基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算

2022-06-21袁涤非吴涵范元亮顾锦书

粘接 2022年6期

袁涤非　吴涵　范元亮　顾锦书

摘要：導热辐射数值离散角度区域划分混乱，导致储能电站预制舱中通风冷却能耗比过高。计算基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值，建立储能电站预制舱舱内热平衡方程组，并分割网格的积分区域，计算预制舱舱内综合导热系数;重新划分导热辐射数值离散角度区域，构建热电耦合预制舱热负荷算法，完成预制舱舱内热环境数值计算。实验结果表明：共轭梯度计算方法的储能电站预制舱中通风冷却能耗比最小为250 kW/h，广义最小残量的储能电站预制舱中通风冷却能耗比下降到最小为298 kW/h;基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算，储能电站预制舱中通风冷却能耗比最小为150 kW/h。

关键词：热电;耦合模型;储能电站;预制舱;热环境;数值

中图分类号：TB126

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0163-06

Numerical calculation of thermal environment in prefabricated cabin of energy storage power station based on thermoelectric coupling model

YUAN Difei WU Han FAN Yuanliang GU Jinshu

（1. Nanjing SAC Power Grid Automation Co.， Ltd.， Nanjing 211153， China;

2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute， Fuzhou 350007， China; 3. Fujian Provincial

Enterprise Key Laboratory of High Reliable Electric Power Distribution Technology， Fuzhou 350007， China

）

Abstract：The numerical dispersion angle and regional division of heat conduction radiation are chaotic， which leads to the high energy consumption ratio of ventilation and cooling in the prefabricated cabin of energy storage power station. Calculate the thermal environment in the prefabricated cabin of the energy storage power station based on the thermoelectric coupling model， establish the heat balance equations in the prefabricated cabin of the energy storage power station， divide the integral region of the grid， and calculate the comprehensive thermal conductivity in the prefabricated cabin; The numerical discrete angle area of heat conduction radiation is re-divided， the thermal load algorithm of thermoelectric coupling prefabricated cabin is constructed， and the numerical calculation of thermal environment in prefabricated cabin is completed. The experimental results show that the minimum ventilation and cooling energy consumption ratio in the prefabricated cabin of the energy storage power station based on the conjugate gradient calculation method is 250 kW/h， and the minimum ventilation and cooling energy consumption ratio in the prefabricated cabin of the generalized minimum residue energy storage power station is 298 kW/h; The numerical calculation of thermal environment in the prefabricated cabin of energy storage power station based on thermoelectric coupling model shows that the minimum energy consumption ratio of ventilation and cooling in the prefabricated cabin of energy storage power station is 150 kW/h.

Key words：thermoelectricity; coupling model; energy storage power station; prefabricated cabin; thermal environment; numerical value

电力调度与控制需要电站予以调配，因此变电站的建设规模正在逐渐扩大。与此同时，热负荷也为变电站带来了新的危机，高能耗提高了电站的运营成本[1]。由于电力设备在运行过程中会发热，且外部大气环境与太阳辐射热对流渗透，造成电力设备发热[2]。储能电站预制舱主要用于保护电力二次设备，因此储能电站预制舱对电力系统重要[3]。顺应智慧城市建设思路可以发现，使用预制舱式二次设备能够提高舱体保温功能[4]。因此，储能电站预制舱的构成材料要具备隔热性能，通过热桥结构控制舱内空气流场。根据温度场分布特性确定内流场的范围[5]。

大部分储能电站的空间载体范围是固定的，这意味着联动协同的能量密度过高[6]。通过研究多维传热结构朝向，能够得到储能电站的热源面积和出风口位置，根据储能电站的竖向布置平面，计算舱内温度衰减情况[7]。由此确定储能电站预制舱的非稳态传热结构，根据多参数耦合分析结构传递内容，从而计算储能电站预制舱内热环境数值。.

