查顯順 陳鵬云 謝方祥

某熱帶地區(qū)水電站一次回風(fēng)直膨式空調(diào)應(yīng)用與研究

查顯順 陳鵬云 謝方祥

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司 武漢 430015）

通過對熱帶地區(qū)水電站室外空氣計算參數(shù)的分析及空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的計算，并結(jié)合廠房布置特點，研究了廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案、氣流組織、各區(qū)域空氣狀態(tài)參數(shù)及節(jié)能降耗情況；分析了直膨式空調(diào)機(jī)組的優(yōu)勢；提出高溫高濕地區(qū)地面水電站通風(fēng)空調(diào)設(shè)置回風(fēng)系統(tǒng)可以極大地降低通風(fēng)空調(diào)能耗；選擇直膨式空調(diào)機(jī)組作為空調(diào)冷源可以節(jié)約廠房空間，避免了繁瑣的空調(diào)水系統(tǒng)。一次回風(fēng)直膨式空調(diào)在高溫高濕地區(qū)地面水電站是值得推廣應(yīng)用的。

通風(fēng)空調(diào)；直膨式機(jī)組；等濕加熱；一次回風(fēng)；氣流組織

0 概述

位于熱帶地區(qū)的某樞紐建筑物主要包括大壩、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、上下游圍堰及導(dǎo)流洞，引水發(fā)電建筑物為地面廠房，共安裝2臺單機(jī)容量為75MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為150MW。地面廠房位于河床左岸，廠房尺寸為：61m×21m×53m（長×寬×高）。

水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要目的是降溫除濕[1-5]，常用的有兩種形式，一是直流式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：將室外空氣通過空調(diào)機(jī)組降溫除濕處理后送至廠房主廠房、主變洞、副廠房，依次帶走廠內(nèi)各部位余熱余濕后將廠內(nèi)空氣直接排出室外；二是采用全面通風(fēng)（未經(jīng)降溫除濕處理）與局部空調(diào)相結(jié)合的方式，兩種形式的空調(diào)冷源常為風(fēng)冷或水冷冷水機(jī)組。前者沿著氣流方向，空氣溫度越來越高，易出現(xiàn)局部區(qū)域溫度相比于設(shè)計值偏高或偏低的現(xiàn)象；后者存在末端機(jī)組占用廠內(nèi)空間、冷水進(jìn)入設(shè)備間等缺點，且二者均需配置繁瑣的水系統(tǒng)。本工程針對熱帶地區(qū)室外空氣高熱高濕的特點，采用一次回風(fēng)直膨式空調(diào)系統(tǒng)，避開了前述兩種空調(diào)形式存在的缺點，通過優(yōu)化氣流組織以及降低新風(fēng)比的方式，極大程度地實現(xiàn)了電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

1 空氣參數(shù)與冷負(fù)荷

1.1 室外空氣參數(shù)分析

本工程地點地處熱帶地區(qū)，所屬流域的氣候主要受西南季風(fēng)（夏季風(fēng)）和東北季風(fēng)（冬季風(fēng)）的影響。由于該地區(qū)靠近海，其氣候條件總的特性是濕熱，常年有雨，年內(nèi)氣溫變化不大。根據(jù)室外空氣計算溫度簡化方法[6-8]，并結(jié)合本工程水文氣象資料，電站主要室外空氣計算參數(shù)如表1所示。

表1 室外空氣計算參數(shù)表

1.2 負(fù)荷計算與分析

（1）室內(nèi)余熱余濕

室內(nèi)余熱包括地上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、廠內(nèi)設(shè)備及人員的散熱，余濕主要為地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面及人體的散濕。室內(nèi)余熱、余濕計算結(jié)果如表2所示。

表2 室內(nèi)余熱、余濕計算結(jié)果匯總表

（2）新風(fēng)負(fù)荷

根據(jù)工程所在地氣象參數(shù)及焓濕圖分析，空調(diào)季節(jié)新風(fēng)狀態(tài)點的焓值為112.7kJ/kg，含濕量30.5g/kg。新風(fēng)焓值及含濕量較高，故在方案設(shè)計時需要盡可能減少新風(fēng)量，使廠內(nèi)人工環(huán)境達(dá)標(biāo)的同時降低通風(fēng)空調(diào)能耗。

