十三陵電站壩體廊道通風(fēng)動態(tài)換熱節(jié)能設(shè)計理論基礎(chǔ)研究

李安桂，陳 強，尹海國，高 然

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

我國的地下水電站建設(shè)飛速發(fā)展．如果水電站的廊道較長，利用廊道通風(fēng)可以實現(xiàn)對進(jìn)風(fēng)的加熱或降溫調(diào)節(jié)，具有顯著的節(jié)能環(huán)保意義[1,2]．關(guān)于廊道通風(fēng)的研究，文獻(xiàn)[3]利用壩體廊道的溫降效應(yīng)為水電站上游副廠房進(jìn)行通風(fēng)降溫，研究表明壩體廊道通風(fēng)能夠節(jié)約能源，具有明顯的經(jīng)濟效益．文獻(xiàn)[4]則對地下水電站進(jìn)行了現(xiàn)場實測，得出水電站壩體廊道對室外進(jìn)風(fēng)有較好的升溫或降溫作用，具有較大的節(jié)能潛力．但現(xiàn)場測試受測試時間等因素限制，不能全面體現(xiàn)廊道通風(fēng)的換熱規(guī)律．文獻(xiàn)[5]利用數(shù)值模擬的方法分析了壩體廊道的入口空氣溫度和流速等因素對廊道換熱效果的影響，但該數(shù)值模擬是基于假定通風(fēng)溫度恒定得到的結(jié)果．有鑒于此，關(guān)于水電站壩體廊道通風(fēng)的換熱效果和節(jié)能潛力有待于進(jìn)一步研究．

選擇北京十三陵水電站的交通洞為研究對象，考慮室外氣溫的日波動，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用FLUENT軟件對空氣流經(jīng)交通洞的換熱作用進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬，預(yù)測交通洞夏季與室外進(jìn)風(fēng)換熱效果和節(jié)能潛力，并分析了交通洞的長度對進(jìn)風(fēng)溫度調(diào)節(jié)效果的影響．

1 研究對象與方法

1.1 工程概況

北京十三陵水電站位于北京市十三陵風(fēng)景區(qū)，距北京市約40 km．電站廠房為深埋式地下廠房，進(jìn)廠交通洞為地下拱形建筑結(jié)構(gòu)，其實際長度為 1 104 m，但由于靠近主廠房附近的洞內(nèi)空氣溫度受主廠房影響較大，所以只考慮0 ～ 1 000 m這一段對送風(fēng)的調(diào)節(jié)能力，交通洞寬7.5 m，高6.0 m，平均埋深約70 m以上，水電站主廠房采用機械通風(fēng)，室外空氣經(jīng)交通洞送入主廠房，十三陵電站交通洞入口如圖1所示，交通洞的尺寸如圖2[6]．

圖1 十三陵水電站交通洞Fig.1 Dam tunnel of Shisanling Hydropower Station

圖2 十三陵水電站交通洞尺寸Fig.2 Size of Shisanling Hydropower Station dam tunnel

1.2 廊道通風(fēng)的解析模型

本文所研究是一個通風(fēng)無襯、深埋、圓隧的廊道通風(fēng)換熱問題，可簡化為圖3所示的模型：

圖3 廊道通風(fēng)換熱簡化模型Fig.3 Simplified chart of the dam tunnel ventilation

在某一特定時刻，巖溫Tt和通風(fēng)量G為定值，隧道內(nèi)壁面熱流強度K亦為定值，在流程dx內(nèi)空氣溫度變化很小，比熱c也可近似為定值，這樣根據(jù)熱平衡原理，空氣通過dx后內(nèi)能的變化等于其與壁面Udx的換熱量[7]，即

對（1）式積分，得

式中：tx為廊道x位置處空氣溫度，℃；Tt為巖體溫度，十三陵水電站巖體溫度實測值為 22.3℃；tw為室外氣溫，℃；c為空氣比熱，1.005 kJ/(kg·℃)；G為通風(fēng)量，實測值為146 880 kg/h；K為隧道內(nèi)壁面熱流強度（單位氣溫與巖溫差時的熱流值），根據(jù)畢渥準(zhǔn)則數(shù)Bi和傅立葉準(zhǔn)則數(shù)Fo查計算K值曲線圖[8]得，K= 8.2 kJ/(m2·h·℃)；U 為廊道截面周長，十三陵水電站的交通洞截面周長為25.35 m．

由以上數(shù)據(jù)計算十三陵水電站交通洞的換熱問題，取x=1 000 m，tw=30 ℃（夏季通風(fēng)溫度），帶入（4）式，得tx=24.1 ℃，即交通洞出口空氣溫度為24.1 ℃．

