水電站地下廠房熱濕環(huán)境分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究

丁嘉奇，李超順，邊之豪

（1. 華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 4300744）

0 引 言

水力發(fā)電是世界上最大的清潔和靈活的發(fā)電來(lái)源使得其成為低碳發(fā)電的巨大支柱，加之隨著“雙碳”政策的號(hào)召給水電行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)全新機(jī)遇，但是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得地面建筑資源愈發(fā)緊張［1］，故目前水電站的建設(shè)會(huì)傾向于地下廠房的方式以便節(jié)約地面資源，盡管地下電站具有布局便利、節(jié)約成本、可極大程度上保護(hù)地面自然資源和環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)［2］，然而地下水電站廠房的通風(fēng)問(wèn)題仍面臨較大挑戰(zhàn)，若采用傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)的方式如使用空調(diào)等設(shè)備則會(huì)造成大量能源浪費(fèi)亦不利于節(jié)能環(huán)保，合理利用自然通風(fēng)來(lái)改善水電站地下廠房?jī)?nèi)部環(huán)境并進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)顯得尤為重要，因此對(duì)在自然通風(fēng)條件下的廠房?jī)?nèi)部氣流組織布局的分析具有重要意義。

地下廠房自然通風(fēng)的研究方法通常為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型、區(qū)域模型以及仿真模擬，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究具有結(jié)果精確、可信度高的特點(diǎn)，但是操作要求高，試驗(yàn)成本大；多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型可以在整個(gè)建筑的通風(fēng)口快速預(yù)測(cè)不同房間之間的氣流，然而前提是室內(nèi)的空氣是充分混合的；區(qū)域模型則在多區(qū)域模型的基礎(chǔ)上充分考慮了整個(gè)區(qū)域的空氣流動(dòng)情況，且精度方面提高很多，但其模擬精度很大程度上取決于劃分區(qū)域的多少，若劃分精度高，使得模型收斂時(shí)間顯著提高、計(jì)算成本變高；常見(jiàn)的仿真模擬方法為CFD 仿真，與上述幾種研究方法相比，CFD極大地平衡了模擬精度和計(jì)算成本要求，為此成為諸多學(xué)者的研究技術(shù)手段。

地下廠房自然通風(fēng)的影響因素主要包括廠房外部環(huán)境、廠房結(jié)構(gòu)以及廠房?jī)?nèi)部環(huán)境，廠房外部環(huán)境因素主要是氣象參數(shù)；廠房結(jié)構(gòu)因素包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、廠房通風(fēng)口等；廠房?jī)?nèi)部環(huán)境因素主要有散熱設(shè)備、內(nèi)部環(huán)境參數(shù)等［3］，因此，學(xué)者們采用CFD 方法進(jìn)行大量研究，關(guān)于地下廠房的通風(fēng)問(wèn)題，學(xué)者們不僅研究了自然通風(fēng)條件下氣流組織的分布情況由此對(duì)自然通風(fēng)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)［4］，也考慮在通風(fēng)不暢處增加通風(fēng)設(shè)備進(jìn)而優(yōu)化廠房?jī)?nèi)部的氣流組織，以便對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)［5-8］；也有學(xué)者對(duì)廠房?jī)?nèi)部的通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，袁偉，歐雪梅等人對(duì)建筑內(nèi)部氣流與熱環(huán)境相互耦合分析室內(nèi)氣流分布規(guī)律進(jìn)而為室內(nèi)環(huán)境的節(jié)能優(yōu)化提供改進(jìn)建議［9，10］，Yu 和Gao 等人則認(rèn)為以往學(xué)者忽略了濕環(huán)境對(duì)廠房通風(fēng)性能的影響，因此基于三維傳熱傳質(zhì)模型進(jìn)行廠房?jī)?nèi)部的熱-濕耦合，充分考慮廠房?jī)?nèi)部濕源，預(yù)測(cè)并分析廠房的通風(fēng)性能［11，12］；在此基礎(chǔ)上，羅戴維等人進(jìn)一步考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素，充分預(yù)測(cè)建筑內(nèi)部的氣流分布［13］；由于自然通風(fēng)是利用風(fēng)壓或熱壓作用將室外空氣直接引入室內(nèi)，進(jìn)行通風(fēng)換氣冷卻，因此室外氣象參數(shù)對(duì)通風(fēng)性能起到關(guān)鍵性作用，很多學(xué)者建立不同風(fēng)環(huán)境場(chǎng)景以便研究氣象參數(shù)對(duì)建筑通風(fēng)性能的影響［14-16］。

