高冷地區變電站建筑群風環境與及布局優化

陳翔宇盧敏王軍*陳軍敬成君

1四川大學建筑與環境學院 2四川電力設計咨詢有限責任公司

0 引言

風對建筑室內外環境有重要的影響，合理的建筑群布局應該充分利用自然通風，改善建筑群區域的微氣候，讓整個建筑群處于良好的風環境下[1]。建筑群和構筑物會顯著改變近地面風的流程。近地風的速度，壓力和方向與建筑物的外形、尺度、建筑物之間的相對位置及周圍地形地貌有著很復雜的關系[2-3]。當有較強來流時，建筑物周圍某些地區會出現強風，如果強風出現在建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區域，則可能使行人感到不舒適，甚至形成風災[4-6]。因此，需要對建筑群進行合理布局，營造良好的室外風環境，滿足建筑自然通風和冬季防風的需求。

另一方面，高海拔寒冷地區變電站作為一類對風環境有重要要求的建筑群，在高寒地區的氣候條件下，實現合理的室外風環境對促進變電站建筑夏季通風和降低冬季采暖需求有重要意義[7-9]，這也符合國家電網提出的“資源節約型、環境友好型、工業化”，即“兩型一化”變電站建設目標。為此，本文將以爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達110 kV變電站、甘孜220 kV變電站為研究對象，結合風環境評價標準與模擬方法，對高海拔寒冷地區變電站建筑群風環境進行分析并確定合理的優化布局形式，為該地區變電站建筑布局提供理論指導。

1 風環境評價標準與模擬方法

1.1 風環境評價標準與舒適度

按照《GB/T50378-2014綠色建筑評價標準》的要求，室外風環境應該達到的標準包括：1）場地內風環境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風；2）過渡季、夏季典型風速和風向條件下，場地內人活動區不出現渦旋或無風區，）50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓差大于0.5 Pa；3）在冬季典型風速和風向下，建筑物周圍人行區（距地面1.5 m高處）風速小于5 m/s，且室外風速放大系數小于2；除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5 Pa。

1.2 風環境模擬方法

首先，對變電站建筑群進行建模；然后，基于CFD方法，合理確定控制方程組（包括連續性方程、動量方程、k方程和ε方程）和邊界條件；最后，假設流體不可壓縮且穩態流動，結合當地的氣象條件等進行模擬分析。

在上述過程中，控制方程的離散采用六面體和四面體相結合的網格單元，保證在流程變化劇烈的區域網格做到細化，網格的變化呈現漸變趨勢，以保證網格質量，同時滿足網格獨立性要求。壓力離散采用標準格式，速度離散采用二階迎風格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE格式。

此外，來流邊界選用大氣梯度變化的指數來流風速進行設置，并根據建筑所處的地形條件，選取不同的冪指數；出流邊界假定出流面上的流動已充分發展，其出口壓力設為大氣壓；上空面和兩側面的空氣流動幾乎不受建筑物的影響，設為自由無滑移表面；建筑壁面與地面邊界對于未考慮粗糙度的情況，采用指數關系式修正粗糙度帶來的影響，對于實際建筑的幾何再現，應采用適應實際地面條件的邊界條件，對于光滑壁面，應采用對數定律。

2 風環境模擬對象與條件

2.1 風環境模擬對象

選擇爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達110 kV變電站、甘孜220 kV變電站作為典型分析對象，三個變電站的建筑信息如表1所示。同時，根據爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達110 kV變電站、甘孜220 kV變電站的建筑信息，建立計算分析建筑群模型，分別如圖1～圖3所示。

表1 典型分析對象建筑信息

圖1 爐霍縣貢唐崗光伏電站

圖2 色達110千伏變電站

圖3 甘孜220千伏變電站

另一方面，根據爐霍縣貢唐崗光伏電站、色達110千伏變電站、甘孜220千伏變電站建筑群的布局特點，可以把計算模型劃分為兩類，即“U型”和“Ⅱ型”。同時，模擬三個變電站在A向、B向、C向和D向最大風速（3.5 m/s）條件下距地面1.5 m位置的風環境狀況，包括風速大小分布、風速矢量分布、風壓分布和平均空氣齡分布。

2.2 風環境模擬條件

依據GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，以理塘、甘孜、馬爾康、拉薩、昌都、西寧地區的室外風環境參數為參照，可以看到，高寒地區在夏季條件下室外平均風速在1.7～3.1 m/s范圍內變化，而在冬季條件下室外平均風速在1.7～3.3 m/s范圍內變化。因此，在風環境模擬計算分析過程中，室外風速條件選擇以下 3種情況：1.5 m/s、2.5 m/s和3.5 m/s。

