張振，聶建春，薩仁高娃，張前，王安，宋瑞軍

（內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑能耗占比已達(dá)我國總能耗的47%[1]。變電站建筑作為一種工業(yè)建筑，其建筑能耗的特殊性在于變配電站區(qū)工藝總體要求及電氣設(shè)備對房間熱環(huán)境的嚴(yán)格要求[2]，即變電站建筑為實(shí)現(xiàn)其自身的使用功能要求，不僅要消耗大量的資源，而且站內(nèi)電力設(shè)施設(shè)備的正常運(yùn)行也對溫度有一定要求（尤其在寒冷地區(qū)）。因此，通過更多的節(jié)能手段降低變電站建筑能耗，是變電站節(jié)能研究與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

在變電站建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外已有許多研究成果[3-8]。現(xiàn)階段對變電站建筑能耗的研究，大多是通過一個(gè)或多個(gè)單一影響因素對變電站建筑能耗的影響進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，而對多個(gè)影響因素變化而產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)及影響分析卻少有深入探討。本文擬在供暖負(fù)荷不變的前提下，基于內(nèi)蒙古地區(qū)環(huán)境氣候特征，選取多個(gè)對內(nèi)蒙古地區(qū)變電站建筑能耗影響較大的影響因素，通過對各種類型變電站建筑（全戶內(nèi)站、半戶內(nèi)站、戶外站）動(dòng)態(tài)能耗進(jìn)行模擬，探究變電站建筑能耗各影響因子之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進(jìn)而提出變電站建筑節(jié)能優(yōu)化策略。

1 內(nèi)蒙古地區(qū)環(huán)境氣候劃分及變電站建筑特點(diǎn)

不同氣候區(qū)域內(nèi)的氣候要素特征各不相同，為保證變電站建筑熱工設(shè)計(jì)與所屬氣候區(qū)域相適應(yīng)，依據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中全國主要城市熱工設(shè)計(jì)區(qū)屬及建筑熱工設(shè)計(jì)用室外氣象參數(shù)，內(nèi)蒙古地區(qū)屬于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，其中嚴(yán)寒地區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)，寒冷地區(qū)劃分為2個(gè)區(qū)，即嚴(yán)寒A、B、C區(qū)，寒冷A、B區(qū)。結(jié)合氣候區(qū)域劃分選取內(nèi)蒙古地區(qū)5個(gè)代表城市（分別為海拉爾、二連浩特、通遼、呼和浩特、吉蘭泰）的環(huán)境氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行對比分析，各城市相關(guān)氣候數(shù)據(jù)見表1。

表1 內(nèi)蒙古地區(qū)5個(gè)代表城市環(huán)境氣候數(shù)據(jù)

根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)變電站運(yùn)行習(xí)慣、變電站電氣設(shè)備類型及相關(guān)要求，110 kV變電站建筑室內(nèi)功能房間主要包括：電容器室、配電裝置室、蓄電池室、主變壓器室、二次設(shè)備室、110 kV GIS室、衛(wèi)生間、備餐間、資料室、值班室、休息室、安全工具間、消防泵房等，不同區(qū)域房間有不同的室內(nèi)環(huán)境要求（見表2）。二次設(shè)備室、蓄電池室、休息室、值班室需要設(shè)置空調(diào)，用于夏季制冷降溫；二次設(shè)備室、蓄電池室、休息室、值班室、衛(wèi)生間、備餐間、消防泵房在冬季采用電暖器電熱采暖的方式維持所需的室內(nèi)溫度，其他區(qū)域則通過自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方式將熱量排出[9]。

表2 變電站建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)要求

2 數(shù)值模擬

2.1 分析方法及模型方案的選取

為使能耗模擬更準(zhǔn)確、計(jì)算能力更強(qiáng)大，本文采用建筑動(dòng)態(tài)能耗模擬方法，依據(jù)逐時(shí)變化的室外氣象數(shù)據(jù)、室內(nèi)人員活動(dòng)狀況等信息，計(jì)算滿足室內(nèi)環(huán)境要求的全年逐時(shí)建筑供暖負(fù)荷。動(dòng)態(tài)能耗模擬通過EnergyPlus軟件實(shí)現(xiàn)，模擬計(jì)算包括三部分：建筑能耗模型、暖通系統(tǒng)模型和設(shè)備效率模型，分別對建筑結(jié)構(gòu)的熱反應(yīng)，供暖、空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的熱動(dòng)力行為，以及系統(tǒng)中主要能源設(shè)備的效率轉(zhuǎn)化問題進(jìn)行分析。模擬時(shí)三者依次銜接，前一部分的輸出作為后一部分的輸入[10]。

