模块化智能变电站预制舱节能设计研究

引言

模块化、智能化预制舱变电站,具有安全可靠、占地面积小、建站周期短、外观精美、使用寿命长、无辐射、低噪声、布局灵活、防水、防尘、抗震、耐火、耐腐蚀、耐低温、抗冲击等优点,在应用过程中已逐步得到市场的广泛认可。随着预制舱产品大范围推广,使用区域多样化,在面临高温、高寒、高湿等特殊使用环境时,为改善变电站预制舱热环境,需提高暖通空调系统的能源利用效率,从根本上改善用能浪费的状况,为实现国家节能和环保战略、贯彻有关政策和法规作出贡献。

1变电站总平面布置设计

1.1朝向基本原则

(1）变电站总平面布置设计应尽量使模块化智能变电站预制舱主体结构长度(较长的一面）方向为南北朝向,避免东西向日晒。

(2）根据项目现场当地水文情况,微调变电站朝向,使变电站冬季能获得足够的日照并避开主导风向,夏季能利用自然通风、太阳辐射。一般可借鉴项目地区城市建筑群基本朝向。

(3）应充分考虑社会历史文化、地形、城市规划、道路、环境等制约条件,权衡各个因素之间的得失轻重,进一步优化变电站朝向。

1.2 小结

变电站总平面布置设计朝向对模块化智能变电站预制舱节能有着非常深远的影响,在模块化智能变电站预制舱总平面布置设计时,应充分考虑变电站方位选择,在模块化智能变电站预制舱主体为南北主朝向的前提下,结合当地地理、水文条件等选择项目现场的最佳朝向或接近最佳的朝向,如图1所示。

2预制舱舱体结构节能设计

(1）预制舱墙面及屋面均采用了施工相对复杂的多层复合结构形式,通过结构、材质、隔热垫片等进一步巩固墙体热断桥效能,并且在复合结构中设计了可密闭、可呼吸的空气隔热层 ,进一步改善舱体热环境,提高舱体隔热保温性能,如图2所示。

(2）保温材料及空气隔热层厚度根据项目地使用环境进行暖通计算,结合经济性、适用性、空间合理性等因素选择最优保温厚度设计,如图3所示。

(3）为避免热量通过预制舱底部损耗,舱体底部必须做保温处理,且底部保温宜采用憎水率高、密封性能好的材料,以免保温材料受潮失效及潮气进入舱体内部,实现底部与外界环境的完全隔绝。

(4）舱体顶部屋檐及底部或墙壁处设置适量呼吸口,确保空气可以呼吸交互,但又不会造成空气与外部环境温度同化。

1）因空气热胀冷缩的物理特性,呼吸口能适时进行排气和吸气,保持内外气压平衡,避免因气压的变化造成空气导热系数的变化,进而影响保温性能,如图4所示。

2）在逐渐升温(降温）过程中,舱体内外部空气通过呼吸口进行自由交互,自动平衡内部

环境温度 ,进而延迟空调启动时间,降低能耗。

3）当温度上升(下降）至工业设备启动温度时,舱体内部呼吸口自动关闭,使得空气隔热层形成封闭式空气隔热腔体,如图5所示。

4）必要时即便在设备启动状态也可以打开呼吸口,对墙体内部的空气进行呼吸轮换,避免空气污浊,如图6所示:对电缆层进行适当加热(制冷）,使电缆层空气温度也保持了新风环境,从而确保了电缆的使用寿命。

(5）会呼吸的预制舱型式试验:

1）试验目的:为了验证"会呼吸的预制舱"和"常规预制舱"舱体防火保温性能,更加客观科学地比较分析"会呼吸的预制舱"隔热性能,为后续项目结构体系选型提供更加有说服力的理论依据。

2）试验的客观条件:相同地址,同样的日照环境,样品外形尺寸相当,工业设备功率一致。

样品制作工艺及结构特点如表1所示。

3）试验结果:

不开工业设备条件下 ,根据图7对比得知:

