基于CFD方法的水电站地下厂房通风系统改造的研究

郭俊勋　张学威　沈俊琬　梁翔　魏荣阔

【摘 要】为研究大型水电站地下厂房各层间通风换热换湿效果，以宜兴抽水蓄能电站实际物理模型作为基础，模拟分析了多种（几种）不同的通风方案厂房内温湿度场的分布规律。通过相似工况下的CFD数值模拟，以现场试验数据作为数值模拟边界条件，将温湿度作为主要研究对象，以宜兴抽水蓄能电站地下厂房原通风工况建立模型进行数值模拟分析其湿热场；改变进风口的位置和层间换风次序后建立模型，在不改变新风总量的基础上再次进行数值模拟。对比两种工况后发现后者的散湿散热比原方案有一定的提高。研究结果为地下厂房层间换热提供借鉴。

【关键词】水电站；厂房；通风空调；数值模拟；散热散湿

中图分类号： TV735 文献标识码： A 文章编号： 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

近年來国民经济的飞速发展带来了大量电力能源的需求，也开启了大型电站的大规模建设时代。与此同时，电网中电力的输送规模扩大，对电网的安全性、稳定性有了更高的要求。而抽水蓄能电站具有调峰填谷、 调频、 事故备用等作用，故其开发建设迎来了难得的发展机遇。随着环保需求的增加以及地下厂房施工技术的发展，抽水蓄能电站越来越倾向于采用地下式厂房的建设形式。由于厂房深埋地下，其散湿散热很大程度上依赖于通风系统，因此容易面临通风不畅以及温湿度过高的问题。地下厂房的湿热环境问题主要表现在空气湿度大、温度场分布不均匀、空气品质低下这三个方面。但在目前已建成的电站中，各通风空调系统运行效果都不尽如人意。

目前，地下厂房的湿热环境特性是国内外对地下厂房通风空调系统的主要研究方向。随着暖通技术的发展和可持续发展意识的增强，我国水电站的通风空调系统设计也进入了一个新的发展阶段：首创机械制冷，发电机层分层空调方案；大坝廊道引入空气，利用天然冷源对新风进行冷却以节省能源；在设计理论中引入“空气品质”概念，对厂房中的空气环境的评价有了更严谨的指标；跟随电站“无人值班，少人值守”的发展目标，空调系统的控制也朝向全自动化的方向发展。

重庆大学林婷莹通过对水电站运行过程中各种设备散热特性及热负荷分析，提出较为准确的厂内余热负荷的计算式；归纳出多个可行的空气处理方案；从多个技术经济评价指标，总结出各个方案选择的因素。并以BHT电站为例，验证其提出的方案优选方法。[1]

西安建筑大学杨晓峰对仙游抽水蓄能电站的地下厂房进行通风空调模型试验，利用激光测速2DPIV技术对水电站通风气流组织缩尺模型，建立1：50的几何模型。在多种不同的送风速度与热源强度组合下进行实验，探究不同强度的机械排风对工作区速度场的影响。[2]

重庆大学张治通过对龙滩地下水电站热环境特性研究，利用理论分析、模型实验分析地下厂房的温度分布规律。在自然通风、机械通风、主厂房拱顶送风三种工况下进行实验，验证原型拱顶送风的合理性，并研究分析出龙滩水电站地下厂房的热环境特性。[3]

重庆大学刘琳通过对白鹤滩水电站地下厂房进风网络的计算与风机匹配，在对地下洞群进行网格图化时将地下厂房用风区风量作为已知的节點流量形式表现，确保进风量始终满足设计风量要求；对不同室外进风口的空气温度按照实际高程进行修正。利用matlab计算得出进风网络中逐日平均和不同季节代表逐日时的风量及热压分布情况。最后得出在不同季节负荷变化下风量的分配要求。[4]

重庆大学刘希臣通过对地下进风洞对气流的热湿处理规律、围护结构表面的全年动态热湿吸放特性以及水电站地下厂房散热的强度、时间、空间特性等系统地研究了地下水电站热湿环境的形成机理，并在此基础上提出了制定地下水电站厂房热湿环境节能调控策略的方法。[5]

而国外对于地下厂房湿热环境形成原因的研究比较缺乏，但国外对于建筑通风空调系统能耗的测试和评价有着更为成熟的理论基础，主要有美国的LEED体系[6]、英国的 BREEM 体系、日本的 CASBEE 体系[7]以及加拿大的GBC体系[8]。

1 CFD模拟计算

1.1 数学模型

水电站地下厂房气流由风口喷射的冷射流和浮升力为动力的自下而上的热气流的相互作用而成，其气流组织实际是有内热源的非等温射流高大厂房空间气流组织。主厂房采用均匀送风方式，洞室内空气的状态参数可以近似认为恒定。为研究方便，对模型做如下简化：视空气为理想气体，视介质的热物理参数为常物性参数，即介质的导热系数、比热等参数不随时间空间变化，在湿度的模拟计算中采用组分输运方程。

