蓄電池室通風系統設計差異分析與優化研究

趙維剛 陳慶偉 胥金坤 張浩

國網山東省電力公司經濟技術研究院

電力是經濟社會發展的基礎命脈，數據中心則是近年來炙手可熱的新基建，電力行業和數據中心蓄電池室作為應急保障電源，其安全運行的重要性不言而喻。蓄電池在嚴重過充時，會將水電解成氫、氧氣體，并釋放至室內。在 1個大氣壓，15～20 ℃的空氣環境中，氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度）。如果氫氣在空氣中的體積濃度在 4.0%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸，而當氫氣濃度小于 4.0%或大于 75.6%時，即使遇到火源，也不會爆炸。做好蓄電池室的通風系統設計，對于安全生產至關重要。

1 相關設計規范的規定差異

不同行業設計規范對蓄電池室通風系統設計規定有差異，即使同為電力行業，發電廠和變電站的設計規范對蓄電池室的通風設計要求也不相同。

現行《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》DL5035-2016（以下簡稱《電暖規》）對蓄電池室的通風設計作出了具體規定。《電暖規》6 .2.2對閥控密封式蓄電池室通風設計相關規定條文[1]引述如下：

當室內未設置氫氣濃度檢測儀時，通風系統應符合下列規定：

1）平時通風系統排風量應按換氣次數不少于每小時3次計算。事故排風系統排風量應按換氣次數不少于每小時6次計算。平時通風用排風機的風量宜按2×100%配置，事故排風機可由兩臺平時通風用排風機共同保證。

2）當室內需要采取降溫措施時，應采用直流式降溫通風系統。

當室內設置氫氣濃度檢測儀時，通風系統應符合下列規定：

1）事故排風系統排風量應按換氣次數不少于每小時6次計算。

2）事故排風機應與氫氣濃度檢測儀聯鎖，當空氣中氫氣體積濃度比達到1%時，事故通風機應能自動投入運行。

3）當室內需要采取降溫措施時，降溫設備可采用防爆型空氣調節裝置，并應與氫氣濃度檢測儀聯鎖。

現行《220kV-750kV 變電站設計技術規程》DL5218-2012（以下簡稱《變電規》）對蓄電池室的通風設計作出了具體規定。《變電規》8 .2.5 相關條文[2]引述具體如下：

1）防酸隔爆蓄電池室的通風應采用機械通風，通風量按空氣中最大含氫量（按體積計）不超過 0.7%計算，換氣次數不應少于每小時6次……

2）免維護蓄電池的通風設計，按換氣次數每小時不少于3次的事故排風裝置，事故排風裝置可兼做通風用。

《35kV-110kV變電站設計規范》GB50059-2011中4.5.4對蓄電池室的通風設計的規定[3]與《220kV-750kV變電站設計技術規程》DL 5218-2012 中 8.2.5 規定[2]是一致的。

現行《數據中心設計規范》GB50174-2017 中并沒有蓄電池室的通風系統設計相關具體規定[4]，僅在《數據中心制冷與空調設計標準》T/CECS487-2017 第9.0.10 規定[5]：設有空調系統的電池間，應設置排風裝置，換氣次數不宜小于0.5次/h。

個人認為同為蓄電池室的通風系統設計，各規范規定的內容不應有較大差異，應綜合各規范相關規定，通過分析研究對蓄電池室通風系統設計方案進行統一和優化。

2 設計優化建議

現在工程中采用的蓄電池基本都為閥控密封式鉛酸（免維護）蓄電池，該蓄電池為密封結構，在正常充、放電時，基本沒有氫氣產生。在嚴重過充狀態下，會將蓄電池內的水分解成氫氣和氧氣，當電池內部氣壓升高到一定值，為安全起見，蓄電池會打開單向安全閥，排出少量氣體至室內空氣中，大部分氫氣仍在蓄電池內部并與氧氣進行再化合反應[6]。據《電暖規》相關條文說明[1]，蓄電池室所需平時通風換氣次數不到1次/h，在極端過充事故時所需通風換氣次數約4.5次/h。

《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2015（以下簡稱《工規》）6 .4 對事故通風的規定為[7]：對可能突然放散大量有毒氣體、有爆炸危險氣體或粉塵的場所，應設置事故通風系統，事故通風換氣次數不應小于12次/h。而根據相關計算結果[8-9]可知，蓄電池室采用的閥控密封式鉛酸蓄電池的析氫速率是非常緩慢的，正常工作條件下達到氫氣爆炸下限需48-84d，異常狀態2.4V浮充條件下達到氫氣爆炸下限需 1-2d，實際上氫氣達到爆炸濃度極限所需的時間要遠大于以上計算值。所以《工規》中的事故通風和蓄電池室的事故排風不是一個概念，蓄電池室不存在突然放散大量爆炸危險氣體的情況。

