基于内蒙古区域气候特征的110 kV变电站建筑节能分析

张振，聂建春，萨仁高娃，张前，王安，宋瑞军

（内蒙古电力经济技术研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

随着我国经济的快速发展及城市化进程的不断推进，建筑能耗占比已达我国总能耗的47%[1]。变电站建筑作为一种工业建筑，其建筑能耗的特殊性在于变配电站区工艺总体要求及电气设备对房间热环境的严格要求[2]，即变电站建筑为实现其自身的使用功能要求，不仅要消耗大量的资源，而且站内电力设施设备的正常运行也对温度有一定要求（尤其在寒冷地区）。因此，通过更多的节能手段降低变电站建筑能耗，是变电站节能研究与设计的关键所在。

在变电站建筑节能设计方面，国内外已有许多研究成果[3-8]。现阶段对变电站建筑能耗的研究，大多是通过一个或多个单一影响因素对变电站建筑能耗的影响进行优化改进，而对多个影响因素变化而产生的关联及影响分析却少有深入探讨。本文拟在供暖负荷不变的前提下，基于内蒙古地区环境气候特征，选取多个对内蒙古地区变电站建筑能耗影响较大的影响因素，通过对各种类型变电站建筑（全户内站、半户内站、户外站）动态能耗进行模拟，探究变电站建筑能耗各影响因子之间的内在关联，进而提出变电站建筑节能优化策略。

1 内蒙古地区环境气候划分及变电站建筑特点

不同气候区域内的气候要素特征各不相同，为保证变电站建筑热工设计与所属气候区域相适应，依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[9]中全国主要城市热工设计区属及建筑热工设计用室外气象参数，内蒙古地区属于严寒及寒冷地区，其中严寒地区划分为3个区，寒冷地区划分为2个区，即严寒A、B、C区，寒冷A、B区。结合气候区域划分选取内蒙古地区5个代表城市（分别为海拉尔、二连浩特、通辽、呼和浩特、吉兰泰）的环境气候数据为基础进行对比分析，各城市相关气候数据见表1。

表1 内蒙古地区5个代表城市环境气候数据

根据内蒙古地区变电站运行习惯、变电站电气设备类型及相关要求，110 kV变电站建筑室内功能房间主要包括：电容器室、配电装置室、蓄电池室、主变压器室、二次设备室、110 kV GIS室、卫生间、备餐间、资料室、值班室、休息室、安全工具间、消防泵房等，不同区域房间有不同的室内环境要求（见表2）。二次设备室、蓄电池室、休息室、值班室需要设置空调，用于夏季制冷降温；二次设备室、蓄电池室、休息室、值班室、卫生间、备餐间、消防泵房在冬季采用电暖器电热采暖的方式维持所需的室内温度，其他区域则通过自然通风或机械通风的方式将热量排出[9]。

表2 变电站建筑室内环境设计要求

2 数值模拟

2.1 分析方法及模型方案的选取

为使能耗模拟更准确、计算能力更强大，本文采用建筑动态能耗模拟方法，依据逐时变化的室外气象数据、室内人员活动状况等信息，计算满足室内环境要求的全年逐时建筑供暖负荷。动态能耗模拟通过EnergyPlus软件实现，模拟计算包括三部分：建筑能耗模型、暖通系统模型和设备效率模型，分别对建筑结构的热反应，供暖、空调、通风系统的热动力行为，以及系统中主要能源设备的效率转化问题进行分析。模拟时三者依次衔接，前一部分的输出作为后一部分的输入[10]。

对于变电站模型的选取，本文基于内蒙古电力（集团）有限责任公司35~110 kV输变电工程通用设计中的具有代表性的变电站模块方案，即NM110-A2-1、NM110-A3-1、NM110-C-2（A为GIS方案，其中，A2为全户站，A3为半户内站；C为瓷柱式断路器站），分别代表全户内型（主变压器、配电装置等均布置室外）、半户内型（主变压器位于室外，配电装置布置在室内）和户外站型（主变压器及配电装置均布置于室外）变电站，模拟了建筑在上述5个城市的冬半年供暖负荷；通过确定不同类型变电站建筑供暖负荷的差异，并选取多个关键影响因素，分析其不同组合形式对供暖负荷的影响。

2.2 建筑模型构建

针对目前变电站建筑能耗普遍较大，且缺乏有效的节能措施等问题，本文以3种不同建筑类型变电站（全户内、半户内及户外），分别提取其建筑特征及建筑能耗相关信息并建立建筑模型，表3为3种类型变电站建筑参数及热工性能参数。其他模拟参数依据GB 50189—2015《公共建筑建筑节能设计标准》[11]设置如下：人均占有面积10 m2，照明功率密度9 W/m2，房间普通设备功率密度15 W/m2，人员活动水平取值252。