然而廠房通風(fēng)性能是由多種因素共同決定，單純的氣流-熱耦合、熱濕環(huán)境耦合或氣象因素的研究并不能體現(xiàn)出地下廠房的通風(fēng)性能，因此本文決定在綜合考慮室外氣象因素下，進(jìn)行氣流-熱-濕耦合，進(jìn)而探究水電站地下廠房通風(fēng)性能與熱濕度分布情況。

1 研究理論

1.1 流體流動(dòng)理論

本文在模擬發(fā)電機(jī)層自然通風(fēng)狀態(tài)下的氣流分布時(shí)，假設(shè)氣流是粘性不可壓縮的，內(nèi)部流場(chǎng)是變化的、充分發(fā)展的湍流，壁面是等溫的，由此得出如下方程［17］：

連續(xù)性方程：

式中：ρ為空氣密度，kg∕m3；?·為散度算子；u為速度，m∕s。

動(dòng)量方程：

式中：?為梯度；P為壓力，Pa；g為重力加速度，9.81 m∕s2；μ為黏度，Pa·s。

能量方程：

式中：為比熱，kJ∕（K·kg）；Kd為導(dǎo)熱系數(shù)，W∕（K·m）；T為溫度，K。

在本文中，湍流模型選擇RNG k-epsilon模型：

式中：k為湍流動(dòng)能；αk為k的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；μeff為有效的湍流黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；ε為動(dòng)能耗散率；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的作用；Sk為用戶(hù)定義的源項(xiàng)。

1.2 熱 源

由于主廠房?jī)?nèi)部存在的局部熱源是自然通風(fēng)影響因素之一，因此針對(duì)帶有局部熱源的問(wèn)題，本文采用了DO 輻射模型，具體方程為：

1.3 濕 源

對(duì)廠房?jī)?nèi)部濕度場(chǎng)的計(jì)算，本文開(kāi)啟了組分運(yùn)輸模型，守恒方程為［18］：

式中：ci為某組分體積濃度；ρci為某組分質(zhì)量濃度；Di為某組分?jǐn)U散系數(shù)。

1.4 熱舒適性參數(shù)

速度和溫度的不均勻系數(shù)可以直接反映該空間速度和溫度場(chǎng)分布的均勻程度，平均速度和平均溫度由式（7）和（8）定義：

發(fā)電機(jī)層的氣流組織速度和溫度的方差由式（9）和式（10）定義：

因此，可以得出速度和溫度的不均勻系數(shù)，見(jiàn)式（11）和（12）：

在綜合考慮了溫度和速度對(duì)工作人員的共同作用后，本文采用空氣擴(kuò)散性能指數(shù)（ADPI）來(lái)確定人體舒適度，該性能指數(shù)是指通過(guò)測(cè)量由有效通風(fēng)溫度（EDT）確定的滿(mǎn)足要求的速度和溫度的區(qū)域占總區(qū)域的百分比；EDT 是將氣流溫差和風(fēng)速結(jié)合計(jì)算得到的溫差，研究學(xué)者普遍認(rèn)為EDT 在-1.7～+1 ℃范圍內(nèi)，風(fēng)速在0.35 m∕s 以下的區(qū)域可視為舒適區(qū)域，EDT公式見(jiàn)式（13）：

式中：ti為測(cè)點(diǎn)溫度；tn為室內(nèi)區(qū)域溫度；vi為測(cè)點(diǎn)速度，m∕s。

因此，可以得出ADPI指標(biāo)的公式：

能量效率系數(shù)不僅是反映氣流分布經(jīng)濟(jì)性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)也可以用來(lái)研究能源利用的有效性，能源效率系數(shù)越高，系統(tǒng)節(jié)能潛力越大，該系數(shù)又稱(chēng)溫度效率，可以評(píng)價(jià)測(cè)量空間內(nèi)溫度梯度變化，公式如下：

式中：tp為排風(fēng)口溫度；to為送風(fēng)口溫度。

2 計(jì)算模型建立

2.1 物理模型

利用三維建模軟件按照1∶1 的比例尺構(gòu)建發(fā)電機(jī)層模型，現(xiàn)場(chǎng)模型見(jiàn)圖1，三維模型見(jiàn)圖2，網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3，其中以發(fā)電機(jī)層內(nèi)部溫度變化為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，見(jiàn)圖4，網(wǎng)格數(shù)量分別設(shè)置為52 萬(wàn)、56 萬(wàn)、71 萬(wàn)、105 萬(wàn)、136 萬(wàn)以及177 萬(wàn)，綜合模擬精度、計(jì)算成本以及網(wǎng)格質(zhì)量，本文選擇網(wǎng)格數(shù)量為105萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 邊界條件的選擇