1.3 數(shù)學(xué)模型

水電站交通洞屬于三維空間問題，由于整個流場沿中心線對稱，為加快計算速度，取交通洞軸向?qū)ΨQ的1/2區(qū)域建立模型，將沿交通洞進(jìn)深方向設(shè)為Y軸方向，水電站交通洞進(jìn)深實體模型的網(wǎng)格劃分圖如圖4所示．

圖4 交通洞模型網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh generation of the dam tunnel model

假定空氣為常物性，不可壓縮流體，交通洞內(nèi)空氣的流動屬于三維、非穩(wěn)態(tài)的湍流流動．根據(jù)十三陵水電站的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)[6]，交通洞通風(fēng)前后，洞內(nèi)空氣的絕對濕度并無變化，因此可以忽略濕傳導(dǎo)對傳熱的影響．這是由于室外空氣露點溫度較低，壩體廊道的壁面溫度高于室外空氣露點溫度，所以無法實現(xiàn)對空氣的除濕功能，濕傳導(dǎo)的影響可以近似忽略不計[3]．

數(shù)值模擬控制方程的邊界條件：

(1) 入口空氣流速采用測試值，入口空氣溫度為室外逐時溫度．對于室外逐時溫度，工程上可以按一階簡諧波近似計算，給定氣溫峰值出現(xiàn)在下午3時，τ時刻的室外氣溫為[9]

式中：tw,τ為τ時刻的室外氣溫，℃；tw,p為室外日平均溫度，℃；tw,max為室外最高氣溫，℃．CFD模擬時，全天入口動態(tài)空氣溫度由UDF編程輸入；

(2) 流場中心分界面選擇為對稱性邊界條件；

(3) 測試水電站交通洞為深埋建筑，太陽輻射和土壤換熱對交通洞影響很小，因此壁面邊界條件根據(jù)測試數(shù)據(jù)選擇定壁溫邊界條件[6]，十三陵水電站交通洞壁面溫度采用測試值22.3℃．

1.4 數(shù)值求解方法

對北京十三陵水電站交通洞通風(fēng)換熱的數(shù)值模擬采用 Fluent軟件，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k – ε雙方程模型，區(qū)域網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，方程的離散采用有限容積法，離散后的代數(shù)方程用SIMPLE算法迭代求解[10]．為便于分析對比，將以下圖表中相關(guān)數(shù)據(jù)無因次化處理，將交通洞的進(jìn)深與總長之比Y/L作為交通洞斷面距洞口的無因次距離．

1.5 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

作者于2007年8月29日–9月2日對十三陵水電站交通洞通風(fēng)的換熱效果進(jìn)行了為期 5d的現(xiàn)場測定．將數(shù)值模擬的結(jié)果與8月30日交通洞通風(fēng)換熱實測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，交通洞出口斷面空氣逐時溫度實測值與模擬值的對比如圖5所示，交通洞在3：00 ～ 15：00時間段內(nèi)，洞內(nèi)斷面空氣平均溫度隨進(jìn)深變化曲線的對比如圖6．從圖5和圖6可以看出，數(shù)值模擬的結(jié)果與實測的數(shù)據(jù)基本一致，兩者誤差都在0.5 ℃以內(nèi)，說明數(shù)值模擬對交通洞與空氣換熱的計算是準(zhǔn)確、可靠的．利用水電站的室外氣象參數(shù)，通過數(shù)值模擬能夠預(yù)測不同時刻交通洞與室外進(jìn)風(fēng)的換熱效果．為此，采用數(shù)值模擬的方法對夏季工況水電站交通洞與室外進(jìn)風(fēng)的換熱效果進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)測與分析．

圖5 交通洞出口空氣逐時溫度實測值與模擬值對比Fig.5 Temperature measured vs temperatures simulated at the exist

圖6 交通洞內(nèi)不同位置處空氣溫度實測值與模擬值對比Fig.6 Temperature measured vs temperatures simulated at different locations insde the tunnel

2 交通洞通風(fēng)模擬結(jié)果與分析

十三陵水電站夏季空調(diào)室外計算干球溫度為33.8℃，夏季空調(diào)室外計算日平均溫度為29℃[8],水電站夏季空調(diào)室外計算逐時溫度由(5)式得到，通過數(shù)值模擬得出夏季交通洞對室外進(jìn)風(fēng)的調(diào)節(jié)效果．

