1 引言
發(fā)電機房必須維持一定的溫濕度狀態(tài)，才能保證其中的發(fā)電機組能夠安全正常地運行。發(fā)電機組運行時的散熱量很大，因此需要確定合理的通風(fēng)降溫方案，以保證機房內(nèi)的余熱能夠及時排除以避免溫度超過允許值。對發(fā)電機房來說，如何控制室內(nèi)的溫濕度在要求范圍內(nèi)，從而保證機組安全高效地運行，同時盡可能降低（reduce)能源消耗以節(jié)省運行費用，是一個值得仔細研究的問題。這個問題涉及(指關(guān)聯(lián)到，牽涉到)到方案設(shè)計，設(shè)備選擇，運行管理等各個方面，本文以實際工程(Engineering)為例對發(fā)電機房的通風(fēng)降溫方案進行研究。
2 工程概況
某發(fā)電機房處于地下，長34.5m，寬19.0m，采用大跨度弧形屋頂，凈高12.0m。根據(jù)1＃洞的戰(zhàn)術(shù)（指導(dǎo)和進行戰(zhàn)斗的方法)技術(shù)要求和供電使用要求，設(shè)置3000kW的柴油發(fā)電機組4臺。機房布局如圖1所示。

平時供電使用時，只運行一臺機組即可滿足要求。消磁工況時，機組穩(wěn)定負荷Q1=3500KW，脈沖負荷Q2=6400KW，計算負荷Q=Q1+(70%~80%)Q2=7980~8260KW，相當(dāng)于三臺機組同時運行的情況。但在實際工作時，通常啟用四臺機組以適應(yīng)脈沖負荷加速性的需求而作相應(yīng)的功率儲備。每臺機組額定功率時散熱機房的總熱量，累計為354.1kW。這些散熱量并不包括排煙管的散熱量。

工程設(shè)計中采用了直接通風(fēng)和空調(diào)送風(fēng)相結(jié)合的方式，以控制機房內(nèi)溫濕度要求為最終目的，并從降低運行費用的角度出發(fā)確定合理的運行策略。優(yōu)先考慮采用直接通風(fēng)的方案，即如果直接通入室外新風(fēng)便能夠帶走機房產(chǎn)熱，不啟用空調(diào)機房；直接引入室外新風(fēng)量存在一定的上限，當(dāng)采用最大室外新風(fēng)量仍然無法及時排除（Remove)室內(nèi)余熱的時候，啟用空調(diào)系統(tǒng)，向機房內(nèi)通入冷風(fēng)，幫助帶走機組產(chǎn)熱。在實際運行時，允許向機房內(nèi)進行一定的噴霧加濕，利用水在相變過程中的吸熱，輔助降溫。

根據(jù)設(shè)計說明，機房內(nèi)的空氣狀態(tài)要求控制在狀態(tài)點A：=34℃,=70%，；室外設(shè)計氣象參數(shù)(parameter)狀態(tài)點W為：=31.3℃，；空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)點S：=18℃,=95%，機房設(shè)計最大通風(fēng)量，冷風(fēng)量上限為80000。
3 機組輸出功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）和散熱量的關(guān)系分析
發(fā)電機組處在不同的運行工況下，其散熱量必然有所不同，而機組的散熱量直接決定了機房內(nèi)的熱負荷，進而會對通風(fēng)降溫的運行方式產(chǎn)生重大影響。通常，機組散熱量Q取決于其負荷狀態(tài)，也就是機組輸出功率P。機組的散熱量分為三個部分：柴油機輻射熱、柴油機對流熱以及發(fā)電機散熱。發(fā)電機散熱可以認為基本恒定，柴油機輻射熱和對流熱則都和機組表面溫度有關(guān)，根據(jù)傳熱學(xué)的相關(guān)理論，存在如下關(guān)系：

輻射熱

對流熱

式中，—機組表面溫度（temperature),；

—機房平均溫度，；

—機房各壁面表面溫度，包括(bāo kuò)墻體和設(shè)備，；

—機組對于各壁面的角系數(shù)；

—機組的發(fā)射率；

—機組外表渺幡巍懟啤笑桅痞兀��，；

—機組與周圍空氣的對流換熱系數(shù)。發(fā)電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及日常生活中有廣泛的用途。發(fā)電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成互相進行電磁感應(yīng)的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達到能量轉(zhuǎn)換的目的。

