某水电站高大空间分层空调设计

　　摘要：本文阐述了分层空调技术的概念以及在国内的发展概况，探讨了分层空调技术在水电站高大空间中的设计应用。工程采用了单侧风道送风方式，设计采用可调球形喷口;非空调区采用自然进风，机械排风、排除余热。同时也根据设计计算得出了空调负荷节约率以及各项参数。最后对分层空调这一技术在水电站厂房的应用提出了一些设计体会。

　　关键词：高大厂房,分层空调,大新风量

　　1.概述

　　分层空调是指仅对高大空间建筑物的下部区域进行空气调节，保持一定的温、湿度，而对上部区域不考虑空调的空调方式。与全室空调方式相比，夏季可节约能耗30%[1]左右。分层空调作为一种特殊的气流方式，于20世纪60年代最早出现在美国，后又在日本、中国等开始大量应用[2]。

　　水电站厂房的发电机层多为高大空间，一般层高都在10m以上。水电站厂房多采用集中式中央空调，主厂房采用全空气系统空调方式。以往厂房发电机层空调方式多为顶部喷口送风，上、下游侧墙下部回风。随着高大空间分层空调技术在中国的发展，一些高大厂房以及火车站、机场等高大空间建筑中设计采用了分层空调技术，并取得了良好的效果。近年来一些水电站如三峡水电站、大江水电站以及二江水电站等项目，均在发电机层采用了分层空调的空调方式。

　　2. 某水电站高大厂房分层空调设计

　　2.1设计基本资料

　　该水电站是以发电为主，兼顾航运的水电枢纽工程，水电站安装水轮发电机组4台，总装机容量为320MW。电站厂房为河床式电站厂房。主厂房发电机层的长、宽、高尺寸为145×26.3×39米，总容积为14.87万m3。

　　2.2室内外设计参数

　　2.2.1室外空气计算参数

　　根据《水力发电厂采暖通风和空气调节设计技术规定》中有关室外空气计算参数统计方法的规定，本电站室外空气计算参数如下：

　　(1)冬季采暖室外计算温度 -1℃

　　(2)冬季空气调节室外计算温度 -4℃

　　(3)冬季空气调节室外计算相对湿度 62%

　　(4)冬季通风室外计算温度 0℃

　　(5)夏季通风室外计算温度 31℃

　　(6)夏季通风室外计算相对湿度 75%

　　(7)夏季空气调节室外计算干球温度 34.8℃

　　(8)夏季空气调节室外计算日平均温度 29℃

　　(9)夏季空气调节室外计算湿球温度 26.1℃

　　(10)夏季室外风速 1.6m/s

　　(11)冬季室外风速 2.1m/s

　　(12)冬季室外大气压力 96.86KPa

　　(13)夏季室外大气压力 95.13KPa

　　(14)年平均气温 15.4℃

　　(15)最大冻土层深度 90mm

　　2.2.2室内计算参数

　　夏季：空调区计算温度26℃，相对湿度60%;

　　2.3 分层空调设计

　　1.发电机层负荷计算

　　根据80年代中国建筑科学研究院的大量试验研究结论，采用相应辐射与对流热迁移简化计算方法，根据《实用供热空调设计手册》中相关内容计算空调负荷。

　　空调区冷负荷组成为：

　　式中 —空调区分层空调冷负荷;

　　—通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷;

　　—空调区内部热源散热形成的冷负荷;

　　—空调区室外新风或渗透风形成的冷负荷;

　　—非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷;

　　—非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷。

　　由上述公式可以看出空调区冷负荷由两部分组成：空调区本身得热负荷和非空调区对空调区的热转移得热负荷。空调区本身冷负荷包括维护结构得热冷负荷和空调区内部热源散热形成的冷负荷。其中由于本项目空调区位于地面以下，维护结构传热负荷可不计，内部热源散热形成冷负荷为220KW。非空调区冷负荷为本身得热冷负荷减去向空调区转移冷负荷。非空调区本身得热冷负荷包括维护结构得热冷负荷和内部热源散热形成冷负荷。其中维护结构得热冷负荷根据鸿业负荷计算软件计算得出为128.6KW，照明设备散热形成冷负荷为60KW。根据负荷计算结果可以看出发电机层上部空间负荷约占总负荷的50%。如果采用分层空调技术，上部空间空调大部分负荷通过通风消除，将会节省一大部分空调能耗。

　　非空调区对空调区热转移形成的冷负荷包括非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷qf和对流热转移形成的冷负荷qd。其计算公式分别为：

　　①非空调区辐射热转移形成的冷负荷 ：

　　式中 —非空调区各个地面对地板的辐射换热量，W;

　　—透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量，W;

　　—系数，取1.3;

　　—冷负荷系数，通常 =0.45～0.72，对一般空调可取0.5;

　　—非空调区各个地面对地板的形态系数;

　　— 计算表面积， ;

　　— 非空调区各个面和地板的表面材料黑度;

　　—黑体的辐射系数， =5.68W/ —非空调区各个面和地板的绝对温度，K;

　　—空调区地板吸收率;

　　—非空调区外窗对地板的形态系数;

