深圳新能电力开发设计院有限公司
摘要：通过优化配电房通风布置，采用“有限元”分析、计算及仿真模拟，利用配电房内外温度差造成的风压，促使空气流动，达到通风换气的效果。计算表明采用自然通风方式，能够满足配电房的散热要求，故取消强排风装置，可实现环保节约、简单实用。
关键词：配电房自然通风； 降温设计；烟囱效应
1 设计计算依据
1)《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003；
2) 《电力变压器 第1部分：总则》GB1094.1-2013
3) 采暖通风空调实用设计手册. 陆耀庆编；
4) 变压器设备资料、建筑条件图等。
2 气象参数
地点：广东深圳；
夏季大气压力：1002.4 hpa；
冬季大气压力：1016.6 hpa；
夏季通风室外温度：31.2℃；
冬季通风室外温度：14.9℃。
3 计算、校核对象
变压器房自然通风应用情况评价。计算给定的建筑、变压器形式条件下，变压器房门窗自然通风是否满足设备运行要求、理论排风温度及排风窗最低标高。
4 自然通风计算程序
4.1自然通风原理
自然通风是指利用厂房内外空气密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气，充分、合理利用自然通风是一种经济节能的措施。
如果建筑物外墙上的门窗孔洞两侧由于热压和风压造成压力差△P，空气就会经门窗孔洞进入室内，空气流经门窗孔洞时的阻力等于孔洞内外的压差△P，即：
4.2热压作用下的自然通风
总压差的计算
当室内外空气温度不同时，在车间的进、排风孔上将造成一定的压力差。进排风窗孔压力差的综合称为总压力差。
图4-3压差沿车间高度的变化
中和面
中和面的位置直接影响进排风口内外压差的大小，影响进排风量的大小。根据空气平衡，车间的自然进风量等于自然排风量。
自然通风只考虑车间热压作用，不考虑外界风压，自然通风设计或校核的任务是核算通风量，开窗孔位置、面积、组织有效的气流运动。
5 配电房建筑条件
5.1二层电房
配电站为二层结构，一、二层高分别为4.4、4.5m。配电站室内高于室外0.3m。一层布置有两台1250kVA变压器及5个高压柜。二层布置有5个高压柜、5个低压柜。一层的变压器间房间尺寸为LxW=6.8x5.8m。
进风口：建筑专业在变压器间正面设计了百叶大门，规格WxH=2x2.5m，面积5m2，门中心高1.25m。变压器间背面及侧墙底部还设置了3条百叶窗，规格各为WxH=2.4x0.6m，窗中心高0.6m。进风口总面积为Fj=5+2.4x0.6x3=9.3m2。进风口中心加权平均中心标高0.95m。
排风口：建筑专业在变压器间正面、侧面、背面墙二层梁下设了排风百叶，共5条，每条规格WxH=2.4x0.6m，窗中心高3.6m，则排风口总面积为Fp=2.4x0.6x3=7.2m2。排风口中心加权平均中心标高3.6m。
图5-5二层标准电房建筑立面图
图5-7二层标准电房建筑立面图（二）
自然通风条件下，室外冷风从进口大门百叶进入室内，吸收设备散热后膨胀上升，在房间上部压力大于室外空气，室内热空气通过百叶窗排出。
6 自然通风的计算校核
6.1变压器发热量的确定
变压器或配电柜的散热是自然通风的动力。根据设备单位提资，对S13型油浸式、SG（B）11型干式、SG（B）11型干式，630kVA及1250kVA两种容量变压器损耗数据统计如下表，可见同容量下，SG（B）11型干式电力变压器损耗最大，即散热最大，本篇即以其数据作为计算、校核依据。
根据设计规程及设备性能要求，配电房排风温度不超过45℃，进、排风温差不超过15℃。
假定排风温度比室外温度高12℃，即为31.2+12=43.2℃。则为保证排风温度不超过43.2℃，理论需排风量为：
；
同样，在排风温度为43.2℃时，理论排风量5.66kg/s，大于理论需求量2.97kg/s。即排风温度不会超过43.2℃。
6.31250kVA二层电房排风温度
根据6.5节计算结果可知，在假定进排风温差12℃条件下，额定工况理论排风量为理论需求量的1.9倍左右，为求实际运行条件下的排风温度，暂假定排风温差为6.8℃，即排风温度为31.2+6.8=38℃。
则理论需排风量为：
从计算结果可知，假定排风温度为38℃时，理论排风量为3.68kg/s，稍小于理论需求量3.83kg/s。即理论排风温度稍将高于38℃。如要求得理论排风温度，可进一步用假定-趋近计算方法，在假定的排风温度下，排风量与实际需求量越接近，假定的排风温度越趋近于理论排风温度。
