0 引言

随着国民经济的迅速发展以及城市化、工业化进程的不断推进, 建筑能耗在国家总能耗中的比例已持续增加至33%以上, 并进一步超越交通、工业等行业而占据能耗首位^[1], 建筑的节能降耗问题已受到各行业的高度重视。

电网公司作为国家能源类大型支柱企业, 在构建绿色环保型社会中扮演着重要角色, 结合我国当前的能源现状及建筑节能趋势, 国家电网公司和南方电网公司先后提出了"两型一化"及"3C绿色"变电站建设理念。变电站作为电网的重要组成部分, 其节能降耗的效果对整个电网的能耗水平有着至关重要的影响, 变电站建筑节能降耗设计的必要性日益突出。当前, 变电站的能耗主要体现在建筑能耗和电气设备能耗两个方面, 而电气设备能耗水平已降到较低水平, 但变电站建筑的节能性能与欧美发达国家相比还存在较大的差距。一方面, 我国现行的节能规范大多数针对民用或公共建筑, 对于工业建筑, 尤其是变电站建筑尚未做出详尽的节能规定。另一方面, 当前变电站建筑的结构形式大多采用框架结构, 并以小型混凝土砖块作为框架结构的外围护结构, 尚未采用科学有效的节能设计方法; 同时, 建筑单体设计不够合理, 建筑结构(外墙、屋面、门窗等)保温隔热性能差, 气密性不佳。这些特征是当前变电站节能降耗方面普遍存在的问题, 在能源问题日益急迫、建筑能耗不断增长的形势下, 依据变电站自身的功能要求, 并在满足相关规程、规范及生产流程的前提下, 从技术角度对变电站建筑节能设计进行优化, 以实现降低变电站建筑能耗, 贯彻国家可持续发展战略, 体现变电站建设"两型一化"的建设理念。

1 内蒙古地区气候条件及热工分区

内蒙古地区属于典型的中温带季风气候, 地区显著特点是降水量少而不匀, 且寒暑变化剧烈。冬季寒冷漫长, 多数地区冷季长达5个月至半年; 在一年中1月份气候最冷, 月平均气温从南向北由-10 ~-32℃递减分布。夏季温热短暂, 多数地区只有1~ 2个月, 且部分地区没有夏季; 最热月份在7月, 月平均气温在16~27℃, 最高气温在36~43℃。地区气温变化剧烈, 冷暖悬殊甚大。降水量受地形特征和距海洋远近影响自东向西由500 mm向50 mm递减。一年中晴天较多、阴天少, 日照时数在2700 h以上, 有的地区达到3400 h左右。

依据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》的规定^[2], 内蒙古地区属于全国热工分区的严寒地区和寒冷地区, 该地区建筑节能设计原则为重点考虑冬季的防寒与保温, 尽可能多地获得太阳辐射热量并减少热量损失, 同时还应兼顾夏季防热, 综合考虑以达到节能目的。此外, 变电站建筑属于工业建筑, 其建筑的节能设计别需重点考虑各类电气设备运行所需的适宜环境。同时, 还应明确站内有节能要求的房屋建筑类型, 并根据功能划分出运行人员生活办公使用的房间以及有物理环境要求的设备房间。运行人员生活办公使用的房间应保证相关人员在建筑内生活和生产的环境舒适性, 设备房间应满足相关电气设备正常运行的环境要求。综上所述, 变电站建筑节能设计不仅要满足民用建筑的节能需求, 还需满足工业建筑特殊的节能需求。

2 变电站建筑节能设计要点

经分析, 发现变电站中有节能要求的建筑类型主要包括有人员驻留的主控通信楼和对设备正常运行有热环境需求的二次设备室, 而其他如备品库、水泵房、泡沫消防间等均不在节能要求范围内。因此, 变电站建筑节能设计的重点对象应是主控通信楼、不同电压等级室内配电装置室、二次设备室等对设备运行环境要求高且能耗大的建筑, 通过对建筑总平面、墙体、窗口、屋面等影响能耗的重要围护结构热工性能进行合理设计, 以减少变电站建筑能耗。同时, 对户内配电装置室等一些建筑能耗较少的建筑, 通过有效的通风、采光及隔热设计, 以满足电气设备的运行维护需求。