《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）2018 年版強制條文8.4.3規定[10]：“ 建筑內可能散發可燃氣體、可燃蒸汽的場所應設置可燃氣體報警裝置。”《火災自動報警系統設計規范》G B50116-2013 中 5.2.11 規定[11]：“下列場所宜選擇可燃氣體探測器：… …3其他散發可燃氣體和可燃蒸汽的場所”。蓄電池室屬可能散發可燃氣體、可燃蒸汽的場所，故原則上蓄電池室應設置氫氣濃度檢測報警裝置，平時蓄電池室內空氣中沒有氫氣或氫氣濃度較小時，通風系統可以不運行，只有當報警裝置報警時，才聯鎖啟動通風系統。這樣做有如下好處：

1）平時通風系統不運行，可節省通風系統電耗。

2）夏季通風系統不運行，可節省由于排風而帶來的冷負荷。

3）冬季通風系統不運行，也可以節省由于而排風帶來的熱負荷。

《電暖規》[1]要求當蓄電池室內空氣中氫氣體積濃度比達到 1%時聯鎖事故通風機運行，且事故排風系統的換氣次數不少于6 次/h。而《變電規》[2]要求免維護蓄電池事故排風系統的換氣次數不少于 3 次/h，空氣中最大含氫量（按體積計）不超過0.7%。需指出的是2017 年《電暖規》宣貫時將蓄電池室聯鎖風機啟動氫氣體積濃度由1%修正為0.4%，修正緣由為：《工規》中強制條文6.9.2規定[7]：“ 下列場所不得采用循環空氣：……3空氣中含有易燃易爆氣體，且氣體濃度大于或等于其爆炸下限值的 10%的其他廠房或倉庫”。國內蓄電池室空調普遍采用分體式防爆空調方案，相當于空調室內機采用室內空氣循環方式，按照 《工規》中6.9.2強條要求[7]，室內氫氣濃度(體積比)不得大于或等于其爆炸下限值的10%，氫氣的爆炸下限為4%，乘以10% 計算即為 0.4% 。《氫氣站設計規范 》GB50177-2005中強制條文 8.0.6 規定[12]：“ 有爆炸危險房間內，應設氫氣檢漏報警裝置，并應與相應的事故排風機聯鎖。當空氣中氫氣濃度達到0.4%(體積比)時，事故排風機應能自動開啟。”此強條規定和《工規》中6.9.2強條[7]的要求是一致的。

綜合以上分析，為保證安全和節能運行，建議蓄電池室統一按照換氣次數不少于 6 次/h 計算事故排風量，蓄電池室內應設置氫氣濃度檢測報警裝置。當氫氣濃度檢測報警裝置檢測到空氣中氫氣體積濃度比達到 0.4%時應報警并聯鎖事故排風機自動投入運行，事故排風機平時可不運行。

另建議蓄電池室設置遠程控制與故障報警裝置，對風機的運行狀態進行遠程監控并進行故障報警。當風機出現故障時，以便運維人員能及時檢修并采取相關應急措施。

3 不同消防方式對通風設計的要求

電力行業中的蓄電池室消防方式多為滅火器，而數據中心蓄電池室消防方式多為全淹沒氣體滅火方式。根據《氣體滅火系統設計規范》G B50370-2005中強制條文6.0.4 規定[13]：“ 滅火后的防護區應通風換氣，地下防護區和無窗或設固定窗扇的地上防護區，應設置機械排風裝置，排風口宜設在防護區的下部并應直通室外。通信機房、電子計算機房等場所的通風換氣次數應不少于每小時5次。”所以數據中心蓄電池室除了和電力行業蓄電池室一樣設置事故排風系統以外，還需設置氣體滅火后通風換氣系統（災后排風），通風換氣次數滿足不少于5次/h。

