深埋地下式水电站热湿环境形成机理与节能调控结题摘要

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。 2100433B

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。

特长深埋高速铁路隧道的数量日益增多，且隧道内高温高湿环境危及隧道内列车运行的安全性和可靠性、电气设备的正常运行以及作业人员的身体健康和工作效率，给隧道内热湿环境保障带来了全新的课题。课题以理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法，研究了特长深埋高速铁路隧道高温高湿环境的形成机理和控制。主要研究内容如下：通过数值模拟和模型实验研究了特长深埋高速铁路隧道施工期热湿环境形成机理和影响因素，以及施工通风和喷雾降温对热湿环境的控制效果，探讨了单纯施工通风和喷雾降温的适用条件。建立了运营期特长深埋高速铁路隧道热湿环境数学模型，研究了外界气温、隧道长度、列车速度、岩土层初始温度等不同因素影响下隧道内空气温度分布及变化规律。针对目前特长隧道运营期主要控温手段—纵向式通风加竖井辅助的通风方式，研究了隧道内热湿环境的控制效果及变化规律。此外，对应用相变墙体和地源热泵控制隧道高温环境进行了初步研究。研究表明：在施工期热湿环境控制方面，对于独头送风，15m/s的送风速度更有利于高壁温隧道施工通风；受限壁温与送风温度满足ts=63.86-1.3t0，如果壁面温度超过这个值，考察区域的温度将不能满足施工要求。对于喷雾降温，隧道内湿度最高可到达65%左右；湿度超过22.5g/kg时，喷雾降温效果变差，不再适用于隧道降温，但可以作为辅助手段使用。隧道运营期岩土层初始温度和外界空气温度对隧道内热环境分布和变化的影响较大，空气的绝对湿度大体沿气流的方向从隧道进口到出口呈线性增加，正常情况下空气温升减小对相对湿度的影响大于渗水增加对相对湿度的作用。列车运行过程中，隧道竖井会将大量外界冷空气引入隧道，因此可有效利用竖井对隧道内空气进行降温。 2100433B

特长深埋高速铁路隧道的数量日益增多，且隧道内高温高湿环境危及隧道内列车运行的安全性和可靠性、电气设备的正常运行以及作业人员的身体健康和工作效率，给隧道内热湿环境保障带来了全新的课题。课题拟以理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法，研究特长深埋高速铁路隧道高温高湿环境的形成机理和控制。具体研究内容包括：特长深埋高速铁路隧道热湿环境的数学模型和数值计算方法；高温高湿围岩对高速铁路隧道施工期内热湿环境的影响机理；单纯施工通风和强制制冷降温通风的适用条件，隧道内施工通风与强制制冷降温的优化配置；通风或间歇通风状态下特长深埋高速铁路隧道热湿环境的变化规律，包括外部气象条件、行车组织、隧道结构、通风方式、运行时间等对隧道内热湿环境的影响。本课题的研究成果可为改善特长深埋高速铁路隧道热湿环境，保障隧道的安全正常运营以及作业人员身体健康和工作效率提供理论基础和技术支撑。

热湿环境是建筑环境中的最主要的内容，主要反映在空气环境的热湿特性上。研究表明：热环境的四要素（温度、湿度、辐射和气流）对人体的热平衡均有影响，而且各要素产生的影响在很大程度上可以互换和互相补偿。例如，机体经由辐射所获得的热量可以和因气温所获得的热量相当。在热环境中湿度增高所造成的影响可被风速增高所抵消。当空气温度低于21℃时，人不出汗，随着气温的增高，出汗量逐渐增多，湿度的影响显得越来越重要。在气温低于皮肤温度时（一般皮肤的正常的平均温度是32.5℃）。在这种情况下，空气的流动能增加机体通过对流和蒸发散热。当气温高于35℃时，情况比较复杂，空气的流动能加速蒸发散热，但同时却可使机体通过对流的方式受热增多，气温越高受热愈为明显。热辐射除了太阳的直接照射使机体直接受热外，人体与周围环境间还存在长波辐射换热。热辐射不受空气温度的影响且与风速无关。根据实验：当气温为10℃，周壁表面温度为50℃时，人在其中会感到过热；当室内温度50℃而壁面表面温度为0℃时会使人在室内感到过冷。高温高湿对机体的热平衡有不利影响，因为在高温时，机体主要依靠蒸发散热来维持热平衡，此时相对湿度的增高，将妨碍汗液的蒸发。就人的感觉而言，当温度高、湿度大尤其是风速小的时候人感到“闷热”；当温度高、湿度小时人感到“干热”风速对改善人们的热环境也有重要作用，气流可以促进人体散热，增进人体的舒适度；当气温高于人体皮肤温度时，空气的流动只会使人体从外界环境吸收更多的热量，甚至对人体产生不良影响。