林文华1 任彤2 方品政3 惠浩勃2 韩腾2 李安桂2
1 国网新源控股有限公司；2 西安建筑科技大学；3 福建仙游抽水蓄能有限公司
【摘 要】本文以仙游抽水蓄能电站为研究对象，对发电机层（冬、夏典型季节）进行连续性温湿度实地测试，探索地下厂房发电机层高大空间温湿度分布规律。结果表明，受交通洞效应、机组热源热羽流效应及顶送风射流影响，工作区（H≤2m）温湿度分布不均匀，夏季，厂房两端空气温差最大为0.6℃，相对湿度差最大为12%，冬季温差最大为1.2℃，相对湿度差最大为2%；工作区外（H＞2m），厂房空间垂直温湿度分层明显，夏季，厂房热源中心位置空间温度分层从下到上依次递减，最大温差为0.44℃，相对湿度最大差值为2%。冬季，空间上下温差为1.06℃，相对湿度差为4%。测试结果为仙游抽水蓄能电站高大空间温湿度网格化监测及通风空调系统优化运行调节提供第一手数据资料。
【关键词】高大空间 热湿环境 现场测试 仙游抽水蓄能电站
1 引言
我国是一个能源消耗大国，能耗问题已经发展成为我国国民经济发展中的一个重大问题[1]。水力发电作为一种可再生的清洁能源，由于地理条件等多种因素，许多大中型水电站选择将厂房深埋地下，地下厂房通常体积巨大，热湿环境复杂多变，控制难度大[2,3]，这也使得水电站的通风空调系统能耗巨大，所以对空调进行节能具有重大的现实意义[4,5]。
国内大部分学者主要通过建立水电站模型实验的方法，以相似理论为基础，通过模型预测原型的气流组织[6]。近年来，随着我国科学研究的深入以及计算机技术的进步，越来越多的研究把数值模拟[7]和模型实验[8]两种方法结合起来预测电站厂房内的环境参数及气流流动。由于水电站的特殊性，进行水电站的相关测试的条件和时间十分有限，目前还没有针对地下水电站通风空调系统全工况的测试，一般都是对地下水电站通风空调系统进行部分工况的测试[9]，为了能够准确反映地下水电站通风空调系统整体的能效水平和热湿环境控制效果，需要确定最能够反应地下水电站通风空调系统整体运行水平的典型运行工况，进行相关测试。
本文以仙游抽水蓄能电站厂房高大空间为研究对象，通过对发电机层环境参数半年（冬、夏典型季节）连续性实地测试，对地下厂房高大空间工作区内（H≤2m）水平方向温湿度分布变化规律，以及工作区外（H＞2m）垂直方向上温湿度分层变化规律进行研究。测试结果为仙游抽水蓄能电站高大空间温湿度网格化监测及通风空调系统优化运行调节提供第一手数据资料。
2 热湿环境现场测试
2.1 工程概况
仙游抽水蓄能电站安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵水轮机/发电电动机组。发电机层为电站运行的主要场所，主要发热除厂房照明外，为发电机的机壳漏风和盖板传热，另有部分机旁控制盘柜散热，散湿量主要来自上、下游侧壁面。发电机层送风方式采用上送、下回方式，主送风管分上、下游两侧布置于网架顶板上，送风口沿厂房中心线上、下游约 1/2 处布置，送风口间距根据网架档距尺寸确定。空调机房分两端布置，进风由室外新风经洞体（通风兼安全洞和进厂交通洞）后进入空调机房，经过滤冷却后送入发电机层。
仙游抽水蓄能电站属于南亚热带海洋性季风气候，年平均气温20.6℃，年平均降雨量1300-2300mm，年平均相对湿度76.4%。年平均无霜期318.4天。年均日照时数1832.7小时，年平均风速1.7m/s，冬季偏北风，夏季多偏南风。
2.2 测点布置
为了研究地下厂房发电机层空气热湿环境分布规律，对仙游电站夏季和冬季分别进行了连续4天（96h）的现场测试，现场测试过程见图1。为了能够在有限的测试条件下，获得准确的测试数据，在测点布置过程中，选择了发电机层的典型断面（中轴面）进行探头的布置[10]。在发电机层纵断面（y=12m）等间距布置L1，L3，L4三根长度为10m的测杆；在横断面（x=50m），机组热源对称轴线布置L2，L3两根长度为10m的测杆，并选用三脚架进行固定。在L1，L2，L3，L4四根测杆上分别等间距垂直（间隔3m）布置3个温湿度探头。另外，测试人员在L1测杆顶端的行车上，又垂直等间距（间隔2m）布置4个温湿度探头。为了获得发电机层空间及时间上的连续性温度分布，L1测杆的连续工作时间从2017年8月17至2018年2月2日，共170天，设置模块获取温湿度数据间隔为1h。同时，采用TSI对发电机层工作区（H=2）环境参数进行测试，上游布置5个测点（T1—T5），中游布置6个测点（T6—T11），下游布置5个测点（T12—T16）。具体测点布置示意图见下图2。