《氣體滅火系統設計規范》G B50370-2005 中強制條文3.2.9 規定[13]：“ 噴放滅火劑前，防護區內除泄壓口外的開口應能自行關閉。”《數據中心設計規范》GB50174-2017 中 13.3.2 規定[4]：采用全淹沒方式滅火的區域，滅火系統控制器應在滅火設備動作之前，聯動控制關閉房間內的風門、風閥，并應停止空調機、排風機，切斷非消防電源等。故建議數據中心氣體滅火后通風換氣系統（災后排風）風管上設置常閉型電動防火閥或電動密閉閥，當發生火災時，以保證噴放滅火氣體前防護區的密閉，待滅完火后，經人工確認不能復燃，聯鎖開啟電動防火閥或電動密閉閥和排風機進行通風換氣。

4 電力工程蓄電池室通風系統設計實例

某 220kV 變電站蓄電池室通風系統設計如圖 1所示，該蓄電池室設置換氣次數不小于6次/h 的自然進風、機械排風系統，用于事故排風，通風設備采用防爆軸流風機。事故排風系統吸風口上緣距離屋頂距離不大于0.1 m,并在被頂棚梁分隔的每個區域均設置吸風口。蓄電池室在房間上部設置氫氣濃度檢測報警裝置，當空氣中氫氣體積濃度達到0.4%時報警并聯鎖事故排風機自動運行，同時聯鎖關閉室內空調，以保證及時排除泄漏的氫氣，避免室內空氣再循環，空調為風冷分體式防爆空調。

圖1 某220kV變電站蓄電池室通風系統

蓄電池室內風機設置遠程控制與故障報警裝置。

5 數據中心蓄電池室通風系統設計實例

某數據中心蓄電池室通風系統設計如圖 2 所示，采用全淹沒氣體（七氟丙烷）滅火方式。該蓄電池室設換氣次數不小于6次/h的自然進風、機械排風系統，用于事故排風（風機1），另設置1臺換氣次數不小于5次/h氣體滅火后通風換氣風機（風機 2），風機均采用防爆軸流風機。事故排風系統吸風口上緣距離屋頂距離不大于0.1 m，并在被頂棚梁分隔的每個區域均設置吸風口。氣體滅火后通風換氣系統（災后排風）吸風口下緣距離房間地面距離不大于 0.2 m。蓄電池室在房間上部設置氫氣濃度檢測報警裝置，當空氣中氫氣體積濃度達到 0.4%時報警并聯鎖開啟相應電動密閉閥和風機1自動運行進行事故排風，同時聯鎖關閉室內空調，以保證及時排除泄漏的氫氣，避免室內空氣再循環，空調為風冷分體式防爆空調。

圖2 某數據中心蓄電池室通風系統

當發生火災時，消防報警系統聯鎖關閉蓄電池室內通風空調系統，經人工確認后噴放七氟丙烷氣體滅火，滅完火后經人工確認不能復燃，聯鎖開啟相應電動密閉閥（常閉）和風機2進行通風換氣。

蓄電池室內風機設置遠程控制與故障報警裝置。

6 結語

根據電力行業發電廠、變電站和數據中心蓄電池室的特點，分析了各規范規定的蓄電池室通風系統設計差異，并優化和統一設計方案，提出如下結論：

1）蓄電池室均應設置氫氣濃度檢測報警裝置，平時通風系統不運行，節約風機電耗的同時還可節約由于排風而帶來的冷、熱負荷，實現節能降耗。當過渡季節時可運行通風系統，關閉室內空調，減少空調能耗。

2）統一蓄電池室事故排風啟動條件，當氫氣濃度檢測報警裝置檢測到空氣中氫氣體積濃度比達到0.4%時應報警并聯鎖事故排風系統自動投入運行，同時聯鎖關閉室內空調，以保證及時排除泄漏的氫氣，避免室內空氣再循環。

3）建議統一蓄電池室事故排風量計算標準，按照換氣次數不少于6次/h計算事故排風量更合理、安全和可靠。

4）蓄電池室除應設計事故排風系統外，當采用全淹沒氣體滅火方式時（如數據中心蓄電池室），還應設計獨立的氣體滅火后通風換氣系統（災后排風），通風換氣次數滿足不少于5次/h。當發生火災時，消防報警系統聯鎖關閉蓄電池室內通風空調系統，保證噴放滅火氣體前防護區的密閉，經人工確認后噴放全淹沒氣體滅火，滅完火后經人工確認不能復燃，聯鎖開啟相應的電動防火閥或電動密閉閥和排風機進行通風換氣。

5）建議蓄電池室設置遠程控制與故障報警裝置，對風機的運行狀態進行遠程監控并進行故障報警，這也是國際通行做法[14]。當風機出現故障時，以便運維人員能及時檢修并采取相關應急措施，安全系數得到大幅提高。