互联互通的大型地下抽水蓄能电站的通风与空调设计及空间温度分布预测方法

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Ventilation and Air Conditioning Design for Interconnected Large-Space Underground Pumped Storage Power Stations and Prediction Method for Spatial Temperature Distribution

　　摘要：为分析相互连接的地下抽水蓄能电站的通风性能，对多个此类设施进行了现场测试。基于实际边界条件，建立了空气温度分布预测模型。在FN电站进行的冬季测试显示，不同楼层间的温度差异可达7.2°C，发电机层温度约为16°C，蜗壳层温度约为8.8°C。为降低楼层间温度差异，采用所提出的模型通过逐步控制变量法对多种方案进行了评估。设计方案虽降低了楼层间温度差异，但导致室内温度过低，且需要过大的通风量。调整方案3在无需增加总通风量的情况下也提升了楼层间的温度均匀性，因为它仅调整了输送到不同楼层的侧墙气流比例。研究结果进一步表明，加强楼层间的空气交换能有效降低楼层间温度差异。与设计方案相比，调整方案3所需的侧墙气流量减少了约60%，显示出潜在的节能效果。所提出的模型和逐步调整方法为设计相互连接的地下空间的通风系统提供了指导。

引言：随着城市化进程的推进以及地下空间挖掘技术的进步，中国地下空间得到了快速发展[1]。由于具有良好的隔音性、低污染等优点，地下空间类型繁多，如地下水电站、地铁、地下隧道、储能设施等。其中，地下水电站具有可再生、成本低、综合效益高等优点，其数量逐年增加。一般来说，地下水电站空间较大，埋深达数十至数千米，腔室结构复杂，热源强度高[2]。与地面空间相比，地下空间相对封闭，空气流通较差，污染物或热量难以排出。通风是调节地下空间空气环境的主要手段[3]。对于热源强度高且埋深较大的地下水电站而言，通风是确保人员生存和舒适度的重要措施。

关于地下水电站内部通风已有部分研究。相关研究主要分为两类：一类是地下水电站隧道通风研究，另一类是地下工作场所通风研究。地下水电站通风隧道是连接地下水电站内部空气与外部空气的通道。徐等人通过现场试验和数值模拟研究了地下水电站通风隧道内的空气温度和湿度变化，以此优化进水参数和通风设计[4]。郭等人研究了地下隧道壁面与空气之间的传热规律，建立了壁面与空气之间的传热模型，可用于预测和计算隧道内的空气温度[5][6][7]。马等人分别对地下水电站隧道在冬季和夏季的热环境进行了测试研究，结果表明，隧道越长、截面越大，其冷却和加热能力越强。进风隧道可以对地下厂房的新鲜空气进行预处理（预热或预冷），这是一种重要的节能措施[8]。余等人建立了排水隧道通风过程中热量和质量传递的准三维数学模型，研究了排水隧道内的热量和湿度传递过程。结果表明，空气与水面之间的热量和湿度交换占主导地位，若忽视隧道周围岩石的长期蓄热效应，则不可忽略这一因素[9]。邵等人利用计算流体动力学方法研究了不同通风模式下隧道群的速度场，研究表明大多数流动涡旋存在于隧道中。在初期开挖阶段，隧道交叉处的空气难以流通，通风条件较差；当开挖距离增加200米时，通风条件可得到显著改善[10]。李等人通过实验分析了地下倾斜隧道内的温度和热压变化，探讨了壁面粗糙度、空气流速、尺寸等因素对热压效率的影响[11]。任等人研究了地下走廊内的热量和湿度传递过程，提出了地下走廊内空气温度和湿度的预测方程。结果表明，进风口的相对湿度和壁面温度是影响走廊内水雾形成的主要因素[12]。薛等人研究了工业除湿机对抽水蓄能电站隧道内空气温度和湿度环境的影响[13]。

电站工作人员可通过交通隧道到达地下水电站的主厂房。主厂房是电站工作人员的工作场所，其空气环境影响着工作人员的健康和工作效率。主厂房由四个功能层组成：发电机层用于放置将涡轮机传递的机械旋转能转换为电能的发电机，同时也是机组运行、检修和维护的主要场所；母线层包含发电机母线及相关电气连接装置，用于将发电机产生的电能传输到变压器系统；水力层则装有主涡轮机及相关的液压机械部件，此处将加压水的能量转换为机械旋转能并传递给发电机；蜗壳层则包含螺旋形壳体及相关输水部件，用于将加压水分配到涡轮机叶片周围并引导水流进入涡轮机。李等人将附壁通风方式应用于地下水电站的发电机层，发现该方式比混合通风更节能[14][15]。任等人通过数值模拟研究了不同供气方式下发电机层的空气流场分布，通过比较供气速度、出口位置和开口方式对供气效果的影响，优化了高层空间中垂直附壁供气方式的布局[16]。刘等人利用CFD方法对溪洛渡地下水电站发电机层的空气温度场和速度场进行了数值模拟，结果表明合理设置排风口位置可显著提升通风效果[17]。李等人运用CFD和粒子图像测速技术研究了喷射流和热源对大型地下水电站发电机层内空气流动的影响[18]。陶等人建立了抽水蓄能地下水电站的缩比模型，模拟了不同供气方式下发电机层的空气流动情况，发现供气入口布局和供气速度对厂房内的空气流动有显著影响，并提出了不同热源强度下的有效空气流量[19]。李等人建立了呼和浩特抽水蓄能地下水电站的缩比模型，研究了发电机层两种供气方式的通风效果，结果表明机械供气优于垂直压力梯度供气，在机械供气模式下可确定最佳的供气量和供气条件[20]。除了地下水电站外，CFD还被广泛用于研究地下隧道及其他大型或半封闭空间内的空气流动和流场特性[21][22]。这些研究证明了CFD能够识别复杂的流动模式以及空气流动不足的区域[23]。关于置换通风的研究进一步表明，增加通风量并不一定能带来局部通风性能的持续提升[24]。对于冲击射流通风而言，经过实验验证的CFD模拟和简化预测模型表明，热分层受供气动量、内部热源以及房间布局的共同影响[25][26]。此外，排风位置也会显著影响污染物去除效果和整体通风效率[27]。这些研究结果表明，通风性能不仅取决于总空气流量，还与空气流量分配及局部空气流动组织有关。