2 一次回風(fēng)空調(diào)方案應(yīng)用與分析

2.1 方案概述及氣流組織

圖1 廠房機(jī)組段橫剖面氣流流向圖

圖2 廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程框圖

根據(jù)廠房布置形式以及熱、濕負(fù)荷計算結(jié)果，將廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)劃分為三個部分：一是主廠房及副廠房高溫區(qū)的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（本文研究對象）；二是部分電氣設(shè)備和人員房間的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)；三是GIS室、油庫等區(qū)域的獨立通風(fēng)系統(tǒng)。廠房機(jī)組段橫剖面氣流流向圖如圖1所示。廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)、回風(fēng)經(jīng)過空調(diào)機(jī)組處理后自主廠房頂部送入，依次經(jīng)過較低溫度區(qū)（主廠房）、高溫區(qū)（副廠房），沿途帶走余熱、余濕后通過回風(fēng)管（井）至空調(diào)機(jī)組，進(jìn)入下一次空氣循環(huán)。廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)機(jī)組、回、排風(fēng)機(jī)及管路設(shè)施的作用下，形成流程框圖如圖2所示。

2.2 通風(fēng)量確定與機(jī)組選型

（1）通風(fēng)量的確定

廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流以串聯(lián)方式帶走沿途各部位余熱、余濕。根據(jù)冷負(fù)荷與焓差的傳統(tǒng)通風(fēng)量計算方法[9]存在較多未知的輸入條件。因此本文通過等效計算方法確定總送風(fēng)量，繼而逐個計算沿氣流方向各區(qū)域的通風(fēng)量，并對各區(qū)域溫度與換氣次數(shù)進(jìn)行試算，最終確定各區(qū)域的通風(fēng)量與空氣狀態(tài)，如表3所示。總送風(fēng)量等效計算方法為：主廠房區(qū)域設(shè)計溫度比副廠房高溫區(qū)域低2℃，結(jié)合廠房布置，整個廠房視為一個等效計算區(qū)域，可取其平均溫度值為34℃，而廠房熱濕比計算值為14萬，可近似認(rèn)為廠房空調(diào)送風(fēng)過程為等濕送風(fēng)，從而確定送風(fēng)狀態(tài)點S，繼而確定室內(nèi)狀態(tài)點N?？諝馓幚砑八惋L(fēng)過程焓濕圖，如圖3所示。

根據(jù)廠房布置，空壓機(jī)室排風(fēng)難以排至回風(fēng)井；根據(jù)規(guī)范要求，蓄電池室及油庫需要設(shè)置獨立排風(fēng)系統(tǒng)，不可設(shè)置回風(fēng)。結(jié)合空氣處理過程計算，并盡可能減少新風(fēng)量，最終確定該空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)量為48520m3/h，新風(fēng)量為15110m3/h，總送風(fēng)量為63630m3/h，新風(fēng)比為23.7%。新風(fēng)負(fù)荷為202.2kW，系統(tǒng)總負(fù)荷為456.6kW。

表3 廠房各部位通風(fēng)量計算表

圖3 空氣處理及送風(fēng)過程焓濕圖

（2）機(jī)組的選擇

在確定了頂部送風(fēng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地面廠房結(jié)構(gòu)形式，將空調(diào)機(jī)組布置在屋頂是較為合理的方案，冷源選擇直膨式空調(diào)機(jī)組，其具有如下特點：①機(jī)組不占用廠外用地；②機(jī)組為風(fēng)冷直接蒸發(fā)式空調(diào)設(shè)備，無繁瑣的冷凍水、冷卻水系統(tǒng)進(jìn)入廠房，極大程度方便了安裝和運(yùn)行維護(hù)；③處理后的空氣直接送入廠房，縮短了送風(fēng)距離，降低了輸送能耗；④機(jī)組配有新風(fēng)引入功能，可通過送、回風(fēng)風(fēng)量的調(diào)整進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行工況。

