，所有进出线孔洞均以防火泥等防火措施封堵，以防止火情蔓延和小动物进入，故此热源忽略。

7）空气、人员等引起的湿量扰量：预制舱稳定运行时，舱内湿度已相对稳定，相变现象极少，故此热源忽略。

1.2    预制舱系统热量计算条件的假定

实际生活中，自然条件下一个物体的得热和耗热通常是动态的，如空气流动速度、光照强度等条件不是恒定不变的，在保证系统热量计算量与精度合理的前提条件下，必要的受热条件设定及参数简化是不可避免的，同时也需保证计算方法具备必要的通用性，因此将计算条件假定为：

1）环境条件：夏季气温最热、太阳辐照最强的月份，所有设备全天候运行的情况下;

2）导热条件：预制舱围护结构为热惰性的保温外墙且室内温度允许一定的波动值，可视为内部环境已稳定，其换热过程可简化为线性稳态换热，保温结构如图4所示;

3）热表面条件：通常预制舱同一结构具备相同的保温结构体系，而同质材料表面具备一致的热物理性能，如反射系数、传热系数等，因此放弃面积加权算法;

4）热源分布：预制舱内设备在稳定运行后经内部空气对流和辐射耦合，已经形成一个温度均匀的整体，可简化为一个均匀分布的面热源。

2    通过围护结构传入的热量计算

通过围护结构传入的热量为预制舱从环境中获得热量的主要来源，这一热源主要影响因素为围护结构的材料热阻、内外温差与换热面积。首先需要计算出围护结构不同换热面的综合传热系数，再通过对每个换热面计算热量进行累加，就可得到围护结构从环境中吸收的热量估值。需要注意的是，综合传热系数可以将多层墙体简化为单层墙体进行热分析，大幅度减少计算工作量，其计算结果对墙体内外表面方向换热量大小的准确性影响较小。但将实际的多层墙体简化成单层墙体后，计算得到的各分界面温度分布严重失真。对关注多层结构内部温度分布问题的情况，不能使用综合传热系数法进行简化分析，即不能通过减少一两层传热系数的计算而得到传递前层的温度。

2.1    综合传热系数计算方法

对于复合结构的外墙，综合传热系数的计算方法有两种：面积加权算法和线性传热系数算法，本文是针对预制舱在极端温度下维持温度稳定工况的静态分析，因此采用一维线性稳态导热的传热系数算法。其计算公式如下：

K=（1）

式中：K为围护结构的综合传热系数;an为围护结构内表面传热系数，按文献[1]表5.1.6-5选取;aw为围护结构外表面传热系数，按文献[1]表5.2.4-1选取;δ为围护结构各层材料厚度;λ为围护结构各层材料导热系数，按文献[2]附录A选取;aλ为材料导热系数修正系数，按文献[3]表B.2选取;Rk为封闭空气间层的热阻，按文献[1]表5.2.4-3选取;?为考虑热桥影响，对主断面传热系数的修正系数，按文献[4]表A.0.3选取。

2.2    带顶棚的坡屋面传热系数修正

傅里叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。对于有顶棚的坡屋面，因为屋面和顶棚有一定夹角，因此其传热系数需进行修正，其计算方式如下：

K=（2）

式中：K为屋面和顶棚的综合传热系数;K1为顶棚的传热系数;K2为屋面的传热系数;α为屋面和顶棚的夹角。

2.3    夏季空调室外计算日平均综合温度取值

为了求得预制舱内外的温差值，在已知室内设计温度的前提下，需要求得预制舱的室外计算温度。对于室外计算温度，以往的计算方法为直接取值日最高气温，但围护结构具有一定的热惰性，同时外部环境气温与太阳照射在换热面是共同作用的，因此该方法得到的结果和实际条件差距较大。当然，预制舱换热也可分别计算空气对流换热和阳光照射吸热再累加，但计算过程需获得围护材料的辐射吸收率、蓄热、黑度等参数，由于预制舱围护材料和颜色都是可定制的，导致前述参数获得途径烦琐，计算方法难以具有普适性。故采用暖通设计规范中通过气象气温权重修正和太阳辐射吸收率修正的方式来获得室外计算日平均综合温度，该温度是综合考虑室外平均气温与阳光辐照共同作用的估算值，具有较好的普适性，其计算方法如下：

tzp=twp+（3）

式中：tzp为夏季空调室外计算日平均综合温度;twp为夏季空调室外计算日平均温度，来自式（4）;Jp为围护结构所在朝向太阳总辐射照度的日平均值，按文献[1]附录C选取，选取时需注意应按照总平图的TN向（真实北）取值而非PN向（建筑北）;ρ为围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数，按文献[3]表B.5选取。