研究充分考慮了影響主廠房自然通風(fēng)因素，并以春季工況為例，選擇三種典型代表天氣：多云、晴、雨天，在當(dāng)?shù)貧庀缶炙鸭斤L(fēng)速、溫度、濕度值，將其設(shè)置為入口邊界條件，見(jiàn)表1。熱源主要考慮機(jī)組散熱以及照明設(shè)備，見(jiàn)表2。將地面和墻壁設(shè)置為濕源，見(jiàn)表3。

圖1 發(fā)電機(jī)層現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.1 Layout of generator floor

圖2 發(fā)電機(jī)層三維模型Fig.2 3D model of generation floor

圖3 網(wǎng)格分布圖Fig.3 Mesh of 3D model

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

表1 氣象參數(shù)分布表Tab.1 Distribution of meteorological parameters

表2 主廠房熱源分布表Tab.2 Heat source distribution of underground powerplant

表3 主廠房濕源分布表Tab.3 Wet source distribution of underground powerplant

2.3 模型精度

結(jié)合發(fā)電機(jī)層傳感器的溫濕度在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別選取3種天氣條件對(duì)應(yīng)日期的熱濕參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果、實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比圖見(jiàn)圖5，可以看出離線和在線監(jiān)測(cè)值與仿真計(jì)算值相對(duì)吻合，經(jīng)計(jì)算得出相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的精確度。

圖5 模型精度對(duì)比圖Fig.5 Model precision chart of 3D model

3 研究結(jié)果分析

3.1 速度場(chǎng)分析

選擇對(duì)1.7 m 橫向空間進(jìn)行熱濕參數(shù)分析，因?yàn)榇颂巺^(qū)域?yàn)楣ぷ魅藛T工作以及設(shè)備運(yùn)行的主要區(qū)域，對(duì)此位置進(jìn)行分析具有代表性。速度場(chǎng)結(jié)果的闡述是分析流體動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵特征，圖6 是3 種典型自然條件下的速度場(chǎng)模擬結(jié)果，發(fā)電機(jī)層采用自然通風(fēng)方式，通風(fēng)效果與氣流速度受外界環(huán)境影響，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶植杉臄?shù)據(jù)，在雨天時(shí)，整體風(fēng)速較大；在晴天和多云天氣，風(fēng)速略小，但整體分布均勻，通風(fēng)效果較佳，五臺(tái)發(fā)電機(jī)周?chē)鷼饬魉俣容^大，且五處機(jī)組之間的區(qū)域是氣流分布最佳位置，這對(duì)機(jī)組周?chē)h(huán)境的溫度調(diào)節(jié)呈有利趨勢(shì)。然而從3 種天氣條件下的速度放大云圖中看出，在四周靠近墻壁一側(cè)區(qū)域以及五處機(jī)組各自周?chē)鷧^(qū)域，尤其是通風(fēng)口對(duì)面以及1 號(hào)機(jī)組左側(cè)寬闊區(qū)域的速度值較小、氣流分布不均勻、且有回流現(xiàn)象出現(xiàn)，該位置也可能是氣流組織分布的死區(qū)。

圖6 3種自然條件下速度分布云圖Fig.6 The velocity change of different weather conditions

3.2 溫度場(chǎng)分析

發(fā)電機(jī)層的通風(fēng)效果受到入口氣流的強(qiáng)烈影響，不同環(huán)境條件下溫度變化不同，因此對(duì)每種天氣的溫度分布進(jìn)行了模擬，具體溫度分布云圖見(jiàn)圖7，由于進(jìn)入主廠房的空氣是受外界環(huán)境因素制約，導(dǎo)致晴天時(shí)溫度平均值為21 ℃、多云天氣時(shí)溫度平均值為17 ℃、雨天時(shí)溫度平均值為12 ℃，可見(jiàn)發(fā)電機(jī)層內(nèi)的溫度變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)溫度極低的情況，3種工況均良好反映出在對(duì)應(yīng)天氣環(huán)境下的溫度。此外，由于本文考慮了發(fā)電機(jī)組散熱現(xiàn)象，因此從各自溫度放大云圖中也可以看出五處機(jī)組周?chē)臏囟戎低l(fā)電機(jī)層的平均溫度相比，要略高一些。

圖7 3種自然條件下溫度分布云圖Fig.7 The temperature change of different weather conditions

3.3 濕度場(chǎng)分析

在南方春季多雨潮濕的這段時(shí)間，給地下廠房的濕環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響，不論是從通風(fēng)口處流進(jìn)的濕空氣、地面的排濕還是工作人員的散濕，都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)層的相對(duì)濕度變化產(chǎn)生不利作用，相對(duì)濕度過(guò)高不僅會(huì)從多個(gè)維度影響工作人員的心理和生理健康而且會(huì)危害電氣設(shè)備的運(yùn)行效率，為電廠高效運(yùn)行帶來(lái)一系列弊端。

