基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算

袁滌非　吳涵　范元亮　顧錦書

摘要：導(dǎo)熱輻射數(shù)值離散角度區(qū)域劃分混亂，導(dǎo)致儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比過高。計算基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值，建立儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡方程組，并分割網(wǎng)格的積分區(qū)域，計算預(yù)制艙艙內(nèi)綜合導(dǎo)熱系數(shù);重新劃分導(dǎo)熱輻射數(shù)值離散角度區(qū)域，構(gòu)建熱電耦合預(yù)制艙熱負(fù)荷算法，完成預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：共軛梯度計算方法的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比最小為250 kW/h，廣義最小殘量的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比下降到最小為298 kW/h;基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算，儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比最小為150 kW/h。

關(guān)鍵詞：熱電;耦合模型;儲能電站;預(yù)制艙;熱環(huán)境;數(shù)值

中圖分類號：TB126

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0163-06

Numerical calculation of thermal environment in prefabricated cabin of energy storage power station based on thermoelectric coupling model

YUAN Difei WU Han FAN Yuanliang GU Jinshu

（1. Nanjing SAC Power Grid Automation Co.， Ltd.， Nanjing 211153， China;

2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute， Fuzhou 350007， China; 3. Fujian Provincial

Enterprise Key Laboratory of High Reliable Electric Power Distribution Technology， Fuzhou 350007， China

）

Abstract：The numerical dispersion angle and regional division of heat conduction radiation are chaotic， which leads to the high energy consumption ratio of ventilation and cooling in the prefabricated cabin of energy storage power station. Calculate the thermal environment in the prefabricated cabin of the energy storage power station based on the thermoelectric coupling model， establish the heat balance equations in the prefabricated cabin of the energy storage power station， divide the integral region of the grid， and calculate the comprehensive thermal conductivity in the prefabricated cabin; The numerical discrete angle area of heat conduction radiation is re-divided， the thermal load algorithm of thermoelectric coupling prefabricated cabin is constructed， and the numerical calculation of thermal environment in prefabricated cabin is completed. The experimental results show that the minimum ventilation and cooling energy consumption ratio in the prefabricated cabin of the energy storage power station based on the conjugate gradient calculation method is 250 kW/h， and the minimum ventilation and cooling energy consumption ratio in the prefabricated cabin of the generalized minimum residue energy storage power station is 298 kW/h; The numerical calculation of thermal environment in the prefabricated cabin of energy storage power station based on thermoelectric coupling model shows that the minimum energy consumption ratio of ventilation and cooling in the prefabricated cabin of energy storage power station is 150 kW/h.

Key words：thermoelectricity; coupling model; energy storage power station; prefabricated cabin; thermal environment; numerical value

電力調(diào)度與控制需要電站予以調(diào)配，因此變電站的建設(shè)規(guī)模正在逐漸擴(kuò)大。與此同時，熱負(fù)荷也為變電站帶來了新的危機(jī)，高能耗提高了電站的運(yùn)營成本[1]。由于電力設(shè)備在運(yùn)行過程中會發(fā)熱，且外部大氣環(huán)境與太陽輻射熱對流滲透，造成電力設(shè)備發(fā)熱[2]。儲能電站預(yù)制艙主要用于保護(hù)電力二次設(shè)備，因此儲能電站預(yù)制艙對電力系統(tǒng)重要[3]。順應(yīng)智慧城市建設(shè)思路可以發(fā)現(xiàn)，使用預(yù)制艙式二次設(shè)備能夠提高艙體保溫功能[4]。因此，儲能電站預(yù)制艙的構(gòu)成材料要具備隔熱性能，通過熱橋結(jié)構(gòu)控制艙內(nèi)空氣流場。根據(jù)溫度場分布特性確定內(nèi)流場的范圍[5]。

大部分儲能電站的空間載體范圍是固定的，這意味著聯(lián)動協(xié)同的能量密度過高[6]。通過研究多維傳熱結(jié)構(gòu)朝向，能夠得到儲能電站的熱源面積和出風(fēng)口位置，根據(jù)儲能電站的豎向布置平面，計算艙內(nèi)溫度衰減情況[7]。由此確定儲能電站預(yù)制艙的非穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)構(gòu)，根據(jù)多參數(shù)耦合分析結(jié)構(gòu)傳遞內(nèi)容，從而計算儲能電站預(yù)制艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值。.

