人防工程固定电站冷却方式设计与分析

许威威

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200082）

0 引言

随着经济的发展，人防工程已成为我国国防体系的重要组成部分。一般大于5000 m2的人防工程，要求设置柴油电站。暖通专业对电站设计的主要目的是消除柴油机房内的有害气体及余热。消除余热的主要方式有水冷、风冷或蒸发式冷却。与风冷与水冷的方式比较，蒸发式冷却具有进风量小、耗水量少、比较经济、使用较为灵活等特点。下面将结合具体工程，分析计算蒸发式冷却与风冷相结合的冷却方式。

1 工程概况及冷却方式

固定电站对柴油机房进行降温的方式主要风冷、水冷、蒸发式冷却3 种。其中，风冷是利用风带走柴油机房的余热，电站功率较大时所需风量大，设置多个悬板活门才能满足要求，使扩散室所需的面积大大增加，给扩散室的布置带来不便；水冷是利用水做媒介，消除柴油机房的余热，无稳定内水源时大，电站内需设置占地面积较大的水库，因此使电站占地面积大大增加；蒸发式冷却是利用水的相变吸热达到降温的目的，其空气焓差比风冷的焓差大，同时水的蒸发热远远大于冷却水的比热容。因此采用蒸发式冷却大降低了排除电站内余热所需的进排风量，耗水量也大大减少。

本文着重以蒸发式冷却与风冷相结合的方式对某项目“固定电站”进行计算与分析。该工程位于浙江省某市，人防设置1个固定电站：固定电站设置两台250 kW 的柴油发电机；夏季室外通风计算温度33.1 ℃，相对湿度60%；机房设计温度35 ℃（考虑结合室外防护机室的做法，35 ℃能较好地保证风冷热泵换热需求），相对湿度70%。

2 固定电站内余热及通风量计算

固定电站设置有两台250 kW 发电机组，单台柴油机组Ne=275 kW（国产柴油发电机参数）。

（1）机组燃烧空气量L燃。燃烧空气量L燃=7×Ne×2=7×275×2=3850 m3/h。其中，Ne为单台柴油机运行额定功率，根据柴油机额定功率Ne取值7 m3/（kW·h）。

（2）排除有害气体所需空气量L害。柴油机运行过程中，发电机组通过不严密部位不断向机房泄漏一氧化碳和丙烯醛等有害气体，需通过通风消除机房内的有害气。当无机组相关计算数据时，按不小于20 m3/（kW·h）计算进风量。本文取25 m3/（kW·h），则L害=25×Ne×2=13 750 m3/h。

（3）柴油发电机房的余热Qy。

柴油机组散发余热量Q1=η1qNe×2B/3600=58.85 kW。其中，η1为柴油机运行时向机房内散热的散热系数，本工程取4%；B为柴油机运行耗油率，建议取0.23 kg/（kW·h）；q 为柴油机燃料的热值，可取41 870 kJ/kg。

发电机组散发余热量Q2=2×P（1-η2）/η2=49.451 kW。其中，Q2为发电机运行时散发的余热量；P 为单台发电机的额定功输出功率；η2为发电效率%，本文取91%。

排烟管散发的余热量Q3。Q3与排出烟气的温度、机房内设计温度、机房内排烟管的长度、排烟管保温材料、层厚度等因素有关，即Q3=Lqe。

qe=π（ty-tn）/［ln（D/d）/（2λ）+1/（αD）］=277.01 W/m。其中，L为机房内排烟管架空敷设的长度；qe为单位长度排烟管散热量；ty为排烟管排出烟气的温度，可取300～400 ℃；tn为机房内设计计算温度，取35 ℃；λ 为保温材料导热系数，取0.052；D 为保温层外径，取0.6 m；d 为排烟管的外径，取0.4 m；α 为排烟管保温层外表面周围空气的放热系数。

经计算，qe与《防空地下室技术措施》第118 页“表4.5.6-2：D=400 mm，保温层厚104 mm 时，Q3=388 W/m”比较取大值，Q3=Lqe=5×0.388=1.94 kW。

（4）柴油机机头散发余热量Q4。Q4=εqNe×2B/3600=441.4 kW。其中，ε 为风冷散热器散发的余热占燃料燃烧发热量的百分比，国产柴油机满负荷时为25%～30%。

