水電行業暖通空調技術的發展相對來說滯后于工民建行業，但隨著水電建設事業的發展，水電暖通空調專業的技術水平亦得到了很大的發展和提高。從20世紀70年代開始，為滿足我國水電建設發展的需要，在水電暖通方面開展了大規模的調研工作，摸索總結出了一批符合水電站的規律、特點的暖通空調設計經驗，編制出我國自己的水電暖通空調設計的規程、規范及手冊。在此基礎上，設計了一大批符合水電站特點、通風效果良好、工作環境適宜的水電暖通空調系統和裝置，積累了許多成功的經驗。如利用大壩大體積混凝土的巨大蓄放熱特性，通過大壩廊道、地下電站的交通廊道對室外新鮮空氣進行降溫去濕處理，利用壩前深層低溫水庫水對送風進行一級預冷或噴淋降溫，利用無壓尾水洞引入室外空氣等節能降溫措施，以及高大廠房的分層空調、高窗廠房的自然通風，利用水輪發電機余熱作為冬季供暖的熱源等，均成為后來工程設計的借鑒范例。

一般水電站從暖通空調技術的角度來看具有以下特點：

1)熱、濕區分明，即布置電氣設備部位的發熱量大，布置水處理設備的部位以及廠房的水下部位產濕量大；

2)可以根據實際情況合理利用水庫深層冷水、廊道風、無壓尾水洞等天然冷源；

3)主廠房發電機層空間大而實際工作區空間??；

4)廠房大、部位多、而運行管理人員卻很少，且均集中在中控室、電算室、通訊室及單元控制室等部位；

5)可利用電氣設備損耗發熱作為冬季供暖的熱源；

6)施工期長，通風空調系統要滿足機組分期投產的需要。

在水電站的通風空調設計中，采用從尾水隧洞或壩體廊道取風，使空氣經過簡單的天然冷卻處理，然后送入廠房內，對廠房內的降溫去濕具有一定的作用。同時，其節能效果顯著，可節省30%～80%的空調能耗，節省設備費用。這一點在實際工程運行以及傳統設計計算中已經得到了證實。然而，傳統的設計計算多以經驗為主，缺少理論設計依據，并存在無法實現系統換熱動態變化計算的不足之處。本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，對水電站壩體廊道取風的溫降效應進行動態數值模擬分析，用以為水電站通風空調設計提供一種行之有效的新方法。

本文選擇了已有傳統設計計算和實測數據的漫灣水電站（位于云南省臨滄地區云縣與思茅地區景東縣的交界處）作為研究對象，主要是為了將ANSYS數值模擬結果與設計計算結果及實測數據相比較，驗證ANSYS數值模擬這一方法的可靠性。

2.1.1 溫度場的分析結果

壩體廊道位于混凝土重力壩中?；炷翂翁幱谕饨绱髿?、山體巖石和水庫水的包圍之中。壩體同時受到不確定溫度場和穩定溫度場的影響。這里僅列出溫度場分析的結論。

對混凝土重力壩不穩定溫度場的分析結果表明：對于大體積混凝土壩的溫度場，在壩體外部與水和空氣的接觸面上，溫度波以周期性簡諧波的形式向壩體深部傳遞。當深度達到10 m時，溫度波幅可以忽略不計。與庫水或空氣接觸的壩體表面10 m進深范圍為不穩定溫度場。而夾在年平均水溫和年平均氣溫界面中間的壩體，可視為穩定溫度場，與漫灣通風有關的壩體廊道均處在穩定溫度場內，這是本文要重點研究討論的廊道通風溫降效應的部位。

對混凝土重力壩穩定溫度場的分析計算結果表明：壩體中部的溫度場基本在15～20℃之間。

2.1.2 壩體廊道溫降理論計算結果

空氣與壩體廊道壁的換熱，按不穩定傳熱計算。

計算方程式為

K_τ (t_x－t_r)sdx+crvfdt_x=0   (1)

運算整理后得

t_x= t_r+(t_h－t_r)e^{-(KτF)/(crG)}   (2)

式(1)，(2)中t_x ——壩體廊道末端氣溫，℃；

    t_h——室外氣溫，30℃（夏季通風溫度）；

    t_r——壩體廊道通風前壁面溫度，19℃（年平均溫度）；

    c——空氣比熱容，1 kJ/(kg·℃)；

    F——廊道內壁換熱面積，5 000 m²；

    r——空氣密度，1. 105 kg/m³；

    K_τ——不穩定傳熱系數，17. 05 kJ/ (m²·h·℃)；

    G——通風量，100 000 m³/h。

  最終算得t_x=24.1℃。

1995年5～8月對漫灣水電站壩體廊道通風作了現場測定，整理結果見表1。

表1 壩體廊道通風實測數據

	項目	5月	6月	7月	8月
室外空氣	溫度/℃ 相對濕度/% 露點溫度/℃	34.6 33 17.2	25.6(雨) 75 21.6	30.5 57 21.0	31.5 52 20.5
壩廊出風口	溫度/℃ 相對濕度/% 露點溫度/℃	23.6 77 19.0	22.8 95 21.9	22.6 93 21.3	23.0 88 21.0
通風量/(萬 m3/h)		40	40	40	40
降溫量/℃		11	2.8	7.9	8.5
水庫水位/m		985	985	985	985

