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瀑布沟水电站地下厂房通风空调方案的探讨清华大学建筑技术科学系余延顺，李先庭，石文星中国水电顾问集团成都勘测设计研究院王政摘要针对瀑布沟水电站地下厂房多洞室群结构、发热量与所需通风量大的特点，同时结合瀑布沟水电站无压尾水洞引风这一自然冷源利用的资源优势，在瀑布沟水电站地下厂房通风空调系统初步设计方案的基础上，提出了地下厂房的三种改进通风空调方案，并对各方案进行了技术分析，为采用无压尾水洞方案的水电站地下厂房通风空调系统的设计提供借鉴与参考。关键词瀑布沟水电站；地下厂房；自然冷源；无压尾水洞引风；液泵供液直接蒸发多联机1.电站概况瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川省西部汉源与甘洛两县交界处，距成都市直线距离约200km，是一座以发电为主兼有防洪拦沙等综合利用效益的大型水电工程。电站装机6台，单机容量为550MW，总装机3300MW，多年平均发电量145.8亿kWh。厂房深埋于左岸山体内，埋深220～360m，距河边400m。整个厂房由主副厂房、主变洞和尾水闸门室组成三洞室结构，引水发电系统由进水口、压力管道、主副厂房、主变室、尾水闸门室、无压尾水隧洞等组成。主厂房尺寸为294.1×26.8×70.1m（长×宽×高），无压尾水隧洞断面尺寸为20×24.2m（宽×高），尾水洞两条，长度分别为1137.7m和1075.3m。通过现场测试和模拟计算结果表明，夏季利用水电站无压尾水洞引风，即利用空气在无压尾水洞流动过程中与尾水表面及洞壁面之间的热湿交换作用可以实现对空气良好的降温除湿效果。因此，对于采用无压尾水洞引风的水电站通风空调系统而言，无压尾水洞是一个巨型的天然“空调机”，具有节能、环保和可再生的优点。鉴于此，为充分利用瀑布沟水电站无压尾水洞这一天然冷源，在电站地下厂房通风空调系统的方案设计中，其整体思路是利用无压尾水洞引风实现对电站厂房各洞室内部热湿环境的控制。2.电站厂房室内外设计参数2.1室外气象参数在瀑布沟水电站附近，沿大渡河自上而下有汉源县气象站、峨边气象站、铜街子气象站，在三个气象站中，汉源气象站距电站昀近，因此瀑布沟电站地区的室外气象参数选择汉源气象站气象参数，如表1所示。表1瀑布沟电站气象参数（汉源气象站）项目参数项目参数室外多年平均温度17.8℃夏季空调日平均温度29℃极端昀高温度40.9℃夏季通风计算相对湿度60％极端昀低温度-3.3℃累年昀热月平均相对湿度76％昀热月平均计算温度25.9℃冬季空调计算温度3℃多年平均相对湿度68％冬季通风计算温度8℃夏季通风计算温度29℃冬季空调计算相对湿度57％夏季空调计算干球温度32.8℃夏季室外大气压927.9kPa夏季空调计算湿球温度25.3℃冬季室外大气压915.9kPa2.2.地下厂房室内温、湿度设计参数根据《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计技术规定》（SDJQ1-84），确定厂内各主要区域-1-的空气设计参数如表2所示。表2地下厂房室内设计参数地点夏季冬季温度（℃）湿度（%）温度（℃）湿度（%）发电机层≤27≤75≥13≤70电气夹层≤27≤70≥13≤70水轮机层、蜗壳层≤26≤75≥12≤70副厂房一般房间≤26≤70≥13≤70中控室、通讯室24±250±1020±250±10计算机室24±250±1020±250±10母线道≤35不规定≥15不规定主变室≤35不规定≥15不规定其它电气设备房间≤33≤70≥13≤702.3.地下厂房发热量分布根据室内设计参数及机电设备的发热情况，在全厂6台发电机组满负荷运行时，厂内设备及照明系统的总发热量为5438kW，地下厂房内各主要区域的发热量如表3所示。表3地下厂房发热量序号区域发热量(kW)序号区域发热量(kW)1发电机层11635母线洞(共6条)22102水轮机层1636主变洞8723水泵室1407地下副厂房(含安装间下厂房)5814电气夹层309总计54383.