一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法及系统

技术领域

本发明涉及变电站节能技术领域，尤其涉及一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法及系统。

背景技术

不同于普通的公共建筑和民用建筑，非金属模块化预制舱式变电站是一组特殊的工业建筑群体，具有工业建筑的多样性、功能的专一性以及特殊功能的使用性，其功能和结构较为复杂，对其节能技术的研究有利于实现国家节能和环保战略。

目前，非金属模块化预制舱式变电站的能耗主要体现在两个方面：一是变电站建设过程中的能耗；二是变电站设备运行使用过程中的能耗。其中，建设过程中的能耗主要包括预制舱体、电力设备、建(构)筑物的生产和运输，以及现场组装和施工中资源能源消耗；运行使用过程中的能耗主要包括预制舱采暖、通风、空调、照明等环境控制设备的能源消耗。

其中，现有技术在解决变电站设备运行使用过程中的能耗时，通常从设备使用能耗控制技术或功率分配等方式介入，即对这些环境控制设备本身进行优化和处理。但是，此种方法并没有针对预制舱的舱内环境进行改善，使得节能效果仍然没有达到效果最大化，仍有能耗改进空间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法及系统，旨在解决如何利用预制舱的舱内环境进一步降低环境控制设备的能源消耗。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法，包括：

获取非金属预制舱的预制件属性，并基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间；

获取所述非金属预制舱的热工特性，基于所述热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配；

基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。

作为一种实施方式，所述获取所述非金属预制舱的热工特性，包括：

基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的热源功率密度水平；

根据所述热源功率密度水平，确定非金属预制舱围护结构的传热性能和传热方向。

作为一种实施方式，所述进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配，包括：

基于所述传热性能和传热方向，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数区间数值匹配和太阳辐射系数区间数值匹配。

作为一种实施方式，所述基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化，包括：

基于综合传热系数匹配结果，对非金属预制舱的第一围护结构和第二围护结构进行优化；

基于太阳辐射系数匹配结果，对非金属预制舱的第三围护结构进行优化。

作为一种实施方式，对非金属预制舱的第一围护结构进行优化，包括：

基于所述预制件属性，解析所述预制件层理结构；

基于综合传热系数匹配结果，优化调整所述预制件层理结构的各层厚度。

作为一种实施方式，对非金属预制舱的第二围护结构进行优化，包括：

采用喷涂发泡聚氨酯工艺对所述第二维护结构进行整体防潮密封处理。

作为一种实施方式，对非金属预制舱的第三围护结构进行优化，包括：

对所述第三围护结构受阳面涂刷高反射率隔热屋面涂料。

作为一种实施方式，对非金属预制舱的第三围护结构进行优化，还包括：

对所述第三围护结构采用双坡屋顶结构，并将舱顶坡度设置为不小于预设角度。

相应的，本发明还提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化系统，包括：

区间系数确定模块，用于获取非金属预制舱的预制件属性，并基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间；

系数数值匹配模块，用于获取所述非金属预制舱的热工特性，基于所述热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配；

围护结构优化模块，用于基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。

本发明的有益之处在于，提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法及系统，通过获取非金属预制舱的预制件属性，并基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间；获取所述非金属预制舱的热工特性，基于所述热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配；基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。充分考虑非金属预制舱围护结构的综合传热和太阳辐射，有效控制热量在材料里的传递方向和速度，使预制舱充分散热或隔热，减少空调、风机等环境控制设备的工作负荷，达到最佳的低功耗、节能效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明一实施例提供的一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法的步骤示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，是本发明一实施例提供的一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法的步骤示意图。

S11、获取非金属预制舱的预制件属性，并基于预制件属性，确定非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间。