3 種天氣條件下的濕度場(chǎng)分布形態(tài)與速度場(chǎng)變化相似，數(shù)值均在60%～70%之間變化，雖然3 種條件的濕度值均未超過(guò)80%，但仍有部分區(qū)域存在濕度值較高的情況，尤其是在雨天，在五處發(fā)電機(jī)組周?chē)嬖诖竺娣e區(qū)域濕度值過(guò)高的現(xiàn)象，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)層通風(fēng)方式為自然通風(fēng)，由下風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，左右兩側(cè)的兩排風(fēng)口進(jìn)行排風(fēng)，且發(fā)電機(jī)層通風(fēng)口面積相對(duì)較大、數(shù)量相對(duì)較多，所以發(fā)電機(jī)層的主要的潮濕來(lái)源是室外空氣，由于南方春季多雨潮濕的特性，會(huì)導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)層的主要通風(fēng)路徑上濕度值較大，即便在氣流組織分布效果良好、通風(fēng)速度較大的情況下，也無(wú)法緩解室外空氣含濕量較大的問(wèn)題。從濕度放大云圖看出，在五處機(jī)組周?chē)鷧^(qū)域，濕度值普遍偏小，與溫度變化相對(duì)應(yīng)，因?yàn)樵撎巺^(qū)域機(jī)組漏風(fēng)散熱的原因?qū)е聹囟嚷愿摺?/p>

圖8 3種自然條件下濕度分布云圖Fig.8 The humidity change of different weather conditions

3.4 熱舒適度分析

對(duì)發(fā)電機(jī)層通風(fēng)效果的探究除分析熱環(huán)境、濕環(huán)境以及通風(fēng)速度之外還要衡量熱舒適性和經(jīng)濟(jì)性，由于發(fā)電機(jī)層采用自然通風(fēng)方式因此其通風(fēng)效果具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，故需對(duì)其熱舒適性做出評(píng)價(jià)進(jìn)而衡量氣流組織的分布情況，本文在1.7 m橫截面隨機(jī)選擇200個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行熱舒適度分析，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 3種自然條件熱舒適度分布表Tab.4 Thermal comfort distribution of different weather conditions

從表4可以看出，溫度不均勻系數(shù)數(shù)值很小，反映出發(fā)電機(jī)層整體溫度分布均勻，這一點(diǎn)也可由橫向空間的溫度云圖驗(yàn)證。由于1.7 m 處速度數(shù)值分布區(qū)間跨度較大，速度最小值接近0，最大值均超過(guò)1，故導(dǎo)致速度不均勻系數(shù)同溫度不均勻系數(shù)相比相差很多。ADPI 指數(shù)量化了發(fā)電機(jī)層在自然通風(fēng)過(guò)程中工作人員可以接受的氣流速度以及有效通風(fēng)溫度，直接反應(yīng)了發(fā)電機(jī)層的熱舒適程度，可以看出在晴天時(shí)，發(fā)電機(jī)層ADPI指數(shù)大于80%，氣流組織分布較好，另外兩種環(huán)境下ADPI 指數(shù)均小于80%，氣流組織分布較差。能源利用系數(shù)反應(yīng)了發(fā)電機(jī)層通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)能源利用的有效程度，數(shù)值越高表明該環(huán)境狀態(tài)下的節(jié)能潛力越高，故從節(jié)能角度考慮，發(fā)電機(jī)層在多云狀態(tài)下的自然通風(fēng)效果更好。

4 結(jié) 論

采用CFD 方法研究發(fā)電機(jī)層在自然通風(fēng)下的熱濕環(huán)境分布，將仿真結(jié)果同在線和離線監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而驗(yàn)證仿真結(jié)果精確度，與以往研究不同，本研究綜合考慮室外環(huán)境因素、熱源、濕源以及氣流影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)層熱濕環(huán)境分布以及氣流組織的熱舒適性進(jìn)行深度探究。

根據(jù)仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在3 種氣象條件下熱濕參數(shù)分布相似，除機(jī)組周?chē)鷾囟容^高外，其他1.7 m 橫向空間區(qū)域的溫度值分布均未出現(xiàn)較大波動(dòng)，速度和濕度分布情況相似呈現(xiàn)不均勻的分布態(tài)勢(shì)，四周墻壁處數(shù)值較低，在五處機(jī)組附近未出現(xiàn)明顯極值現(xiàn)象，且熱濕參數(shù)分布情況均對(duì)應(yīng)相應(yīng)氣象條件；就熱舒適度參數(shù)而言，由于是自然通風(fēng)條件，能量利用系數(shù)均較高、節(jié)能潛力大，但由于速度分布不均勻?qū)е滤俣炔痪鶆蛳禂?shù)較大。