地下室柴油發(fā)電機房風冷通風設計探討

余 理 論

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州　310007)

0　引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，柴油發(fā)電機組作為大型公共建筑的應急備用電源，已得到廣泛應用。當前城市寸土寸金，發(fā)電機房更多的被設置于地下1層。由于發(fā)電機運行時存在大量的散熱量，地下室發(fā)電機房的散熱設計成為了重要內(nèi)容，本文通過對柴油發(fā)電機房的散熱通風量的計算，對設置于地下室柴油發(fā)電機房的通風與冷卻設計進行了分析探討。

1　發(fā)電機通風散熱形式

現(xiàn)階段，柴油發(fā)電機房通風冷卻系統(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)把熱量轉移，水冷方式主要是利用設置于室外的冷卻塔，通過冷卻水系統(tǒng)將發(fā)電機中水—水換熱器中的熱量散至大氣中，其設置原理如圖1所示。

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

1.2　風冷方式

風冷方式是利用風機引入室外空氣，室外空氣通過水—水散熱器將發(fā)電機水—水換熱器中的熱量進行熱交換，再排至大氣中，其設置原理如圖2所示。

其優(yōu)點是由于風冷系統(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。缺點是發(fā)電機房內(nèi)需要大量的室外空氣進行散熱，對發(fā)電機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冷散熱方式的柴油發(fā)電機組。

2　風冷形式發(fā)電機房散熱通風量計算

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

2.1　柴油機散熱量計算

柴油機的散熱量可按下式計算：

Q1=η1qNeB/3 600。

其中，Q1為柴油機的散熱量，kW；η1為柴油機工作時向周圍空氣散熱的熱量系數(shù),%;q為柴油機燃料熱值，可取q=41 870 kJ/kg;Ne為柴油機額定功率,kW;B為柴油機的耗油率,kg/(kW·h)，一般在設計無相關設備參數(shù)時可取0.23。

2.2　發(fā)電機散熱量計算

發(fā)電機的散熱量可按下式計算：

Q2=P(1-η2)/η2。

其中，Q2為發(fā)電機的散熱量,kW;P為發(fā)電機額定輸出功率,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為排煙管在機房內(nèi)敷設的長度,m;qe為排煙管單位長度散熱量,kW/m;ty為排煙管內(nèi)的排煙計算溫度,℃;tn為排煙管周圍空氣溫度,℃，即機房內(nèi)溫度;λ為排煙管保溫材料導熱系數(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·℃)；對于架空敷設于機房內(nèi)的排煙管，可取a=8.141 W/(m2·℃)。

2.4　發(fā)電機房總余熱量

發(fā)電機房總余熱量為：

Qy=Q1+Q2+Q3。

其中，Qy為發(fā)電機房總余熱量，kW。

2.5　機房散熱通風量計算

排除機房內(nèi)余熱的通風量可按下式計算：

L=3 600Qy/cρ(tn-tw)。

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

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

表1　風冷柴發(fā)換熱器排風量直接排至機房外時排風量計算表

3　地下室發(fā)電機房通風系統(tǒng)設計

對設置于地下室的柴油發(fā)電機房，由于沒有直接對外的墻可以作為進風或排風口，只有通過設置進風井將新風引進機房內(nèi)，并通過排風井將室內(nèi)熱量排出。一般情況下，進風井道和排風井道的設置常用的有如下三種情況。

1)機房進排風均設置風機，換熱器排風直接排入井道。

如圖3所示，機房內(nèi)余熱通過排風風機強制排至專用的排風井道，室外新風通過進風風機引入室內(nèi)，柴油發(fā)電機的換熱器排風直接接至專用井道內(nèi)。這種方法由于進排風均設置了壓頭較大的進排風風機，井道內(nèi)的風速相對可以較大，一般設計時可按8 m/s考慮。換熱器的排風由于換熱器風機的壓力較小，井道內(nèi)的排風風速不宜過大，否則會由于排風阻力大而無法排至室外，一般可按2 m/s考慮。根據(jù)表1的通風量數(shù)據(jù)，計算得到在這種設置條件下各個通風井道的大小，如表2所示。

表2　方式1通風井道面積計算表

這種設置方法除換熱器排風所需要的風井較大外，其余進排風井道所需要的面積均較小，適合各種功率的地下室發(fā)電機房使用，且由于均設置專用的風機，機房散熱效果較好；但發(fā)電機功率較大時，由于進排風風機的風量很大，風機所需要的電量也很大，會占用一部分發(fā)電機的發(fā)電量，需要設計時綜合考慮。

2)機房排風設置風機，換熱器排風直接排入井道，進風采用負壓通過井道自然進風。

如圖4所示，這種設置方法，由于只有機房內(nèi)排風是設置排風風機排至井道內(nèi)，進風和換熱器排風均沒有另設風機。進風井道和換熱器排風井道內(nèi)的風速都不能過大，導致所需進風井道和換熱器排風井道面積均很大。根據(jù)表1的通風量數(shù)據(jù)，計算得在這種設置條件下各個通風井道的大小，如表3所示。

表3　方式2通風井道面積計算表

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

3)機房進排風均設置風機，換熱器排風也設置專用排風風機。

如圖5所示，這種設置方法由于均設置了專用的進排風風機，每個風井的面積均較小。根據(jù)表1的通風量數(shù)據(jù)，計算得在這種設置條件下各個通風井道的大小，如表4所示。

表4　方式3通風井道面積計算表

這種設置方式與第一種方式相似，唯一不同在于發(fā)電機的換熱器排風也在機房內(nèi)設置了專用的排風風機，以減小排風井道的大小。但由于換熱器自帶壓頭較小的排風風機，一般均需廠家在安裝時將換熱器原自帶的排風風機拆除，再連接至專用風機，安裝較為繁瑣，破壞了發(fā)電機的整體性，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　結語

設置于地下室的柴油發(fā)電機房，通風條件較差，合理的通風系統(tǒng)設置不但能保證柴油發(fā)電機組的高效運行，更能促進建筑面積的有效利用。因此，地下室柴油發(fā)電機房的通風系統(tǒng)設計應引起設計人員的充分重視。