基于CFD方法的水電站地下廠房通風系統改造的研究

郭俊勛　張學威　沈俊琬　梁翔　魏榮闊

【摘 要】為研究大型水電站地下廠房各層間通風換熱換濕效果，以宜興抽水蓄能電站實際物理模型作為基礎，模擬分析了多種（幾種）不同的通風方案廠房內溫濕度場的分布規律。通過相似工況下的CFD數值模擬，以現場試驗數據作為數值模擬邊界條件，將溫濕度作為主要研究對象，以宜興抽水蓄能電站地下廠房原通風工況建立模型進行數值模擬分析其濕熱場；改變進風口的位置和層間換風次序后建立模型，在不改變新風總量的基礎上再次進行數值模擬。對比兩種工況后發現后者的散濕散熱比原方案有一定的提高。研究結果為地下廠房層間換熱提供借鑒。

【關鍵詞】水電站；廠房；通風空調；數值模擬；散熱散濕

中圖分類號： TV735 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0031-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.012

【Abstract】In order to study the effect of heat exchange among every layers of underground of some large hydropower station，the article is based on the actual physical model of Yixing pumped storage power station. We simulated and analyzed the distribution law of temperature and humidity field in various kinds of ventilation schemes.Through the CFD numerical simulation under the similar working condition， it uses the field test data as the numerical simulation boundary condition，and takes the temperature and humidity as the main research object， and the model of the original ventilation of the underground powerhouse of Yixing pumped storage power station is set up to simulate and analyze the wet heat field. Whats more， it establishes the position model after changing the inlet and the order of interlayer wind change. Numerical simulation is carried out on the basis of not changing the total amount of fresh air.After comparing the two kinds of working conditions， we found that the heat dissipation of the latter is somewhat higher than that of the original scheme. The research results provide reference for interlayer heat transfer of underground powerhouse.

【Key words】Hydropower station； Powerhouse； Ventilation and air conditioning； Numerical simulation； Heat dissipation and moisture dissipation

0 引言

近年來國民經濟的飛速發展帶來了大量電力能源的需求，也開啟了大型電站的大規模建設時代。與此同時，電網中電力的輸送規模擴大，對電網的安全性、穩定性有了更高的要求。而抽水蓄能電站具有調峰填谷、 調頻、 事故備用等作用，故其開發建設迎來了難得的發展機遇。隨著環保需求的增加以及地下廠房施工技術的發展，抽水蓄能電站越來越傾向于采用地下式廠房的建設形式。由于廠房深埋地下，其散濕散熱很大程度上依賴于通風系統，因此容易面臨通風不暢以及溫濕度過高的問題。地下廠房的濕熱環境問題主要表現在空氣濕度大、溫度場分布不均勻、空氣品質低下這三個方面。但在目前已建成的電站中，各通風空調系統運行效果都不盡如人意。

目前，地下廠房的濕熱環境特性是國內外對地下廠房通風空調系統的主要研究方向。隨著暖通技術的發展和可持續發展意識的增強，我國水電站的通風空調系統設計也進入了一個新的發展階段：首創機械制冷，發電機層分層空調方案；大壩廊道引入空氣，利用天然冷源對新風進行冷卻以節省能源；在設計理論中引入“空氣品質”概念，對廠房中的空氣環境的評價有了更嚴謹的指標；跟隨電站“無人值班，少人值守”的發展目標，空調系統的控制也朝向全自動化的方向發展。

重慶大學林婷瑩通過對水電站運行過程中各種設備散熱特性及熱負荷分析，提出較為準確的廠內余熱負荷的計算式；歸納出多個可行的空氣處理方案；從多個技術經濟評價指標，總結出各個方案選擇的因素。并以BHT電站為例，驗證其提出的方案優選方法。[1]

西安建筑大學楊曉峰對仙游抽水蓄能電站的地下廠房進行通風空調模型試驗，利用激光測速2DPIV技術對水電站通風氣流組織縮尺模型，建立1：50的幾何模型。在多種不同的送風速度與熱源強度組合下進行實驗，探究不同強度的機械排風對工作區速度場的影響。[2]

