谈大型公共建筑地下室变配电房通风空调设计

郑明权

大型公共建筑的变配电房通常设置在建筑物地下室，是整个大楼的动力中心，因此保证变配电房的正常运行非常重要。一般变配电房主要由变压器室、高压室、低压室组成。变配电房发热量大，尤其是变压器的发热量。为维持变配电房中设备正常运行，需要消除室内余热。通常我们消除室内余热的方法为直接利用室外新风作为冷源进行通风换热降温(方案一)，或者利用空气处理机组对室外新风冷却处理后送入变配电房进行通风换热降温(方案二)。这两种方法原理相同，均是通过通风换热进行降温，不同点在于通风换热冷源风的温度不同而导致所需要的通风量的不同。对于这两种方法，我们一般在满足消除室内余热的要求的前提下，结合建筑所处地方的室外新风的气象参数以及对通风运行能耗控制的综合分析来选择不同的方案。

1 变配电房主要电气设备的发热量的计算

变配电房室内余热一般由变压器室的变压器发热量、高压配电室发热量、低压配电室发热量、建筑物围护结构得热和房间照明散热等组成，后两种得热量相对来说所占份额很少，可以忽略不计。

变压器发热量Q(kW)由设备厂商提供，当资料条件不足时，可以按下式计算［1］:

其中，Q为变压器发热量，kW;η1为变压器的效率，一般取98%;η2为变压器的负荷率，一般取70%～80%;φ为变压器的功率因数，一般取0.90～0.95;W为变压器的功率，kW。

高低压配电设备的发热量较难计算，在没有相关发热量资料时，可以采用按照变压器发热量总和的30%考虑，或者按照如下估算:

高压开关柜发热量——按照每台200 W估算;高压电容器柜——按照3 W/kvar估算;低压开关柜发热量——按照每台300 W估算;低压电容器柜——按照4 W/kvar估算。

2 消除室内余热所需的通风量计算

消除室内余热所需的通风量按照以下简化公式计算［1］:

其中，Q为变配电房余热负荷，kW;tp为室内排风设计温度，一般不大于40℃;ts为送风温度，℃;0.337为空气比热(1 010 J/(kg·℃))和标准状态下密度(1.2 kg/m3)的乘积，再除以3 600 s/h的换算系数。

3 通风空调设计方案的分析选择

3.1 工程概况

某变配电房:内设3台变压器，单台变压器容量为1 600 kVA，要求地下室变配电房温度不大于40℃(取38℃);现以同一变配电房处于广东广州和四川会理两个不同地区为例对两种方案进行计算分析。两地区夏季室外空气计算参数见表1。

表1 广州、会理地区夏季室外空气计算参数［2］

根据式(1)Q=0.015 2W，计算得变压器室的发热量为72.96 kW，高低压配电室各为变压器室的发热量总和的30%，可以估算出本工程变配电房的总发热量为116.7 kW。

3.2 方案计算分析

根据式(1)及式(2)进行计算得出以上两种不同地区同一标准的变配电房两种方案所需通风量和供冷量计算结果，进行简单分析。

3.2.1 方案一:直接利用室外空气进行的换热所需通风换气量

由式(2)可以计算出，为满足变配电房在室温为38℃的条件下运行，广州地区变配电房通风量L=56 786 m3/h，会理地区通风量L=25 463 m3/h。根据计算的结果可知，会理地区完全利用室外新风通风换热降温，土建风井的面积、通风机房大小、安装通风风管所需的内走道的宽度及高度要求，比较容易满足。从节能的角度来说，方案一是值得大力推广的，完全没有必要采用对室外新风降温后进行通风换热;而广州地区，对于此种规模的变配电房完全利用室外新风通风换热的方式降温，所需的风管截面积很大，通风机房面积和土建风井的面积要求都很大，这给设计也带来了不少困难，对现在设备房及土建的空间紧张情况，这一方案却不是很实用。

