深埋地下式水电站热湿环境形成机理与节能调控

近年来我国的水电站建设处于高速发展期，地下式电站应用较多，对地下式水电站热湿环境调控的基础理论研究严重滞后。本项目力求解决水电站地下洞室群的热湿环境形成机理方面的理论问题。主要研究水电站地下洞室群热湿环境问题物理模型的建立方法；通过理论分析、数值模拟与模型实验、工程实测等手段，研究水电站地下洞室围护结构体的热湿传递、蓄存、释放机理，特别是非均匀物性场中的湿迁移机制及热量与湿量的耦合传递机制，并建立物理数学模型；研究非受控与受控条件下地下洞室群的热湿环境形成机理，建立洞室群网络的热量、湿量和质量传输模型和热湿环境模拟预测方法；基于地下洞室的热湿环境形成机理和模拟预测方法，研究水电站地下洞室群被动热湿调控能力的评价理论、指标体系和应用方法，形成充分利用被动调控能力的热湿环境调控系统设计与调节的理论和方法，为优化工程设计和运行调节提供科学支撑。

地下水电站包括高大主厂房、副厂房和母线洞、升压变压站、尾水洞检修闸门室，以及防渗排水廊道、各种施工洞和连接地面的交通洞、进排风洞、电缆出线洞等，地下洞室群规模庞大，各种功能空间联接关系复杂，热湿环境与通风流动相互影响。正确认识水电站地下洞室群的热湿环境形成机理、准确预测洞室围护结构的热湿传递、合理组织复杂洞室群和厂房空间内部的空气流动，是保证厂内热湿环境参数要求并实现节能调控的关键。. 本项目以多孔介质模型和体积平均法思想为理论依据，对厂房空间采用 “集总参数法”，对纵向流动的长洞室采用纵向“单元分割法”，建立了围护结构热湿耦合传递的数值计算模型和求解方法，采用实验和工程实测数据验证了数值计算结果的准确性；以大量的模拟计算为基础，提出了围护结构与空气的热湿交换量的简化拟合计算式；开发了气流参数动态计算软件。. 通过数值模拟分析、实验和大量的现场实测，研究并揭示了主要发电设备的散热特性、围护结构动态热湿蓄放、室外进风参数的动态变化、引水系统等因素对地下式水电站洞室群空间热湿环境的影响机理。发电机、母线、变压器、照明散热是主要显热来源，其中发电机的机墩质量大，散热有较明显的时滞性。围护结构与空气参数波动相互作用，且空气参数周期性波动是引起围护结构动态热湿蓄放的原因，并反过来调节空气参数。空气参数的波幅越大，调节作用越强，因此与室外相连接的进风洞对空气温度的调节作用最为显著。围护结构对空气的湿量调节主要体现在春末或夏季，进风洞和主厂房底部受引水系统影响的空间较低的表面温度引起空气的结露，以及混凝土结构中的施工余水散发，而围护结构体队湿量的动态蓄放影响深度浅、量值较小。. 制定地下式水电站厂内热湿环境调控策略主要应考虑发电设备的工况和室外气象条件，充分利用室外空气、围护结构和水库水等自然资源，整体以通风排除余热为主，结合不同部位的特征辅以局部冷却除湿。地下洞室群通风网络气流组织是热湿环境调控的关键技术。本项目针对地下水电站复杂洞室及厂房空间的关联关系和负荷特征，提出对通风网络分析的“级次组合”思想，推导建立了水电站地下洞室群通风网络空气流动与传热动态耦合的计算模型，提出了设计通风量的计算方法，模型试验得出了各种特殊通道的局部流动阻力特征参数，形成了以动态模拟分析为基础的通风网络气流组织与动力匹配的计算方法，开发了地下水电站通风网络计算分析软件。