目前预制舱体围护结构有金属和非金属两种，金属类型的预制舱存在耐腐蚀性差、低温脆断、高温传热快等缺陷，而非金属类型的预制舱可以很好的克服金属预制舱的上述缺陷。非金属预制舱目前主要有两种形式：一种是将非金属材料作为舱体外部围护结构，另外一种是直接将高性能纤维复合材料作为舱体结构，其中，非金属材料包含不限于玻璃纤维或玄武岩纤维。因此，首先需要获取非金属预制舱的预制件属性，即非金属材料的选用，是玻璃纤维还是玄武岩纤维亦或者是其他非金属材料，不同的非金属材料所形成的预制舱的综合传热系数和太阳辐射系数是不同的。

本实施例以玄武岩纤维复合材料为例，变电站预制舱的舱体和舱顶全部采用玄武岩纤维复合预制件，这是一种把玄武岩纤维作为混凝土改性掺料，以低碱快硬硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，与高分子材料、砂、化合物等多种集料按特定比例混合搅拌后，高压喷射浇筑在用槽钢、钢筋制作成型的模具内，经24小时静置形成的纤维复合预制件产品，由于该预制件集中了高性能纤维、高分子材料和金属钢材的性能优势，使得以该预制件为预制舱体围护结构的非金属预制舱具有燃烧性能等级高、耐火性能长、防腐能力强、隔热性能好等良好物理性能。

确定了预制件属性之后，对应获取以玄武岩纤维复合材料制成的变电站预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，本实施例将综合传热系数区间控制在0.5～5W/(㎡·k)之间，将太阳辐射系数区间控制在0.1W/(㎡·k)左右。

S12、获取非金属预制舱的热工特性，基于热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配。

进一步的，基于预制件属性，确定非金属预制舱的热源功率密度水平，根据热源功率密度水平，确定非金属预制舱围护结构的传热性能和传热方向。

进一步的，基于非金属预制舱围护结构的传热性能和传热方向，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数区间数值匹配和太阳辐射系数区间数值匹配。

预制舱式变电站舱内有大量电力设备，其与公共建筑和民用建筑以保温隔热为主要需求的热工特征不同，需要对不能功能的模块化预制舱区分对待，尤其是研究预制舱围护结构传热性能对预制舱能耗的影响效果应充分考虑不同的预制舱内热源功率密度水平以及由此产生的热传递方向和环境控制设定温度等热工特征加以区分考虑。

对110kV GIS组合电器预制舱、电容器成套装置预制舱、接地变消弧线圈预制舱等具有较低功率密度水平的预制舱而言，围护结构传热以得热为主，传热方向为舱外向舱内传递，良好的保温隔热性能可减少舱外与舱内的热量交换，其节能效果随着围护结构的综合传热系数的减小而增强，且随舱内环境控制设定温度的降低而增强，因此预制件围护结构的综合传热系数应考虑低值，综合传热系数区间为0.5～5W/(㎡·k)，则预制舱围护结构的综合传热系数尽量控制在0.5W/(㎡·k)左右。

对二次组合设备预制舱和10kV开关设备预制舱等具有较高功率密度水平的预制舱而言，围护结构传热以散热为主，传热方向为舱内向舱外传递，隔热保温结构会阻碍舱内热量向舱外传递，其节能效果随着围护结构的传热系数的增大而增强，随舱内环境控制设定温度的升高而增强，因此预制件围护结构的综合传热系数应考虑高值，综合传热系数区间为0.5～5W/(㎡·k)，则预制舱围护结构的综合传热系数尽量控制在5W/(㎡·k)左右。

需要说明的是，通常预制舱由于舱顶受太阳辐射影响较大，因此，以预制舱的舱顶情况作为预制舱整体受太阳辐射影响的情况进行太阳辐射系数区间的数值匹配，虽然预制舱舱顶也采用与舱体一致的玄武岩纤维复合预制件作为围护结构，但是舱顶由于直接受太阳辐射面积大、时间长而成为节能设计的关键部位，因此优化预制舱舱顶围护结构太阳辐射吸收系数，太阳辐射吸收系数越低，舱顶受太阳辐射热的影响就越小，预制舱的节能效果就越明显，太阳辐射区间为，则预制舱围护结构的太阳辐射系数尽量控制在0.1W/(㎡·k)左右。

