寒冷地区夏季抽水蓄能电站地下厂房温湿度分布特性研究

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0 引言

随着全球能源结构转型的深入推进和“碳中和”目标的提出，清洁能源的开发利用正成为世界各国能源发展的主要方向[1]。在此背景下，抽水蓄能电站因其在电网调峰、频率调节和备用容量等方面的独特优势，近年来得到了快速发展[2]。“十四五”期间国家规划新建装机规模超过 60GW，以满足快速增长的可再生能源接入需求，并进一步提升电力系统的灵活性和安全性[3]。

地下厂房作为电站的核心部分，其内部运行 质结构及设备运行热量的多重影响[4]。与温暖地区相比，寒冷地区电站的运行环境更为复杂， 尤其是 运行效率下降、维护成本增加，还可能加剧设备老化和金属腐蚀，甚至影响 问题，国内外学者进行了大量研究工作。在理论计算上， 温度作为控制电站通风空调系统运行方案 行方案。在数值计算上，董蕾[7]对厄瓜多 风系统的最佳送风速度。 厂房热湿环境存在问题的理论分析，提出了针对 厂房，但随着抽水蓄能电站规模和 已成为工程技术领域的一项重要挑战。

基于上述内容，本文以山西浑源抽水蓄能电站为研究对象，通过数值模拟与理论分析相结合的方法，系统研究了夏季不同送风条件下地下厂房的温湿度分布规律及其主要影响因素，旨在为寒冷地区抽水蓄能电站的建设和运行提供科学依据与技术指导。同时，本研究的成果对于提升寒冷地区抽水蓄能电站的安全性、可靠性和环境适应性具有一定意义。

1 物理模型及计算方法

1.1 几何模型与计算工况

为了更精确计算主厂房各层的温度及湿度分布，分别建立了主厂房各层模型，具体模型如图1 所示。

为更充分研究夏季不同送风状态对主厂房工作区域及排风温湿度的影响，设置了不同的送风温度、送风相对湿度及不同送风量，并进行了数值模拟，具体工况如表1所示。山西浑源抽水蓄能电站属于寒冷地区，未加装空调装置，通风洞通往主厂房的风未经过组空处理，主厂房夏季的送风温湿度为通风洞内除湿机除湿后的温湿度。

能量方程：

Fluent 计算模型采用 k-epsilon 模型，速度和压力的耦合采用 simple 算法，各方程的离散均采用二阶迎风格式。空气流动的入口采用velocity-inlet，速度值、温度值根据工况设置；空气的出口采用 velocity-inlet，将速度值设为负值；主厂房壁面温度根据工况设置；主厂房壁面材料设为 calcium-carbonate （CaCO3）。

对主厂房各层计算模型进行网格划分，出口和入口网格尺寸设置为 0.05m，其他区域网格尺寸为 0.1m。网格结构如图 2 所示，整体网格质量良好，生成的网格总数量为1400 万

2 结果与讨论

2.1 第一组工况结果

第一组工况主厂房各层工作面的平均速度、平均温度和平均相对湿度计算结果如表2 所示。表 2 第一组工况主厂房各层工作面计算结果

由于送风相对湿度为90%时，主厂房发电机层工作面平均相对湿度不符合规范要求，在第一组工况的基础上，现设通风洞除湿到85%，主厂房送风相对湿度为85%。主厂房各层工作面的平均速度、平均温度和平均相对湿度计算结果如表3所示。表3 第二组工况主厂房各层工作面的计算结果

（a）发电机层

（d）蜗壳层

图3 工况 5 速度云图

随着送风温度的减小，主厂房各层工作面的平均温度减小。工况1送风温度为19.6℃时，母线层工作面平均温度超出规定范围（≤30℃），因此在送风量为260000m3/h，送风温度应低于19℃。工况5主厂房各层模拟结果的温度分布云图如图4所示，由于散热设备的发热量较高，散热设备附近的温度较高。