图1 发电机层现场测试过程
图2发电机层测点布置示意图
3 热湿环境测试结果及分析
3.1 厂房工作区温湿度分布（H≤2m）
冬、夏季空调工况采用TSI热线风速仪对发电机层工作区（2m）环境参数测量结果如图3。
图3 发电机层各测点温湿度分布曲线
从图3可以看出，冬季和夏季的空调工况下，从安装场至1#机组厂房温度逐渐升高，相对湿度逐渐降低，这是因为安装场位于交通洞末端，无论是冬季还是夏季，来自交通洞的空气温度低，使得安装场区域温度相对较低。从4#机组到1#机组，热源数量逐渐增多，进而导致空气温度相对较高。厂房相对湿度的变化与温度正好相反。经计算，在夏季空调工况下，厂房安装场与1#机组两端空气温度差最大为0.6℃，相对湿度差最大为12%；在冬季空调工况下，厂房安装场与1#机组两端空气温度差最大为1.2℃，相对湿度差最大为2%。分析夏季空调工况下，厂房两端湿度差较大原因：在夏季，交通洞对流经空气有降温加湿作用，来自交通洞的较大湿度的空气进入厂房安装场区域，同时由于安装场区域无热源，因此，导致安装场区域相对湿度较大。在实际工程中，电站通过关闭交通洞来阻止湿空气的进入，减少湿空气对发电机层机组设备的影响。
3.2 厂房空间温湿度分布（H＞2m）
为了研究厂房三维空间温湿度分布[11]，在发电机层内在水平方向分别布置L1，L2，L3，L4测杆，分别测试夏季与冬季典型季节工况下厂房空间垂直温度分布。各测杆测点的温度、相对湿度变化曲线如图4所示。
图4 L1杆各测点温度、相对湿度变化曲线
由测点布置示意图2可知，测杆L1位于发电机层4#机组与安装场之间，因此测杆L1上的测点易受交通洞末端进风影响，而交通洞末端空气参数受入口（室外）空气温湿度影响较大。因此，从图4可以看出，发电机层内空气温湿度呈全年周期性波动，在9-10月份温度最高，厂内全年最高温度为26.81℃，相对湿度最大为91%，1-2月份温度最低，最低温度为19.88℃，相对湿度最大为77%。根据地下水电站设计规范要求[12,13]，厂房内主要区域的设计参数为：夏季工况下，发电机层设计温度T≤27℃，H≤75%。冬季工况下，T≥13℃，H≤70%。对比分析发现，仙游电站冬夏季发电机层内温度满足规范设计要求，但是相对湿度却远超出室内设计参数[13]，较高的湿度与该电站所处的地理环境位置关系密切相关，仙游属于南亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量1300-2300mm，年平均相对湿度76.4%。
图5 夏季L2杆温度湿度变化曲线图
图6 夏季L3杆温度湿度变化曲线图
图7 夏季L4杆温度湿度变化曲线图
在夏季工况下，厂房内的温湿度变化规律呈现周期性波动。图5中，L2杆在3m处温度比6m和9m处温度均低，空间上下温度最大差值为0.25℃。分析原因，从测杆布置示意图2可以看出L2测杆位于2#，3#热源侧边，由于机组热源产生向上的浮力热羽流[7]，3m处测点位于机组热源的侧边，受到的热羽流影响较小，而6m，9m处测点受到的机组热源产生的浮力热羽流影响较大；相对湿度与温度变化规律相反，空间上下相对湿度最大差值为3%。从图6中L3测杆的数据可以看出，空间温度分层比较明显，H=9m处温度最低，H=6m处温度其次，H=3m处温度最高，空间上下温度最大差值为0.44℃。分析原因，L3测杆位于3#，4#机组之间，即整个厂房机组热源中间位置，由于夏季空调送风为顶送风方式，而L3测杆也正好位于送风口正下方，因此上部9m处测点受到的空气射流动量较大，而受到的浮升热羽流影响较小，相反，下部3m处测点位于两个机组热源产生的热羽流交汇点，受浮升热羽流影响大同时离顶层送风口距离较远，受到的冷射流量较小。中间6m处测点受到的影响介于3m和9m测点之间，因此L3测杆处空气温度出现了明显的分层现象，由下到上温度逐渐降低；相对湿度变化规律正好相反，空间上下相对湿度最大差值为2%。图7中L4测杆的3个高度处的温度数据差异较小，空间上下温度最大差值为0.25℃，分析原因，L4测杆位于1#机组旁，附近热源数量少，同时L4测杆上方正对空调送风口，受到来自空调送风口的空气冷射流较大，而受浮升热羽流较小，因此区域的空间温度垂直分布较为均匀，相对湿度变化规律正好相反，空间上下相对湿度最大差值为2%。
