配電裝置樓室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析報(bào)告

1、配電裝置樓室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析報(bào)告本報(bào)告采用 CFD 手段對配電裝置樓室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，為設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。1 分析軟件及計(jì)算模型本次模擬采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 6.3，該軟件基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。本次模擬采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)Reynolds Stess模型，在fluent中，Reynolds Stess模型是被精細(xì)開發(fā)的模型，放棄等方性邊界速度假設(shè)，使得雷諾平均Na

2、vvier-Stokes方程封閉，解決了方程中的雷諾壓力問題，還有耗散率的不封閉問題，使用Reynolds Stess模型可以獲得更精確的結(jié)果。由于散熱器和變壓器散熱量大，表面溫度高，輻射換熱不可忽略，故本次模擬采用了P1模型，P1模型在處理散射和發(fā)射問題時(shí)，可以得到較合理的結(jié)果。當(dāng)空氣與散熱器和變壓器進(jìn)行換熱時(shí)，因溫度變化，空氣密度也產(chǎn)生變化，密度變化在重力的作用下會(huì)形成自然對流，為此，本項(xiàng)目采用Boussinesq模型。2 三維模型電動(dòng)百葉排風(fēng)機(jī)根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料進(jìn)行建模，為便于軟件生成網(wǎng)格，建筑外形經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕幚?，建筑高度按圖紙標(biāo)注，最終模型如圖1a1c所示。散熱器間兩端未封閉散熱器間

3、兩端未封閉變壓器進(jìn)風(fēng)百葉散熱器進(jìn)風(fēng)百葉電動(dòng)百葉電動(dòng)百葉進(jìn)風(fēng)百葉變壓器變壓器 散熱器間兩端未封閉圖1a 方案一分析模型散熱器 圖1b 方案二分析模型散熱器 圖1c 方案三分析模型3 網(wǎng)格劃分根據(jù)所建立的三維模型，使用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此過程中考慮了多種網(wǎng)格劃分方式，如果網(wǎng)格劃分過細(xì)，會(huì)造成計(jì)算速度降低過大，局部網(wǎng)格畸變嚴(yán)重等問題，如果網(wǎng)格劃分過大，會(huì)造成計(jì)算精度下降，在綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算速度、計(jì)算精度、建筑體量及建筑物復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，采用Hex類型的網(wǎng)格及Submap的劃分方式，網(wǎng)格長設(shè)為0.15m，方案13體網(wǎng)格總數(shù)分別為257470、257470和282600。網(wǎng)格質(zhì)量均較

4、高，網(wǎng)格尺寸扭曲率分布情況如圖2a2c所示，圖3為方案1的網(wǎng)格截面（其他方案基本相同）。 圖2a 方案一網(wǎng)格尺寸扭曲率分布 圖2b 方案二網(wǎng)格尺寸扭曲率分布 圖2c 方案三網(wǎng)格尺寸扭曲率分布 圖3 方案一網(wǎng)格截面4 模擬方案及邊界條件本項(xiàng)目位于深圳市，根據(jù)民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50736-2012，深圳市夏季室外通風(fēng)計(jì)算溫度為31.2，夏季平均風(fēng)速為2.2m/s，最多風(fēng)向?yàn)镋SE。本報(bào)告共設(shè)計(jì)了四種不同方案進(jìn)行了模擬，具體情況如表1所示。表1方案設(shè)置房間主變室散熱器間條件進(jìn)風(fēng)百葉數(shù)量（2400x600）進(jìn)風(fēng)口壓力（Pa）電動(dòng)排風(fēng)百葉（1200x1200）出風(fēng)口壓力（Pa）風(fēng)機(jī)風(fēng)

5、量（m³/h）進(jìn)風(fēng)口壓力（Pa）出風(fēng)口壓力（Pa）方案一21.020關(guān)閉1.50方案二31.030關(guān)閉1.50方案三20關(guān)閉關(guān)閉300000本項(xiàng)目優(yōu)先考慮自然通風(fēng)，當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足降溫要求時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行自然通風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于墻中間，并貼梁設(shè)置，因風(fēng)機(jī)需兼顧事故通風(fēng)，故選用雙速風(fēng)機(jī)，平時(shí)通風(fēng)按6次/h，事故通風(fēng)按12次/h，平時(shí)通風(fēng)量和事故通風(fēng)量分別為3000m³/h和6000/h。方案一和方案二為自然通風(fēng)情況，目的是比較百葉面積對主變室室內(nèi)自然通風(fēng)的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，2.2m/s的室外風(fēng)速條件下，建筑前后風(fēng)壓差在1.52Pa之間，由于進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口為防雨百葉，有一定的阻力，故

