某熱帶地區水電站一次回風直膨式空調應用與研究

查顯順 陳鵬云 謝方祥

某熱帶地區水電站一次回風直膨式空調應用與研究

查顯順 陳鵬云 謝方祥

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司 武漢 430015）

通過對熱帶地區水電站室外空氣計算參數的分析及空調系統冷負荷的計算，并結合廠房布置特點，研究了廠房一次回風空調系統的設計方案、氣流組織、各區域空氣狀態參數及節能降耗情況；分析了直膨式空調機組的優勢；提出高溫高濕地區地面水電站通風空調設置回風系統可以極大地降低通風空調能耗；選擇直膨式空調機組作為空調冷源可以節約廠房空間，避免了繁瑣的空調水系統。一次回風直膨式空調在高溫高濕地區地面水電站是值得推廣應用的。

通風空調；直膨式機組；等濕加熱；一次回風；氣流組織

0 概述

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

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

1 空氣參數與冷負荷

1.1 室外空氣參數分析

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

表1 室外空氣計算參數表

1.2 負荷計算與分析

（1）室內余熱余濕

室內余熱包括地上圍護結構的傳熱、廠內設備及人員的散熱，余濕主要為地下圍護結構壁面及人體的散濕。室內余熱、余濕計算結果如表2所示。

表2 室內余熱、余濕計算結果匯總表

（2）新風負荷

根據工程所在地氣象參數及焓濕圖分析，空調季節新風狀態點的焓值為112.7kJ/kg，含濕量30.5g/kg。新風焓值及含濕量較高，故在方案設計時需要盡可能減少新風量，使廠內人工環境達標的同時降低通風空調能耗。

2 一次回風空調方案應用與分析

2.1 方案概述及氣流組織

圖1 廠房機組段橫剖面氣流流向圖

圖2 廠房一次回風空調系統流程框圖

根據廠房布置形式以及熱、濕負荷計算結果，將廠房通風空調系統劃分為三個部分：一是主廠房及副廠房高溫區的一次回風空調系統（本文研究對象）；二是部分電氣設備和人員房間的多聯機空調系統；三是GIS室、油庫等區域的獨立通風系統。廠房機組段橫剖面氣流流向圖如圖1所示。廠房一次回風空調系統新風、回風經過空調機組處理后自主廠房頂部送入，依次經過較低溫度區（主廠房）、高溫區（副廠房），沿途帶走余熱、余濕后通過回風管（井）至空調機組，進入下一次空氣循環。廠房一次回風空調系統在空調機組、回、排風機及管路設施的作用下，形成流程框圖如圖2所示。

2.2 通風量確定與機組選型

（1）通風量的確定

廠房一次回風空調系統氣流以串聯方式帶走沿途各部位余熱、余濕。根據冷負荷與焓差的傳統通風量計算方法[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量，繼而逐個計算沿氣流方向各區域的通風量，并對各區域溫度與換氣次數進行試算，最終確定各區域的通風量與空氣狀態，如表3所示。總送風量等效計算方法為：主廠房區域設計溫度比副廠房高溫區域低2℃，結合廠房布置，整個廠房視為一個等效計算區域，可取其平均溫度值為34℃，而廠房熱濕比計算值為14萬，可近似認為廠房空調送風過程為等濕送風，從而確定送風狀態點S，繼而確定室內狀態點N。空氣處理及送風過程焓濕圖，如圖3所示。

根據廠房布置，空壓機室排風難以排至回風井；根據規范要求，蓄電池室及油庫需要設置獨立排風系統，不可設置回風。結合空氣處理過程計算，并盡可能減少新風量，最終確定該空調系統回風量為48520m3/h，新風量為15110m3/h，總送風量為63630m3/h，新風比為23.7%。新風負荷為202.2kW，系統總負荷為456.6kW。

表3 廠房各部位通風量計算表

圖3 空氣處理及送風過程焓濕圖

（2）機組的選擇

在確定了頂部送風的基礎上，結合地面廠房結構形式，將空調機組布置在屋頂是較為合理的方案，冷源選擇直膨式空調機組，其具有如下特點：①機組不占用廠外用地；②機組為風冷直接蒸發式空調設備，無繁瑣的冷凍水、冷卻水系統進入廠房，極大程度方便了安裝和運行維護；③處理后的空氣直接送入廠房，縮短了送風距離，降低了輸送能耗；④機組配有新風引入功能，可通過送、回風風量的調整進入節能運行工況。

根據通風量及熱、濕負荷的計算，考慮安全系數，直膨式空調機組的主要選型參數為：制冷量為510kW，風量為70000m3/h。

3 節能分析及運行策略

3.1 系統節能分析

為研究廠房空調系統的能耗情況，將傳統直流空調方案與一次回風空調方案的年耗電量進行對比計算分析，如表4所示。兩方案選用同類型的空調機組，由于地處熱帶地區，傳統直流空調系統采用全新風運行的方式，新風負荷極大，需要選擇制冷量更高的機組，而兩者回、排風機等能耗基本一致。經計算分析，一次回風空調方案相比傳統直流空調方案節能率可達55.9%。

表4 通風空調系統耗電對比表

3.2 節能運行策略

隨著智能管理的發展，無人值守水電站已逐漸成為現實。為滿足電廠設備運行的需要，減少運行管理的工作量，對本電站設置通風空調設備的監測和自動控制系統[10-12]。根據廠房一次回風空調系統特點、廠內熱、濕負荷及新風狀態設置風量調節功能，如圖4所示。在機組的新風入口（W點）、回風入口（H點）處設置溫、濕度傳感器，當室內回風焓值h≥室外新風焓值h時，通過自動控制系統調節電動風量調節閥（DT-1~DT-3），使一次回風空調系統進入最大新風工況運行，即機械通風工況；當h＜h時，調節電動風量調節閥（DT-1~DT-3），使一次回風空調系統進入最小新風工況運行，從而降低系統的運行能耗。

圖4 一次回風空調系統風量調節原理圖

4 結論與建議

（1）熱帶地區室外空氣具有高溫高濕特點，水電站的通風空調設計應注意：僅靠機械通風不能排除廠房余熱余濕，需設置空調系統，且在滿足廠內人員與設備基本要求的前提下盡量減少新風量，降低新風負荷，減少空調能耗。因此，熱帶地區地面廠房采用新、回風風量可調的一次回風空調系統是比較合理的方案，應被廣泛推薦。

（2）屋頂直膨式空調機組應用于地面廠房，無繁瑣的水系統，結構簡單，占用空間少，是較為合理的空調冷源方案。

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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