表3 3种类型变电站建筑参数及热工性能参数

内热源的大小通过电力设备发出的长波辐射来量化，即利用设备柜机占所在空间底面面积、高度及设备正常运行时的表面温度，根据史蒂芬玻尔兹曼定律来估算长波辐射量（见式（1）），以此来量化设备内热源对室内采暖能耗的影响。各类型变电站不同房间的内热源值见表4。

式中：qn—空间内内热源的大小，W/m2；

Cw—电力设备表面材料的辐射系数，W/（m2·K4）；

T—电力设备正常运行时的表面绝对温度，K；

A—设备表面积，m2；

a—设备所在的建筑空间底面面积，m2。

基于表3、表4，应用Design Building软件构建建筑物的物理模型，并利用建筑能耗软件Energy⁃Plus进行能耗模拟分析，获得内蒙古地区典型110 kV变电站建筑物理模型示意图见图1所示。

表4 各类型变电站不同房间的内热源值 W/m2

图1 内蒙古地区典型110 kV变电站建筑物理模型示意图

（1）全户内类型。以NM110-A2-1的主控通信楼为例，建筑面积1 146.9 m2。该建筑体形系数较大，建筑各面的窗墙面积比较小（尤其是南向），且窗传热系数较大。

（2）半户内类型。以NM110-A3-1的主控室和配电室为例，建筑面积713.6 m2，体形系数较大。

（3）户外站类型。以NM110-C-2的主控室和配电室为例，建筑面积432.4 m2。该建筑外墙传热系数较大，东西两向窗户面积较大，同时北向窗户面积为0。

3 模拟结果及分析

3.1 变电站建筑类型对采暖能耗的影响

3种变电站建筑在海拉尔、二连浩特、通辽、呼和浩特、吉兰泰5个不同地区冬半年单位面积采暖能耗的模拟结果如图2所示。由图2可知，各地区变电站供暖负荷均是全户内站＞半户内站＞户外站。这是因为全户内站为二层建筑，建筑体积及外表面积明显大于半户内站和户外站，故所需的采暖能耗为全户内站大于半户内站和户外站；半户内站的体形系数和建筑体积大于户外站，因此半户内站的采暖能耗大于户外站。同时，对比三类变电站的窗墙面积比可以发现，相较民用建筑，变电站建筑窗墙面积比相对自由，限制条件更少。另外，虽然此3种类型变电站建筑的外窗传热系数相同，但通过外窗的热量损失也要考虑，且建筑的形体根据电气设备功能要求已确定，故此处不考虑体形系数的变化。此外，变电站建筑室内热源值远大于普通民用建筑，故室内热源强度在变电站建筑中也是影响采暖能耗的节能设计参数之一。以下先通过控制单一变量，探讨各面窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、内热源和换气次数5个参数在同一地区对建筑供暖负荷的影响。

图2 各地区冬半年单位面积供暖负荷

3.2 单个影响因子对供暖负荷的影响

选取各面窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、内热源值和换气次数这5个对变电站建筑供暖负荷的主要影响因素，分别使单个因素发生5种变化，即分别减小50%、25%和增加25%、50%以及不变化，通过控制变量法分别对3种类型变电站建筑进行模拟分析，结果如图3—图7所示。

图3 窗墙面积比对供暖负荷的影响

图7 室内热源变化对供暖负荷的影响

从模拟结果可知，窗墙面积比、外窗传热系数和外墙传热系数越大，则供暖负荷越大，且基本成线性关系变化。减小换气次数时，供暖负荷基本没有变化，而增大25%出现较明显变化，且从25%增大至50%时，供暖负荷增加更为突出。而室内热源变化正好相反，增大室内热源时，供暖负荷降低不明显，但当减少25%时，供暖负荷增加较明显，且从25%减少至50%时，供暖负荷增加更为突出。

图4 外窗传热系数对供暖负荷的影响

图5 外墙传热系数对供暖负荷的影响

图6 换气次数对供暖负荷的影响

3.3 多个影响因子对供暖负荷的影响

通过上述模拟可知，在已经确定建筑形体的变电站建筑中，窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、室内热源及换气次数的大小是决定采暖能耗的重要因素，在建筑能耗不变的前提下，分以下3种情况分别进行分析。

