摘 要：對火力發電廠單元控制室空調系統設計中空調負荷的計算、設備的選擇、防火排煙以及自動控制等問題進行了分析，指出在單元控制室空調系統設計中應注意的一些問題。
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1 引言
火力發電廠的單元控制室是全廠的"中樞神經"，其運行的安全性直接關系到整個電廠甚至是電網的安全性。除了工藝系統的安全穩定性外，作為確保單元控制室內溫濕度的空調系統，其運行的安全和穩定性也就顯得尤為重要。隨著DCS系統的廣泛運用，工藝設備對環境的依賴程度也越來越大；人們對工作和生活環境的室內空氣品質也越來越關注；空調系統的熱力穩定性和節能要求；自動氣體噴霧滅火的應用等，這些都對空調系統提出了新的要求。本文旨在通過對現有空調系統設計中在空調負荷計算、空調設備的選擇、空調系統與消防系統的聯鎖控制以及空調系統的防火排煙等問題的重新思考，提出在新形勢下空調系統的設計應注意的一些問題。
2 空調系統的負荷
為了克服以往片面擴大空調系統容量，導致空調系統大部分時間都在低負荷運行，既不節能，又浪費系統的初投資，國家以強制性條文明確了空調負荷必須經過詳細計算確定。
單元控制室空調負荷包括：單元控制室內的熱濕負荷；新風負荷；系統的附加負荷，其中室內熱濕負荷包括：圍護結構冷負荷；照明設備、電子儀表及電氣設備的散熱量；人體散熱量和散濕量等。
2.1 圍護結構冷負荷
圍護結構冷負荷有多種計算方法，對于火力發電廠單元控制室而言，由于它位于主廠房內、空調系統全年24h運行、室內設備發熱量大而且相對穩定，圍護結構傳熱負荷占空調負荷的比重只占25％～30％，采用穩定傳熱的計算方法來計算圍護結構的空調負荷引起的誤差在工程允許的范圍內。
在使用穩定傳熱方法進行計算時，有4個問題應引起注意：1）圍護結構的傳熱系數，為了提高建筑的熱容量，增加空調系統的穩定性，節約空調系統的運行費用，應與建筑專業一道控制圍護結構的傳熱系數，必要時應采取保溫隔熱措施；2）傳熱溫差，由于單元控制室所處的熱環境，應考慮5~10℃的附加溫差；3）注意圍護結構傳熱，應考慮由于“熱橋”而產生的附加熱負荷；4）應要求將電纜進出電子設備柜的孔洞在電纜安裝完畢后，進行必要的封堵，避免夾層內的熱空氣通過安裝孔進入電子設備表盤內，導致空調負荷增加。
2.2 照明設備、電子儀表及電氣設備發熱量
單元控制室和電子設備間內布置有大量的電子設備和繼電器盤柜，一般地應通過工藝專業向設備制造商索取設備發熱量資料。在無工藝資料時，可按下述方法進行估算。
照明負荷由于節能型高效燈具的使用，耗用功率也較以前有所降低，可按20W/m2計算。
采用DCS、DEH控制系統后，計算機、電子設備盤柜和電氣繼電器盤柜的安裝功率已降低，且設備的效率也顯著提高，因此設備發熱量減少。對于300MW發電機組，單元控制室一般安裝10臺監視器、10臺主機，工程師室設置4~6臺計算機，計算機及其UPS電源的耗電功率按1.0kW/臺計算；鍋爐和汽機的電子設備間的DCS和DEH盤柜安裝功率為25kW；鍋爐動力室設置的主要是閥門的執行機構，均為間歇工作，因此盡管安裝功率可能達到20kW，實際使用的功率很小；電氣繼電器盤柜耗電功率不大于400W/面，一般單臺機組設置有30面盤。根據上述設置，300MW機組的單元控制室設備發熱量不超過80kW。
2.3 人體散熱量和人體散濕量
單元控制室空調系統的人體負荷除了要考慮單元控制室內的值班人員外，還應考慮交接班時人員數量增加的負荷附加。具體計算可按相關設計手冊上提供的計算方法進行。
2.4 新風負荷