對于變電站模型的選取，本文基于內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司35~110 kV輸變電工程通用設(shè)計(jì)中的具有代表性的變電站模塊方案，即NM110-A2-1、NM110-A3-1、NM110-C-2（A為GIS方案，其中，A2為全戶站，A3為半戶內(nèi)站；C為瓷柱式斷路器站），分別代表全戶內(nèi)型（主變壓器、配電裝置等均布置室外）、半戶內(nèi)型（主變壓器位于室外，配電裝置布置在室內(nèi)）和戶外站型（主變壓器及配電裝置均布置于室外）變電站，模擬了建筑在上述5個(gè)城市的冬半年供暖負(fù)荷；通過確定不同類型變電站建筑供暖負(fù)荷的差異，并選取多個(gè)關(guān)鍵影響因素，分析其不同組合形式對供暖負(fù)荷的影響。

2.2 建筑模型構(gòu)建

針對目前變電站建筑能耗普遍較大，且缺乏有效的節(jié)能措施等問題，本文以3種不同建筑類型變電站（全戶內(nèi)、半戶內(nèi)及戶外），分別提取其建筑特征及建筑能耗相關(guān)信息并建立建筑模型，表3為3種類型變電站建筑參數(shù)及熱工性能參數(shù)。其他模擬參數(shù)依據(jù)GB 50189—2015《公共建筑建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]設(shè)置如下：人均占有面積10 m2，照明功率密度9 W/m2，房間普通設(shè)備功率密度15 W/m2，人員活動(dòng)水平取值252。

表3 3種類型變電站建筑參數(shù)及熱工性能參數(shù)

內(nèi)熱源的大小通過電力設(shè)備發(fā)出的長波輻射來量化，即利用設(shè)備柜機(jī)占所在空間底面面積、高度及設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的表面溫度，根據(jù)史蒂芬玻爾茲曼定律來估算長波輻射量（見式（1）），以此來量化設(shè)備內(nèi)熱源對室內(nèi)采暖能耗的影響。各類型變電站不同房間的內(nèi)熱源值見表4。

式中：qn—空間內(nèi)內(nèi)熱源的大小，W/m2；

Cw—電力設(shè)備表面材料的輻射系數(shù)，W/（m2·K4）；

T—電力設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的表面絕對溫度，K；

A—設(shè)備表面積，m2；

a—設(shè)備所在的建筑空間底面面積，m2。

基于表3、表4，應(yīng)用Design Building軟件構(gòu)建建筑物的物理模型，并利用建筑能耗軟件Energy?Plus進(jìn)行能耗模擬分析，獲得內(nèi)蒙古地區(qū)典型110 kV變電站建筑物理模型示意圖見圖1所示。

表4 各類型變電站不同房間的內(nèi)熱源值 W/m2

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)典型110 kV變電站建筑物理模型示意圖

（1）全戶內(nèi)類型。以NM110-A2-1的主控通信樓為例，建筑面積1 146.9 m2。該建筑體形系數(shù)較大，建筑各面的窗墻面積比較小（尤其是南向），且窗傳熱系數(shù)較大。

（2）半戶內(nèi)類型。以NM110-A3-1的主控室和配電室為例，建筑面積713.6 m2，體形系數(shù)較大。

（3）戶外站類型。以NM110-C-2的主控室和配電室為例，建筑面積432.4 m2。該建筑外墻傳熱系數(shù)較大，東西兩向窗戶面積較大，同時(shí)北向窗戶面積為0。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 變電站建筑類型對采暖能耗的影響

3種變電站建筑在海拉爾、二連浩特、通遼、呼和浩特、吉蘭泰5個(gè)不同地區(qū)冬半年單位面積采暖能耗的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，各地區(qū)變電站供暖負(fù)荷均是全戶內(nèi)站＞半戶內(nèi)站＞戶外站。這是因?yàn)槿珣魞?nèi)站為二層建筑，建筑體積及外表面積明顯大于半戶內(nèi)站和戶外站，故所需的采暖能耗為全戶內(nèi)站大于半戶內(nèi)站和戶外站；半戶內(nèi)站的體形系數(shù)和建筑體積大于戶外站，因此半戶內(nèi)站的采暖能耗大于戶外站。同時(shí)，對比三類變電站的窗墻面積比可以發(fā)現(xiàn)，相較民用建筑，變電站建筑窗墻面積比相對自由，限制條件更少。另外，雖然此3種類型變電站建筑的外窗傳熱系數(shù)相同，但通過外窗的熱量損失也要考慮，且建筑的形體根據(jù)電氣設(shè)備功能要求已確定，故此處不考慮體形系數(shù)的變化。此外，變電站建筑室內(nèi)熱源值遠(yuǎn)大于普通民用建筑，故室內(nèi)熱源強(qiáng)度在變電站建筑中也是影響采暖能耗的節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)之一。以下先通過控制單一變量，探討各面窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、內(nèi)熱源和換氣次數(shù)5個(gè)參數(shù)在同一地區(qū)對建筑供暖負(fù)荷的影響。