其中，以及均為定值，假定各壁面與空氣換熱良好，即各壁面溫度。機組表面溫度可以認為正比于排氣溫度，即。測定機組不同輸出功率P時對應(yīng)的排氣溫度，就可以得到相應(yīng)的機組表面溫度。

由此，便可以預(yù)測非額定工況下單臺機組向機房內(nèi)的散熱量，包括柴油機輻射熱和柴油機對流熱，再加上固定不變的發(fā)電機散熱量，就能得到相應(yīng)負荷條件下的機組向機房內(nèi)的總散熱量，表1給出了單臺機組處于典型輸出功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）時的散熱量。表1 單臺機組處于典型輸出功率時的散熱量

輸出功率比（）60%70%80%90%100%實際輸出功率(kW)18002100240027003000散熱量(kW)322.65334.51345.14351.8354.10
4 機房通風(fēng)降溫策略
現(xiàn)有的四臺柴油發(fā)電機組有兩種工作模式：通常用于普通供電，機組負荷較��；有時用于消磁供電，瞬時脈沖負荷很大，需要多臺機組聯(lián)合運行保證電力需求。

4.1普通工作模式的通風(fēng)降溫策略

機組用作普通供電時，機房內(nèi)只有一臺3000kW的機組處于工作狀態(tài)，可能工作在額定狀態(tài)，也可能以部分負荷運行。機房內(nèi)其它設(shè)備和人員產(chǎn)熱很小，基本可以忽略，因此機房的熱負荷全部來自于發(fā)電機組。功率P從60%增加到100%額定出力時所對應(yīng)的機房熱負荷Q見表1。此時，可以啟用空調(diào)系統(tǒng)，向機房內(nèi)送入冷風(fēng)以有效降溫，也可以直接引入室外新風(fēng)，利用室內(nèi)外空氣的焓差帶走機組產(chǎn)熱。從節(jié)能和降低運行費用的角度出發(fā)，希望盡可能多地利用室外新風(fēng)，在能保證機房溫濕度要求的前提下，減少空調(diào)機房的啟用時間和空調(diào)送風(fēng)量。

因此，首先需要校核自然降溫方式所能帶走的最大熱負荷。假定直接引入室外新風(fēng)，不啟用空調(diào)設(shè)備，由于設(shè)計機房的最大通風(fēng)換氣量為，因此新風(fēng)量最大可以取，在這種通風(fēng)量條件下，所能帶走的室內(nèi)余熱為512KW。

一臺機組的額定散熱量，顯然。也就是說，只需通入室外新風(fēng)，同時配合室內(nèi)噴霧加濕，利用水的汽化潛熱，就足以帶走機房余熱。這時存在著兩套可供選擇(xuanze)的通風(fēng)降溫方案：Ⅰ 通風(fēng)換氣量隨負荷而變，Ⅱ 在變化的負荷條件下，機房的通風(fēng)換氣量不變，取最大設(shè)計風(fēng)量。新風(fēng)進入機房后的狀態(tài)變化過程見圖2。




方案Ⅰ方案Ⅱ


圖2 直接通風(fēng)模式下新風(fēng)狀態(tài)變化圖
方案Ⅰ：新風(fēng)通入機房后，吸收室內(nèi)余熱，由于室內(nèi)沒有濕源，因此空氣溫度升高，但含濕量不變，達到中間狀態(tài)點B。發(fā)電機是指將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。此時，空氣溫度，含濕量，隨后，機房內(nèi)送入34℃的飽和（saturation）水進行噴霧處理，空氣隨之經(jīng)歷等溫加濕過程(guò chéng)，從狀態(tài)點B變化到室內(nèi)狀態(tài)點A。計算得到不同負荷下所需通入的新風(fēng)量（定義：單位時間內(nèi)空氣的流通量）和噴霧量見表2。表2 普通供電時的通風(fēng)降溫模式（方案Ⅰ）

P/P額定0.60.70.80.91.0Gw（萬m3/h）15.1215.6916.1816.4917.05Mw（kg/h）254.1263.43271.80277.04286.38