地下厂房通风空调方案在瀑布沟电站通风空调系统中，因电站厂房结构所限，厂内通风系统以串连通风为主。无压尾水洞的引风在进入送风洞后分为两路：一路送入主厂房拱顶，由拱顶下送至发电机层；另一路经送风支洞进入主变洞和电缆层，然后从主变洞排风竖井排出厂外。在发电机层中，一小部分空气依次被抽引至水轮机层和水泵室，然后由排风竖井排出；而大部分空气则依次抽引送入电气夹层、母线洞，吸热后的空气从主变洞排风竖井排出地面。地下主厂房通风系统原理如图1所示。在厂房通风空调系统的初步设计方案中，地下厂房的总通风量为120万m3/h，其中主厂房87.5万m3/h，主变洞和电缆层37.5万m3/h，送风参数为18℃，RH=90％。地下副厂房采用风机盘管加新风的空调方式，冷冻水由独立的冷水机组提供。图1地下厂房通风系统结构示意图但由于无压尾引风出口空气为接近对应尾水温度的饱和状态。因此，在初步设计方案中，当尾水洞处理后的低温高湿（相对湿度）空气直接送入主厂房后，对发电机层而言，过量空气的送入导致了该区域相对湿度偏高；而若为控制发电机层参数而减小送风量则会导致母线洞温度偏高[4]。因此，如何有效控制发电机层和母线洞内的参数达到设计要求是电站地下厂房通风空调系统设计中考虑的重点。基于此，本文在初步设计方案的基础上提出了电站厂房的三种改进通风方案，以期对瀑布沟水电站以及具有类似条件电站的地下厂房通风空调系统设计-2-提供借鉴与参考。3.1方案一：液泵供液直接蒸发多联机供冷与通风方案该方案是在保持主厂房送风参数不变的情况下，通过减小主厂房送风量来降低发电机层的相对湿度，并通过设置于母线洞内的制冷剂直接蒸发多联室内机供冷系统与通风的方式消除母线洞的余热负荷，从而保证母线洞的温度设计要求；同时对于地下副厂房也采用制冷剂直接蒸发多联室内机供冷加新风的系统形式，系统原理如图2所示。液泵供液直接蒸发多联机供冷系统是利用水电站的低温尾水来冷凝液化室内多联机吸热气化后的制冷剂，并经气液分离后利用液泵将液态制冷剂输配至各室内机中进行蒸发吸热，形成封闭环路的制冷剂直接蒸发供冷。与传统的制冷技术相比，该系统采用耗功小的液泵代替压缩机，提供室内机侧蒸发压力（高压）与室外机侧冷凝压力（低压）之间的循环压差实现制冷剂在封闭环路中的供冷循环，极大地提高了系统运行的能效比，降低系统的运行能耗；同时该系统因采用液泵驱动液态制冷剂循环，解决了现有冷媒自然循环制冷系统中对蒸发器与冷凝器安装位置的特殊要求及制冷能力受限的问题。相对初步设计方案而言，该方案的优点是在同时控制发电机层和母线洞设计参数的条件下，极大地减小了主厂房的总送风量，减小约22％。由于送风量的减小，主厂房送风机和主变洞排风机的运行能耗也会得到显著的降低。但该方案作为一种新的技术提出，其不足之处在于液泵供液直接蒸发多联机供冷系统的运行特性与控制尚有待进一步的深入研究，并且由于蒸发侧（室内机）和冷凝侧（室外机）之间的可利用温差较小，对发热量较大的母线洞要求室内机盘管面积较大。3.2方案二：水源热泵机组升温通风方案水源热泵机组升温通风方案是利用水源热泵机组的冷凝热对厂房送风进行加热处理，以降低送风的相对湿度，从而达到控制发电机层相对湿度的目的。在该方案中，水源热泵机组的热量一部分来自于地下副厂房的余热，另一部分来源于尾水盘管从尾水的吸热。在主厂房送风无需加热处理工况下（热泵机组停机工况），可直接利用尾水盘管与尾水之间换热制备冷水对地下副厂房进行供冷，系统原理如图3所示。图2液泵供液直接蒸发多联机供冷系统原理图1→2:液泵增压；2→3:蒸发吸热（环境温度35℃空气）；3→4:管路阻力；4→1:冷凝放热（环境温度16℃水）lgph1234图3水源热泵机组升温方案系统原理图-3-该方案在一定程度上属于余热回收系统形式，技术成熟、系统形式简单，并且主厂房的送风参数易于控制。