同时，从L2，L3，L4的测点温度变化曲线中可以看出，测试期间每天的23:00到次日的3:00，由于机组处于非发电状态，机组散热量较小，在空调送风状态下，每根测杆3个测点位置的温度曲线基本重合，该时段整个厂房内的温度处于稳定均匀状态，如图8到图10中温度曲线着色区域。
图8 冬季L2杆温度湿度变化曲线图
图9冬季 L3杆温度湿度变化曲线图
图10 冬季L4杆温度湿度变化曲线图
从图8至图10可以看出，在冬季工况下，厂房内的温湿度变化规律亦呈现周期性波动。图8所示，L2测杆在H=3m处温度比6m和9m处温度均低，空间上下温度最大差值为0.75℃。其原因与L2夏季工况下相同，从测杆布置示意图2可以看出L2测杆位于2#，3#热源侧边，由于机组热源产生向上的浮力热羽流，3m处测点位于机组热源的侧边，受到的热羽流影响较小，而6m，9m处测点受到的机组热源产生的浮力热羽流影响较大；相对湿度与温度变化规律相反，空间上下相对湿度最大差值为2%。从图9L3测杆的数据可以看出，该区域空间温度分层比较明显，H=9m处温度最低，H=3m处温度其次，H=6m处温度最高，其规律与夏季工况有稍许不同，空间上下温度最大差值为1.06℃。分析原因，L3测杆位于3#，4#机组之间，即整个厂房机组热源中间位置，由于电站冬季仍运行空调模式，而L3测杆也正好位于送风口正下方，因此上部9m处测点受到的空气射流动量较大，温度较低；下部H=3m处测点由于受到来自正面交通洞末端冷气流的影响，因此H=3m处温度低于6m处空气温度；而H=6m处温度之所以较高，主要是因为该测点受到3#，4#两个机组热源产生的热羽流影响较大，同时离顶部送风口距离较远，高于交通洞末端风口，受到的冷风量较小。相对湿度变化规律正好相反，空间上下相对湿度最大差值为3%。图10L4测杆3个高度处的温差较小，空间上下温度最大差值为0.25℃，其原因与夏季工况相同，即L4测杆位于1#机组旁，附近热源数量少，同时L4测杆上方正对空调送风口，受到来自空调送风口的空气冷射流较大，而受浮升热羽流较小，因此区域的空间温度垂直分布较为均匀，相对湿度变化规律正好相反，空间上下相对湿度最大差值为4%。
4 结论
（1）受交通洞末端空气及发电机层热源分布影响，厂房工作区两端（H≤2m）温湿度分布不均匀，从安装场至1#机组厂房温度逐渐升高，相对湿度逐渐降低。夏季，厂房两端空气温差最大为0.6℃，相对湿度差最大为12%，冬季温差最大为1.2℃，相对湿度差最大为2%。
（2）发电机层内空气温湿度呈全年周期性波动，在9-10月份温度最高，厂内全年最高温度为26.81℃，相对湿度最大为91%，1-2月份温度最低，最低温度为19.88℃，相对湿度最大为77%。
（3）厂房空间（H＞2m）温、湿度分层受热源产生热羽流及顶送风射流影响，在发电机层热源中心位置，厂房空间垂直温湿度分层明显，在热源两端位置，厂房空间垂直温湿度分布均匀。夏季空调工况下，厂房热源中心位置空间温度分层从下到上依次递减，空间上下最大温差为0.44℃，相对湿度最大差值为2%。冬季工况分布规律与夏季不同，H=9m处温度最低，H=3m处温度其次，H=6m处温度最高，空间上下温度最大差值为1.06℃。相对湿度最大差值为4%。
（4）仙游电站为地下式抽水蓄能电站，间歇运行是其主要工作特点。建议根据室外气象条件和运行特点，对空调通风系统采取梯级运行方案，以降低运行能耗，保障发电设备工艺安全与人体健康。
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[12] （NB/T35040-2014）《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》.
[13] （DL/5165-2016）《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计规程》.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