方案(fāng àn)Ⅱ：與方案Ⅰ相比，由于增加了通風(fēng)量，因此室內(nèi)噴霧加濕量必然相應(yīng)減少。因此，一般來說，此時A’點的相對濕度會小于設(shè)計值70%。表3列出了機組運行在不同輸出功率時，實際的室內(nèi)狀態(tài)點A’的焓值以及相對含濕量，可見隨著機組運行狀態(tài)的改變室內(nèi)狀態(tài)點A的偏移很小，基本上能夠滿足設(shè)計要求。計算機房內(nèi)的噴霧加濕量，得到方案Ⅱ?qū)��?yīng)的通風(fēng)降溫運行模式（見表4）。
表3 不同輸出功率下的實際室內(nèi)狀態(tài)點A’（方案Ⅱ）

P/P額定0.60.70.80.91.0（）91.491.992.592.993.2（）22.422.522.722.923.0


66.3%66.8%67.4%67.9%68.2%
表4 普通供電時的通風(fēng)降溫模式（方案Ⅱ）

P/P額定0.60.70.80.91.0Gw（萬m3/h）24.024.024.024.024.0Mw（kg/h）57.686.4144.0201.6230.4

對比兩種通風(fēng)降溫方案，不難發(fā)現(xiàn)方案Ⅰ的通風(fēng)量減小，但是噴霧量相對較大，而方案Ⅱ則正好相反。
4.2 消磁工作模式的通風(fēng)降溫策略
進行消磁供電時，負荷較大，為了適應(yīng)脈沖負荷加速性的需求，機房內(nèi)四臺3000kW的機組均投入運行以進行功率儲備�？紤]（consider)到機組散熱遠遠大于其它設(shè)備、照明以及人員產(chǎn)熱，因此可以忽略其它熱源，認為機房的熱負荷全部來自于發(fā)電機組。表5列出了功率P從60%增加到100%額定出力時所對應(yīng)的機房熱負荷Q。
表5 消磁工作模式下的機房熱負荷Q

P/P額定0.60.70.80.91.0Q (kW)1290.61338.01380.61407.21416.4

這時必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外的熱負荷，從而保證機房內(nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)馬達組得以安全穩(wěn)定地運行。假定冷風(fēng)量達到上限值8萬m3/h，同時機房處于最大的通風(fēng)換氣量條件下，即引入室外新風(fēng)16萬m3/h，則此時所能帶走的最大室內(nèi)負荷為1560KW，大于四臺機組最大出力時候的機房散熱量。因此，實際運行時，可以適當(dāng)增大室外新風(fēng)在總通風(fēng)量中的比重，以減小空調(diào)機房的負擔(dān)，盡可能地減少能耗和降低運行費用。圖3表示的是送入機房內(nèi)的空氣的狀態(tài)變化過程。
混合通風(fēng)降溫模式下，空調(diào)機房的通風(fēng)換氣量一部分來自室外新風(fēng)，一部分來自于空調(diào)機組送風(fēng)。理論計算時，可以認為兩股空氣送入機房后，先充分混合達到狀態(tài)點C，然后吸收機組產(chǎn)熱溫度升高，達到中間狀態(tài)點B，最后經(jīng)過等溫加濕達到室內(nèi)狀態(tài)點A。
根據(jù)發(fā)電機組的實際輸出功率P，確定機房熱負荷Q，確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫模降溫方案，包括(bāo kuò)直接通風(fēng)量，空調(diào)送風(fēng)量以及機房內(nèi)的噴霧量。機組在不同出力情況下所需的機房通風(fēng)量以及加濕量計算結(jié)果見表6。
表6 消磁工況時的通風(fēng)降溫模式

P/P額定0.60.70.80.91.0冷風(fēng)量（定義：單位時間內(nèi)空氣的流通量）GAUH（萬m3/h）5.946.316.636.837.20室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）18.0617.6917.3717.1716.80機房噴霧量Mw（kg/h）1116.41159.91198.81223.21266.7

4.3 其它工作模式下的通風(fēng)降溫策略
除了開啟一臺機組用于供電的情況(Condition)，還需要考慮某些特殊情形下兩臺或者三臺機組同時開啟的工況。
4.3.1 開啟兩臺機組
兩臺機組運行在不同輸出功率P時，機房內(nèi)的熱負荷見表7。
表7 兩臺機組運行在不同工況時的機房熱負荷

