二次設備預制艙保溫結構設計

張元，胡道徐，李葛忠，易杰，常永良

(1． 思源電氣股份有限公司，上海201108;2． 上海思源弘瑞自動化有限公司，上海201108)

青海110 kV 多巴變預制艙是國家電網公司第2批9 項標準配送式智能變電站試點預制艙工程的唯一一個華東以外的試點工程。預制艙智能變電站建設，需要遵循“安全性、適用性、通用性、經濟性”協調統一的原則，實現“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”，結合通用設計、 “兩型一化”和全壽命周期設計等標準化建設成果〔1〕，并根據青海地區高寒高海拔、沙塵大特點作針對性設計。

由于受運輸條件限制(外保溫會占用一部分空間)，預制艙通常采用內保溫的方式，內保溫層材料與內裝修材料通常合二為一〔2〕。例如，采用金屬面的聚苯乙烯、聚氨酯和巖棉等夾心板進行裝飾，或在泡沫塑料板表面貼石膏板或各類裝修板等。內保溫形式的箱體容易出現熱橋現象，需要做適當處理，防止結露和發霉影響室內環境。

而青海多巴顯著的特點就是高海拔寒冷氣候，因此保溫和隔熱設計對于預制艙整體設計顯得尤為重要。青海多巴縣的地理自然條件為:海拔高度:2 350～2 800 m;環境溫度:－31.7～+33.4 ℃;太陽輻射強度:1 120 Wm2;最大日溫差:25 ℃;平均相對濕度:61%;大氣壓力:86～106 kPa。

1 預制艙相關規范和要求

工程中用到的型預制艙的箱體尺寸(長×寬×高)為12 200 mm×2 500 mm×3 133 mm(以上長和寬的尺寸不包含頂蓋，但高度尺寸包含頂蓋)〔1〕。預制艙整體框架由鋼骨架結構焊接而成，滿足起吊、運輸、栓固、提供艙內元器件安裝位置要求，整個保溫層結構使用外保溫層加內保溫層來實現，墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結構構件、內墻鋁塑板組成，吊頂采用巖棉夾芯板，底部采用巖棉板和巖棉夾芯板。

文獻〔1〕對于預制艙暖通的要求:每個預制艙內設2 臺工業一體式空調，壁掛式安裝，1 臺故障時仍可滿足艙內二次設備正常工作要求5～30 ℃。

冬季室外氣溫在一天中波動很小，其傳熱過程以穩定傳熱為主;夏季室外氣溫和太陽輻射在一天中隨時間有較大的變化，是周期性的不穩定傳熱。冬季保溫一般只要求提高圍護結構的熱阻，夏季隔熱不僅要求圍護結構有較大的熱阻，而且要求有較好的熱穩定性。

保溫設計應確保內表面不結露，即內表面溫度不低于室內空氣的露點溫度。結露點會使內裝飾表面潮濕，霉變甚至滴水。內保溫結構的露點位置是在靠近外墻內側的表面存在結構冷(熱)橋的部位，這些部位因內外溫差過大常產生結露現象，應避免結構冷(熱)橋的存在。

2 預制艙的保溫結構設計

2.1 保溫材料選擇

二次設備預制艙應盡可能采用熱導系數小的高效保溫隔熱材料，以減少保溫層的厚度，提高室內使用面積〔3〕。目前主要的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、巖棉板、玻璃棉等。它們的材料性能對比見表1。

表1 聚氨酯噴涂硬泡與巖棉板部分性能對比

考慮到加工工藝和施工成本，此次預制艙的保溫材料選擇巖棉板和巖棉夾芯板，雖然熱阻低于聚氨酯和環保要求次于聚氨酯，但其防火性能大大優于聚氨酯〔4〕。

2.2 墻體設計

墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結構構件、內墻鋁塑板組成。

外巖棉板厚度為50 mm，內巖棉板厚度為30 mm，同時在鋼方柱之間塞滿80 mm 厚巖棉板。金邦板是一種外墻裝飾板，呼吸紙的作用是使水氣單向透過性，水氣不向墻體滲透，歐松板為墊襯安裝呼吸紙和金邦板作用，結構構件為鋼方管，內墻為鋁塑板加30 mm 厚的巖棉板。外巖棉板可依金邦板龍骨和鋼方柱間隙進行填充，內巖棉板依鋁塑板大小進行填充，此次選用的鋁塑板的規格大小為1 220 mm×2 440 mm，采用無縫干掛方式進行安裝，達到內裝飾面平整美觀的效果。墻體構成如圖1所示:

內外雙層保溫的效果要比單一保溫層的保濕效果好(假設總厚度保持一致)，2 種方案均能符合節能傳熱阻的要求，但單一保溫層在進行內裝飾時，一些內裝飾面接口，如保溫夾芯板插接口，相互垂直的墻體以及墻體與屋面和地板的接縫等部位熱流密集，內表面溫度較低，易產生冷(熱)橋，可能產生程度不同的結露現象。