圖2 各地區(qū)冬半年單位面積供暖負(fù)荷

3.2 單個(gè)影響因子對供暖負(fù)荷的影響

選取各面窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、內(nèi)熱源值和換氣次數(shù)這5個(gè)對變電站建筑供暖負(fù)荷的主要影響因素，分別使單個(gè)因素發(fā)生5種變化，即分別減小50%、25%和增加25%、50%以及不變化，通過控制變量法分別對3種類型變電站建筑進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3—圖7所示。

圖3 窗墻面積比對供暖負(fù)荷的影響

圖7 室內(nèi)熱源變化對供暖負(fù)荷的影響

從模擬結(jié)果可知，窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)和外墻傳熱系數(shù)越大，則供暖負(fù)荷越大，且基本成線性關(guān)系變化。減小換氣次數(shù)時(shí)，供暖負(fù)荷基本沒有變化，而增大25%出現(xiàn)較明顯變化，且從25%增大至50%時(shí)，供暖負(fù)荷增加更為突出。而室內(nèi)熱源變化正好相反，增大室內(nèi)熱源時(shí)，供暖負(fù)荷降低不明顯，但當(dāng)減少25%時(shí)，供暖負(fù)荷增加較明顯，且從25%減少至50%時(shí)，供暖負(fù)荷增加更為突出。

圖4 外窗傳熱系數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

圖5 外墻傳熱系數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

圖6 換氣次數(shù)對供暖負(fù)荷的影響

3.3 多個(gè)影響因子對供暖負(fù)荷的影響

通過上述模擬可知，在已經(jīng)確定建筑形體的變電站建筑中，窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、室內(nèi)熱源及換氣次數(shù)的大小是決定采暖能耗的重要因素，在建筑能耗不變的前提下，分以下3種情況分別進(jìn)行分析。

（1）使外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)與室內(nèi)熱源保持不變，窗墻面積比與外窗傳熱系數(shù)同時(shí)變化。

（2）使窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)與室內(nèi)熱源保持不變，外墻傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)同時(shí)變化。

（3）使窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)保持不變，室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)同時(shí)變化。

在這3種情況下，分別對3種不同類型的變電站建筑進(jìn)行多次全面的采暖負(fù)荷模擬分析，得出150種不同工況的模擬結(jié)果。針對模擬結(jié)果，對各影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。

（1）外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比同時(shí)變化時(shí)，全戶內(nèi)站、半戶內(nèi)站以及戶外站的模擬結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比均減少50%和25%時(shí)，全戶內(nèi)站供暖負(fù)荷分別降低了46.48%和22.56%；半戶內(nèi)站分別降低了37.18%和25.33%；戶外站分別降低了40.74%和25.59%。

圖8 外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積比變化時(shí)冬半年供暖負(fù)荷

（2）換氣次數(shù)的大小與外墻傳熱系數(shù)同時(shí)變化，全戶內(nèi)、半戶內(nèi)以及戶外站的模擬結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)和外墻傳熱系數(shù)均降低25%和50%時(shí)，全戶內(nèi)站供暖負(fù)荷分別降低了16.54%和30.75%；半戶內(nèi)站分別降低了24.49%和43.94%；戶外站分別降低了22.93%和37.05%。

圖9 換氣次數(shù)大小與外墻傳熱系數(shù)變化時(shí)冬半年采暖負(fù)荷

（3）室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)同時(shí)變化時(shí)，全戶內(nèi)、半戶內(nèi)以及戶外站的模擬結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)室內(nèi)熱源增大25%和50%，而外墻傳熱系數(shù)降低25%和50%時(shí)，全戶內(nèi)站采暖能耗比原先分別降低了31.85%和52.14%；半戶內(nèi)站分別降低了22.3%和40%；戶外站分別降低了16.54%和30.75%。