3 變電站風環境模擬結果分析

3.1 爐霍縣貢唐崗光伏電站

通過對爐霍縣貢唐崗光伏電站在A向、B向、C向和D向最大風速（3.5 m/s）條件下的風環境模擬，可以發現，在最大風速（3.5 m/s）條件下整個變電站內沒有出現明顯渦流區，從4個方位吹來的空氣沒有形成風場死角。其次，圖4～圖7分別給出了爐霍縣貢唐崗光伏電站在四個朝向不同風速條件下站內產生的最大風速、風速放大系數、迎風面和背風面最大風壓差、室內外表面最大風壓差?？梢园l現，B向產生的站內風速最大，A向產生的站內風速最小，風速放大系數也有類似大小關系，相應地，B向和A向分別引起了迎風面和背風面最大風壓差以及室內外表面最大風壓差的最大值和最小值。由此表明，在以冬季供暖需求為建筑節能的主要矛盾角度考慮，應減少站內風速以及滲透風進入室內，那么在建筑群布局時，當采用U型布置時，應讓U底朝向主導風向。

圖4 不同風速條件下站內產生的最大風速

圖5 不同風速條件下站內風速放大系數

圖6 不同風速條件下站內迎風面和背風面最大風壓差

圖7 不同風速條件下站內室內外表面最大風壓差

3.2 色達110kV變電站

通過對色達110 kV變電站在A向、B向、C向和D向最大風速（3.5 m/s）條件下的風環境模擬，可以看到，在繞流作用的影響下，將引起迎風面建筑兩側局部空氣流速增大。整個變電站內沒有出現明顯渦流區，從4個方位吹來的空氣沒有形成風場死角。另一方面，圖8～圖11分別給出了色達110 kV變電站在四個朝向不同風速條件下站內產生的最大風速、風速放大系數、迎風面和背風面最大風壓差、室內外表面最大風壓差?？梢园l現，B向產生的站內風速最大，而C向產生的站內風速最小，風速放大系數也有類似大小關系，相應地，B向和C向分別引起了迎風面和背風面最大風壓差以及室內外表面最大風壓差的最大值和最小值。這一結果再次表明，在以冬季供暖需求為建筑節能的主要矛盾角度考慮，應減少站內風速以及滲透風進入室內，那么在建筑群布局時，當采用U型布置時，應讓U底朝向主導風向。

圖8 不同風速條件下站內產生的最大風速

圖9 不同風速條件下站內風速放大系數

圖10 不同風速條件下站內迎風面和背風面最大風壓差

圖11 不同風速條件下站內室內外表面最大風壓差

3.3 甘孜220 kV變電站

通過對甘孜220 kV變電站在A向、B向、C向和D向最大風速（3.5 m/s）條件下的風環境模擬，可以發現，整個變電站內沒有出現明顯渦流區，從4個方位吹來的空氣沒有形成風場死角。此外，在繞流作用的影響下，將引起迎風面建筑兩側局部空氣流速增大。其次，圖12～圖15分別給出了甘孜220 kV變電站在四個朝向不同風速條件下站內產生的最大風速、風速放大系數、迎風面和背風面最大風壓差、室內外表面最大風壓差?？梢园l現，B向和D向產生的站內風速最大，A向和C向產生的站內風速最小，風速放大系數也有類似大小關系，相應地，B向和D向會引起迎風面和背風面最大風壓差以及室內外表面最大風壓差的出現最大值，而A向和C向帶來了迎風面和背風面最大風壓差以及室內外表面最大風壓差的最小值。這一結果表明，在以冬季供暖需求為建筑節能的主要矛盾角度考慮，應減少站內風速以及滲透風進入室內，那么在建筑群布局時，當采用II型布置時，應讓II垂直于主導風向。

圖12 不同風速條件下站內產生的最大風速

圖13 不同風速條件下站內風速放大系數

圖14 不同風速條件下站內迎風面和背風面最大風壓差

圖15 不同風速條件下站內室內外表面最大風壓差

4 結論

本文通過對高海拔寒冷地區變電站建筑群風環境進行模擬分析研究，可以得到以下結論和建議：

1）三個變電站內均為出現明顯渦流去，而且四個方位吹來的空氣沒有形成風場死角。

2）在最大風速（3.5 m/s）條件下不同風向對站內產生的最大風速、風速放大系數、迎風面和背風面最大風壓差、室內外表面最大風壓差有所不同。

3）以冬季供暖需求為建筑節能的主要矛盾角度考慮，應減少站內風速以及滲透風進入室內。

4）高海拔寒冷地區變電站建筑群布局設計的原則宜達到：當建筑群采用“U型”布局時，應讓U型底朝向主導風向；當建筑群采用“II型”布局時，應讓II型垂直于主導風向；當建筑群采用其他形式布局時，建筑設置外窗側應避開冬季主導風向。