人防工程固定電站冷卻方式設計與分析

許威威

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200082）

0 引言

隨著經濟的發展，人防工程已成為我國國防體系的重要組成部分。一般大于5000 m2的人防工程，要求設置柴油電站。暖通專業對電站設計的主要目的是消除柴油機房內的有害氣體及余熱。消除余熱的主要方式有水冷、風冷或蒸發式冷卻。與風冷與水冷的方式比較，蒸發式冷卻具有進風量小、耗水量少、比較經濟、使用較為靈活等特點。下面將結合具體工程，分析計算蒸發式冷卻與風冷相結合的冷卻方式。

1 工程概況及冷卻方式

固定電站對柴油機房進行降溫的方式主要風冷、水冷、蒸發式冷卻3 種。其中，風冷是利用風帶走柴油機房的余熱，電站功率較大時所需風量大，設置多個懸板活門才能滿足要求，使擴散室所需的面積大大增加，給擴散室的布置帶來不便；水冷是利用水做媒介，消除柴油機房的余熱，無穩定內水源時大，電站內需設置占地面積較大的水庫，因此使電站占地面積大大增加；蒸發式冷卻是利用水的相變吸熱達到降溫的目的，其空氣焓差比風冷的焓差大，同時水的蒸發熱遠遠大于冷卻水的比熱容。因此采用蒸發式冷卻大降低了排除電站內余熱所需的進排風量，耗水量也大大減少。

本文著重以蒸發式冷卻與風冷相結合的方式對某項目“固定電站”進行計算與分析。該工程位于浙江省某市，人防設置1個固定電站：固定電站設置兩臺250 kW 的柴油發電機；夏季室外通風計算溫度33.1 ℃，相對濕度60%；機房設計溫度35 ℃（考慮結合室外防護機室的做法，35 ℃能較好地保證風冷熱泵換熱需求），相對濕度70%。

2 固定電站內余熱及通風量計算

固定電站設置有兩臺250 kW 發電機組，單臺柴油機組Ne=275 kW（國產柴油發電機參數）。

（1）機組燃燒空氣量L燃。燃燒空氣量L燃=7×Ne×2=7×275×2=3850 m3/h。其中，Ne為單臺柴油機運行額定功率，根據柴油機額定功率Ne取值7 m3/（kW·h）。

（2）排除有害氣體所需空氣量L害。柴油機運行過程中，發電機組通過不嚴密部位不斷向機房泄漏一氧化碳和丙烯醛等有害氣體，需通過通風消除機房內的有害氣。當無機組相關計算數據時，按不小于20 m3/（kW·h）計算進風量。本文取25 m3/（kW·h），則L害=25×Ne×2=13 750 m3/h。

（3）柴油發電機房的余熱Qy。

柴油機組散發余熱量Q1=η1qNe×2B/3600=58.85 kW。其中，η1為柴油機運行時向機房內散熱的散熱系數，本工程取4%；B為柴油機運行耗油率，建議取0.23 kg/（kW·h）；q 為柴油機燃料的熱值，可取41 870 kJ/kg。

發電機組散發余熱量Q2=2×P（1-η2）/η2=49.451 kW。其中，Q2為發電機運行時散發的余熱量；P 為單臺發電機的額定功輸出功率；η2為發電效率%，本文取91%。

排煙管散發的余熱量Q3。Q3與排出煙氣的溫度、機房內設計溫度、機房內排煙管的長度、排煙管保溫材料、層厚度等因素有關，即Q3=Lqe。

qe=π（ty-tn）/［ln（D/d）/（2λ）+1/（αD）］=277.01 W/m。其中，L為機房內排煙管架空敷設的長度；qe為單位長度排煙管散熱量；ty為排煙管排出煙氣的溫度，可取300～400 ℃；tn為機房內設計計算溫度，取35 ℃；λ 為保溫材料導熱系數，取0.052；D 為保溫層外徑，取0.6 m；d 為排煙管的外徑，取0.4 m；α 為排煙管保溫層外表面周圍空氣的放熱系數。

經計算，qe與《防空地下室技術措施》第118 頁“表4.5.6-2：D=400 mm，保溫層厚104 mm 時，Q3=388 W/m”比較取大值，Q3=Lqe=5×0.388=1.94 kW。

（4）柴油機機頭散發余熱量Q4。Q4=εqNe×2B/3600=441.4 kW。其中，ε 為風冷散熱器散發的余熱占燃料燃燒發熱量的百分比，國產柴油機滿負荷時為25%～30%。

3 冷卻形式的選擇及對比分析

3.1 風冷冷卻方式

柴油機機頭余熱量由導管直接排到室外，這部分熱量可不計入機房余熱，則機房內余熱Qy=Q1+Q2+Q3=110.3 kW。

風冷排除發電機房內余熱的通風量Ly=3600×Qy/[cρ（tn-tw）]=180 556.6 m3/h；柴油機機頭散熱扇風量為60～100 m3/（h·kW），機頭余熱直接排至室外所需風量為L頭=70×275×2=38 500 m3/h＜Ly。