重慶大學張治通過對龍灘地下水電站熱環境特性研究，利用理論分析、模型實驗分析地下廠房的溫度分布規律。在自然通風、機械通風、主廠房拱頂送風三種工況下進行實驗，驗證原型拱頂送風的合理性，并研究分析出龍灘水電站地下廠房的熱環境特性。[3]

重慶大學劉琳通過對白鶴灘水電站地下廠房進風網絡的計算與風機匹配，在對地下洞群進行網格圖化時將地下廠房用風區風量作為已知的節點流量形式表現，確保進風量始終滿足設計風量要求；對不同室外進風口的空氣溫度按照實際高程進行修正。利用matlab計算得出進風網絡中逐日平均和不同季節代表逐日時的風量及熱壓分布情況。最后得出在不同季節負荷變化下風量的分配要求。[4]

重慶大學劉希臣通過對地下進風洞對氣流的熱濕處理規律、圍護結構表面的全年動態熱濕吸放特性以及水電站地下廠房散熱的強度、時間、空間特性等系統地研究了地下水電站熱濕環境的形成機理，并在此基礎上提出了制定地下水電站廠房熱濕環境節能調控策略的方法。[5]

而國外對于地下廠房濕熱環境形成原因的研究比較缺乏，但國外對于建筑通風空調系統能耗的測試和評價有著更為成熟的理論基礎，主要有美國的LEED體系[6]、英國的 BREEM 體系、日本的 CASBEE 體系[7]以及加拿大的GBC體系[8]。

1 CFD模擬計算

1.1 數學模型

水電站地下廠房氣流由風口噴射的冷射流和浮升力為動力的自下而上的熱氣流的相互作用而成，其氣流組織實際是有內熱源的非等溫射流高大廠房空間氣流組織。主廠房采用均勻送風方式，洞室內空氣的狀態參數可以近似認為恒定。為研究方便，對模型做如下簡化：視空氣為理想氣體，視介質的熱物理參數為常物性參數，即介質的導熱系數、比熱等參數不隨時間空間變化，在濕度的模擬計算中采用組分輸運方程。

在計算方法上，數值模擬模型采用三維計算模型，輻射模型采用DO模型，湍流模型采用標準K- -模型，組分模型采用組分運輸模型。

1.2 物理模型

主廠房分為發電機層、中間層、水輪機層、蝸殼層四層結構，為了研究整體變化，對全廠四層結構進行整體建模。為了提高網格精度與計算的準確性，在進風口與發熱體附近進行網格加密。

主廠房的物理模型如圖所示，該水電站廠房位于山體中，各層散濕量基本相等。但各層發熱量有顯著區別，其中發電機層的設備發熱量占總發熱量的1/2以上。故發電機層的通風空調設計以降溫為主要目的，保證其換風量，而水輪機層與蝸殼層以除濕為主要目的。

1.3 網格劃分與收斂性

模型體網格大部分為非結構網格，劃分采用四邊形混合網格，滿足精度的前提下，盡量減少網格數量，綜合考慮計算機CPU，UDF程序所需占用的內存等，模型總網格數量約200萬左右。

計算收斂的判斷依據：

（1）計算前設置某一平面平均溫度監控器，當平均溫度上升或下降并趨于穩定時認為計算收斂。

（2）迭代計算過程中，除能量的殘差值外，其余殘差值均降低到10-3，而能量的殘差值低于10-6時認為計算收斂。

2 計算結果與分析

2.1 通風方案的改進

為改進后的工況，考慮到該廠房有兩條主要進風洞，進廠交通洞與施工支洞在房頂為主要空調提供進風，但由于兩洞溫濕度存在差異，導致發電機層同層溫度存在區域差異。新方案中將主空調設置在蝸殼層上游墻，由溫度較低的進廠交通洞提供進風，房頂與施工支洞相連作為自由出口。