空調系統的新風主要是滿足運行人員的衛生要求并維持空調房間5～10Pa的正壓。根據《工業設計衛生標準》，新風標準為30～50m3/h·人；維持室內正壓所需的風量，在已知門窗面積及其形式時，可通過縫隙計算法確定，在系統較小時，也可進行簡化計算，即將回風量控制在送風量的90％。由于單元控制室內的運行人員人數較少，且電子設備間和電氣繼電器室一般沒有工作人員，按總風量的10％考慮新風量已能滿足運行人員的衛生要求。
空調系統的新風負荷是隨著系統的送風量不同而變化的，因此為節約能量，在系統的選擇時，在滿足最小換氣次數的前提下，應盡量加大送風溫（焓）差，減少送風總量，從而減少新風量，降低空調負荷；同時減少了送風量，也使得風機的功率降低，減少了風機的能耗。在大溫差送風狀態下，要解決的主要是防止風管和風口結露等問題。
2.5 空調系統冬季熱負荷
單元控制室空調系統冬季熱負荷主要包括圍護結構的傳熱負荷和空調系統的新風加熱負荷，圍護結構的負荷計算方法與空調冷負荷計算方法相同。在設備調試階段和設備檢修階段空調系統必須能夠維持室內溫度，因此在計算空調系統的熱負荷時，一般不考慮室內設備的散熱量。
機組正常運行時，在長江流域冬季單元控制室空調熱負荷較夏季空調冷負荷要小得多，從節能的角度出發，在滿足房間最小換氣次數，滿足運行人員的衛生舒適要求前提下，冬季空調系統的送風量應盡量減少，既減少風機的能耗，又能降低新風負荷。鑒于目前選用的空調設備的定轉速風機，風量調節依靠控制風閥的開度實現，調節風量的范圍較小且不節能，因此應選擇變頻控制的風機。
3 空調設備的選擇
空調設備是空調系統的核心設備，它的性能的好壞將直接影響到空調系統的安全性和可靠性，因此在《火力發電廠采暖通風和空氣調節設計技術規定》（以下簡稱《暖規》）中明確要求單元控制室空調系統的空氣處理設備必須設置備用，在實際工作中，可采用2×100%或3×50%的配置。
根據電廠的冷源情況，可分為直接蒸發冷卻式空調設備和表面冷卻式空調設備兩種。
3.1 直接蒸發冷卻式空調機
直接蒸發式冷卻是指利用制冷設備的蒸發器冷卻空調系統的循環空氣。根據制冷系統使用的冷卻介質不同，又可分為風冷式和水冷式兩種，按冬季供熱方式又有單冷式和熱泵式之分。目前常用的直接蒸發冷卻的空調設備有水冷恒溫恒濕空調機、風冷恒溫恒濕空調機、屋頂式空調機。
3.1. 1 水／風冷恒溫恒濕空調機
目前，空調設備廠提供的水／風冷恒溫恒濕機其溫度控制精度在±0.5℃，相對濕度控制精度在±5％，為了實現這樣高的控制精度，制造商選用電加熱器作為加熱的主要手段，既可作為夏季再熱的熱源，又可作為冬季加熱熱源。為了達到溫度控制精度，設置輔助電熱裝置是必要的，但作為冬季空調系統的熱源，對長江流域的火力發電廠不是一種很好的選擇,其主要原因如下：
（1）單元控制室空調系統的溫濕度控制精度并不需要這么高。《火力發電廠熱工自動化設計技術規定》和《火力發電廠電子計算機監視系統設計技術規定》中規定電子設備間（計算機室）的室內溫度18~25℃、溫度變化率小于5℃／h、相對濕度45％～65％。
（2）長江流域冬季室外最低溫度一般處在-10~-5℃、相對濕度處在60％～70％之間，由于單元控制室空調機房位于主廠房區域，室外的氣象條件又有所改善，且冬季空調負荷較夏季負荷有很大程度的降低，風冷熱泵機組在火力發電廠單元控制室空調系統中使用是完全可行的。對于水源熱泵系統，由于電廠的工業水水源充足，且冬季循環水水溫也能維持在較高的溫度，只要解決好水源的水質問題，水源熱泵系統在電廠空調系統中的運用前景是十分廣闊的。
（3）火力發電廠有充分的熱源可供利用，應該選用管道式加熱器、盤管加熱器實現冬季加熱，這樣才符合能源有效性使用的原則。