2.1 交通洞對進(jìn)風(fēng)的調(diào)節(jié)效果

模擬夏季設(shè)計日全天不同時刻空氣流過交通洞時與巖壁的換熱效果．距交通洞入口不同無因次距離處交通洞斷面空氣平均溫度隨時間變化曲線見圖 7，不同時刻交通洞斷面空氣平均溫度隨進(jìn)深的變化曲線見圖8．從圖7、圖8可以看出：

(1) 夏季工況下交通洞入口溫度波的振幅約5℃，隨著交通洞斷面距入口距離的增加，溫度波的振幅逐漸衰減，到達(dá)交通洞出口處（Y/L=1），溫度波的振幅衰減到最小值，為1 ℃左右．因此，盡管室外空氣溫度全天內(nèi)在24 ～ 34℃范圍內(nèi)變化，交通洞出口處的空氣溫度都穩(wěn)定在 22.5 ～ 24.5 ℃的范圍內(nèi)；

(2) 室外進(jìn)風(fēng)溫度高于交通洞壁面溫度時，交通洞對室外進(jìn)風(fēng)有降溫效果，交通洞的入口溫度越高，降溫效果越明顯．15:00左右交通洞的入口空氣溫度最高，交通洞對室外進(jìn)風(fēng)的溫降作用最大，約9 ℃；

(3)十三陵水電站交通洞通風(fēng)換熱數(shù)值模擬的結(jié)果與利用解析模型進(jìn)行理論計算的結(jié)果差別不大，進(jìn)一步說明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性．

圖7 交通洞不同斷面處空氣平均溫度隨時間變化Fig.7 Mean temperature varies with time at different sections of the tunel

圖8 不同時刻交通洞內(nèi)空氣溫度隨進(jìn)深的變化Fig.8 Temperature varies with depth at different moments of time inside the tunnel

2.2 交通洞的節(jié)能潛力

τ時刻，室外進(jìn)風(fēng)流經(jīng)交通洞單位時間的換熱量（不計濕變化）為

式中：q為單位時間的換熱量，kW；c為空氣的比熱，1.005 kJ/(kg·℃)；A 為交通洞斷面面積，42.5 m2；ν為交通洞內(nèi)空氣流速，測試值為0.8m/s；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；tw,τ為 τ時刻交通洞入口空氣溫度，℃；to,τ為τ時刻交通洞出口空氣溫度，℃．

數(shù)值模擬得出交通洞出口空氣溫度，計算出夏季空調(diào)設(shè)計日室外進(jìn)風(fēng)與交通洞的逐時換熱量，計算結(jié)果見圖9．由圖9可知，交通洞與室外進(jìn)風(fēng)動態(tài)換熱量變化近似余弦曲線，且與交通洞出口空氣溫度的變化趨勢一致．由此可見，夏季室外氣溫高于交通洞壁面溫度時，交通洞相當(dāng)于一個較好的天然冷源，它能夠為水電站地下廠房提供一定的冷量，十三陵電站交通洞在夏季空調(diào)設(shè)計日單位時間最大供冷能力約為386 kW．

根據(jù)（5）式，夏季空調(diào)室外計算日τ時刻的室外氣溫為

室外溫度近似按余弦規(guī)律變化的空氣流經(jīng)交通洞，到交通洞出口處，其室外空氣溫度的日波幅將發(fā)生顯著衰減，模擬得到交通洞出口處空氣溫度的日波幅為 0.86 ℃，交通洞出口處空氣的日平均溫度為 23.5 ℃．交通洞出口空氣溫度也近似按余弦規(guī)律變化，τ時刻交通洞出口處溫度的近似值為

圖9 交通洞與室外進(jìn)風(fēng)的逐時換熱量Fig.9 Heat transfer amount volume from tunnel exterior into interior

交通洞總換熱量:

將（6）式帶入得:

將（7）式和（8）式帶入得

通過對十三陵電站交通洞與室外進(jìn)風(fēng)夏季空調(diào)設(shè)計日全天換熱量的積分計算，可求得設(shè)計日總的換熱量約19 485 000 kJ，這些冷量如果由風(fēng)冷冷水機組提供（二級能效比冷水機組的平均能效為3.2），大約需要消耗1 691 kWh的用電量．根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[11]中北京地區(qū)典型氣象年的逐時氣象參數(shù)，按照該方法，得出十三陵電站交通洞通風(fēng)在6、7、8三個月分別能夠節(jié)省的空調(diào)耗電量，如表1所示．

表1 交通洞通風(fēng)空調(diào)季節(jié)節(jié)省的空調(diào)耗電量Tab.1 Power saved from air conditioning inside the tunnel

