基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算

袁滌非　吳涵　范元亮　顧錦書

摘要：導熱輻射數值離散角度區域劃分混亂，導致儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比過高。計算基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值，建立儲能電站預制艙艙內熱平衡方程組，并分割網格的積分區域，計算預制艙艙內綜合導熱系數;重新劃分導熱輻射數值離散角度區域，構建熱電耦合預制艙熱負荷算法，完成預制艙艙內熱環境數值計算。實驗結果表明：共軛梯度計算方法的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比最小為250 kW/h，廣義最小殘量的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比下降到最小為298 kW/h;基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算，儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比最小為150 kW/h。

關鍵詞：熱電;耦合模型;儲能電站;預制艙;熱環境;數值

中圖分類號：TB126

文獻標識碼：A文章編號：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

電力調度與控制需要電站予以調配，因此變電站的建設規模正在逐漸擴大。與此同時，熱負荷也為變電站帶來了新的危機，高能耗提高了電站的運營成本[1]。由于電力設備在運行過程中會發熱，且外部大氣環境與太陽輻射熱對流滲透，造成電力設備發熱[2]。儲能電站預制艙主要用于保護電力二次設備，因此儲能電站預制艙對電力系統重要[3]。順應智慧城市建設思路可以發現，使用預制艙式二次設備能夠提高艙體保溫功能[4]。因此，儲能電站預制艙的構成材料要具備隔熱性能，通過熱橋結構控制艙內空氣流場。根據溫度場分布特性確定內流場的范圍[5]。

大部分儲能電站的空間載體范圍是固定的，這意味著聯動協同的能量密度過高[6]。通過研究多維傳熱結構朝向，能夠得到儲能電站的熱源面積和出風口位置，根據儲能電站的豎向布置平面，計算艙內溫度衰減情況[7]。由此確定儲能電站預制艙的非穩態傳熱結構，根據多參數耦合分析結構傳遞內容，從而計算儲能電站預制艙內熱環境數值。.

有學者研究：利用智能輔助設施管理智能互動終端，控制毫秒級響應周期，測量高峰期供電壓力，根據地區電網可再生能源，就地消納水平分析局部電網供電能力，并調高局部電網削峰填谷的能力[8];通過開發電廠熱力系統穩態建模仿真軟件，建立熱力系統常用設備的泛化通用型部件，通過泛化建模構建熱力系統的拓撲結構，研究熱電聯產機組熱電耦合關系，在此基礎上，調節熱點機組的衍生工況[9];設計電池預制艙內可燃氣體濃度的監測策略，根據啟動控制策略計算第一報警閾值，并通過控制預制艙內溫度，獲知電池失效的時延[10]。鑒對此，本文研究基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算，確定電網參數耦合值域，以此為基礎劃分多維熱力諧波衰減倍數，并分層識別預制艙結構溫度，利用太陽輻射吸收系數計算儲能電站預制艙內熱環境數值。

2基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算設計

2.1建立儲能電站預制艙艙內熱平衡方程組

為計算預制艙艙內熱環境的數值，先要確定預制艙區域內的有限個離散點，通過連續空間的離散點代替，建立儲能電站預制艙艙內熱平衡方程組。

計算儲能電站預制艙艙內的熱環境面積，并分割網格的積分區域[11]。控制熱平衡方程的微分形式，計算得到熱電耦合模型的非穩態導熱方程：

式中：預制艙艙內的廣義源項單位體積可表達為S;控制熱平衡擴散的變量為φ;預制艙艙內的定壓比熱為x。根據擴散項的大小重新確定擴散系數，并由此計算預制艙艙內的非穩態熱平衡離散：

式中：n為在預制艙艙內控制體單元P的面數;ΔV為預制艙艙內控制體單元的體積;D為熱平衡擴散系數的數量;S為擴散項D對應的單位體積。利用二次擴散項D和基本擴散項D，重新對預制艙艙內熱平衡擴散系數做切割表達處理：

2.2計算預制艙艙內綜合導熱系數

通過預制艙艙內熱平衡方程組，確定預制艙艙內熱平衡矢量投影的面積，利用公用面積與投影的和，完成預制艙艙內綜合導熱系數的計算。

在預制艙艙內傳遞的熱量屬于結構傳熱的一種，因此要先計算導熱輻射數值離散角度區域[12]。在區域內確定有限數量的控制體參數，將中心點參數相等的控制體劃分為不同的離散單元區域[13]。設預制艙內的綜合導熱空間離散的立體角有m個，則離散的方向矢量為L，據此計算方向矢量的立體角：

式中：預制艙內的綜合導熱空間離散的立體角分別為θ和φ;θ為立體角的方向矢量;Δθ/2為綜合導熱空間離散立體角的一半。根據方向矢量的立體角確定單位向量的輻射方向和位置向量，利用吸收系數和散射系數確定介質單位的基礎向量[14]。已知熱傳輸的方向與傳輸距離相關，為了確定輻射強度變化量大小，要剔除內部介質和外散射減少量對內部氣體的影響[15]。從散射增量的來源方向確定輻射強度I，由此確定熱輻射傳輸的邊界條件：

式中：預制艙內的綜合導熱空間的位置向量為r→;綜合導熱空間源項函數為SR;導熱空間內的灰體介質輻射輸送量為β。利用熱輻射傳輸的邊界條件確定預制艙艙內綜合導熱范圍：