对于内蒙古地区110 kV变电站(建筑模型如图 1所示), 重点从以下几方面考虑其建筑节能技术措施。

2.1 总平面布置

变电站的建筑物总平面布置应保证建筑有良好的朝向, 尽量为南北向布置, 以使其在冬季接收更多的太阳辐射热能。而在实际工程中, 由于变电站建筑物的布局受到电气设备布局要求、建筑所处的地形条件以及交通要求等因素的限制, 使得建筑物通常难以实现最佳朝向布置, 但在建筑总平面布置中, 应在可调整范围内使主控通信楼接近南向布置, 屋内配电装置楼等可适当放宽要求。在房间的划分布局上, 主控制室、休息室、备餐间等人员活动较多的房间宜布置在南侧, 以减少能量消耗。对于单体建筑空间及平面的设计, 应结合建筑使用功能, 安排好门窗洞口面积、位置以及空间组织, 借助自然环境中的热压、风压作用, 实现室内外空气交换和室内空气流动。自然通风是改善热环境的有效措施, 也是对自然条件的最充分利用, 即使是在夏季使用空调降温的条件下, 也可以减少其开机时间, 节省能耗。

2.2 围护结构

通过改善变电站围护结构的热工性能, 提高其热阻, 可实现"夏季热量不进入, 冬季热量不外泄的目的。保持变电站室内温度尽可能恒定, 并接近人体舒适温度, 减少空调等辅助设备负荷, 实现建筑节能。变电站围护结构的节能设计可以从围护墙体节能、门窗洞口节能及屋面节能等方面进行考虑。

2.3 围护墙体 2.3.1 降低围护墙体的传热系数

增加围护墙体的热阻, 降低其传热系数, 可以显著减少墙体的散热, 实现减少采暖能耗的作用, 也是变电站结构常见的节能措施。以内蒙古地区户外站四十里梁主体楼为例, 通过优化该建筑外墙的传热系数, 可减少采暖能耗。

图 2为该变电站原有的围护墙体构造, 混凝土墙体厚约300 mm, 外墙保温采用60 mm厚EPS, 传热系数为0.48 W/(m²·K)。该地区风速大, 为减小墙体传热系数, 增加保温层的耐久性, 改为夹心保温构造方式。同时, 内蒙古地区多为严寒地区, 采用夹心保温有利于防止外墙外表面温度过低而产生的墙体冷凝现象。

分别将原传热系数降低10%和20%, 采用基于动态模拟方法分别计算了外墙外保温及2种外墙夹芯保温情况下该建筑的采暖能耗, 如图 3所示。结果表明, 外墙传热系数减小10%的能效比更优, 即能够以更少的技术成本获得更好的节能效果。通过分析, 采用图 4所示的外墙保温构造模式, 即"220 mm混凝土墙体+70 mm EPS+100 mm混凝土墙体", 其传热系数为0.43 W/(m²· K)。

2.3.2 围护墙体饰面处理

围护墙体外墙面可采用浅色调材料(如浅色的涂料或面砖)处理, 以增加对太阳辐射能的反射, 减少墙体材料对太阳辐射能的吸收。一般而言, 墙体表面色调越浅, 对太阳辐射能的反射越强。JGJ 75-2003《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》规定^[3], 当墙体外饰面色调为浅色(即ρ < 0.6)时, 当量热阻为0.2 m²K/W, 可实现很好的节能效果。

2.3.3 门窗洞口 2.3.3.1 合理控制外窗面积

在变电站围护构件中, 外窗的隔热效果较差, 其热流量是墙体、屋面等构件的数倍。因此, 对外窗进行节能设计, 控制窗墙面积比在合理范围, 是实现内蒙古等寒冷地区变电站建筑节能的重要方法。在不影响变电站建筑采光的情况下, 尽量减少西向开窗, 减少建筑窗户等围护构件与室外环境的接触面积, 降低变电站外环境热量进入。GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》^[4]规定:变电站类工业建筑各朝向的窗墙面积比应不大于0.7。