有學(xué)者研究：利用智能輔助設(shè)施管理智能互動終端，控制毫秒級響應(yīng)周期，測量高峰期供電壓力，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)可再生能源，就地消納水平分析局部電網(wǎng)供電能力，并調(diào)高局部電網(wǎng)削峰填谷的能力[8];通過開發(fā)電廠熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模仿真軟件，建立熱力系統(tǒng)常用設(shè)備的泛化通用型部件，通過泛化建模構(gòu)建熱力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電耦合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)熱點(diǎn)機(jī)組的衍生工況[9];設(shè)計電池預(yù)制艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測策略，根據(jù)啟動控制策略計算第一報警閾值，并通過控制預(yù)制艙內(nèi)溫度，獲知電池失效的時延[10]。鑒對此，本文研究基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算，確定電網(wǎng)參數(shù)耦合值域，以此為基礎(chǔ)劃分多維熱力諧波衰減倍數(shù)，并分層識別預(yù)制艙結(jié)構(gòu)溫度，利用太陽輻射吸收系數(shù)計算儲能電站預(yù)制艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值。

2基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算設(shè)計

2.1建立儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡方程組

為計算預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值，先要確定預(yù)制艙區(qū)域內(nèi)的有限個離散點(diǎn)，通過連續(xù)空間的離散點(diǎn)代替，建立儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡方程組。

計算儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)的熱環(huán)境面積，并分割網(wǎng)格的積分區(qū)域[11]?？刂茻崞胶夥匠痰奈⒎中问?，計算得到熱電耦合模型的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：

式中：預(yù)制艙艙內(nèi)的廣義源項單位體積可表達(dá)為S;控制熱平衡擴(kuò)散的變量為φ;預(yù)制艙艙內(nèi)的定壓比熱為x。根據(jù)擴(kuò)散項的大小重新確定擴(kuò)散系數(shù)，并由此計算預(yù)制艙艙內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)熱平衡離散：

式中：n為在預(yù)制艙艙內(nèi)控制體單元P的面數(shù);ΔV為預(yù)制艙艙內(nèi)控制體單元的體積;D為熱平衡擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量;S為擴(kuò)散項D對應(yīng)的單位體積。利用二次擴(kuò)散項D和基本擴(kuò)散項D，重新對預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡擴(kuò)散系數(shù)做切割表達(dá)處理：

2.2計算預(yù)制艙艙內(nèi)綜合導(dǎo)熱系數(shù)

通過預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡方程組，確定預(yù)制艙艙內(nèi)熱平衡矢量投影的面積，利用公用面積與投影的和，完成預(yù)制艙艙內(nèi)綜合導(dǎo)熱系數(shù)的計算。

在預(yù)制艙艙內(nèi)傳遞的熱量屬于結(jié)構(gòu)傳熱的一種，因此要先計算導(dǎo)熱輻射數(shù)值離散角度區(qū)域[12]。在區(qū)域內(nèi)確定有限數(shù)量的控制體參數(shù)，將中心點(diǎn)參數(shù)相等的控制體劃分為不同的離散單元區(qū)域[13]。設(shè)預(yù)制艙內(nèi)的綜合導(dǎo)熱空間離散的立體角有m個，則離散的方向矢量為L，據(jù)此計算方向矢量的立體角：