由于每層發熱體周圍產生的熱氣流自發的向上運動，為了遵循這一規律，每一層由下（上）游墻底部進風，上（下）游墻頂部出風，實現層內總體冷氣均布。

2.2溫濕度對比

當計算收斂后，考慮人類活動區域截取每一層離地面1.5米處的截面作為參考截面，如下圖2a、圖2b為蝸殼層溫度分布，該模型并未考慮層內立式空調以及除濕機，即適當簡化了物理模型，但總體溫濕度變化對比還是具有參考意義，對比圖中依次為工況1和工況2，可以看出工況2溫度總體下降2～3℃；圖3為水輪機層溫度分布，工況2溫度均勻性更好，且總平均溫度比工況一更低。

圖4為中間層溫度分布圖，可以看出中間層的溫度并沒有達到預期效果，工況2溫度較工況1有所上升，原因可能為中間層通風口總數減少，進風僅為水輪機層通向中間層的進風以及發電機層層間通風，母線洞與層間通風在模型中設置為壓力出口自由進風，但因為有母線洞的存在，實際中間層通風量是四層中最高的，適當的安排一些層內空調可以調節溫度升高的問題。圖5為發電機層溫度分布圖，可見兩種工況平均溫度基本相等，但舊工況存在長度方向溫度差異。

解決廠房熱濕環境是確保機電設備安全運行以及維護管理人員健康舒適的重要條件，而潮濕問題一直以來是水電站地下廠房的一大難題，而考慮到發電機層與中間層為主要工作區，這里主要研究這兩層的濕度對比；圖6為中間層濕度對比圖，可見工況2的相對濕度相比工況1下降了0.18～0.23，圖7為水輪機層濕度對比圖，工況2相對濕度下降了0.10～0.15，且層間分布也較為均勻。

3 結論

（1）工況2系統設計整體采用從下往上通風的設計，層內空氣流動更均勻，主空調安置在蝸殼層上游墻，且相比原方案減少了一半的主空調進風口，所以耗能減少顯著，經濟效益較好，具體經濟效益還有待進一步研究。

（2）通過溫度對比分析，除卻中間層溫度有所上升，其他三層的溫度都有所改善，新窗口的設置，較工況1減少了氣流“碰撞”，氣流死區也隨之減少，減緩了局部高溫的問題。

（3）濕度是工作人員舒適度的一個重要指標，工況2明顯看出主要工作區域由于通風變化帶來的濕度平均值下降，解決了部分由通風引起的產房潮濕的問題，使方案的可取性上升。

【參考文獻】

[1]林婷瑩.地下式水電站通風空調系統設計方案優化研究[D].重慶大學，2014.

[2]楊曉峰.仙游抽水蓄能電站地下廠房空調通風模型試驗[D].西安建筑科技大學，2014.

[3]張治.龍灘地下水電站熱環境特性研究[D].重慶大學，2005.

[4]劉琳.白鶴灘水電站地下廠房進風網絡計算及風機匹配[D].重慶大學，2015.

[5]劉希臣.地下水電站熱濕環境形成機理及節能調控策略[D].重慶大學，2014.

[6]Cole R J， Valdebenito M J. The importation of building environmental certification systems： international usages of BREEAM and LEED[J].Building Research & Information， 2013， 41（41）：662-676.

[7]Shuzo Murakami， Shun Kawakubo， Yasushi Asami， et al. Development of a comprehensive city assessment tool： CASBEE -City[J].Building Research & Information， 2011，39（3）：195-210.

[8]Tromly K， Burgert S.United States GBC 2000 Team： Supporting green buildings and communities for a healthy and prosperous planet[J].Office of Scientific & Technical Information Technical Reports， 2000.

[9]康士延.FLUENT16.0流場分析從入門到精通[M].北京.機械工業出版社.2016.

[10]龔勝強.某大型地下水電站廠房通風空調系統氣流組織數值模擬分析[J].四川.重慶大學.2016.