有学者研究：利用智能辅助设施管理智能互动终端，控制毫秒级响应周期，测量高峰期供电压力，根据地区电网可再生能源，就地消纳水平分析局部电网供电能力，并调高局部电网削峰填谷的能力[8];通过开发电厂热力系统稳态建模仿真软件，建立热力系统常用设备的泛化通用型部件，通过泛化建模构建热力系统的拓扑结构，研究热电联产机组热电耦合关系，在此基础上，调节热点机组的衍生工况[9];设计电池预制舱内可燃气体浓度的监测策略，根据启动控制策略计算第一报警阈值，并通过控制预制舱内温度，获知电池失效的时延[10]。鉴对此，本文研究基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算，确定电网参数耦合值域，以此为基础划分多维热力谐波衰减倍数，并分层识别预制舱结构温度，利用太阳辐射吸收系数计算储能电站预制舱内热环境数值。

2基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算设计

2.1建立储能电站预制舱舱内热平衡方程组

为计算预制舱舱内热环境的数值，先要确定预制舱区域内的有限个离散点，通过连续空间的离散点代替，建立储能电站预制舱舱内热平衡方程组。

计算储能电站预制舱舱内的热环境面积，并分割网格的积分区域[11]。控制热平衡方程的微分形式，计算得到热电耦合模型的非稳态导热方程：

式中：预制舱舱内的广义源项单位体积可表达为S;控制热平衡扩散的变量为φ;预制舱舱内的定压比热为x。根据扩散项的大小重新确定扩散系数，并由此计算预制舱舱内的非稳态热平衡离散：

式中：n为在预制舱舱内控制体单元P的面数;ΔV为预制舱舱内控制体单元的体积;D为热平衡扩散系数的数量;S为扩散项D对应的单位体积。利用二次扩散项D和基本扩散项D，重新对预制舱舱内热平衡扩散系数做切割表达处理：

2.2计算预制舱舱内综合导热系数

通过预制舱舱内热平衡方程组，确定预制舱舱内热平衡矢量投影的面积，利用公用面积与投影的和，完成预制舱舱内综合导热系数的计算。

在预制舱舱内传递的热量属于结构传热的一种，因此要先计算导热辐射数值离散角度区域[12]。在区域内确定有限数量的控制体参数，将中心点参数相等的控制体划分为不同的离散单元区域[13]。设预制舱内的综合导热空间离散的立体角有m个，则离散的方向矢量为L，据此计算方向矢量的立体角：

式中：预制舱内的综合导热空间离散的立体角分别为θ和φ;θ为立体角的方向矢量;Δθ/2为综合导热空间离散立体角的一半。根据方向矢量的立体角确定单位向量的辐射方向和位置向量，利用吸收系数和散射系数确定介质单位的基础向量[14]。已知热传输的方向与传输距离相关，为了确定辐射强度变化量大小，要剔除内部介质和外散射减少量对内部气体的影响[15]。从散射增量的来源方向确定辐射强度I，由此确定热辐射传输的边界条件：

式中：预制舱内的综合导热空间的位置向量为r→;综合导热空间源项函数为SR;导热空间内的灰体介质辐射输送量为β。利用热辐射传输的边界条件确定预制舱舱内综合导热范围：

2.3构建热电耦合预制舱热负荷算法

通过预制舱舱内综合导热系数，计算综合导热的源汇项常数。为保证预制舱舱内的介质温度恒定，需要计算热电耦合热传输扩散的空间区域[17]。利用热电耦合控制热传输网格化的角度区域，得到储能电站预制舱舱内的无量纲热流分布规律，结果如图2所示。

根据储能电站预制舱无量纲热流分布规律，计算储能电站热流分布强度[18]。得到热电耦合预制舱热负荷的计算公式：

2.4完成预制舱舱内热环境数值计算

通过热电耦合预制舱热负荷及综合导热系数，依次设置储能电站导热系数顺序为（λ，λ，…，λ），根据舱内外温度对舱内中间分界，通过稳态导热确定预制舱复合墙体的范围，得到预制舱舱内单层平壁的傳热速率：

3实例分析

为验证热环境数值计算对储能电站预制舱舱内通风冷却的能耗影响，以热环境数值的计算结果为边界条件，对比广义最小残量、共轭梯度计算与基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算在储能电站预制舱中通风冷却能耗比的大小。