根據(jù)通風(fēng)量及熱、濕負(fù)荷的計算，考慮安全系數(shù)，直膨式空調(diào)機(jī)組的主要選型參數(shù)為：制冷量為510kW，風(fēng)量為70000m3/h。

3 節(jié)能分析及運(yùn)行策略

3.1 系統(tǒng)節(jié)能分析

為研究廠房空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況，將傳統(tǒng)直流空調(diào)方案與一次回風(fēng)空調(diào)方案的年耗電量進(jìn)行對比計算分析，如表4所示。兩方案選用同類型的空調(diào)機(jī)組，由于地處熱帶地區(qū)，傳統(tǒng)直流空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)運(yùn)行的方式，新風(fēng)負(fù)荷極大，需要選擇制冷量更高的機(jī)組，而兩者回、排風(fēng)機(jī)等能耗基本一致。經(jīng)計算分析，一次回風(fēng)空調(diào)方案相比傳統(tǒng)直流空調(diào)方案節(jié)能率可達(dá)55.9%。

表4 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗電對比表

3.2 節(jié)能運(yùn)行策略

隨著智能管理的發(fā)展，無人值守水電站已逐漸成為現(xiàn)實。為滿足電廠設(shè)備運(yùn)行的需要，減少運(yùn)行管理的工作量，對本電站設(shè)置通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)[10-12]。根據(jù)廠房一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)特點、廠內(nèi)熱、濕負(fù)荷及新風(fēng)狀態(tài)設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)功能，如圖4所示。在機(jī)組的新風(fēng)入口（W點）、回風(fēng)入口（H點）處設(shè)置溫、濕度傳感器，當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)焓值h≥室外新風(fēng)焓值h時，通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥（DT-1~DT-3），使一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入最大新風(fēng)工況運(yùn)行，即機(jī)械通風(fēng)工況；當(dāng)h＜h時，調(diào)節(jié)電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥（DT-1~DT-3），使一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入最小新風(fēng)工況運(yùn)行，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

圖4 一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)原理圖

4 結(jié)論與建議

（1）熱帶地區(qū)室外空氣具有高溫高濕特點，水電站的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計應(yīng)注意：僅靠機(jī)械通風(fēng)不能排除廠房余熱余濕，需設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，且在滿足廠內(nèi)人員與設(shè)備基本要求的前提下盡量減少新風(fēng)量，降低新風(fēng)負(fù)荷，減少空調(diào)能耗。因此，熱帶地區(qū)地面廠房采用新、回風(fēng)風(fēng)量可調(diào)的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是比較合理的方案，應(yīng)被廣泛推薦。

（2）屋頂直膨式空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于地面廠房，無繁瑣的水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間少，是較為合理的空調(diào)冷源方案。

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Application and Research of Primary Return Air Conditioning System Using Direct Expansion Unit in a Tropical Hydro-power Station

Zha Xianshun Chen Pengyun Xie Fangxiang

( Changjiang, Survey, Planning, Design and Research Co., Ltd, Wuhan, 430015 )

Combined with the layout feature of the powerhouse, researches the design scheme and the air distribution of primary return air conditioning system of the powerhouse and the quantity of air state in each position, based on the analysis of outdoor air design conditions of hydropower station in tropical area and the calculation of air conditioning system cooling load.Analyzes the advantages of direct expansion air conditioning unit. Presents that it can greatly reduce the energy consumption of ventilation and air conditioning to design return air for the air conditioning system of ground hydropower station in high temperature and high humidity region. It can save space for powerhouse and avoid using air conditioning water system to select direct expansion air conditioning unit on roof as thecold source of air conditioning system for powerhouse. It is worthy of being promoted and applied to design primary return air conditioning system using direct expansion unit for ground hydropower station in high temperature and high humidity region.

ventilation and air conditioning; direct expansion unit; sensible heating; primary return air; air distribution

TU83

B

1671-6612（2020）05-588-04

查顯順（1987.5-），男，工程師，E-mail：zhaxianshun@cjwsjy.com.cn

2020-08-26