P/P額定0.60.70.80.91.0Q (kW)645.30669.02690.28703.60708.20

假設(shè)在不啟用空調(diào)設(shè)備(shèbèi)的情況下，單純依靠通入室外新風(fēng)給機房降溫所能帶走的室內(nèi)余熱上限值為512KW。表7顯示，即使機組以最低功率運行(60%額定輸出值)，其散熱量仍然大于直接通風(fēng)方式對應(yīng)的室內(nèi)最大允許熱負荷。因此，當(dāng)開啟的發(fā)馬達組臺數(shù)超過一臺時，必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外（extra)的熱負荷，從而保證機房內(nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)電機組得以安全穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動)地運行。
實際運行時，以節(jié)能為出發(fā)點確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫方案。根據(jù)以上分析(Analyse)，在不得不啟用空調(diào)機房的情況下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大室外新風(fēng)在總通風(fēng)量中的比重，以減小空調(diào)送風(fēng)量，降低空調(diào)機房的負擔(dān)，盡可能地最大化減少能耗和運行費用。確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫方案，包括直接通風(fēng)量，空調(diào)送風(fēng)量以及機房內(nèi)的噴霧量。計算結(jié)果如表8所示。
表8 開啟兩臺機組時的通風(fēng)降溫模式

P/P額定0.60.70.80.91.0冷風(fēng)量GAUH（萬m3/h）1.021.201.361.511.64室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）22.9822.8022.6422.4922.36機房噴霧量Mw（kg/h）525.3547.0566.5584.2600.4

4.3.2 開啟三臺機組
用同樣的思路，可以確定開啟三臺機組時的機房負荷和最優(yōu)通風(fēng)降溫模式，見表9。
表9 開啟三臺機組時的通風(fēng)降溫模式

P/P額定0.60.70.80.91.0冷風(fēng)量GAUH（萬m3/h）3.483.753.994.224.42室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）20.5220.2520.0119.7819.58機房噴霧量Mw（kg/h）820.9853.5882.7909.2933.6
5 結(jié)論
對比機組選擇不同的運行臺數(shù)時，空調(diào)送風(fēng)量（定義：單位時間內(nèi)空氣的流通量），機房直接通風(fēng)量以及機房內(nèi)的噴霧量，可以發(fā)現(xiàn)其隨著機組實際輸出功率而變化的規(guī)律（rhythmical)：

　�、佼�(dāng)機組運行臺數(shù)超過一臺，如果給定機組運行臺數(shù)，則空調(diào)送風(fēng)量隨著機組輸出功率的增加基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢，但增加的幅度不大。發(fā)電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及日常生活中有廣泛的用途。發(fā)電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成互相進行電磁感應(yīng)的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達到能量轉(zhuǎn)換的目的。但是如果在運行過程(guò chéng)中突然增加開啟的機組臺數(shù)，則空調(diào)送風(fēng)量會有明顯的增加。

　�、谥婚_啟一臺機組時，由于沒有開啟空調(diào)機房，完全依靠室外新風(fēng)降溫，因此，隨著機組輸出功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）的增加，機房的熱負荷變大，從而所要求的通風(fēng)量隨之增大。當(dāng)開啟的機組超過一臺，通風(fēng)量隨著機組輸出功率的增加反而減少。

　　③給定機組運行臺數(shù)，則機房內(nèi)的噴霧加濕量隨著機組輸出功率的增加呈現(xiàn)線性增長的趨勢，但增長比較緩慢。
另外，需要指出的是本文是在當(dāng)室外氣象參數(shù)=31.3℃，時，對機組不同開啟臺數(shù)時的通風(fēng)降溫方案得到的結(jié)論。然而，室外氣象條件不是一成不變的，而是每時每刻都在發(fā)生著變化，這就導(dǎo)致引入機房的新風(fēng)的溫濕度參數(shù)會有相應(yīng)的波動，從而影響降溫能力，對于室外氣象臨界狀態(tài)點的探討本文沒有進行。



發(fā)電機房通風(fēng)降溫方案研究