夏季空调室外计算日平均温度twp要获得更准确的值，应根据当地气象站记录的累年高温气象数据求平均值。为便于计算，也可以根据累年最热月平均温度和累年极端最高温度进行简化计算，其计算方式如下：

twp=0.80trp+0.20tmax（4）

式中：trp为累年最热月平均温度，由地区气象数据取得;tmax为累年极端最高温度，由地区气象数据取得。

最后，按照局部计算然后累加的方法得出围护结构的综合得热量，即为围护结构换热引起的冷负荷。其计算方式如下：

局部受热计算CL=KF（tzp-tn）（5）

围护整体受热计算CL围护=CL外墙+CL屋顶+CL底部（6）

式中：K为屋面和顶棚的综合传热系数，来自式（1）;F为外墙、屋顶、底部区域对应的换热面积;tn为夏季空气调节室内设计温度，来自设计条件设定;CL围护为围护结构换热引起的冷负荷;CL外墙为外墙冷负荷;CL屋顶为屋顶冷负荷;CL底部为底部冷负荷。

3    新风系统传入的热量计算

GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中对于工业建筑并未要求配置新风系统并计算新风系统传入的热量，在实际预装式变电站项目中，是否将新风系统传入热量纳入空调制冷负荷应分开考虑。对于常规的仅使用风机作为事故排烟或临时换气的场景，因风机并不是长时间运行的子系统，建议忽略此部分热量以增加空调系统的经济性。对于使用微正压空调的场景，鉴于微正压空调需要长时间引入新风，且大部分微正压空调新风系统未设置压差控制系统，建议对新风传入热量做计算并纳入空调制冷负荷，其计算方法如下：

CL新风=（7）

式中：CL新风为新风系统传入的热量;ρ空气为空气密度;Gw为空气流量;iN为夏季空调室内状态点焓值，可按室外环境的温度和湿度由焓湿图查出;iW为夏季空调室外状态点焓值，可按室内环境的温度和湿度由焓湿图查出。

通过实际计算可以发现，新风传入热量往往在空调制冷负荷中占据极高（通常约20%）的比例，建议在新风的考量过程中，将新风量按满足需求的最小值设计，以提高空调系统的经济性。

4    设备发热量

预制舱内集成的常见设备发热量通常由设备厂家提供，下文仅提供变压器在额定工作状态和超额工作状态下的发热量计算与经验发热量取值建议。

4.1    干式变压器的发热计算

变压器发热量可近似视为变压器有功损耗，变压器综合有功损耗计算较为复杂，为简化计算，只计算空载损耗与额定负载有功损耗，其计算方法可参考文献[5]，过程如下：

ΔP=P0+β2Pk=P0+

=P0+

（8）

式中：ΔP为变压器有功损耗;P0为变压器空载损耗;β为变压器负荷率;Pk为变压器额定负载有功损耗;P2为变压器二次侧输出功率;Srt为变压器额定容量;cos θ2为变压器功率因数;I2为变压器二次侧负载电流;I2RT为变压器二次侧额定电流。

4.2    干式变压器超额运行发热计算

在某些项目中，变压器可能需要面对超额运行的情况，此时需要计算其超额运行发热量，参考文献[6]，其计算方式如下：

Pe=Pk（β2-1）（9）

式中：Pe为变压器超铭牌额定值时增加的损耗;Pk为变压器额定负载有功损耗;β为变压器负荷率。

4.3    常规设备经验发热值

常规设备发热量也可按表1取经验值进行快速估算。

5    预制舱总体制冷负荷

预制舱所需的制冷负荷主要有围护结构传入的热量、新风传热与设备发热量三部分，再乘以一定的安全系数，即可得到预制舱系统所需的制冷负荷大小，从而确定所需的空调制冷量，其计算如下：

Q冷=α×（CL围护+CL新风+Q设备）（10）

式中：Q冷为总体冷负荷;α为设计安全系数，通常取1.1～1.3;Q设备为设备发热量。

6    结束语

预制舱具有预制化、预集成化、生产工厂化、定制化等优点，已从电力行业逐步转向环保设备集成、化工分析、危废品储存等行业。而暖通系统作为预制舱自身耗电量最大的子系统，对其设计选型的探讨有利于提高预制舱的经济性和节能性，并且好的设计也能从站用变容量和低压柜断路器选择等方面降低项目整体配置成本。目前整个预装式建筑领域的研究和探讨都相对较少，预制舱也存在和其他建筑种类差别较大、用户面小等特征，缺乏受广泛认可的计算方法。对预制舱的热分析和计算有利于暖通设计时提高其节能性和经济性，同时此类分析也可以对轻钢房屋等行业起到一定的参考作用，因此预制舱的暖通系统设计具有极高的探讨和研究价值。

[参考文献]

[1] 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50019—2015[S].

[2] 全国民用建筑工程设计技术措施[J].建设科技，2015（10）：39-41.

[3] 民用建筑热工设计规范：GB 50176—2016[S].

[4] 徐伟，邹瑜，陈曦，等.国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015[J].建设科技，2018（16）：39-45.

[5] 工业与民用供配电设计手册（第四版）上、下册[J].供用电，2018，35（6）：2.

[6] 陈华山.干式变压器的通风计算[J].变压器，2000（12）：14-16.

收稿日期：2024-03-15

作者简介：何显江（1990—），男，四川南充人，工程师，研究方向：预装式变电站预制舱。