3 冷却形式的选择及对比分析

3.1 风冷冷却方式

柴油机机头余热量由导管直接排到室外，这部分热量可不计入机房余热，则机房内余热Qy=Q1+Q2+Q3=110.3 kW。

风冷排除发电机房内余热的通风量Ly=3600×Qy/[cρ（tn-tw）]=180 556.6 m3/h；柴油机机头散热扇风量为60～100 m3/（h·kW），机头余热直接排至室外所需风量为L头=70×275×2=38 500 m3/h＜Ly。

因此，风冷冷却方式对固定电站降温所需风量取180 556.6 m3/h。进排风扩散室选用HK1000 型悬板活门，所需悬板活门数量为180 556.6/22 000=8.2≈9 扇。所需悬板活门数量较多，布置工作难度较大。

3.2 水冷冷却方式对固定电站进风降温

以水为媒介，通过表冷器、淋水式冷却器消除柴油发电机房内余热的冷却方式。此方案要求水源比较丰富，采用深水井、防空地下室内的地下水或库容比较大的内部水库储存水进行冷却。其缺点也比较明显，受水源限制比较大，深水井会破坏地下水生态（地方管控比较严格）；如无稳定内水源，则需要设置占地面积很大的储水水库。下面针对无稳定内水源进行计算。

柴油发电机的余热Q总=Q1+Q2+Q3+Q4=551.7 kW。

消除柴油发电机余热所需水量Q水=Q总×3600/[（t2-t1）×C水×ρ水=7.9 m3/h。其中，t2为柴油机循环水出水温度，t1为柴油机水冷补水温度；C水为水的比热，取值4.19 kJ/（kg·℃）；ρ水为水的密度。

冷却水水池容积V=Q水T=3×24×7.9=568.8 m3。由此可见，无发设置稳定内水源时，如果采用水冷冷却方式，需要设置很大的冷却水池，才能满足电站降温需求。

3.3 蒸发式冷却与风冷相结合的方式

与风冷冷却方式一样，柴油发电机房的余热Qy=Q1+Q2+Q3=110.3 kW。

3.3.1 机房直接喷雾蒸发冷却所需进风量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 为空气的密度；dw为夏季机房外空气计算含湿量，dn为机房内空气绝对含湿量。

3.3.2 电站进风量选取

L害=13 750 m3/h、L头=38 500 m3/h、L=20 574.1 m3/h 取大值。电站进风量L进取38 500 m3/h。电站内进排风扩散室悬板活门选用HK1000，设两扇HK1000 型悬板活门。

电站进风风量L进=38 500 m3/h 时，风所带走电站内余热Q风=L进（tn-tw）×1.01×ρ/3600=23.52 kW。所以，需水喷雾带走的预热为Q蒸=86.78 kW。

计算得需喷水量为W=Q蒸×3600/（2.487×1000）=125.6 kg/h。

3.3.3 验算固定电站机房内空气相对湿度

计算得机房内空气的绝对含湿量d=22.18 g/kg，焓湿图查询数值见表1。

相对湿度φ=61.6%＜70%,满足设计要求。

3.3.4 选用加湿器

选用离心式雾化加湿器ABS-180，加湿量为18 kg/h，则需喷雾机125.6/18=6.98≈7 台。

3.3.5 运行工况

电站进风取L进=38 500 m3/h 时，仅风冷保证电站内不高于设计温度35 ℃要求，室外通风温度最高为。

则T'=tn-3600×∑Q/（ρ×c×L进）=35-（3600×110.3）/（38 500×1.01×1.146）=26.1 ℃。因此，当室外通风温度不大于26.1 ℃时，可以仅开进排风机对电站进行降温；当室外通风温度大于26.1 ℃时，应开进排风机同时开启离心式雾化加湿器。

表1 焓湿图查询数值

4 结语

与风冷相比，蒸发式冷却的空气状态变化是加湿过程，空气的焓差比风冷焓差大，因为进风量比风冷的进风量小，相比风冷进排风扩散室各设置9 扇HK1000 型悬板活门，蒸发式冷却进排风各设2 扇即可，大大节省电站所占用空间及初投资的造价。与水冷相比，蒸发式冷却时水的蒸发热要远远大于水的比热容，因而蒸发式冷却比水冷的耗水量小得多，相比于水冷需设置容积568.8 m3的储水水池，蒸发式冷却不需设置水池，布置更加灵活。风冷和蒸发式冷却相结合的冷却形式，在过渡季节时进排风温差大时，可采用全风冷；夏季进排风温差变小，风冷不能满足要求时可以启动蒸发加湿设备，变为蒸发式冷却。不仅节能，还大大减少了固定电站占用面积，减少工程的初投资。