余 理 論

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州　310007)

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)組作為大型公共建筑的應(yīng)急備用電源，已得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前城市寸土寸金，發(fā)電機(jī)房更多的被設(shè)置于地下1層。由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在大量的散熱量，地下室發(fā)電機(jī)房的散熱設(shè)計(jì)成為了重要內(nèi)容，本文通過對柴油發(fā)電機(jī)房的散熱通風(fēng)量的計(jì)算，對設(shè)置于地下室柴油發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)與冷卻設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探討。

1　發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱形式

現(xiàn)階段，柴油發(fā)電機(jī)房通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要有以下幾種冷卻方式[1]。

1.1　水冷方式

水冷方式是利用水作為介質(zhì)把熱量轉(zhuǎn)移，水冷方式主要是利用設(shè)置于室外的冷卻塔，通過冷卻水系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)中水—水換熱器中的熱量散至大氣中，其設(shè)置原理如圖1所示。

水冷系統(tǒng)由于冷卻塔及部分冷卻水管路設(shè)置于室外，冷卻水水溫受季節(jié)變化影響很大，冬季容易結(jié)冰，需要考慮冷卻系統(tǒng)的防凍措施，否則將影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2　風(fēng)冷方式

風(fēng)冷方式是利用風(fēng)機(jī)引入室外空氣，室外空氣通過水—水散熱器將發(fā)電機(jī)水—水換熱器中的熱量進(jìn)行熱交換，再排至大氣中，其設(shè)置原理如圖2所示。

其優(yōu)點(diǎn)是由于風(fēng)冷系統(tǒng)直接利用室外空氣將水—水散熱器中的熱量帶走，系統(tǒng)較水冷方式簡單，管理方便，且受外界因素的影響小。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)房內(nèi)需要大量的室外空氣進(jìn)行散熱，對發(fā)電機(jī)房的大小及位置都有較高的要求。目前工程中較多的是采用風(fēng)冷散熱方式的柴油發(fā)電機(jī)組。

2　風(fēng)冷形式發(fā)電機(jī)房散熱通風(fēng)量計(jì)算

在進(jìn)行發(fā)電機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到機(jī)組水—水換熱器的排風(fēng)帶有大量的熱量，一般在設(shè)計(jì)時(shí)會將這部分的排風(fēng)直接排至室外或豎井內(nèi)，而非室內(nèi)，因此采用風(fēng)冷散熱方式的柴油發(fā)電機(jī)房內(nèi)的余熱量包括柴油機(jī)向室內(nèi)空氣的散熱量、發(fā)電機(jī)向室內(nèi)空氣的散熱量、排煙管道的散熱量三部分[2]。

2.1　柴油機(jī)散熱量計(jì)算

柴油機(jī)的散熱量可按下式計(jì)算：

Q1=η1qNeB/3 600。

其中，Q1為柴油機(jī)的散熱量，kW；η1為柴油機(jī)工作時(shí)向周圍空氣散熱的熱量系數(shù),%;q為柴油機(jī)燃料熱值，可取q=41 870 kJ/kg;Ne為柴油機(jī)額定功率,kW;B為柴油機(jī)的耗油率,kg/(kW·h)，一般在設(shè)計(jì)無相關(guān)設(shè)備參數(shù)時(shí)可取0.23。

2.2　發(fā)電機(jī)散熱量計(jì)算

發(fā)電機(jī)的散熱量可按下式計(jì)算：

Q2=P(1-η2)/η2。

其中，Q2為發(fā)電機(jī)的散熱量,kW;P為發(fā)電機(jī)額定輸出功率,kW;η2為發(fā)電效率，通常為80%～94%，具體可以根據(jù)發(fā)電機(jī)型號確定。

2.3　排煙管的散熱量

排煙管的散熱量可按下式近似計(jì)算：

Q3=L×qe；

qe=π(ty-tn)/[1/(2λ)×ln(D/d)+1/(aD)]。

其中，Q3為排煙管的散熱量,kW;L為排煙管在機(jī)房內(nèi)敷設(shè)的長度,m;qe為排煙管單位長度散熱量,kW/m;ty為排煙管內(nèi)的排煙計(jì)算溫度,℃;tn為排煙管周圍空氣溫度,℃，即機(jī)房內(nèi)溫度;λ為排煙管保溫材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)；D為排煙管保溫層外徑，m；d為排煙管外徑，m；a為排煙管保溫層外表面向周圍空氣的放熱系數(shù),W/(m2·℃)；對于架空敷設(shè)于機(jī)房內(nèi)的排煙管，可取a=8.141 W/(m2·℃)。

2.4　發(fā)電機(jī)房總余熱量

發(fā)電機(jī)房總余熱量為：

Qy=Q1+Q2+Q3。

其中，Qy為發(fā)電機(jī)房總余熱量，kW。

2.5　機(jī)房散熱通風(fēng)量計(jì)算

排除機(jī)房內(nèi)余熱的通風(fēng)量可按下式計(jì)算：

L=3 600Qy/cρ(tn-tw)。

其中，L為排除機(jī)房內(nèi)余熱所需通風(fēng)量，m2/h；Qy為發(fā)電機(jī)房總余熱量,kW;tn為機(jī)房內(nèi)溫度,℃;tw為夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度,℃;c為空氣比熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，kg/m3。

