談大型公共建筑地下室變配電房通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)

鄭明權(quán)

大型公共建筑的變配電房通常設(shè)置在建筑物地下室，是整個(gè)大樓的動(dòng)力中心，因此保證變配電房的正常運(yùn)行非常重要。一般變配電房主要由變壓器室、高壓室、低壓室組成。變配電房發(fā)熱量大，尤其是變壓器的發(fā)熱量。為維持變配電房中設(shè)備正常運(yùn)行，需要消除室內(nèi)余熱。通常我們消除室內(nèi)余熱的方法為直接利用室外新風(fēng)作為冷源進(jìn)行通風(fēng)換熱降溫(方案一)，或者利用空氣處理機(jī)組對(duì)室外新風(fēng)冷卻處理后送入變配電房進(jìn)行通風(fēng)換熱降溫(方案二)。這兩種方法原理相同，均是通過(guò)通風(fēng)換熱進(jìn)行降溫，不同點(diǎn)在于通風(fēng)換熱冷源風(fēng)的溫度不同而導(dǎo)致所需要的通風(fēng)量的不同。對(duì)于這兩種方法，我們一般在滿足消除室內(nèi)余熱的要求的前提下，結(jié)合建筑所處地方的室外新風(fēng)的氣象參數(shù)以及對(duì)通風(fēng)運(yùn)行能耗控制的綜合分析來(lái)選擇不同的方案。

1 變配電房主要電氣設(shè)備的發(fā)熱量的計(jì)算

變配電房室內(nèi)余熱一般由變壓器室的變壓器發(fā)熱量、高壓配電室發(fā)熱量、低壓配電室發(fā)熱量、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱和房間照明散熱等組成，后兩種得熱量相對(duì)來(lái)說(shuō)所占份額很少，可以忽略不計(jì)。

變壓器發(fā)熱量Q(kW)由設(shè)備廠商提供，當(dāng)資料條件不足時(shí)，可以按下式計(jì)算［1］:

其中，Q為變壓器發(fā)熱量，kW;η1為變壓器的效率，一般取98%;η2為變壓器的負(fù)荷率，一般取70%～80%;φ為變壓器的功率因數(shù)，一般取0.90～0.95;W為變壓器的功率，kW。

高低壓配電設(shè)備的發(fā)熱量較難計(jì)算，在沒(méi)有相關(guān)發(fā)熱量資料時(shí)，可以采用按照變壓器發(fā)熱量總和的30%考慮，或者按照如下估算:

高壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱量——按照每臺(tái)200 W估算;高壓電容器柜——按照3 W/kvar估算;低壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱量——按照每臺(tái)300 W估算;低壓電容器柜——按照4 W/kvar估算。

2 消除室內(nèi)余熱所需的通風(fēng)量計(jì)算

消除室內(nèi)余熱所需的通風(fēng)量按照以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算［1］:

其中，Q為變配電房余熱負(fù)荷，kW;tp為室內(nèi)排風(fēng)設(shè)計(jì)溫度，一般不大于40℃;ts為送風(fēng)溫度，℃;0.337為空氣比熱(1 010 J/(kg·℃))和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度(1.2 kg/m3)的乘積，再除以3 600 s/h的換算系數(shù)。

3 通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案的分析選擇

3.1 工程概況

某變配電房:內(nèi)設(shè)3臺(tái)變壓器，單臺(tái)變壓器容量為1 600 kVA，要求地下室變配電房溫度不大于40℃(取38℃);現(xiàn)以同一變配電房處于廣東廣州和四川會(huì)理兩個(gè)不同地區(qū)為例對(duì)兩種方案進(jìn)行計(jì)算分析。兩地區(qū)夏季室外空氣計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 廣州、會(huì)理地區(qū)夏季室外空氣計(jì)算參數(shù)［2］

根據(jù)式(1)Q=0.015 2W，計(jì)算得變壓器室的發(fā)熱量為72.96 kW，高低壓配電室各為變壓器室的發(fā)熱量總和的30%，可以估算出本工程變配電房的總發(fā)熱量為116.7 kW。

3.2 方案計(jì)算分析

根據(jù)式(1)及式(2)進(jìn)行計(jì)算得出以上兩種不同地區(qū)同一標(biāo)準(zhǔn)的變配電房?jī)煞N方案所需通風(fēng)量和供冷量計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