2.3.3.2 选择合适的外窗类型

节能窗为目前电力行业广泛推广的环保设施, 通过减小门窗间隙、降低空气对流, 以减少热量损失。塑钢节能门窗比传统材料门窗(如木门窗、铁门窗或铝合金门窗)能更好地实现建筑节能, 且隔音效果良好, 适合在变电站建筑领域推广普及。

中空玻璃采用高强度高气密性的复合黏结剂将两片或多片玻璃与铝合金框黏结, 玻璃间具有一定的间隙, 因而具有良好的保温隔音性能。当玻璃间填充漫射光材料时, 可对太阳辐射进行良好的反射和阻隔。实际工程使用效果表明, 节能效果明显。

2.3.3.3 提高外门窗的气密性

变电站建筑外门窗的气密性不应低于GB 7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》中要求的4级^[5]。另外, 提高外门窗的安装施工质量, 减小各构件安装空隙, 并采用玻璃胶等密封材料对空隙进行密封, 尽量阻止室内外空气利用空隙进行热交换, 也是变电站节能的有效措施。

2.3.4 屋面节能

与围护墙体节能设计类似, 通过降低屋面传热系数、增加屋面的热阻, 可改善其热工性能, 实现变电站建筑屋面节能, 主要措施有设置保温层、设置通风隔热层、优化屋顶坡面角以及屋面绿化等。

2.3.4.1 设置保温层

通过将保温材料设置于变电站屋面结构层之上、保护层和防水层之下, 形成屋面保温层, 可以极大提高屋面的热阻, 改善屋面的热工性能, 并对变电站屋面板起到保护作用, 防止屋面构造层内部出现冷凝、结冰等现象, 提高屋面的耐候性, 降低冷凝水对变电站内部设备的损伤程度。

2.3.4.2 设置通风隔热层

在变电站屋面设置通风隔热层, 可对阳光进行遮挡, 避免太阳辐射直接作用于屋顶结构; 同时, 通风间层的空气流动可带走进入间层中的热量, 减少隔热层外表面吸收的太阳辐射能对屋面层的影响。图 5、图 6分别为通风隔热屋面的原理和构造示意图。风压和热力梯度越大、通风间层的通风量越大, 隔热效果越好。

2.3.4.3 优化屋顶坡面角

理论上, 太阳光照射角度越大, 被照射物体所遭受的太阳辐射越强烈。因此, 优化变电站屋顶坡面角, 在减少屋顶用料并减轻屋顶质量的情况下, 适当增加变电站屋顶坡度, 可减小阳光的辐射强度, 实现屋面节能。

2.3.4.4 屋面绿化

作为1种绿色环保的节能方法, 屋面绿化技术一出现便受到青睐。通过在变电站屋面表面覆盖低矮灌木绿色植被或人造草皮, 不仅对变电站建筑外形起到美化作用, 还能吸收太阳辐射, 实现节能目的。

2.4 其他节能措施

通过整合变电站的单体建筑, 选择合理的结构形式, 对建筑内的房间布局进行优化整合, 控制建筑体量等措施, 降低建筑能耗^[6-7]。同时, 应树立建筑物全寿命周期节能管理的设计理念, 以全面有效地实现变电站建筑的节能降耗。

(1) 在变电站规划阶段充分考虑并利用环境因素;

(2) 设计阶段适度考虑后期改造及扩建需求, 增强建筑物的耐久性及适应性;

(3) 施工建造阶段通过加强管控降低对周边环境的影响;

(4) 运营管理阶段构建低耗、无害空间。

3 结语

作为1种内热源建筑结构, 变电站的建筑节能是1项跨行业、跨学科且综合性强的工作。尤其在设计阶段, 要重点考虑建筑体形、平面布局、朝向及门窗等因素对建筑能耗的影响, 优化建筑节能体系, 采用节能设计综合措施; 同时, 还应综合考虑暖通、照明、给排水及供配电等其他专业的节能设计措施, 以实现降低变电站整体建筑能耗的目标。本文的研究成果可为内蒙古地区后续变电站建筑节能设计以及电网企业的节能降耗工作提供参考。