6、設(shè)置方案一和方案二主變室進(jìn)風(fēng)口壓力設(shè)為1.0Pa，出風(fēng)口為0Pa；方案一和方案二散熱器間由于兩端未封閉，建筑前后風(fēng)壓差設(shè)為1.5Pa。方案三為主變室平時(shí)通風(fēng)，風(fēng)機(jī)開啟，風(fēng)機(jī)排風(fēng)量3000m³/h，主變室進(jìn)風(fēng)口壓力設(shè)為0Pa，電動(dòng)排風(fēng)百葉為關(guān)閉狀態(tài)；方案三散熱器間建筑前后風(fēng)壓差設(shè)為0Pa，即室外無風(fēng)時(shí)的極端情況，此時(shí)主要通過自然對流散熱。三個(gè)方案的進(jìn)風(fēng)口溫度均設(shè)置為31.2。變壓器和散熱器的散熱量分別為40KW和240KW，根據(jù)變壓器和散熱器的外形尺寸計(jì)算可知其單位面積散熱量分別為312W/和2113 W/。5 模擬結(jié)果5.1 主變室剖面1剖面3剖面2 圖4a 方案一1.5m高處風(fēng)速分

7、布云圖 圖4b 方案二1.5m高處風(fēng)速分布云圖 圖4c 方案三1.5m高處風(fēng)速分布云圖圖4為三個(gè)方案1.5m高處風(fēng)速分布云圖。主變室風(fēng)速基本在1m/s以下，方案一三1.5m高處平均風(fēng)速分別為0.25m/s、0.34m/s和0.09m/s。方案二百葉面積比方案一大50%，故方案二平均風(fēng)速大于方案一；方案三平均風(fēng)速最小，原因是機(jī)械通風(fēng)的換氣次數(shù)相對較小。方案一和方案二進(jìn)風(fēng)百葉附近的風(fēng)速分布情況類似，這是由驅(qū)動(dòng)力決定的，方案一和方案二的驅(qū)動(dòng)力為熱壓和風(fēng)壓，驅(qū)動(dòng)力大小基本相同。 圖5a 方案一1.5m高處溫度分布云圖 圖5b 方案二1.5m高處溫度分布云圖 圖5c 方案三1.5m高處溫度分布云圖圖5為

8、三個(gè)方案1.5m高處溫度分布云圖。主變室方案一三1.5m高處平均溫度分別為32.2、31.9和32.0。由于方案二百葉面積大于方案一，換氣次數(shù)也相應(yīng)變大，故方案二1.5m高處平均溫度要低于方案一。方案三換氣次數(shù)遠(yuǎn)小于方案一和二，但方案三1.5m高處空氣平均溫度并不是最高的，這是因?yàn)榉桨敢缓头桨付儆谧匀煌L(fēng)，為無組織通風(fēng)，而方案三屬于機(jī)械通風(fēng)，為有組織的通風(fēng)，空氣溫度分布除了與換氣次數(shù)有關(guān)外，與氣流組織也有不可忽略的聯(lián)系。 圖6a 方案一剖面1風(fēng)速分布云圖 圖6b 方案二剖面1風(fēng)速分布云圖 圖6c 方案三剖面1風(fēng)速分布云圖 圖7a 方案一剖面1溫度分布云圖 圖7b 方案二剖面1溫度分布云圖 圖

9、7c 方案三剖面1溫度分布云圖 圖8a 方案一剖面2風(fēng)速分布云圖 圖8b 方案二剖面2風(fēng)速分布云圖 圖8c 方案三剖面2風(fēng)速分布云圖 圖9a 方案一剖面2溫度分布云圖 圖9b 方案二剖面2溫度分布云圖 圖9c 方案三剖面2溫度分布云圖圖6和圖7為三個(gè)方案剖面1（剖面對應(yīng)位置見圖4，下文同）的風(fēng)速和溫度分布云圖；圖8和圖9為三個(gè)方案剖面2的風(fēng)速和溫度分布云圖。由于主變室進(jìn)風(fēng)口位置在下部，出風(fēng)口位置在上部，室外空氣通過進(jìn)風(fēng)百葉進(jìn)入室內(nèi)后，大部分空氣流向變壓器兩側(cè)，少部分空氣翻越變壓器，因此三個(gè)方案均是房間下部風(fēng)速大，上部風(fēng)速??；且熱空氣密度小，上浮，故形成了房間下部溫度低，上部溫度高，進(jìn)風(fēng)口附近溫