盡管采用熱泵供熱和熱水加熱給溫度控制帶來一些困難，但對于火力發電廠單元控制室來講，這樣的精度是可以接受的，因此在選擇恒溫恒濕機組時，應在技術規范書中明確冬季的供熱方式，盡可能采用熱泵運行或另設加熱盤管。
3.1.2 屋頂式空調機
屋頂式空調機是將處理空氣的各種功能段根據設計需要進行有機地組合，其中空氣冷卻段是利用風冷式熱泵機組的直接蒸發盤管對循環空氣進行降溫、去濕處理，由于其它功能段可以對空氣進行加濕、過濾、補充加熱及加壓功能，屋頂式空調機在沒有集中冷源的情況下，是一個很好的選擇。
3.2 表冷式空調設備
表面冷卻式空調設備主要是指利用制冷站提供的空調冷水通過表面式冷卻盤管處理空調系統的循環空氣。按處理功能的不同，可分為變風量柜式空調機和組合式空調機組。變風量柜式空調機選用的是外轉子風機，其風量和風壓有一定的限制，它用在處理風量在30000m3/h以下的場合，可以節約空調機房的面積，簡化系統的設計，但它的調節手段較少，對空氣的過濾處理一般只有一級初效過濾，因此在大量使用新風的系統中應再增設一套新風過濾設備。組合式空調機是將處理空氣的各種功能段根據設計需要進行有機地組合，從而實現對空調系統的循環空氣進行全面處理，由于其選用的是空調用離心風機，風量和風壓選擇的范圍廣，因而在全空氣空調系統中得到廣泛的運用，其缺點就是機房的占地面積較大。
3.3 選擇空調設備時應注意的問題
根據空調冷熱源供應情況確定空調設備的類型后，選擇具體的空調設備時，應注意以下的幾個問題。
3.3.1空調設備的熱濕處理能力
從濕空氣的焓－濕圖上，我們可以清晰地看到空調系統的負荷、新風負荷和空調房間的室內熱濕負荷之間的關系。
根據空調房間內的熱濕負荷情況，確定熱濕比：
式中ε——空調房間內的熱負荷與濕負荷之比，kJ/kg；
∑Q——空調房間室內總顯熱負荷，kW；
W ——空調房間室內總濕負荷，g/h。
在焓—濕圖上，經過室內空氣狀態點的熱濕比線與相對濕度為95％的相對濕度線的交點就是理論上的最大送風溫差點，如下圖中的狀態點2，但由于風機的動力作用、風管系統的保溫效果等因素的影響，導致空調房間送風口的溫度比狀態點2提高了一個D t即達到圖1中的狀態點S。空調設備的冷卻能力：
式中Qeq 空調設備應具備的最小冷卻能力，kW；
Lt —空調系統的送風量，Lt =∑Q / (in-is)，m3/s；
i1—空調系統回風與最小新風混合后空氣的焓值，kJ/kg ；
i2—空調設備冷卻盤管出口空氣的焓值，kJ/kg。
單元控制室空調系統的濕負荷主要來源是室內工作人員散濕量和室外新風帶進的含濕量，相對于顯熱負荷來說數值較小，故熱濕比較大，在焓濕圖中ε線近似于一條垂直線，對應于室內空氣狀態點（tn=25℃，RH=60%，in=55.5kJ/kg）的各設備露點為tl=17.5℃，il=48kJ/kg，顯然，由于in-il=7.5kJ/kg，空調系統的風量將會很大。在實際工作中，我們都希望加大送風溫差，從含濕圖看，也就是狀態點2將隨著95％的相對濕度線下滑。根據室內溫濕度的波動范圍，對應于室內空氣狀態點（tn=25℃，RH=50%，in=50.4kJ/kg）的各設備露點tl=14.7℃，il= 39.8kJ/kg，此時焓差可增加至10.6kJ/kg，空調系統的風量可減少50％。因此在選擇空調設備時，應該指明進入空調設備的入口參數和離開空調設備的出口參數，這樣便于設備制造商對空調設備進行優化設計，以便在滿足技術規范書的前提下，達到設備的最佳配置。
3.3.2 空調設備的自動控制功能