2.3 頂部設計

制艙宜采用雙坡屋頂結構，也可采用單坡結構，屋面坡度6%，可預防積水和積雪。

為防止排水管冬天嚴寒情況下結冰爆裂，預制艙屋面采用散排水方式(空調排水管只有夏天會有滴水情況，冬天沒有，因此排除在這個情況之外，空調排水管采用暗敷方式。)。

預頂部保溫層的厚度為100 mm。頂部的結構如圖2 所示。

圖2 預制艙屋頂結構

2.4 底部設計

預制艙箱體底部安裝在架空的防潮濕的水泥墩，因此，除箱體前后、左右和頂部與室外空氣直接接觸外，底部也與室外空氣直接接觸。因此底部的保溫設計尤其重要。

底部采用H 型鋼和槽鋼焊接而成，底部保溫采用50 mm 厚巖棉板和50 mm 厚巖棉夾芯板，同時在預制艙的內表面上鋪設38 mm 厚木基陶瓷防靜電地板，木質材料有一定的保溫性能，同時中間有一定的密封空氣層，提高預制艙整體保溫效果。

考慮到整體密封要求，在完成線纜安裝后，須把預制艙底部進線口用防火泥封堵，以達到密封保溫的效果，同時進線口的大小設置為700 mm×600 mm 大小，增加保溫效果。預制艙底部結構如圖3:

圖3 預制艙底部結構

3 預制艙的熱仿真

通過以上艙體結構的保溫隔熱設計，只需要在艙體端部各安裝1 臺工業空調(制冷功率4 kW，制熱1 kW)和1 kW 電暖氣，即可滿足多巴地區設備運行要求。電暖氣輔助加熱為二次設備預制艙中首次嘗試使用，電暖氣采用不帶風扇壁掛式安裝的輻射加熱型，每套電暖氣由4 個最大額定功率250 W 的電暖片組成，布置在艙體內長度方向的兩端。

預制艙熱仿真共選取了5 種極限情況來分析:

1)夏季制冷。環境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內屏柜發熱，2 臺空調同時工作(制冷)，空調出風溫度18 ℃，每臺空調實際制冷，艙內最低溫度18 ℃，最高溫度25.4 ℃。

2)夏季制冷。環境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內屏柜發熱，空調1 失效，僅單臺空調工作(制冷)，空調出風溫度18 ℃，單臺空調實際制冷，艙內最低溫度18.5 ℃，最高溫度28.3 ℃。

3)夏季制冷。環境溫度33.4 ℃，同時考慮太陽輻射的影響，艙內屏柜發熱量，空調2 失效，僅單臺空調工作(制冷)，空調出風溫度18 ℃，單臺空調實際制冷，艙內最低溫度19.3 ℃，最高溫度28.6 ℃。

4)冬季制熱。環境溫度－31.7 ℃，同時考慮艙外空氣流動的影響，艙內屏柜發熱，空調不工作，僅使用電暖器進行加熱。當電暖器實際加熱時，艙內最低溫度19.1 ℃，最高溫度25.4 ℃。

5)極端低溫冷啟動制熱。從仿真計算結果可以看出，環境溫度－31.7 ℃，艙內屏柜不工作，并開啟電暖器和空調加熱，艙內環境溫度從－31.7℃升溫到－5 ℃(溫升27 ℃)，用時10 h，加熱時間偏長。

加熱時間偏長的主要原因有:

1)整個預制艙熱容非常大，而加熱功率相對較小;

2)隨著艙內溫度的升高，導致內外溫差增加。會有更多的熱量與外界進行熱交換，延長了加熱時間。

由仿真分析可得出結論:

1)保溫性能的高低對預制艙維持艙內溫度十分重要，保溫性能越好，對預制艙制冷和加熱越有利;

2)按此保溫結構設計，制冷和加熱要求均可以滿足文獻〔1〕規定的艙內二次設備正常工作要求5～30 ℃;

3)預制艙低溫冷啟動的預加熱時間較長，調試時(裝置不發熱)如遇極端低溫(－31.7 ℃)，大約需要封閉情況下加熱1 天方可進倉工作。

4 結語

目前國內預制艙的研究才剛剛開始起步，對該領域的熱工研究尚未形成體系，青海110 kV 多巴變預制艙根據青海地區高寒高海拔、沙塵大特點作針對性設計，為這一類型地區預制艙今后設計研發提供了可供參考的實例。

二次設備預制艙可以讓變電站建設更容易，具有占地少、投資省的突出優點。隨著行業越來越多的資源投入，生產加工工藝的發展，在優化布局、增強保溫性能、抗風沙和減少制造加工工期上還需進一步深入研究。預制艙的未來發展可以滿足全球各地區特殊環境的要求，同時也滿足減少投資、縮短工期、低碳環保的要求。

〔1〕國家電網公司． 預制艙式二次組合設備技術規范(報批稿)〔S〕． 2013．

〔2〕嵇翔，但春林． 基于標準配送式智能變電站的集裝箱式電力設備艙方案研究〔J〕． 電力系統裝備，2013(7):74-78．

〔3〕林釗． 幾種常用保溫材料應用比較〔J〕． 制冷，2004，23(04):86-87．

〔4〕郭莉． 保溫材料的概況及選擇〔J〕． 四川電力技術，2005，28(01):52-55．