式中：預(yù)制艙內(nèi)的綜合導(dǎo)熱空間離散的立體角分別為θ和φ;θ為立體角的方向矢量;Δθ/2為綜合導(dǎo)熱空間離散立體角的一半。根據(jù)方向矢量的立體角確定單位向量的輻射方向和位置向量，利用吸收系數(shù)和散射系數(shù)確定介質(zhì)單位的基礎(chǔ)向量[14]。已知熱傳輸?shù)姆较蚺c傳輸距離相關(guān)，為了確定輻射強(qiáng)度變化量大小，要剔除內(nèi)部介質(zhì)和外散射減少量對內(nèi)部氣體的影響[15]。從散射增量的來源方向確定輻射強(qiáng)度I，由此確定熱輻射傳輸?shù)倪吔鐥l件：

式中：預(yù)制艙內(nèi)的綜合導(dǎo)熱空間的位置向量為r→;綜合導(dǎo)熱空間源項函數(shù)為SR;導(dǎo)熱空間內(nèi)的灰體介質(zhì)輻射輸送量為β。利用熱輻射傳輸?shù)倪吔鐥l件確定預(yù)制艙艙內(nèi)綜合導(dǎo)熱范圍：

2.3構(gòu)建熱電耦合預(yù)制艙熱負(fù)荷算法

通過預(yù)制艙艙內(nèi)綜合導(dǎo)熱系數(shù)，計算綜合導(dǎo)熱的源匯項常數(shù)。為保證預(yù)制艙艙內(nèi)的介質(zhì)溫度恒定，需要計算熱電耦合熱傳輸擴(kuò)散的空間區(qū)域[17]。利用熱電耦合控制熱傳輸網(wǎng)格化的角度區(qū)域，得到儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)的無量綱熱流分布規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)儲能電站預(yù)制艙無量綱熱流分布規(guī)律，計算儲能電站熱流分布強(qiáng)度[18]。得到熱電耦合預(yù)制艙熱負(fù)荷的計算公式：

2.4完成預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算

通過熱電耦合預(yù)制艙熱負(fù)荷及綜合導(dǎo)熱系數(shù)，依次設(shè)置儲能電站導(dǎo)熱系數(shù)順序?yàn)椋é?，λ，…，λ），根?jù)艙內(nèi)外溫度對艙內(nèi)中間分界，通過穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱確定預(yù)制艙復(fù)合墻體的范圍，得到預(yù)制艙艙內(nèi)單層平壁的傳熱速率：

3實(shí)例分析

為驗(yàn)證熱環(huán)境數(shù)值計算對儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)通風(fēng)冷卻的能耗影響，以熱環(huán)境數(shù)值的計算結(jié)果為邊界條件，對比廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算在儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比的大小。

3.1構(gòu)建儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱性能仿真模型

利用平臺運(yùn)行的Python程序做可嵌入性修改， 針對儲能電站預(yù)制艙內(nèi)的環(huán)境作出預(yù)測反饋，并在原有的環(huán)境基礎(chǔ)上增加熱性能仿真功能。通過計算熱環(huán)境數(shù)值提取預(yù)制艙動力，提取周期設(shè)計時間補(bǔ)償，以及倉內(nèi)外溫度的參數(shù)計算儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)制冷送風(fēng)參數(shù)。以熱環(huán)境數(shù)值為邊界條件控制儲能電站模擬結(jié)果，從中篩選出儲能電站溫度最高的機(jī)柜，并根據(jù)控制狀態(tài)切換設(shè)備安全運(yùn)行的溫度范圍，通過最大可調(diào)溫度計算熱平衡數(shù)值反饋情況，分配末端實(shí)現(xiàn)冷量所需的最高反饋數(shù)據(jù)。以最大可調(diào)溫度為限分配調(diào)控數(shù)據(jù)，并按照各機(jī)柜的輸出功率分配風(fēng)道冷量。