2.3構建熱電耦合預制艙熱負荷算法

通過預制艙艙內綜合導熱系數，計算綜合導熱的源匯項常數。為保證預制艙艙內的介質溫度恒定，需要計算熱電耦合熱傳輸擴散的空間區域[17]。利用熱電耦合控制熱傳輸網格化的角度區域，得到儲能電站預制艙艙內的無量綱熱流分布規律，結果如圖2所示。

根據儲能電站預制艙無量綱熱流分布規律，計算儲能電站熱流分布強度[18]。得到熱電耦合預制艙熱負荷的計算公式：

2.4完成預制艙艙內熱環境數值計算

通過熱電耦合預制艙熱負荷及綜合導熱系數，依次設置儲能電站導熱系數順序為（λ，λ，…，λ），根據艙內外溫度對艙內中間分界，通過穩態導熱確定預制艙復合墻體的范圍，得到預制艙艙內單層平壁的傳熱速率：

3實例分析

為驗證熱環境數值計算對儲能電站預制艙艙內通風冷卻的能耗影響，以熱環境數值的計算結果為邊界條件，對比廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算在儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比的大小。

3.1構建儲能電站預制艙艙內熱性能仿真模型

利用平臺運行的Python程序做可嵌入性修改， 針對儲能電站預制艙內的環境作出預測反饋，并在原有的環境基礎上增加熱性能仿真功能。通過計算熱環境數值提取預制艙動力，提取周期設計時間補償，以及倉內外溫度的參數計算儲能電站預制艙艙內制冷送風參數。以熱環境數值為邊界條件控制儲能電站模擬結果，從中篩選出儲能電站溫度最高的機柜，并根據控制狀態切換設備安全運行的溫度范圍，通過最大可調溫度計算熱平衡數值反饋情況，分配末端實現冷量所需的最高反饋數據。以最大可調溫度為限分配調控數據，并按照各機柜的輸出功率分配風道冷量。

3.2建立艙內熱環境優化控制平臺

通過熱性能仿真模型建立智能優化控制平臺，根據艙內熱環境信息流控制艙內熱環境，同時授予運維人員指令權限。利用反饋給終端設備的數據分析決策后控制指令的信息，據此配置網關接收終端設備。根據控制器反饋回來的信息確定儲能電站預制艙設備的指令內容，并以此作為指令信息控制風機開關，完成對空調的調控。設計得到儲能電站預制艙艙內環境，具體如圖3所示。

由圖3可以看出，圖3中的（2）、（3）、（4）、（5）為儲能電站預制艙內機械制冷的空調;（7）為儲能供電站預制艙內的風機及進風口;（6）為儲能電站預制艙相連的主風道;（8）為儲能電站預制艙與活動空間相連接的空氣箱。當空氣箱內與主風道內的冷量保持一致時，此時儲能電站熱性能控制平臺自動開啟電磁閥門;當冷量達到一定標準后，通風冷卻空調關閉，避免主風道中存在空氣箱的冷氣。（8）中含有多個平行排列的葉片，通過活動地架與固定轉軸相連接，利用艙內熱環境數值推算活動地板的張開角度，進而計算出儲能電站預制艙艙內出風面積。

3.3計算儲能電站預制艙內環境溫度

根據儲能電站預制艙艙內熱環境的實測數據，利用熱平衡程序及熱環境數值求解平衡參數。篩選并分析結果數據，為了能夠準確測得儲能電站預制艙內環境溫度，需要根據系統參數設定環境測試時段，對根據熱環境數值設計的儲能電站預制艙做系統參數設定。

以24 h為儲能電站預制艙內環境溫度狀態變化的周期，測得模擬運行系統的艙內環境溫度曲線，結果如圖4所示。

由圖4可知，預制艙內環境溫度曲線一直處于29 ℃以下，通過平衡參數控制熱環境數值，使之達到熱環境預定時間，根據實測數據分別計算廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比：

3.4結果分析

對比廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比，結果如圖5所示。

由圖5可知，共軛梯度計算方法的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗隨著艙內環境溫度上升而下降，在環境溫度上升的前半段，其能耗下降較為緩慢;在環境溫度上升的后半段，共軛梯度計算方法的能耗出現大幅度下降，共軛梯度計算方法的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗最小為250 kW/h。

廣義最小殘量的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗，隨著溫度升高，其相鄰溫度區間的能耗之差越來越小，儲能電站預制艙中通風冷卻能耗始終處于400 kW/h以下，較共軛梯度計算方法低。當溫度上升到24 ℃時，廣義最小殘量的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗下降到最小為298 kW/h，較共軛梯度計算大。

基于熱電耦合模型的儲能電站預制艙艙內熱環境數值計算方法，其儲能電站預制艙中通風冷卻能耗最大為300 kW/h，最小為150 kW/h。

由此可見，以熱環境數值的計算結果為邊界條件設置的儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比最小，更適用于儲能電站預制艙的工程建設。

4結語

本文研究降低了儲能電站預制艙中通風冷卻能耗比，確定了熱電耦合熱傳輸擴散的空間區域。今后應繼續研究預制艙熱仿真模型，通過計算流場速度均值與區域溫度，判斷艙內熱環境的不均勻性，并對電力裝備的冷量輸配問題做研究。

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