由表1可知，十三陵水電站利用交通洞通風(fēng)在空調(diào)季節(jié)可節(jié)省約7.57萬kWh的空調(diào)耗電量，可見交通洞通風(fēng)的節(jié)能潛力巨大．本案例對夏季交通洞與室外進(jìn)風(fēng)逐時換熱量的計算，有助于預(yù)測水電站廠房交通洞通風(fēng)的節(jié)能潛力，利用交通洞通風(fēng)能有效地節(jié)約水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的初投資以及運行能耗．

3 交通洞長度對其通風(fēng)換熱影響

交通洞通風(fēng)的節(jié)能潛力與通風(fēng)量和交通洞長度密切相關(guān)，本文測試發(fā)現(xiàn)空調(diào)季節(jié)內(nèi)電站主廠房所需的通風(fēng)量變化不大[6]，因此本研究不考慮通風(fēng)量變化帶來的節(jié)能潛力，而主要研究交通洞長度對其通風(fēng)換熱效果的影響，對不同交通洞長度（變化至3 000 m）進(jìn)行了數(shù)值模擬．模擬時截面尺寸和壁面溫度、入口風(fēng)速同上，改變進(jìn)風(fēng)溫度，數(shù)值模擬結(jié)果如圖10．由圖10可知，交通洞的溫升或溫降曲線接近對數(shù)曲線，曲線斜率隨著進(jìn)深增加而減?。M(jìn)入交通洞的初始一段距離（1 000 m左右）斷面溫度變化曲線的斜率較大，交通洞對室外進(jìn)風(fēng)的調(diào)節(jié)作用較明顯，這段距離對室外進(jìn)風(fēng)起主要的調(diào)節(jié)作用．進(jìn)深超過1 000 m以后，交通洞對室外進(jìn)風(fēng)的調(diào)節(jié)作用已非常小，這種情況在入口空氣溫度接近壁溫時更為明顯．計算表明，室外進(jìn)風(fēng)溫度為 35 ℃時，交通洞前 1 000 m 對進(jìn)風(fēng)的溫降約10.5 ℃，而之后的1 000 ～ 2 000 m溫降僅不到2.5℃；當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為25 ℃時，交通洞前1 000 m的溫降約2.5 ℃，之后1 000 ～ 2000 m溫降僅為0.5 ℃．因此，關(guān)于地下水電站交通洞對室外進(jìn)風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)，并不是交通洞越長越好．工程設(shè)計階段，如果交通洞同時承擔(dān)運輸和對室外空氣的降溫作用，那么可以在滿足運輸需求的前提下，合理確定交通洞的長度，以此降低系統(tǒng)開挖初投資和實現(xiàn)交通洞降溫作用的最大化．

圖10 交通洞內(nèi)的空氣溫度變化曲線Fig.10 Temperature varies with time inside tunnel

4 結(jié)論

采用CFD數(shù)值模擬的方法，對北京十三陵水電站交通洞的通風(fēng)特性進(jìn)行了研究，預(yù)測了夏季工況下交通洞對室外進(jìn)風(fēng)的動態(tài)調(diào)節(jié)效果，并分析了交通洞長度對換熱效果的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 在夏季空調(diào)設(shè)計計算工況下，十三陵水電站交通洞對室外進(jìn)風(fēng)可實現(xiàn) 9 ℃溫降，最大具有386 kW供冷潛力，整個空調(diào)季節(jié)預(yù)計節(jié)省約7.57萬kWh空調(diào)用電量，節(jié)能潛力巨大，是較好的天然冷源．

(2) 交通洞對室外進(jìn)風(fēng)有著較好的調(diào)節(jié)作用，隨著交通洞進(jìn)深的增加，洞內(nèi)空氣溫度波的振幅逐漸減小，交通洞末端的空氣溫度最穩(wěn)定．

(3) 交通洞長度超過一定距離以后，洞內(nèi)空氣溫度的變化已相當(dāng)小，進(jìn)深的進(jìn)一步增加對進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)效果并不顯著，對于十三陵水電站，交通洞對室外進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)的有效長度在1 000 m左右．因此，在交通洞設(shè)計階段，可以在滿足運輸需求的前提下，結(jié)合交通洞的節(jié)能效果和初投資等因素，合理確定交通洞的長度．

(4) 數(shù)值模擬預(yù)測得到了交通洞在夏季工況的逐時供冷量及節(jié)能效果，可為水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和運行調(diào)節(jié)提供理論參考．

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