根据本节计算结果，可推断两台1250KV变压器额定运行时理论排风温度在38-40℃之间，体积流量约11800m3/h，进排风温差低于15℃，排风温度小于45℃。
以上计算结果是基于室外无风、建筑门窗设置均匀、气流组织理想化情况下的理论计算。实际设计情况下，建议取在假定排风温度下，计算理论排风量不少于理论需求量2倍计算结果下的温度数据为实际运行目标数据。
结合本节理论计算结果，因此，两台1250kVA在二层电房变压器间夏季运行排风温度不会超过45℃。
考虑到变压器可120%过载，根据第6.5节计算结果。假定排风温度比室外温度高12℃，排风温度43.2℃，散热需排风量为2.97kg/s，理论计算排风量5.66kg/s，一般设备超负荷运行时间控制在2小时内，所以基本能保证进排风温差12℃。
结论：二层标准电房变压器间建筑自然通风条件基本满足两台1250kVA，SC（B）11型干式电力变压器要求的环境温度。
7 电房排风窗高度计算
从本篇第4.1及4.2节得到排风量为：
图7.1 一层电房通风计算模型简图
初算如下：
根据第6.2节计算结果，为满足排风温差不超过12℃，理论排风需求量为0.66kg/s，
根据公式7.1及7.2变换可得
结果分析：
从计算结果可知 仅为0.11米，即自进风百叶门中心向上0.11m处到到“中和界”，也就是室内外压差即为零，其上部为正压排风区，下部为负压进风区。则，自百叶大门中心向上0.11m处上部百叶门没有进风作用，对于通风反而有负作用，室外冷空气自下部进入后可能从百叶门上部短路排出。而计算是基于整个大门都是进风口为依据的。
综上，计算结果是基于室外无风、气流组织理想情况的理论值，且实际的进风面积只有大门的一半。所以进行复算。
复算如下：
联立上述三式求得：
即实际运行排风窗中心标高不低于2.3m。
根据公式7.1及7.2。在门窗面积、温度的情况下，排风量正比于排风压差的1/2次方，而热压差正比于h2，即排风口中心至中和界的高差。所以排风窗越高越有利于房间热空气的排出。为保证电房内1250kVA额定正常运行时候的温度环境，最低排风窗中心高度不低于2.3m。
结合进风百叶大门情况，如要保证其全部面积皆为有效进风口，排风窗标高还不应低于大门顶高，即不低于2.5m。
8 结论及建议
8.1 配电房通风适应性分析
根据前面计算条件，无风情况下，二层标准电房，安装2台SG（B）11型干式变压器，80%负荷率、满负荷运行时最热（环境温度31.2℃）时温升、以及温升10度时排气窗最低高度见表表8-3。
8.2 结论
由前计算可知，二层标准配电房变压器间自然通风条件基本满足两台1250kVA及以下变压器（干式变压器不考虑过负荷）运行环境温度要求；其中1250kVA变压器温升10度时排气窗最低中心高度为4.45，温升12度时排气窗最低中心高度为3.25。
自然通风有免维护、节约能源的优势，在有条件的配、变电所应优先采用。
8.3 建议
（1）根据“烟囱效应”的工作原理得知，烟囱内外温差形成的热压值与烟囱内外平均温差及进排风口的高度差成正比。烟囱越高，烟囱效应也越明显，为保证自然通风效果，进风窗位置应尽量低，排风窗位置尽量高；
（2）进排风窗的位置应避免气流断路，应能有效引导室外冷空气流经设备区后排出，减少死角；
（3）考虑到外界风压等不利因素影响，进出风口宜分散设计，即分布在不同的建筑立面，特别是排风口需回避夏季主导风向，当不能做到时，需在对侧或侧面增开出风口。
参考文献
[1]《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019；
[2]《电力变压器 第1部分：总则》GB1094.1
[3]《电力变压器选用导则》GB/T 17468；
[4]《干式电力变压器技术参数和要求》GB/T 10228；
[5]《油浸式电力变压器技术参数和要求》GB/T 6451
[6]《中国南方电网公司标准设计和典型造价V1.0》
[7]采暖通风空调实用设计手册. 陆耀庆编；
[8]变压器设备资料、建筑条件图等。
论文作者:吴夕发
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第8期
论文发表时间:2017/8/17
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