高冷地区变电站建筑群风环境与及布局优化

陈翔宇卢敏王军*陈军敬成君

1四川大学建筑与环境学院 2四川电力设计咨询有限责任公司

0 引言

风对建筑室内外环境有重要的影响，合理的建筑群布局应该充分利用自然通风，改善建筑群区域的微气候，让整个建筑群处于良好的风环境下[1]。建筑群和构筑物会显著改变近地面风的流程。近地风的速度，压力和方向与建筑物的外形、尺度、建筑物之间的相对位置及周围地形地貌有着很复杂的关系[2-3]。当有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风，如果强风出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适，甚至形成风灾[4-6]。因此，需要对建筑群进行合理布局，营造良好的室外风环境，满足建筑自然通风和冬季防风的需求。

另一方面，高海拔寒冷地区变电站作为一类对风环境有重要要求的建筑群，在高寒地区的气候条件下，实现合理的室外风环境对促进变电站建筑夏季通风和降低冬季采暖需求有重要意义[7-9]，这也符合国家电网提出的“资源节约型、环境友好型、工业化”，即“两型一化”变电站建设目标。为此，本文将以炉霍县贡唐岗光伏电站、色达110 kV变电站、甘孜220 kV变电站为研究对象，结合风环境评价标准与模拟方法，对高海拔寒冷地区变电站建筑群风环境进行分析并确定合理的优化布局形式，为该地区变电站建筑布局提供理论指导。

1 风环境评价标准与模拟方法

1.1 风环境评价标准与舒适度

按照《GB/T50378-2014绿色建筑评价标准》的要求，室外风环境应该达到的标准包括：1）场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风；2）过渡季、夏季典型风速和风向条件下，场地内人活动区不出现涡旋或无风区，）50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5 Pa；3）在冬季典型风速和风向下，建筑物周围人行区（距地面1.5 m高处）风速小于5 m/s，且室外风速放大系数小于2；除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5 Pa。

1.2 风环境模拟方法

首先，对变电站建筑群进行建模；然后，基于CFD方法，合理确定控制方程组（包括连续性方程、动量方程、k方程和ε方程）和边界条件；最后，假设流体不可压缩且稳态流动，结合当地的气象条件等进行模拟分析。

在上述过程中，控制方程的离散采用六面体和四面体相结合的网格单元，保证在流程变化剧烈的区域网格做到细化，网格的变化呈现渐变趋势，以保证网格质量，同时满足网格独立性要求。压力离散采用标准格式，速度离散采用二阶迎风格式，压力与速度耦合采用SIMPLE格式。

此外，来流边界选用大气梯度变化的指数来流风速进行设置，并根据建筑所处的地形条件，选取不同的幂指数；出流边界假定出流面上的流动已充分发展，其出口压力设为大气压；上空面和两侧面的空气流动几乎不受建筑物的影响，设为自由无滑移表面；建筑壁面与地面边界对于未考虑粗糙度的情况，采用指数关系式修正粗糙度带来的影响，对于实际建筑的几何再现，应采用适应实际地面条件的边界条件，对于光滑壁面，应采用对数定律。

2 风环境模拟对象与条件

2.1 风环境模拟对象

选择炉霍县贡唐岗光伏电站、色达110 kV变电站、甘孜220 kV变电站作为典型分析对象，三个变电站的建筑信息如表1所示。同时，根据炉霍县贡唐岗光伏电站、色达110 kV变电站、甘孜220 kV变电站的建筑信息，建立计算分析建筑群模型，分别如图1～图3所示。

表1 典型分析对象建筑信息

图1 炉霍县贡唐岗光伏电站

图2 色达110千伏变电站

图3 甘孜220千伏变电站

另一方面，根据炉霍县贡唐岗光伏电站、色达110千伏变电站、甘孜220千伏变电站建筑群的布局特点，可以把计算模型划分为两类，即“U型”和“Ⅱ型”。同时，模拟三个变电站在A向、B向、C向和D向最大风速（3.5 m/s）条件下距地面1.5 m位置的风环境状况，包括风速大小分布、风速矢量分布、风压分布和平均空气龄分布。

2.2 风环境模拟条件

依据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，以理塘、甘孜、马尔康、拉萨、昌都、西宁地区的室外风环境参数为参照，可以看到，高寒地区在夏季条件下室外平均风速在1.7～3.1 m/s范围内变化，而在冬季条件下室外平均风速在1.7～3.3 m/s范围内变化。因此，在风环境模拟计算分析过程中，室外风速条件选择以下 3种情况：1.5 m/s、2.5 m/s和3.5 m/s。