3.2建立艙內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化控制平臺

通過熱性能仿真模型建立智能優(yōu)化控制平臺，根據(jù)艙內(nèi)熱環(huán)境信息流控制艙內(nèi)熱環(huán)境，同時授予運(yùn)維人員指令權(quán)限。利用反饋給終端設(shè)備的數(shù)據(jù)分析決策后控制指令的信息，據(jù)此配置網(wǎng)關(guān)接收終端設(shè)備。根據(jù)控制器反饋回來的信息確定儲能電站預(yù)制艙設(shè)備的指令內(nèi)容，并以此作為指令信息控制風(fēng)機(jī)開關(guān)，完成對空調(diào)的調(diào)控。設(shè)計得到儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)環(huán)境，具體如圖3所示。

由圖3可以看出，圖3中的（2）、（3）、（4）、（5）為儲能電站預(yù)制艙內(nèi)機(jī)械制冷的空調(diào);（7）為儲能供電站預(yù)制艙內(nèi)的風(fēng)機(jī)及進(jìn)風(fēng)口;（6）為儲能電站預(yù)制艙相連的主風(fēng)道;（8）為儲能電站預(yù)制艙與活動空間相連接的空氣箱。當(dāng)空氣箱內(nèi)與主風(fēng)道內(nèi)的冷量保持一致時，此時儲能電站熱性能控制平臺自動開啟電磁閥門;當(dāng)冷量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，通風(fēng)冷卻空調(diào)關(guān)閉，避免主風(fēng)道中存在空氣箱的冷氣。（8）中含有多個平行排列的葉片，通過活動地架與固定轉(zhuǎn)軸相連接，利用艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值推算活動地板的張開角度，進(jìn)而計算出儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)出風(fēng)面積。

3.3計算儲能電站預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度

根據(jù)儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用熱平衡程序及熱環(huán)境數(shù)值求解平衡參數(shù)。篩選并分析結(jié)果數(shù)據(jù)，為了能夠準(zhǔn)確測得儲能電站預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度，需要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定環(huán)境測試時段，對根據(jù)熱環(huán)境數(shù)值設(shè)計的儲能電站預(yù)制艙做系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。

以24 h為儲能電站預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度狀態(tài)變化的周期，測得模擬運(yùn)行系統(tǒng)的艙內(nèi)環(huán)境溫度曲線，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度曲線一直處于29 ℃以下，通過平衡參數(shù)控制熱環(huán)境數(shù)值，使之達(dá)到熱環(huán)境預(yù)定時間，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分別計算廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比：

3.4結(jié)果分析

對比廣義最小殘量、共軛梯度計算與基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，共軛梯度計算方法的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗隨著艙內(nèi)環(huán)境溫度上升而下降，在環(huán)境溫度上升的前半段，其能耗下降較為緩慢;在環(huán)境溫度上升的后半段，共軛梯度計算方法的能耗出現(xiàn)大幅度下降，共軛梯度計算方法的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗最小為250 kW/h。

廣義最小殘量的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗，隨著溫度升高，其相鄰溫度區(qū)間的能耗之差越來越小，儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗始終處于400 kW/h以下，較共軛梯度計算方法低。當(dāng)溫度上升到24 ℃時，廣義最小殘量的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗下降到最小為298 kW/h，較共軛梯度計算大。

基于熱電耦合模型的儲能電站預(yù)制艙艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算方法，其儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗最大為300 kW/h，最小為150 kW/h。

由此可見，以熱環(huán)境數(shù)值的計算結(jié)果為邊界條件設(shè)置的儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比最小，更適用于儲能電站預(yù)制艙的工程建設(shè)。

4結(jié)語

本文研究降低了儲能電站預(yù)制艙中通風(fēng)冷卻能耗比，確定了熱電耦合熱傳輸擴(kuò)散的空間區(qū)域。今后應(yīng)繼續(xù)研究預(yù)制艙熱仿真模型，通過計算流場速度均值與區(qū)域溫度，判斷艙內(nèi)熱環(huán)境的不均勻性，并對電力裝備的冷量輸配問題做研究。

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