但其不足之处在于由于主厂房送风温度升高后，为维持厂内温湿度的控制要求，必然加大厂房的通风量（与初步设计方案相比，风量约增加23％），并由此带来风机能耗相应增加。3.3方案三：水源热泵机组除湿调温通风方案与方案二水源热泵机组升温方案相比，水源热泵机组除湿调温方案则是将热泵机组制备的冷量一部分用于地下副厂房供冷，富余的冷量则用于对主厂房送风进行表冷除湿。经表冷除湿后的空气再利用热泵机组的冷凝热加热调温后送入主厂房，而热泵机组富余的冷凝热则通过尾水盘管排至尾水中，方案的系统原理如图4所示。图4水源热泵机组除湿调温系统原理图该方案是在保持送风量不变的情况下，通过热泵机组的除湿、调温来控制主厂房的送风参数，从而达到对电站发电机层及母线洞等区域室内设计参数的控制要求。在该方案中，水源热泵机组为水冷形式，即通过冷凝器制备热水（37℃/32℃）通过集、分水器分成两路，一路送入空气加热器对送风进行加热；另一路则将富余的热量送入无压尾水洞的闭式盘管释放至尾水中。由于在制冷系统中增加过冷度可提高冷机的制冷量（如对R22工质制冷系统，过冷度每增加1℃，热泵机组的制冷量约增加0.8％～1.0％[1]），因此，为提高水源热泵机组的运行效率，在热泵机组中增设过冷器。热泵机组运行时，从尾水盘管的回水首先经过过冷器，然后进入冷凝侧集水器。在蒸发侧，热泵机组制备的冷量一部分用于地下副厂房的供冷（供冷负荷约580kW），富余的冷量全部送入表冷除湿器用于空气的表冷除湿。与初步设计方案相比，该方案的优点是在主厂房送风量保持不变的情况下，通过控制和调节主厂房的送风参数，达到对厂房各部位温湿度设计参数的控制，并且在该方案中，机组设备运行效率高，系统调节灵活、方便，主厂房送风参数的可调性好。但相对而言，系统形式和控制较为复杂。由于篇幅所限，本文仅对地下厂房各通风空调方案进行了技术比较与分析，而各方案的详细技术经济性分析在此不一一赘述。-4-4.结论针对瀑布沟水电站地下厂房多洞室结构、发热量及通风量大的特点，同时结合瀑布沟水电站无压尾水洞引风的自然冷源利用优势，在电站地下厂房通风空调系统的初步设计方案基础上，本文提出了针对瀑布沟电站结构特点的三种改进通风方案，并对各方案进行了技术分析比较，汇总于表4。表4瀑布沟水电站地下厂房各通风空调方案比较方案方案名称技术特征优点缺点方案一液泵供液直接蒸发多联机供冷与通风方案z送风参数保持不变；z减小发电机层送风量；z母线洞及副厂房采用液泵供液直接蒸发多联机供冷与通风冷却方式；z减小发电机层的送风量约20％。z充分利用无压尾水洞天然冷源；z初投资及系统运行费用低；z发电机层的相对湿度及母线洞的温度得到有效控制；z系统运行能效比高。z母线洞内室内机布置要求空间较大；z技术有待进一步开发与研究。方案二水源热泵升温通风方案z利用水源热泵机组对送风升温处理，降低送风相对湿度；z加大厂房的送风量约23％；z主厂房采用全空气系统降温，地下副厂房利用水源热泵和尾水换热供冷。z母线洞及发电机层参数能得到有效的控制；z系统形式较简单，末端设备少；z是一种热回收系统形式；z技术较成熟。z主厂房的送风量增加较大，增加风机的能耗；z要求的送风隧洞断面尺寸增大。方案三水源热泵机组除湿调温通风方案z厂房送风量不变，利用水源热泵机组调节送风参数；z水源热泵机组的冷量一部分用于副厂房供冷，另一部分用于空气表冷除湿；z利用一部分冷凝热对表冷除湿后的空气加热调温，另一部分冷凝热排至尾水中；z水源热泵机组增设过冷器。z发电机层的相对湿度及母线洞的温度得到有效控制；z机组设备运行效率高；z系统调节灵活、方便，送风参数具有很好的可调性。z系统形式和控制较复杂。通过对各方案的比较分析可知，为达到对电站厂房各主要区域的温湿度设计参数控制要求，同时考虑方案的技术成熟性、可靠性、可调性及系统运行的经济性特征，在瀑布沟电站地下厂房通风空调方案中，方案三具有良好的适用性，同时尚需对方案一的系统特性作进一步的深入研究。参考文献[1]陈则韶，戚学贵，程文龙，胡芃，方贵银.高温水蓄冷空调的原理和理论分析.工程热物理学报，2002，23（2）：133-138-5-