漫灣水電站壩體廊道屬無限長地下深埋拱形斷面工程，取廊道長為100 m，其橫斷面的尺寸如圖1所示。

圖1 壩體廊道橫斷面示意圖

本文所研究的壩體廊道（巖壁）屬于三維空間問題，根據軸對稱原理，在ANSYS建模過程中只需建立1/2的壩體廊道幾何模型（關于y軸對稱），其斷面設置為絕熱面。對于廊道內的流體（即空氣），其平均溫度是研究的重點，因此在本課題的模擬中將空氣簡化為一維的空氣線。

在本文的模擬過程中，分別創建了10 m，20 m，50 m三種不同厚度巖壁的實體模型。在此只給出幾何模型的示意圖，見圖2，3。

圖2 壩體廊道實體模型               圖3 壩體廊道幾何模型

參考地道風的應用：地道風一般只用于夏季降溫，因此，本文主要對漫灣水電站壩體廊道取風的夏季工況進行數值模擬分析計算。為了在有限時間內模擬并比較多種不同厚度(10 m，20 m，50 m)巖壁作用下的溫降效應，本文僅模擬流體（空氣）在1天之內與巖壁進行換熱所產生的變化。24 h波動的室外氣溫由夏季空調室外計算逐時溫度來確定^[5]。

τ時刻的室外氣溫計算式為

t_w·τ =t_{w· p}+(t_w·max－t_w·p)cos(15τ－225) (3)

式中t_{w· p} ——夏季空調室外計算日平均溫度，30℃；

t_w·max－t_w·p ——設計日室外氣溫波動波幅，(30～35.4℃)。

由上式算得的波動的室外氣溫，將作為表格化邊界條件加載，可使用表格編輯器定義APDL(ANSYS parametric design language)表格。最終生成的APDL表格載荷的曲線如圖4所示。

圖4 APDL表格載荷的曲線

將10 m，20 m，50 m三種不同厚度工況下，以各個節點的坐標值為橫坐標，溫度值為縱坐標，將空氣線模型上的節點溫度值繪制在同一張圖中（見圖5），比較圖中的三條曲線，可以直觀地看出不同巖壁厚度對系統（空氣與巖壁）換熱的影響。

圖5 24 h不同厚度影響下FLUID116上節點的溫度曲線

橫向比較各對應結點的溫度值，會發現：在相同求解時間內，不同的巖壁厚度對空氣出口溫度的影響并不大。三種工況的空氣出口溫度分別為23. 5，23.1和23.3℃。

求解完成后，使用時間歷程后處理器 (POST26)查看溫度隨時間變化的情況。定義空氣入口與出口的兩個節點(Nodal DOF result)分別為需要繪制曲線的變量，將這兩個節點溫度隨時間的變化規律曲線繪制在同一張曲線圖中，入口節點溫度與出口節點溫度的差值即為空氣的溫降。從而在溫度隨時間變化的曲線圖中，可以清晰地觀察到空氣在整個換熱過程中的溫降效應。24 h溫度隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 巖壁厚度為10 m時空氣入、出口溫度隨時間變化曲線

由圖6可以直觀地觀察到，當給空氣入口以及廊道入口端面溫度施加正弦溫度曲線邊界條件時，廊道內空氣的溫降是隨外界氣溫的變化而變化的，基本上呈正弦規律變化。當室外氣溫較高時，廊道內空氣溫降也較大；當室外氣溫較低時，廊道內空氣溫降也隨之變小。在54 000 s的時候，室外氣溫達到最高35.4℃，此時廊道內空氣溫降達8.6℃，為最大溫降；然而此時廊道內的氣溫為26.8℃，由圖6可以觀察到，此時的溫度并不是廊道內空氣的最低溫度，此時如果不開制冷機，廠房內送風溫度有可能偏高。在進口氣溫最低時也有約3℃的溫降，總體來講，廊道內空氣的溫降效果還是令人滿意的，可以節約大量的人工制冷能耗。計算結果也表明，數值動態模擬是可行的。

由上述模擬可以看出，使用大型通用有限元分析軟件ANSYS對水電站壩體廊道引風的溫降效應進行動態數值模擬是有效可行的。通過模擬不同厚度的巖壁對系統換熱的影響得出結論：不同巖壁厚度對空氣出口溫度的影響很小，由于壩體廊道位于山體之中，具體厚度不易測量，建議在實際的模擬計算中，取運算較為簡便的10 m厚巖壁進行建模。

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