3.1构建储能电站预制舱舱内热性能仿真模型

利用平台运行的Python程序做可嵌入性修改，针对储能电站预制舱内的环境作出预测反馈，并在原有的环境基础上增加热性能仿真功能。通过计算热环境数值提取预制舱动力，提取周期设计时间补偿，以及仓内外温度的参数计算储能电站预制舱舱内制冷送风参数。以热环境数值为边界条件控制储能电站模拟结果，从中筛选出储能电站温度最高的机柜，并根据控制状态切换设备安全运行的温度范围，通过最大可调温度计算热平衡数值反馈情况，分配末端实现冷量所需的最高反馈数据。以最大可调温度为限分配调控数据，并按照各机柜的输出功率分配风道冷量。

3.2建立舱内热环境优化控制平台

通过热性能仿真模型建立智能优化控制平台，根据舱内热环境信息流控制舱内热环境，同时授予运维人员指令权限。利用反馈给终端设备的数据分析决策后控制指令的信息，据此配置网关接收终端设备。根据控制器反馈回来的信息确定储能电站预制舱设备的指令内容，并以此作为指令信息控制风机开关，完成对空调的调控。设计得到储能电站预制舱舱内环境，具体如图3所示。

由图3可以看出，图3中的（2）、（3）、（4）、（5）为储能电站预制舱内机械制冷的空调;（7）为储能供电站预制舱内的风机及进风口;（6）为储能电站预制舱相连的主风道;（8）为储能电站预制舱与活动空间相连接的空气箱。当空气箱内与主风道内的冷量保持一致时，此时储能电站热性能控制平台自动开启电磁阀门;当冷量达到一定标准后，通风冷却空调关闭，避免主风道中存在空气箱的冷气。（8）中含有多个平行排列的叶片，通过活动地架与固定转轴相连接，利用舱内热环境数值推算活动地板的张开角度，进而计算出储能电站预制舱舱内出风面积。

3.3计算储能电站预制舱内环境温度

根据储能电站预制舱舱内热环境的实测数据，利用热平衡程序及热环境数值求解平衡参数。筛选并分析结果数据，为了能够准确测得储能电站预制舱内环境温度，需要根据系统参数设定环境测试时段，对根据热环境数值设计的储能电站预制舱做系统参数设定。

以24 h为储能电站预制舱内环境温度状态变化的周期，测得模拟运行系统的舱内环境温度曲线，结果如图4所示。

由图4可知，预制舱内环境温度曲线一直处于29 ℃以下，通过平衡参数控制热环境数值，使之达到热环境预定时间，根据实测数据分别计算广义最小残量、共轭梯度计算与基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算的储能电站预制舱中通风冷却能耗比：

3.4结果分析

对比广义最小残量、共轭梯度计算与基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算的储能电站预制舱中通风冷却能耗比，结果如图5所示。

由图5可知，共轭梯度计算方法的储能电站预制舱中通风冷却能耗随着舱内环境温度上升而下降，在环境温度上升的前半段，其能耗下降较为缓慢;在环境温度上升的后半段，共轭梯度计算方法的能耗出现大幅度下降，共轭梯度计算方法的储能电站预制舱中通风冷却能耗最小为250 kW/h。

广义最小残量的储能电站预制舱中通风冷却能耗，随着温度升高，其相邻温度区间的能耗之差越来越小，储能电站预制舱中通风冷却能耗始终处于400 kW/h以下，较共轭梯度计算方法低。当温度上升到24 ℃时，广义最小残量的储能电站预制舱中通风冷却能耗下降到最小为298 kW/h，较共轭梯度计算大。

基于热电耦合模型的储能电站预制舱舱内热环境数值计算方法，其储能电站预制舱中通风冷却能耗最大为300 kW/h，最小为150 kW/h。

由此可见，以热环境数值的计算结果为边界条件设置的储能电站预制舱中通风冷却能耗比最小，更适用于储能电站预制舱的工程建设。

4结语

本文研究降低了储能电站预制舱中通风冷却能耗比，确定了热电耦合热传输扩散的空间区域。今后应继续研究预制舱热仿真模型，通过计算流场速度均值与区域温度，判断舱内热环境的不均匀性，并对电力装备的冷量输配问题做研究。