3 变电站风环境模拟结果分析

3.1 炉霍县贡唐岗光伏电站

通过对炉霍县贡唐岗光伏电站在A向、B向、C向和D向最大风速（3.5 m/s）条件下的风环境模拟，可以发现，在最大风速（3.5 m/s）条件下整个变电站内没有出现明显涡流区，从4个方位吹来的空气没有形成风场死角。其次，图4～图7分别给出了炉霍县贡唐岗光伏电站在四个朝向不同风速条件下站内产生的最大风速、风速放大系数、迎风面和背风面最大风压差、室内外表面最大风压差。可以发现，B向产生的站内风速最大，A向产生的站内风速最小，风速放大系数也有类似大小关系，相应地，B向和A向分别引起了迎风面和背风面最大风压差以及室内外表面最大风压差的最大值和最小值。由此表明，在以冬季供暖需求为建筑节能的主要矛盾角度考虑，应减少站内风速以及渗透风进入室内，那么在建筑群布局时，当采用U型布置时，应让U底朝向主导风向。

图4 不同风速条件下站内产生的最大风速

图5 不同风速条件下站内风速放大系数

图6 不同风速条件下站内迎风面和背风面最大风压差

图7 不同风速条件下站内室内外表面最大风压差

3.2 色达110kV变电站

通过对色达110 kV变电站在A向、B向、C向和D向最大风速（3.5 m/s）条件下的风环境模拟，可以看到，在绕流作用的影响下，将引起迎风面建筑两侧局部空气流速增大。整个变电站内没有出现明显涡流区，从4个方位吹来的空气没有形成风场死角。另一方面，图8～图11分别给出了色达110 kV变电站在四个朝向不同风速条件下站内产生的最大风速、风速放大系数、迎风面和背风面最大风压差、室内外表面最大风压差。可以发现，B向产生的站内风速最大，而C向产生的站内风速最小，风速放大系数也有类似大小关系，相应地，B向和C向分别引起了迎风面和背风面最大风压差以及室内外表面最大风压差的最大值和最小值。这一结果再次表明，在以冬季供暖需求为建筑节能的主要矛盾角度考虑，应减少站内风速以及渗透风进入室内，那么在建筑群布局时，当采用U型布置时，应让U底朝向主导风向。

图8 不同风速条件下站内产生的最大风速

图9 不同风速条件下站内风速放大系数

图10 不同风速条件下站内迎风面和背风面最大风压差

图11 不同风速条件下站内室内外表面最大风压差

3.3 甘孜220 kV变电站

通过对甘孜220 kV变电站在A向、B向、C向和D向最大风速（3.5 m/s）条件下的风环境模拟，可以发现，整个变电站内没有出现明显涡流区，从4个方位吹来的空气没有形成风场死角。此外，在绕流作用的影响下，将引起迎风面建筑两侧局部空气流速增大。其次，图12～图15分别给出了甘孜220 kV变电站在四个朝向不同风速条件下站内产生的最大风速、风速放大系数、迎风面和背风面最大风压差、室内外表面最大风压差。可以发现，B向和D向产生的站内风速最大，A向和C向产生的站内风速最小，风速放大系数也有类似大小关系，相应地，B向和D向会引起迎风面和背风面最大风压差以及室内外表面最大风压差的出现最大值，而A向和C向带来了迎风面和背风面最大风压差以及室内外表面最大风压差的最小值。这一结果表明，在以冬季供暖需求为建筑节能的主要矛盾角度考虑，应减少站内风速以及渗透风进入室内，那么在建筑群布局时，当采用II型布置时，应让II垂直于主导风向。

图12 不同风速条件下站内产生的最大风速

图13 不同风速条件下站内风速放大系数

图14 不同风速条件下站内迎风面和背风面最大风压差

图15 不同风速条件下站内室内外表面最大风压差

4 结论

本文通过对高海拔寒冷地区变电站建筑群风环境进行模拟分析研究，可以得到以下结论和建议：

1）三个变电站内均为出现明显涡流去，而且四个方位吹来的空气没有形成风场死角。

2）在最大风速（3.5 m/s）条件下不同风向对站内产生的最大风速、风速放大系数、迎风面和背风面最大风压差、室内外表面最大风压差有所不同。

3）以冬季供暖需求为建筑节能的主要矛盾角度考虑，应减少站内风速以及渗透风进入室内。

4）高海拔寒冷地区变电站建筑群布局设计的原则宜达到：当建筑群采用“U型”布局时，应让U型底朝向主导风向；当建筑群采用“II型”布局时，应让II型垂直于主导风向；当建筑群采用其他形式布局时，建筑设置外窗侧应避开冬季主导风向。