通過以上機(jī)房余熱量和通風(fēng)量計(jì)算公式，結(jié)合某廠家的柴油發(fā)電機(jī)樣本，以杭州室外通風(fēng)計(jì)算溫度為例，計(jì)算幾個較為常用的發(fā)電機(jī)額定功率下機(jī)房所需的散熱排風(fēng)量和所需總進(jìn)風(fēng)量，如表1所示(燃燒空氣量和換熱器排風(fēng)量為樣本數(shù)據(jù))。

表1　風(fēng)冷柴發(fā)換熱器排風(fēng)量直接排至機(jī)房外時(shí)排風(fēng)量計(jì)算表

3　地下室發(fā)電機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對設(shè)置于地下室的柴油發(fā)電機(jī)房，由于沒有直接對外的墻可以作為進(jìn)風(fēng)或排風(fēng)口，只有通過設(shè)置進(jìn)風(fēng)井將新風(fēng)引進(jìn)機(jī)房內(nèi)，并通過排風(fēng)井將室內(nèi)熱量排出。一般情況下，進(jìn)風(fēng)井道和排風(fēng)井道的設(shè)置常用的有如下三種情況。

1)機(jī)房進(jìn)排風(fēng)均設(shè)置風(fēng)機(jī)，換熱器排風(fēng)直接排入井道。

如圖3所示，機(jī)房內(nèi)余熱通過排風(fēng)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排至專用的排風(fēng)井道，室外新風(fēng)通過進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)引入室內(nèi)，柴油發(fā)電機(jī)的換熱器排風(fēng)直接接至專用井道內(nèi)。這種方法由于進(jìn)排風(fēng)均設(shè)置了壓頭較大的進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)，井道內(nèi)的風(fēng)速相對可以較大，一般設(shè)計(jì)時(shí)可按8 m/s考慮。換熱器的排風(fēng)由于換熱器風(fēng)機(jī)的壓力較小，井道內(nèi)的排風(fēng)風(fēng)速不宜過大，否則會由于排風(fēng)阻力大而無法排至室外，一般可按2 m/s考慮。根據(jù)表1的通風(fēng)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到在這種設(shè)置條件下各個通風(fēng)井道的大小，如表2所示。

表2　方式1通風(fēng)井道面積計(jì)算表

這種設(shè)置方法除換熱器排風(fēng)所需要的風(fēng)井較大外，其余進(jìn)排風(fēng)井道所需要的面積均較小，適合各種功率的地下室發(fā)電機(jī)房使用，且由于均設(shè)置專用的風(fēng)機(jī)，機(jī)房散熱效果較好；但發(fā)電機(jī)功率較大時(shí)，由于進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量很大，風(fēng)機(jī)所需要的電量也很大，會占用一部分發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，需要設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。

2)機(jī)房排風(fēng)設(shè)置風(fēng)機(jī)，換熱器排風(fēng)直接排入井道，進(jìn)風(fēng)采用負(fù)壓通過井道自然進(jìn)風(fēng)。

如圖4所示，這種設(shè)置方法，由于只有機(jī)房內(nèi)排風(fēng)是設(shè)置排風(fēng)風(fēng)機(jī)排至井道內(nèi)，進(jìn)風(fēng)和換熱器排風(fēng)均沒有另設(shè)風(fēng)機(jī)。進(jìn)風(fēng)井道和換熱器排風(fēng)井道內(nèi)的風(fēng)速都不能過大，導(dǎo)致所需進(jìn)風(fēng)井道和換熱器排風(fēng)井道面積均很大。根據(jù)表1的通風(fēng)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得在這種設(shè)置條件下各個通風(fēng)井道的大小，如表3所示。

表3　方式2通風(fēng)井道面積計(jì)算表

這種設(shè)置方法所需要的進(jìn)排風(fēng)井道都很大，較為浪費(fèi)面積，更適合于小功率發(fā)電機(jī)房或地下室存在下沉式庭院可以直接作為進(jìn)風(fēng)井道自然進(jìn)風(fēng)的情況。

3)機(jī)房進(jìn)排風(fēng)均設(shè)置風(fēng)機(jī)，換熱器排風(fēng)也設(shè)置專用排風(fēng)風(fēng)機(jī)。

如圖5所示，這種設(shè)置方法由于均設(shè)置了專用的進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)，每個風(fēng)井的面積均較小。根據(jù)表1的通風(fēng)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得在這種設(shè)置條件下各個通風(fēng)井道的大小，如表4所示。

表4　方式3通風(fēng)井道面積計(jì)算表

這種設(shè)置方式與第一種方式相似，唯一不同在于發(fā)電機(jī)的換熱器排風(fēng)也在機(jī)房內(nèi)設(shè)置了專用的排風(fēng)風(fēng)機(jī)，以減小排風(fēng)井道的大小。但由于換熱器自帶壓頭較小的排風(fēng)風(fēng)機(jī)，一般均需廠家在安裝時(shí)將換熱器原自帶的排風(fēng)風(fēng)機(jī)拆除，再連接至專用風(fēng)機(jī)，安裝較為繁瑣，破壞了發(fā)電機(jī)的整體性，且不是所有廠家均支持此類安裝。因此除非條件限制，一般不建議采用。

4　結(jié)語

設(shè)置于地下室的柴油發(fā)電機(jī)房，通風(fēng)條件較差，合理的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置不但能保證柴油發(fā)電機(jī)組的高效運(yùn)行，更能促進(jìn)建筑面積的有效利用。因此，地下室柴油發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的充分重視。