（1）使外墙传热系数、换气次数与室内热源保持不变，窗墙面积比与外窗传热系数同时变化。

（2）使窗墙面积比、外窗传热系数与室内热源保持不变，外墙传热系数与换气次数同时变化。

（3）使窗墙面积比、外窗传热系数与换气次数保持不变，室内热源与外墙传热系数同时变化。

在这3种情况下，分别对3种不同类型的变电站建筑进行多次全面的采暖负荷模拟分析，得出150种不同工况的模拟结果。针对模拟结果，对各影响因素进行关联性分析。

（1）外窗传热系数与窗墙面积比同时变化时，全户内站、半户内站以及户外站的模拟结果如图8所示。从图8可以看出，当外窗传热系数与窗墙面积比均减少50%和25%时，全户内站供暖负荷分别降低了46.48%和22.56%；半户内站分别降低了37.18%和25.33%；户外站分别降低了40.74%和25.59%。

图8 外窗传热系数与窗墙面积比变化时冬半年供暖负荷

（2）换气次数的大小与外墙传热系数同时变化，全户内、半户内以及户外站的模拟结果见图9。从图9可以看出，当换气次数和外墙传热系数均降低25%和50%时，全户内站供暖负荷分别降低了16.54%和30.75%；半户内站分别降低了24.49%和43.94%；户外站分别降低了22.93%和37.05%。

图9 换气次数大小与外墙传热系数变化时冬半年采暖负荷

（3）室内热源与外墙传热系数同时变化时，全户内、半户内以及户外站的模拟结果如图10所示。

从图10可以看出，当室内热源增大25%和50%，而外墙传热系数降低25%和50%时，全户内站采暖能耗比原先分别降低了31.85%和52.14%；半户内站分别降低了22.3%和40%；户外站分别降低了16.54%和30.75%。

图10 外墙传热系数与室内热源变化时冬半年采暖负荷

4 优化策略

基于外窗传热系数与窗墙面积的关系、外墙传热系数与换气次数以及室内热源与外墙传热系数关系的模拟结果，制订以下优化策略。

（1）GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》中要求变电站建筑总窗墙面积比不应大于0.5[12]，上述变电站建筑模型均能满足。在供暖负荷不变时，可以在降低外窗传热系数的同时提高窗墙面积比，既能充分满足变电站建筑采光需求，又能减少建筑供暖负荷，起到节能降耗的目的[13-15]。例如，对于全户内站，当外窗传热系数减少50%、窗墙面积比增加50%时，其供暖负荷为20.6 W/m2，较两者都不变时的供暖负荷减少10.09%。

（2）以全户内站建筑为例，当外墙传热系数或换气次数同时减小25%和50%时，供暖负荷比原先分别降低了16.54%和30.75%，而增加外墙传热系数或换气次数25%和50%时，其供暖负荷比原先分别增加了67.7%和271.13%。且当换气次数减少50%，外墙传热系数只增加25%时，供暖负荷还是会增加7.47%。由此可知，变电站建筑设计应严格按照规范要求，避免换气次数和外墙传热系数的增加。

（3）变电站建筑节能不应只考虑建筑的保温性能，还应综合考虑建筑室内热源。对于具有较大室内热源的变电站建筑，由于设备自身可以产生大量的余热，提高室内温度、因此在设计过程中应充分分考虑室内热源密度，当室内热源密度较大时，可以降低外墙保温性能，增加其传热系数。以全户内站为例，不考虑室内热源时所需的采暖能耗为26.13 W/m2，而考虑了室内热源时，采暖能耗为19.63 W/m2，约减少33.11%，在降低外墙保温性能的同时，实现了节约材料的目的。

5 结论

变电站作为工业基础设施，其建筑能耗具有自身的特殊性，合理确定变电站建筑能耗特性是实现其建筑节能的关键。本文针对3种不同类型变电站建筑进行建模，模拟分析了其在内蒙古不同地区的供暖负荷情况；在分析窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、换气次数和室内热源5个参数单个变化对供暖负荷的影响基础上，研究了多个参数在不同组合方式下对供暖负荷的影响，得出以下结论。

（1）内蒙古地区3种不同类型变电站建筑的供暖负荷大小排序为：全户内站＞半户内站＞户外站。

（2）窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、换气次数和室内热源5个参数单个变化时，窗墙面积比和外窗传热系数与供暖负荷基本呈正相关线性关系；而外墙传热系数和换气次数的增加与供暖负荷的增加基本成指数增加关系。

（3）在增加外窗传热系数的同时减少窗墙面积比，能够同时实现采光与节能的效果；而对于外墙传热系数和换气次数，应严格按照标准要求避免其数值的增加；同时设计过程中应充分考虑室内热源密度，当其较大时可以降低外墙保温性能，以增加其传热系数。

（4）由于变电站电气设备的底面积是根据电气专业的需求确定的，关于内热源对供暖负荷的影响情况，可根据具体建筑的实际情况做进一步的优化研究。