3.2.1 方案一:直接利用室外空氣進(jìn)行的換熱所需通風(fēng)換氣量

由式(2)可以計(jì)算出，為滿足變配電房在室溫為38℃的條件下運(yùn)行，廣州地區(qū)變配電房通風(fēng)量L=56 786 m3/h，會(huì)理地區(qū)通風(fēng)量L=25 463 m3/h。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可知，會(huì)理地區(qū)完全利用室外新風(fēng)通風(fēng)換熱降溫，土建風(fēng)井的面積、通風(fēng)機(jī)房大小、安裝通風(fēng)風(fēng)管所需的內(nèi)走道的寬度及高度要求，比較容易滿足。從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)，方案一是值得大力推廣的，完全沒(méi)有必要采用對(duì)室外新風(fēng)降溫后進(jìn)行通風(fēng)換熱;而廣州地區(qū)，對(duì)于此種規(guī)模的變配電房完全利用室外新風(fēng)通風(fēng)換熱的方式降溫，所需的風(fēng)管截面積很大，通風(fēng)機(jī)房面積和土建風(fēng)井的面積要求都很大，這給設(shè)計(jì)也帶來(lái)了不少困難，對(duì)現(xiàn)在設(shè)備房及土建的空間緊張情況，這一方案卻不是很實(shí)用。

3.2.2 方案二:室外新風(fēng)經(jīng)冷卻處理后對(duì)變配電房直流通風(fēng)降溫

直流式通風(fēng)降溫，就是將室外空氣經(jīng)冷卻處理降溫后送入變配電房室內(nèi)，然后經(jīng)熱交換后直接排出室外的方式。根據(jù)方案一的計(jì)算分析，很明顯，大型的變配電房發(fā)熱量大，使用方案一進(jìn)行通風(fēng)換熱降溫，會(huì)給設(shè)計(jì)造成相當(dāng)大的困難，為減少通風(fēng)量，需采用將室外空氣降溫后再進(jìn)行通風(fēng)換熱，達(dá)到室內(nèi)電房的工作要求。地下室變配電房，設(shè)備只有發(fā)熱量，沒(méi)有散濕量，基本也不存在人員散濕和圍護(hù)結(jié)構(gòu)得濕。所以變配電房空氣處理過(guò)程為等濕過(guò)程，室內(nèi)含濕量沒(méi)有變化。如果同時(shí)進(jìn)行除濕處理，既沒(méi)有必要，還要消耗更多的冷量。室內(nèi)電氣設(shè)備多，需保持干燥，為防止風(fēng)口結(jié)露，首先應(yīng)將室外空氣處理到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)等濕度線與機(jī)械露點(diǎn)φ=90%的交點(diǎn)上。空氣處理機(jī)組在理論干工況下運(yùn)行時(shí)，最佳的機(jī)械露點(diǎn)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為S1，其狀態(tài)參數(shù)為ts1=27.7℃，露點(diǎn)溫度t=25.9℃，根據(jù)空氣處理機(jī)組干工況處理狀態(tài)，可在焓濕圖上找到溫度為38℃時(shí)的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的相對(duì)濕度φn=50.4%。

如果冷卻器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，則空氣不但被冷卻，而且其中所含水蒸氣也將部分凝結(jié)出來(lái)，并在冷卻器的肋片管表面上形成水膜［3］。由于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫度為7℃/12℃，新風(fēng)經(jīng)過(guò)冷卻處理的過(guò)程中必定要除濕，無(wú)法在理論干工況下運(yùn)行，但空調(diào)廠家的空氣處理機(jī)組的性能參數(shù)必須滿足在假定要達(dá)到的室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)和推算出相關(guān)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)所計(jì)算出來(lái)的所需的空氣處理機(jī)組的風(fēng)量和空氣處理機(jī)組制冷量，其基本計(jì)算公式如下:

空氣處理機(jī)組風(fēng)量L(m3/h):

空氣處理機(jī)組制冷量Q(kW):

其中，hw為室外空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg;hs為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg。

假定變配電房室內(nèi)空氣溫度38℃，相對(duì)濕度在30%～50%之間進(jìn)行反算，找到合適的室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)，確定相應(yīng)的空調(diào)送風(fēng)量和制冷量。通風(fēng)換熱空氣處理過(guò)程焓濕圖見(jiàn)圖1，空調(diào)送風(fēng)量和制冷量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 通風(fēng)換熱空氣處理過(guò)程程焓濕圖