　　—非空调区外窗面积， ;

　　—透过非空调区外窗的辐射强度，W/ 。

　　②非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷 ：

　　式中 —空调区冷负荷，W。

　　—非空调区冷负荷，W。

　　—非空调区换气次数，次/h;

　　—空气密度，kg/ ;

　　—送排风温差，可取2～3℃。

　　根据 查相关图标求得。

　　根据上述公式计算得出非空调区向空调区热转移形成的冷负荷为83.4KW，

　　空调区冷负荷为308.4KW，非空调区冷负荷为105.2KW。若按全室空调负荷设计，得出空调冷负荷为408.64KW，空调冷负荷节约率为24.5%。

　　全厂采用集中制冷和集中处理空气方案。利用机械制冷水作为空调冷源。在下游副厂房屋顶设置风冷式空调主机制备冷冻水。在下游副厂房四层设置二个空调机房，集中处理空气。由于发电机层高度达39m，并且发电机层下半部分18m位于地面以下，维护结构的传热量较小，顶部照明得热量以及维护结构传热量热较大，使得大量余热集中于厂房上部空间。采用屋顶下送风方式很大一部分冷量被用来消除发电机层顶部余热，造成了冷量浪费。因此在本项目设计中采用分层空调气流来实现空间上下的纵向隔断，将发电机层分为上部非空调区域和下部空调区域。由于厂房上游不便布置风道，所以采用单侧送风的空调方案，即利用下游副厂房空调机房与主厂房夹墙的空间形成送风道。

　　风道设置相应的送(或排)风口。分层面高度(即送风口相对发电机层地面高度)为6.3米，上部为非空调区，采用自然进风、机械排风通风方式。它的热量大部分由厂房上部空间的机械通风带走，进风通过发电机层上部窗户进入，经过屋顶式排风机排出;另外一部分热量由于与空调区对流及辐射换热转移形成空调冷负荷，通过空调消除。分层面以下为空调区，空调送风口送出的冷气流流经工作区，与发电机层空气混合，吸收发电设备余热及其非空调区向空调区转移热量，使发电机层达到空调设计温度。在发电机层上下游侧设排风口将发电机层排风排至主厂房母线层、水轮机层及下游副厂房五层加以利用。发电机层气流组织的流程状态见附图。

　　根据《实用供热空调设计手册》中分层空调多股平行非等温射流计算公式，对分层空调气流组织进行了合理设计。按照要求，工作区允许最大风速为0.25 m/s，取射流末端速度为0.5 m/s;适当减少角落喷口布置以减轻射流垂直交叉带来的不理影响;夏季送风温差取为6℃。

　　2.4 分层空调自动控制设计

　　分层空调自动控制主要包括：公用集中制冷系统控制，送排风机控制，风阀控制和温湿度检测等。

　　该电站厂房设有一个空调集中控制系统，集控设备包括控制屏和操作台。在中控室操作台上，可进行整个空调系统的自动控制与手动控制的操作。为了便于集中监视和检测，在中控制室设置一台数字检测装置，对各控制点参数(温度、湿度、水温、风温、露点)进行检测。在发电机层非空调区域设测温装置，与发电机层排风机联动。当温度高于设定值时，排风机自动打开，低于设定值排风机关闭。在空调区域设温、湿度检测装置，与空调机组联动。当空调区温，湿度高于设定值时，空调机组开启，同时联锁开启公用集中制冷系统。当空调区温、湿度低于设定值时空调机组停止运行，并联锁关闭公用集中制冷系统。

　　2.5设计体会

　　1. 国内外的大量模型实验和工程实践已经证明，在高大空间中应用分层空调技术能节能又能较好地满足工作区的热舒适条件。与全室空调相比能节约大量冷量和运行费用，是一种较为经济的方式。在本电站的设计中再次得到了证明，与全室空调相比，分层空调负荷节约率为24.5%。

　　2. 《实用供热空调设计手册》中推荐建筑物跨度超过18米要采取双侧送风。这样送风气流的射程较短，射流落差以及分层高度要小一些，可以节省能量，空调区的温度场也比较均匀。本电站由于上游侧不能布置送风道，只好采取单侧送风，这就未能充分发挥分层空调技术节能的功能;

　　3.本电站在非空调区采用了自然进风、机械排风的通风方式。采用机械排风可以合理组织非空调区的气流，减少非空调区向空调区传热。装设屋顶式排风机可以省去风管布置从而节省造价。不过需要注意屋顶风机安装的密封问题。采用发电机层高侧窗自然进风，省去单设进风口，降低了系统造价。采用自然进风需要对高侧窗的布置位置及面积进行精确计算确定，防止在上部空间形成穿堂风。

　　4、本工程作为大空间分层空调系统设计，目前只是可研阶段的初步设计，具体实施还有待于方案试验及反复过程。

　　参考文献

　　1. 陆耀庆 主编.实用供热空调设计手册(第二版).中国建筑工业出版社.2008

　　2. 满孝新.高大洁净厂房分层空调气流组织数值模拟.哈尔滨工业大学硕士学位论文.1998

《某水电站高大空间分层空调设计》

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