S13、基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。

在确定了综合传热系数和太阳辐射系数的匹配值之后，基于匹配值对非金属预制舱式围护结构进行优化，使得优化后的预制舱式围护结构的综合传热系数和太阳辐射系数能够控制在匹配值左右。

进一步的，非金属预制舱式围护结构可以拆解为三部分，第一围护结构、第二围护结构和第三围护结构，其中，第一围护结构为预制舱体，第二围护结构为预制舱底，第三围护结构为预制舱顶，通过三部分围护结构形成了隔离舱内外空间的屏障，第一围护结构和第二围护结构主要受综合传热系数影响，第三围护结构主要受太阳辐射系数影响。

进一步的，针对作为第一围护结构的预制舱体的优化，以本实施例的玄武岩纤维作为预制件属性为例，玄武岩纤维的层理结构为堆叠形式的玄武岩纤维复合层、岩棉保温层、玄武岩纤维复合层、装饰层，再结合玄武岩纤维网格布、加强筋、钢筋桁架、安装连接点和吊环构成预制舱玄武岩纤维复合预制件。基于预制件属性，解析预制件层理结构，进而基于层理结构和综合传热系数匹配结果，优化调整预制件层理结构的各层厚度。

进一步的，针对作为第二围护结构的预制舱底的优化，由于预制舱底下方为混凝土基础电缆沟，空气对流速度较低，不论冬季还是夏季，舱底都无太阳辐照，因此舱底以保温隔热为主，结构采用预设厚度的钢板，中间为钢支架和空气夹层，其上铺设陶瓷防静电底板。此外，还可以通过采用喷涂发泡聚氨酯工艺对预制舱底部进行整体防潮密封处理，防止潮气从舱底缝隙进入舱体内。

进一步的，针对作为第三围护结构的预制舱顶的优化，虽然预制舱顶也采用与舱体一致的玄武岩纤维复合预制件作为围护结构，但是舱顶由于直接受太阳辐射面积大、时间长而成为节能设计的关键部位，因此优化预制舱舱顶围护结构太阳辐射吸收系数，太阳辐射吸收系数越低，舱顶受太阳辐射热的影响就越小，预制舱的节能效果就越明显。通过在舱顶受阳面涂刷高反射率隔热屋面涂料，可以将预制件太阳辐射吸收系数控制在0.1W/(㎡·k)左右。

需要说明的是，针对预制舱顶的优化，还可以采用双坡屋顶结构，舱顶坡度不小于5％，以预防积水和积雪，形成良好的保温隔热层，有助于舱内温度保持稳定，减少空调和通风系统的能耗。

本实施例提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化方法及系统，通过获取非金属预制舱的预制件属性，并基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间；获取所述非金属预制舱的热工特性，基于所述热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配；基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。充分考虑非金属预制舱围护结构的综合传热和太阳辐射，有效控制热量在材料里的传递方向和速度，使预制舱充分散热或隔热，减少空调、风机等环境控制设备的工作负荷，形成了合理的舱内小气候，利用预制舱的舱内环境进一步降低环境控制设备的能源消耗，达到最佳的低功耗、节能效果。

相应的，本实施例还提供一种低能耗的非金属预制舱式围护结构优化系统，如图2所示，包括：

区间系数确定模块，用于获取非金属预制舱的预制件属性，并基于所述预制件属性，确定所述非金属预制舱的综合传热系数区间和太阳辐射系数区间；

系数数值匹配模块，用于获取所述非金属预制舱的热工特性，基于所述热工特性、综合传热系数区间和太阳辐射系数区间，进行非金属预制舱围护结构的综合传热系数匹配和太阳辐射系数匹配；

围护结构优化模块，用于基于综合传热系数匹配结果和太阳辐射系数匹配结果，对所述非金属预制舱式围护结构进行优化。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。