表2 廣州地區(qū)變配電房在設(shè)定室內(nèi)參數(shù)空氣處理機(jī)組所需風(fēng)量和制冷量計(jì)算表

經(jīng)查閱常規(guī)的空調(diào)樣本，推算一般空調(diào)處理機(jī)組在供回水溫度為7℃/12℃運(yùn)行時(shí)，其處理顯熱和潛熱的能力的比例特征可知，室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為38℃，相對(duì)濕度φn=35%時(shí)，才能選到合適的空氣處理機(jī)組型號(hào)。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，選用能滿足送風(fēng)量L=21 115 m3/h，制冷量Q=212 kW的空氣處理機(jī)組對(duì)變配電房進(jìn)行直流式降溫，既能滿足變配電房的工作環(huán)境，同時(shí)解決了風(fēng)量過(guò)大，風(fēng)管截面積，風(fēng)機(jī)房面積，風(fēng)井面積過(guò)大帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難。

利用空調(diào)處理機(jī)組進(jìn)行通風(fēng)換熱，定要消耗不必要的新風(fēng)濕負(fù)荷，不利用空氣處理機(jī)組進(jìn)行通風(fēng)換熱，又無(wú)法很好解決設(shè)計(jì)中帶來(lái)的困難，因此采用方案二進(jìn)行通風(fēng)換熱時(shí)，為運(yùn)行節(jié)能，降低損耗，可對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)定以下控制運(yùn)行原則:空調(diào)處理器吸入口應(yīng)設(shè)有溫度探測(cè)器，當(dāng)室外空氣溫度小于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)溫度時(shí)，空調(diào)處理器的冷水閥關(guān)閉，直接利用空調(diào)處理器通風(fēng)換熱;變配電房室內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)只有空調(diào)處理器風(fēng)機(jī)運(yùn)行，室內(nèi)溫度高于設(shè)定值或者高于設(shè)定值的偏差范圍時(shí)，空調(diào)處理器的冷水閥打開(kāi)對(duì)空氣進(jìn)行冷卻降溫處理。一般的變配電房的消防均采用了氣體滅火系統(tǒng)，氣體滅火時(shí)，其變配電房要密閉，氣體滅火完成后，需要快速有效的排出氣體滅火后的有害氣體。因此，變配電房的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)，也應(yīng)考慮與消防氣體滅火系統(tǒng)的配合。我們可以在通往電房?jī)?nèi)的送排風(fēng)支管上設(shè)置70℃電動(dòng)防火閥，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，變配電房氣體滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，支管上的電動(dòng)防火閥電動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)氣體滅火系統(tǒng)結(jié)束后，電動(dòng)防火閥二次電動(dòng)打開(kāi)或者手動(dòng)打開(kāi)，通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)排風(fēng)，排出有害氣體。

4 結(jié)語(yǔ)

1)大型公共建筑地下室變配電房室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度在滿足電氣設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，不宜過(guò)低，為提倡節(jié)能，應(yīng)優(yōu)先選用夏季室外新風(fēng)不經(jīng)過(guò)降溫處理的機(jī)械通風(fēng)方式消除室內(nèi)余熱。2)當(dāng)土建條件不能滿足機(jī)械通風(fēng)風(fēng)量的要求時(shí)，可以根據(jù)計(jì)算分析確定合適的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用直流式空氣處理機(jī)組對(duì)變配電房進(jìn)行冷卻降溫。但需要對(duì)其運(yùn)行控制采取相應(yīng)的節(jié)能控制策略，以節(jié)省運(yùn)行能耗。3)變配電房通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮氣體滅火系統(tǒng)的要求，其通往電房?jī)?nèi)的送排風(fēng)支管上應(yīng)設(shè)置70℃電動(dòng)防火閥，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，變配電房氣體滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，支管上的電動(dòng)防火閥電動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)氣體滅火系統(tǒng)結(jié)束后，電動(dòng)防火閥二次電動(dòng)打開(kāi)或者手動(dòng)打開(kāi)，通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)排風(fēng)，排出有害氣體。

［1］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·暖通空調(diào)·動(dòng)力［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009:56，60.

［2］ 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005:140，147.

［3］ 連之偉.熱值交換原理與設(shè)備［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001:150.