因此，風冷冷卻方式對固定電站降溫所需風量取180 556.6 m3/h。進排風擴散室選用HK1000 型懸板活門，所需懸板活門數量為180 556.6/22 000=8.2≈9 扇。所需懸板活門數量較多，布置工作難度較大。

3.2 水冷冷卻方式對固定電站進風降溫

以水為媒介，通過表冷器、淋水式冷卻器消除柴油發電機房內余熱的冷卻方式。此方案要求水源比較豐富，采用深水井、防空地下室內的地下水或庫容比較大的內部水庫儲存水進行冷卻。其缺點也比較明顯，受水源限制比較大，深水井會破壞地下水生態（地方管控比較嚴格）；如無穩定內水源，則需要設置占地面積很大的儲水水庫。下面針對無穩定內水源進行計算。

柴油發電機的余熱Q總=Q1+Q2+Q3+Q4=551.7 kW。

消除柴油發電機余熱所需水量Q水=Q總×3600/[（t2-t1）×C水×ρ水=7.9 m3/h。其中，t2為柴油機循環水出水溫度，t1為柴油機水冷補水溫度；C水為水的比熱，取值4.19 kJ/（kg·℃）；ρ水為水的密度。

冷卻水水池容積V=Q水T=3×24×7.9=568.8 m3。由此可見，無發設置穩定內水源時，如果采用水冷冷卻方式，需要設置很大的冷卻水池，才能滿足電站降溫需求。

3.3 蒸發式冷卻與風冷相結合的方式

與風冷冷卻方式一樣，柴油發電機房的余熱Qy=Q1+Q2+Q3=110.3 kW。

3.3.1 機房直接噴霧蒸發冷卻所需進風量L

L=3600 ×Qy/{[2.487 ×ρ ×（dw-dn）] +[1.01 ×1.146 ×（tn-tw）]}=3600×110.3/{[2.487×1.146×（25.4-19.4）]+[1.01×1.146×（35-33.1）]}=20 574.1 m3/h。其中，ρ 為空氣的密度；dw為夏季機房外空氣計算含濕量，dn為機房內空氣絕對含濕量。

3.3.2 電站進風量選取

L害=13 750 m3/h、L頭=38 500 m3/h、L=20 574.1 m3/h 取大值。電站進風量L進取38 500 m3/h。電站內進排風擴散室懸板活門選用HK1000，設兩扇HK1000 型懸板活門。

電站進風風量L進=38 500 m3/h 時，風所帶走電站內余熱Q風=L進（tn-tw）×1.01×ρ/3600=23.52 kW。所以，需水噴霧帶走的預熱為Q蒸=86.78 kW。

計算得需噴水量為W=Q蒸×3600/（2.487×1000）=125.6 kg/h。

3.3.3 驗算固定電站機房內空氣相對濕度

計算得機房內空氣的絕對含濕量d=22.18 g/kg，焓濕圖查詢數值見表1。

相對濕度φ=61.6%＜70%,滿足設計要求。

3.3.4 選用加濕器

選用離心式霧化加濕器ABS-180，加濕量為18 kg/h，則需噴霧機125.6/18=6.98≈7 臺。

3.3.5 運行工況

電站進風取L進=38 500 m3/h 時，僅風冷保證電站內不高于設計溫度35 ℃要求，室外通風溫度最高為。

則T'=tn-3600×∑Q/（ρ×c×L進）=35-（3600×110.3）/（38 500×1.01×1.146）=26.1 ℃。因此，當室外通風溫度不大于26.1 ℃時，可以僅開進排風機對電站進行降溫；當室外通風溫度大于26.1 ℃時，應開進排風機同時開啟離心式霧化加濕器。

表1 焓濕圖查詢數值

4 結語

與風冷相比，蒸發式冷卻的空氣狀態變化是加濕過程，空氣的焓差比風冷焓差大，因為進風量比風冷的進風量小，相比風冷進排風擴散室各設置9 扇HK1000 型懸板活門，蒸發式冷卻進排風各設2 扇即可，大大節省電站所占用空間及初投資的造價。與水冷相比，蒸發式冷卻時水的蒸發熱要遠遠大于水的比熱容，因而蒸發式冷卻比水冷的耗水量小得多，相比于水冷需設置容積568.8 m3的儲水水池，蒸發式冷卻不需設置水池，布置更加靈活。風冷和蒸發式冷卻相結合的冷卻形式，在過渡季節時進排風溫差大時，可采用全風冷；夏季進排風溫差變小，風冷不能滿足要求時可以啟動蒸發加濕設備，變為蒸發式冷卻。不僅節能，還大大減少了固定電站占用面積，減少工程的初投資。