10、度低，出風(fēng)口溫度高的現(xiàn)象，溫度垂直分層非常明顯。方案一三主變室整個(gè)房間的平均風(fēng)速分別為0.16m/s、0.19m/s和0.11m/s，平均溫度分別為33.4、33.0和33.8，換氣次數(shù)分別為19.8次/h、27.4次/h和6次/h。與方案一相比，方案二變壓器上部空氣溫度溫度下降約0.7，整個(gè)房間平均空氣溫度下降0.4；方案三變壓器上方空氣溫度基本在34.7以上。方案二百葉面積相對方案一增加50%，風(fēng)壓差一定的情況下，進(jìn)排風(fēng)百葉的面積與通風(fēng)量呈正相關(guān)，模擬結(jié)果顯示，方案二換氣次數(shù)提升約38%。方案三，主變室屬于機(jī)械通風(fēng)，換氣次數(shù)為6次/h，小于方案一和方案二，但整個(gè)房間的平均溫度33.8，僅比

11、方案一高0.4。由此可以得出結(jié)論，加大百葉面積可以有效促進(jìn)自然通風(fēng)；也說明了在大多數(shù)的情況下，主變室無需開啟風(fēng)機(jī)，依靠自然通風(fēng)就可以取得良好的散熱效果；自然通風(fēng)不滿足要求時(shí)，啟用機(jī)械通風(fēng)模式，6次/h的換氣次數(shù)即可滿足要求。5.2 散熱器間 圖10a 方案一/二剖面3風(fēng)速分布云圖 圖11b 方案三剖面3風(fēng)速分布云圖散熱器間方案一/二和方案三1.5m高處平均風(fēng)速分別為0.78m/s和0.22m/s，1.5m高處平均溫度分別為32.9和32.7。方案三以自然對流散熱為主，熱空氣主要集中在房間上部，故房間下部溫度反而不是很高。由圖4可以看到，由于散熱器與墻體距離僅為500，較狹窄，方案一/二空氣繞流

12、導(dǎo)致風(fēng)速相對較大。散熱器發(fā)熱量為240KW，散熱器表面溫度高，根據(jù)圖5顯示，散熱器四周空氣溫度明顯上升，另外由于輻射傳熱，散熱器間的墻面、天花溫度較高，墻面、天花附近的空氣溫度也相對較高。圖10為散熱器間方案一/二和方案三剖面3的風(fēng)速分布云圖，圖11為散熱器間方案一/二和方案三剖面3的溫度分布云圖。方案一/二和方案三散熱器間整個(gè)房間的平均風(fēng)速分別為1.23m/s和0.31m/s，平均溫度分別為32.1和32.4，方案一/二的換氣次數(shù)為401.3次/h（方案三由于特殊的流通形式，無法計(jì)算換氣次數(shù)）。由于散熱器間兩端未封閉，方案一/二空氣流通順暢，特別是散熱器上部，風(fēng)速較大，基本在1.4m/s以上

13、，由于風(fēng)速大，散熱較好，散熱器與樓板之間的空氣溫度上升并不明顯；方案三，空氣從房間兩端開口的下部進(jìn)入，被散熱器加熱后，由開口的上部排除，空氣對流明顯，而熱壓是唯一驅(qū)動(dòng)力。由此可知，散熱器間自然通風(fēng)情況較好，即使在室外無風(fēng)的狀態(tài)下，也可以滿足要求。 圖11a 方案一/二剖面3溫度分布云圖 圖11b 方案三剖面3溫度分布云圖6 結(jié)論和建議表2 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)房間主變室散熱器間方案一方案二方案三方案一/二方案三換氣次數(shù)(次/h)19.827.46401.3-1.5m高處平均風(fēng)速（m/s）0.250.340.090.780.22房間整體平均風(fēng)速（m/s）0.160.190.111.230.311.5

14、m高處平均溫度（）32.231.932.032.932.7房間整體平均溫度（）33.433.033.832.132.41.5m高處風(fēng)速云圖1.5m高處溫度分布云圖剖面1/剖面3風(fēng)速分布云圖剖面1/剖面3溫度分布云圖注：表中速度云圖和溫度云圖的比例尺與前文同。將主變室和散熱器間關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于表2。散熱器間方案一和方案二情況相同，換氣次數(shù)高，自然通風(fēng)情況非常好；當(dāng)室外無風(fēng)時(shí)，通過自然對流，散熱器間房間整體平均溫度為32.4，同樣滿足散熱器間的溫度要求。主變室三個(gè)方案平均溫度均相對較低，比較三個(gè)方案的結(jié)果可以得出以下結(jié)論： 大多數(shù)情況下，僅通過自然通風(fēng)就可以滿足主變室通風(fēng)降溫的需求； 百葉面積增加50%后，主變室自然通風(fēng)換氣次數(shù)提升約