3.2.2 方案二:室外新风经冷却处理后对变配电房直流通风降温

直流式通风降温，就是将室外空气经冷却处理降温后送入变配电房室内，然后经热交换后直接排出室外的方式。根据方案一的计算分析，很明显，大型的变配电房发热量大，使用方案一进行通风换热降温，会给设计造成相当大的困难，为减少通风量，需采用将室外空气降温后再进行通风换热，达到室内电房的工作要求。地下室变配电房，设备只有发热量，没有散湿量，基本也不存在人员散湿和围护结构得湿。所以变配电房空气处理过程为等湿过程，室内含湿量没有变化。如果同时进行除湿处理，既没有必要，还要消耗更多的冷量。室内电气设备多，需保持干燥，为防止风口结露，首先应将室外空气处理到室内状态点等湿度线与机械露点φ=90%的交点上。空气处理机组在理论干工况下运行时，最佳的机械露点送风状态点为S1，其状态参数为ts1=27.7℃，露点温度t=25.9℃，根据空气处理机组干工况处理状态，可在焓湿图上找到温度为38℃时的室内状态点的相对湿度φn=50.4%。

如果冷却器表面温度低于空气露点温度，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸气也将部分凝结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜［3］。由于常规空调系统的供回水温度为7℃/12℃，新风经过冷却处理的过程中必定要除湿，无法在理论干工况下运行，但空调厂家的空气处理机组的性能参数必须满足在假定要达到的室内空气状态点和推算出相关的送风状态点所计算出来的所需的空气处理机组的风量和空气处理机组制冷量，其基本计算公式如下:

空气处理机组风量L(m3/h):

空气处理机组制冷量Q(kW):

其中，hw为室外空气状态点的焓值，kJ/kg;hs为送风状态点的焓值，kJ/kg。

假定变配电房室内空气温度38℃，相对湿度在30%～50%之间进行反算，找到合适的室内空气状态点，确定相应的空调送风量和制冷量。通风换热空气处理过程焓湿图见图1，空调送风量和制冷量计算结果见表2。

图1 通风换热空气处理过程程焓湿图

表2 广州地区变配电房在设定室内参数空气处理机组所需风量和制冷量计算表

经查阅常规的空调样本，推算一般空调处理机组在供回水温度为7℃/12℃运行时，其处理显热和潜热的能力的比例特征可知，室内空气状态点参数为38℃，相对湿度φn=35%时，才能选到合适的空气处理机组型号。根据计算的结果，选用能满足送风量L=21 115 m3/h，制冷量Q=212 kW的空气处理机组对变配电房进行直流式降温，既能满足变配电房的工作环境，同时解决了风量过大，风管截面积，风机房面积，风井面积过大带来的设计困难。

利用空调处理机组进行通风换热，定要消耗不必要的新风湿负荷，不利用空气处理机组进行通风换热，又无法很好解决设计中带来的困难，因此采用方案二进行通风换热时，为运行节能，降低损耗，可对通风系统设定以下控制运行原则:空调处理器吸入口应设有温度探测器，当室外空气温度小于送风状态点温度时，空调处理器的冷水阀关闭，直接利用空调处理器通风换热;变配电房室内设置温度传感器，当只有空调处理器风机运行，室内温度高于设定值或者高于设定值的偏差范围时，空调处理器的冷水阀打开对空气进行冷却降温处理。一般的变配电房的消防均采用了气体灭火系统，气体灭火时，其变配电房要密闭，气体灭火完成后，需要快速有效的排出气体灭火后的有害气体。因此，变配电房的通风空调设计，也应考虑与消防气体灭火系统的配合。我们可以在通往电房内的送排风支管上设置70℃电动防火阀，当发生火灾时，变配电房气体灭火系统启动时，支管上的电动防火阀电动关闭，当气体灭火系统结束后，电动防火阀二次电动打开或者手动打开，通风系统启动进行强排风，排出有害气体。

4 结语

1)大型公共建筑地下室变配电房室内设计温度在满足电气设备正常运行的情况下，不宜过低，为提倡节能，应优先选用夏季室外新风不经过降温处理的机械通风方式消除室内余热。2)当土建条件不能满足机械通风风量的要求时，可以根据计算分析确定合适的室内设计参数，采用直流式空气处理机组对变配电房进行冷却降温。但需要对其运行控制采取相应的节能控制策略，以节省运行能耗。3)变配电房通风空调设计应考虑气体灭火系统的要求，其通往电房内的送排风支管上应设置70℃电动防火阀，当发生火灾时，变配电房气体灭火系统启动时，支管上的电动防火阀电动关闭，当气体灭火系统结束后，电动防火阀二次电动打开或者手动打开，通风系统启动进行强排风，排出有害气体。

［1］ 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施·暖通空调·动力［M］.北京:中国计划出版社，2009:56，60.

［2］ 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005:140，147.

［3］ 连之伟.热值交换原理与设备［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001:150.