在计算方法上，数值模拟模型采用三维计算模型，辐射模型采用DO模型，湍流模型采用标准K- -模型，组分模型采用组分运输模型。

1.2 物理模型

主厂房分为发电机层、中间层、水轮机层、蜗壳层四层结构，为了研究整体变化，对全厂四层结构进行整体建模。为了提高网格精度与计算的准确性，在进风口与发热体附近进行网格加密。

主厂房的物理模型如图所示，该水电站厂房位于山体中，各层散湿量基本相等。但各层发热量有显著区别，其中发电机层的设备发热量占总发热量的1/2以上。故发电机层的通风空调设计以降温为主要目的，保证其换风量，而水轮机层与蜗壳层以除湿为主要目的。

1.3 网格划分与收敛性

模型体网格大部分为非结构网格，划分采用四边形混合网格，满足精度的前提下，尽量减少网格数量，综合考虑计算机CPU，UDF程序所需占用的内存等，模型总网格数量约200万左右。

计算收敛的判断依据：

（1）计算前设置某一平面平均温度监控器，当平均温度上升或下降并趋于稳定时认为计算收敛。

（2）迭代计算过程中，除能量的残差值外，其余残差值均降低到10-3，而能量的残差值低于10-6时认为计算收敛。

2 计算结果与分析

2.1 通风方案的改进

为改进后的工况，考虑到该厂房有两条主要进风洞，进厂交通洞与施工支洞在房顶为主要空调提供进风，但由于两洞温湿度存在差异，导致发电机层同层温度存在区域差异。新方案中将主空调设置在蜗壳层上游墙，由温度较低的进厂交通洞提供进风，房顶与施工支洞相连作为自由出口。

由于每层发热体周围产生的热气流自发的向上运动，为了遵循这一规律，每一层由下（上）游墙底部进风，上（下）游墙顶部出风，实现层内总体冷气均布。

2.2温湿度对比

当计算收敛后，考虑人类活动区域截取每一层离地面1.5米处的截面作为参考截面，如下图2a、图2b为蜗壳层温度分布，该模型并未考虑层内立式空调以及除湿机，即适当简化了物理模型，但总体温湿度变化对比还是具有参考意义，对比图中依次为工况1和工况2，可以看出工况2温度总体下降2～3℃；图3为水轮机层温度分布，工况2温度均匀性更好，且总平均温度比工况一更低。

图4为中间层温度分布图，可以看出中间层的温度并没有达到预期效果，工况2温度较工况1有所上升，原因可能为中间层通风口总数减少，进风仅为水轮机层通向中间层的进风以及发电机层层间通风，母线洞与层间通风在模型中设置为压力出口自由进风，但因为有母线洞的存在，实际中间层通风量是四层中最高的，适当的安排一些层内空调可以调节温度升高的问题。图5为发电机层温度分布图，可见两种工况平均温度基本相等，但旧工况存在长度方向温度差异。

解决厂房热湿环境是确保机电设备安全运行以及维护管理人员健康舒适的重要条件，而潮湿问题一直以来是水电站地下厂房的一大难题，而考虑到发电机层与中间层为主要工作区，这里主要研究这两层的湿度对比；图6为中间层湿度对比图，可见工况2的相对湿度相比工况1下降了0.18～0.23，图7为水轮机层湿度对比图，工况2相对湿度下降了0.10～0.15，且层间分布也较为均匀。

3 结论

（1）工况2系统设计整体采用从下往上通风的设计，层内空气流动更均匀，主空调安置在蜗壳层上游墙，且相比原方案减少了一半的主空调进风口，所以耗能减少显著，经济效益较好，具体经济效益还有待进一步研究。

（2）通过温度对比分析，除却中间层温度有所上升，其他三层的温度都有所改善，新窗口的设置，较工况1减少了气流“碰撞”，气流死区也随之减少，减缓了局部高温的问题。

（3）湿度是工作人员舒适度的一个重要指标，工况2明显看出主要工作区域由于通风变化带来的湿度平均值下降，解决了部分由通风引起的产房潮湿的问题，使方案的可取性上升。

【参考文献】

[1]林婷莹.地下式水电站通风空调系统设计方案优化研究[D].重庆大学，2014.

[2]杨晓峰.仙游抽水蓄能电站地下厂房空调通风模型试验[D].西安建筑科技大学，2014.

[3]张治.龙滩地下水电站热环境特性研究[D].重庆大学，2005.

[4]刘琳.白鹤滩水电站地下厂房进风网络计算及风机匹配[D].重庆大学，2015.

[5]刘希臣.地下水电站热湿环境形成机理及节能调控策略[D].重庆大学，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流场分析从入门到精通[M].北京.机械工业出版社.2016.

[10]龚胜强.某大型地下水电站厂房通风空调系统气流组织数值模拟分析[J].四川.重庆大学.2016.