（a） 发电机层（b） 母线层（c） 蜗壳层

图4 工况 5 温度云图

该组工况各工作面的相对湿度均满足设计要求（≤75%）。工况5主厂房各层模拟结果的湿度分布云图如图5所示，地下厂房内的相对湿度整体较低，主要是因为设备的散热量较大，空气的温升较大。主厂房各层在靠近壁面处湿度较高，散热设备附近的相对湿度较低，这是因为壁面处温度较低，散热设备附近温度较高。随着送风温度的升高，主厂房各层工作面的平均相对湿度降低。

随着风量的减小，主厂房各层的相对湿度减小，这是因为新风量减小后，进入主厂房的水分也减少了。工况7发电机层工作面相对湿度为81.5%，超出规定范围（≤75%），因此在送风量为240000m3/h左右、送风温度17.5℃左右时，相对湿度应控制在90%以下。工况8和工况9各工作面的相对湿度均满足设计要求（≤75%）。

3 结论

（1）在实际运行中，适当降低送风相对湿度至85%及以下，并将送风温度控制在17.5℃左右，可有效避免湿度超标，同时保持较高的运行效率。进一步优化通风系统设计，发电机层温湿度较为稳定，重点关注母线层的降温及蜗壳层和水轮机层的湿度控制，必要时可引入局部冷却或增强除湿措施，以提升厂房整体环境适应性。

（2）主厂房各工作面的风速在大多数工况下均满足设计规范要求（0.2＼～0.8 m/s），但在风量较低的情况下（工况9），部分区域风速超出规范范围。研究表明，合理控制送风量是保证厂房内气流均匀分布的关键。

（3）温度分布受送风温度和风量的影响。在送风温度较高（≥19.6℃）和风量不足（低于137000 m³/h）的条件下，母线层工作面的平均温度超出规范要求（≤30℃），可能影响设备性能及运行安全。发电机层、水轮机层和蜗壳层的温度变化相对较小，但仍需优化送风策略以提升整体散热效果。

（4）当送风相对湿度为90%时，发电机层工作面平均相对湿度超出规范要求，蜗壳层与水轮机层工作面平均温度符合规范要求，只有楼梯处小面积超湿。由于母线层热源温度高，相对湿度处于合理范围。

[1] 卢天翔.碳中和目标下的能源经济转型路径研究[J].质量与市场， 2024， （09）： 60-62[2] 陈海龙.抽水蓄能电站机组安装调试 的关键技术问题探讨[J].中国战略新[3] 国家能源局.《电力发展“十三五”规划》正式发布[J].能源研究与利用， 2016， （06）： 8.

[4] 全风云.改善抽水蓄能电站地下厂房温湿度环境的研究[C]//中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集 2014.湖北白莲河抽水蓄能有限公司， 2014： 4.

[5] 施晨，胡代清，衣传宝，等.抽蓄电站地下厂房全厂温湿度分布规律的数值计算研究[J].水力发电， 2019， 45（03）： 104-109.

[6] 叶芷言，李建秋，肖益民.抽水蓄能电站地下主厂房通风空调运行优化[J].建筑热能通风空调， 2021， 40（12）： 71-75.

[7] 董蕾.厄瓜多尔 CCS 水电站发电机层气流组织及特殊运行工况模拟[D].西安建筑科技大学， 2014.

[8] 陈极，罗禄堂，张文波，等.某水电站地下厂房热湿环境测试与分析[J].制冷与空调（四川）， 2024， 38（05）： 649-654+714

作者简介

刘慧强，（1995-），男，硕士，工程师，主要从事抽水蓄能电站暖通设计工作。 刘存，（1983-），男，硕士，正高级工程师，主要从事抽水蓄能电站安全、消防及通风空调设计工作。 王学志，（1999-），男，本科，研究生。 付哲，（1999-），男，本科，研究生。 郑万通，（1999-），男，本科，研究生。 徐荣吉，（1981-），男，博士，教授。