圖10 外墻傳熱系數(shù)與室內(nèi)熱源變化時(shí)冬半年采暖負(fù)荷

4 優(yōu)化策略

基于外窗傳熱系數(shù)與窗墻面積的關(guān)系、外墻傳熱系數(shù)與換氣次數(shù)以及室內(nèi)熱源與外墻傳熱系數(shù)關(guān)系的模擬結(jié)果，制訂以下優(yōu)化策略。

（1）GB 51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中要求變電站建筑總窗墻面積比不應(yīng)大于0.5[12]，上述變電站建筑模型均能滿足。在供暖負(fù)荷不變時(shí)，可以在降低外窗傳熱系數(shù)的同時(shí)提高窗墻面積比，既能充分滿足變電站建筑采光需求，又能減少建筑供暖負(fù)荷，起到節(jié)能降耗的目的[13-15]。例如，對于全戶內(nèi)站，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)減少50%、窗墻面積比增加50%時(shí)，其供暖負(fù)荷為20.6 W/m2，較兩者都不變時(shí)的供暖負(fù)荷減少10.09%。

（2）以全戶內(nèi)站建筑為例，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)或換氣次數(shù)同時(shí)減小25%和50%時(shí)，供暖負(fù)荷比原先分別降低了16.54%和30.75%，而增加外墻傳熱系數(shù)或換氣次數(shù)25%和50%時(shí)，其供暖負(fù)荷比原先分別增加了67.7%和271.13%。且當(dāng)換氣次數(shù)減少50%，外墻傳熱系數(shù)只增加25%時(shí)，供暖負(fù)荷還是會增加7.47%。由此可知，變電站建筑設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求，避免換氣次數(shù)和外墻傳熱系數(shù)的增加。

（3）變電站建筑節(jié)能不應(yīng)只考慮建筑的保溫性能，還應(yīng)綜合考慮建筑室內(nèi)熱源。對于具有較大室內(nèi)熱源的變電站建筑，由于設(shè)備自身可以產(chǎn)生大量的余熱，提高室內(nèi)溫度、因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分分考慮室內(nèi)熱源密度，當(dāng)室內(nèi)熱源密度較大時(shí)，可以降低外墻保溫性能，增加其傳熱系數(shù)。以全戶內(nèi)站為例，不考慮室內(nèi)熱源時(shí)所需的采暖能耗為26.13 W/m2，而考慮了室內(nèi)熱源時(shí)，采暖能耗為19.63 W/m2，約減少33.11%，在降低外墻保溫性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約材料的目的。

5 結(jié)論

變電站作為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，其建筑能耗具有自身的特殊性，合理確定變電站建筑能耗特性是實(shí)現(xiàn)其建筑節(jié)能的關(guān)鍵。本文針對3種不同類型變電站建筑進(jìn)行建模，模擬分析了其在內(nèi)蒙古不同地區(qū)的供暖負(fù)荷情況；在分析窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)和室內(nèi)熱源5個(gè)參數(shù)單個(gè)變化對供暖負(fù)荷的影響基礎(chǔ)上，研究了多個(gè)參數(shù)在不同組合方式下對供暖負(fù)荷的影響，得出以下結(jié)論。

（1）內(nèi)蒙古地區(qū)3種不同類型變電站建筑的供暖負(fù)荷大小排序?yàn)椋喝珣魞?nèi)站＞半戶內(nèi)站＞戶外站。

（2）窗墻面積比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)和室內(nèi)熱源5個(gè)參數(shù)單個(gè)變化時(shí)，窗墻面積比和外窗傳熱系數(shù)與供暖負(fù)荷基本呈正相關(guān)線性關(guān)系；而外墻傳熱系數(shù)和換氣次數(shù)的增加與供暖負(fù)荷的增加基本成指數(shù)增加關(guān)系。

（3）在增加外窗傳熱系數(shù)的同時(shí)減少窗墻面積比，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)采光與節(jié)能的效果；而對于外墻傳熱系數(shù)和換氣次數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求避免其數(shù)值的增加；同時(shí)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮室內(nèi)熱源密度，當(dāng)其較大時(shí)可以降低外墻保溫性能，以增加其傳熱系數(shù)。

（4）由于變電站電氣設(shè)備的底面積是根據(jù)電氣專業(yè)的需求確定的，關(guān)于內(nèi)熱源對供暖負(fù)荷的影響情況，可根據(jù)具體建筑的實(shí)際情況做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。