①会呼吸的预制舱借助自由呼吸的功能,在温度上升和下降过程中,舱体内部的温度变化相对平缓:

②会呼吸的预制舱比常规预制舱的温度最高相差8℃。

图7舱体温度变化曲线示意图

打开空调,设定空调温度为25℃条件下,一整天两台舱体耗电量统计如表2所示。

表2试验样品舱体耗电量对比参照表

3模块化智能变电站预制舱外表面对能耗的影响

(1）色彩的搭配对于产品外观设计具有很重要的意义,模块化智能变电站预制舱是整个变电站主要建筑,预制舱的色彩搭配往往能第一时间引起注意。色彩搭配得合适,产品就会脱颖而出。不同的设计人员、不同的业主、不同的企业、不同的地域大家对变电站预制舱外观色彩搭配都各自有各自的想法,想将外观设计得更具企业特色,更具辨识度,但设计师们往往忽略了颜色对舱体能耗的影响。

(2）研究(广州地区水泥住宅楼）表明,不同的颜色对太阳辐射吸收系数各有不同,如表3所示,且不同的辐射吸收系数对建筑物的年平均室温影响几乎呈线性关系,白色和黑色年平均室温相差近3℃,如图8所示。

表3涂料颜色对太阳辐射吸收系数参照表

注:浅色系指浅蓝色、浅绿色、浅红色等浅色系颜色

图8不同太阳辐射吸收系数的年平均基础室温

(3）若模块化智能变电站预制舱采用钢制材料制作,太阳辐射吸收系数远高于水泥材质,故年平均室温差将远超3℃,如表4所示。

(4）根据不同材料的特性,模块化智能变电站预制舱外墙表面宜首选导热系数相对较低的非金属材料(例如:GRC水泥砂浆材料）:考虑工厂预制后长距离运输及吊装拼装作业,为确保可靠性、稳定性可适当选择建筑钢材作为外墙材料。

(5）在设计模块化智能变电站预制舱外表面涂料颜色搭配时,为实现变电站节能设计,在兼顾美观/企业特色等因素的基础上应充分考虑不同颜色的选择。

1）夏热冬暖地区:推荐以白色作为预制舱舱体主基色,以浅色系颜色作为搭配色设计预制舱舱体外观。

2）夏热冬冷地区:可适当增加选择较深颜色,为兼顾夏季隔热性能,原则上也应选择以浅色系为主设计预制舱舱体外观。

4模块化智能变电站预制舱外部表面积对节能设计的影响

瓦楞板结构与相同厚度平板结构相比有更加优异的机械结构强度,在变电站预制舱领域也得到应用和推广。通过计算,相同有效长度瓦楞板是平板表面积的1.1倍,即瓦楞板预制舱"样品二"的表面积是平面预制舱"样品一"外墙的1.1倍,如图9所示。舱体表面积越大,单位时间内吸收的热量就越多,那么瓦楞板预制舱单位时间内吸收的热量就是平面预制舱的 1.1倍。

综上,从模块化智能变电站预制舱节能设计的角度考虑,不建议使用瓦楞板外形,尤其是高温(高寒）地区大型变电站。

5其他节能措施

(1）预制舱门宜设有自动关闭功能,尽量避免舱体内部与外界环境温度交换造成热量损耗。

(2）人员工作密集舱室(主控室等）,应适当设计采光窗,降低日光灯照明时间,降低能耗损失。采光窗外部宜设置遮阳棚,增加窗户隔热能力。

(3）应设计带自动启停功能的智能工业设备,实现舱室内部环境自动控制,减少能耗。

6 结语

模块化智能变电站预制舱节能设计对变电站节能设计有着非常重要的意义,在智能设备基础上智能会呼吸的预制舱为真正实现智能变电站的宏伟目标贡献了一份力量。希望以上对模块化智能变电站预制舱节能设计的阐述和分析,可以帮助变电站设计人员结合项目实际情况实现变电站节能设计提供参考。