在地下水电站中，发电机层的散热量较大，因此大部分研究都集中在发电机层的通风问题上，而针对其他楼层或整个电站的通风研究较少。李等人建立了呼和浩特水电站的缩比模型，利用二维PIV技术研究了不同供气条件和热量释放率下的空气分布情况，结果表明供气速度对高大空间内的空气分布有显著影响[28]。刘等人通过地下水电站模型试验和隧道现场试验，研究并验证了一种具有循环结构的多区域动态流网络模型，用于探索和预测地下建筑的自然通风情况[29]。任等人通过缩比模型试验研究了三种供气速度和热量释放率下机械通风对各楼层温度的影响，发现机械供气速度和热量释放率都对室内温度分布有较大影响，并根据试验结果提出了相关的设计参数[30]。

主厂房的各楼层通过楼梯相连，不能独立通风。空气和热量通过并联和串联的空气流动路径在楼层间相互交换，从而导致楼层间出现热耦合现象。不合理的空气流动分布可能导致较大的楼层间温度差异，以及不必要的通风或空调能耗。在目前的設計和运行实践中，通风和空调设备通常是根据单个楼层的发热量来选择的，为确保满足温度要求，设备容量可能会进一步加大。这种做法可能导致系统过度设计，从而增加能耗。

以往关于地下水电站通风的研究主要集中在单个发电机层内的局部空气流动和温度分布上，通常采用CFD模拟或缩小规模的实验。然而，多个相互连接楼层之间的热耦合以及楼层间空气流量分配对整体热环境的影响却未受到足够重视。本研究的创新之处在于将主厂房视为一个热耦合的多区域通风系统，而非多个独立的楼层。具体而言：（1）建立了耦合温度预测模型，用于描述多个相互连接楼层之间的热量和空气流动相互作用；（2）通过在FN电站同时测量温度和空气流量并对模型进行验证，再结合另外两个抽水蓄能电站的数据对模型进行进一步评估；（3）提出了一种逐步控制变量的通风调整方法，用于分别分析新鲜空气进气、总侧墙空气流量以及楼层间空气流量分配的作用。与传统主要增加总通风量的方法不同，所提出的方法表明，通过重新分配楼层间的空气流量，可在不增加总通风量的情况下显著提升楼层间的温度均匀性，从而为相互连接的地下厂房提供一种潜在的节能策略。

方法：地下水电站的主厂房部分通常分为五层：发电机层、母线层、水力层、蜗壳层以及排水廊道层。地下水电站的运作原理是利用水体的重力势能驱动涡轮机，进而带动发电机旋转发电。在发电过程中，会存在能量损失，这些能量会以热量形式释放到水力发电站的厂房内部。对地下水力发电站主厂房的通风状况及温湿度环境进行实地测试，有助于提高模型精度并优化现有的通风系统设计。本研究对FN、FK和YM三种抽水蓄能水力发电站的通风状况进行了测试，主要测量了主厂房各层以及通风隧道和交通隧道的空气温度和湿度。

根据NB 35040-2014标准[33]，在冬季正常运行时，发电机层和液压层的空气温度应分别高于10°C和8°C，而转子层和蜗壳层的空气温度则应高于5°C。夏季时，发电机层、转子层和液压层的空气温度应低于30°C，而蜗壳层的空气温度则应低于33°C。在本研究中，这些数值仅作为基本的环境参考值，实际监测数据还会进一步分析。

研究结论：对FN、YM和FK这三种地下抽水蓄能发电站的通风状况及热环境进行了测试。建立了地下水力发电站主厂房各层相互连通的通风系统温度模型，并预测了不同发电站各层 的空气温度。此外，还提出了多种通风系统优化方案。

作者贡献说明：
邓连华：撰写——初稿、软件应用、方法设计、数据收集、正式分析。
车继刚：撰写——审稿与编辑、数据收集。
李安贵：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法设计、概念构建。
牛少峰：撰写——审稿与编辑、数据整理。
熊静：撰写——审稿与编辑、数据收集。
张颖：撰写——审稿与编辑、资源协调、数据收集。

邓连华|车继刚|李安贵|牛少峰|熊静|张颖
中国陕西省西安市710055，西安建筑科技大学建筑服务科学与工程学院