由于火力發電廠的人員編制中沒有暖通值班運行人員，空調系統的運行往往是由工藝系統的運行值班人員代為操作，發生故障時再由檢修部門負責檢修。因此要求空調設備除了能自動調節空調房間的溫度外，還要求能對空調系統的運行狀態進行自我診斷，并與單元控制室內的消防報警盤有通信接口，當空調設備運行發生故障時，不管是機械故障還是電氣故障都能及時向中央控制盤發出報警信號。
4 空調系統的防火排煙
4.1 空調系統的防火
空調系統的防火在《建筑設計防火規范》和《暖規》中規定比較明確，應當嚴格按照執行。這里強調的是與消防專業密切配合問題。當空調區域采用氣體滅火時，各防護區應設獨立的送、回風總管，并在其上安裝隔離閥，這樣當火災發生時，空調系統停止運行，火災所處的防護區的送回風總管上的隔離閥能迅速關閉，使防護區內形成一個密閉的空間，有利于消防氣體能迅速撲滅火災。隔離閥應具備遠動控制功能，且關閉的時間應控制在消防專業允許范圍內。
4.2 空調系統的排煙
單元控制室空調系統排煙與一般民用建筑中的排煙不是一個概念。在民用建筑中，排煙是為人員逃生服務的：當火災發生時，排煙系統啟動，給人員逃生營造一個安全通道。但火力發電廠單元控制室空調系統的排煙是事后排煙，即當火災發生時，為防止火勢通過空調系統擴散，造成更大的損失，中央報警盤發出信號關閉空調系統，同時應關閉空調系統風管上的排煙防火閥，切斷煙氣通過風管擴散的途徑，此時排煙系統也是處于關閉狀態，當火災被撲滅后，為了迅速恢復生產，需要將殘留在空調房間內的煙氣和滅火氣體排出室外，此時排煙系統啟動，當排煙結束時才關閉排煙系統，將空調系統投入運行。
基于上述分析，在單元控制室空調系統的排煙設計中，可選正常設備，不必選耐高溫的消防排煙風機。
空調系統排煙方式的選擇和排煙量的確定。當空調房間有外墻時，對于單控室、電子設備間和計算機室設計獨立的機械排煙系統既簡單、又便于控制，是首選的排煙方式，其系統僅包含排煙閥、必要的風管和普通的通風機。當空調房間對外無直接外墻時，若要設置獨立的排煙系統，必然會導致排煙風管必須穿越其他房間，此時可采用空調系統的回風管作為排煙風管，另設排煙風機排風或直接利用空調系統的回風機作為排風風機用，可以簡化系統設置，減少系統的一次投資。排煙量可根據《暖規》4.3.7條確定，空調房間的排煙量按不少于 5次/h的換氣次數確定。
4.3 空調系統與消防系統的聯鎖控制
根據現行的《火災自動報警系統設計規范》第4.2.5條：火災報警后消防控制設備的聯動控制對象應有下列功能：停止有關部位的風機，關閉防火閥，并接收其反饋信號；啟動有關部位的排煙風機和排煙閥并接受其反饋信號。對于后者，主要是指民用建筑的防排煙系統，前面我們已經討論過，在電廠單元控制室空調系統中，應首先切斷空調送回風機電源，關閉相應區域的防火閥，在火災撲滅后，確認啟動排煙系統不會引起火災復燃的前提下，啟動排煙風機和排煙閥并接受其反饋信號。
單元控制室空調系統根據機組容量的大小有兩種設置方式：小容量機組僅設一個空調系統；大容量機組可將單元控制室和電子設備間分別設計一個空調系統。對應于消防報警系統，前者只要切斷空調系統的送回風機就可以了；而后者就需要首先判斷火災信號來源，從而關閉相應區域的空調系統的送回風機，另一個空調系統應能正常運行。
4.4 防火閥的選型
根據以上分析，對于設置在單元控制室空調系統的防火閥應具有以下功能：
（1）熔點溫度為72℃的自動熔斷功能；
（2）電動／手動關閉，關閉后應有反饋信號；
（3）電動／手動打開，打開后應有反饋信號。
由于防火閥需要具備上述功能，再要求其具有風量調節功能，制造起來就相當困難，另一方面，為了保證系統風量平衡，在目前廣泛采用的定風量系統中，系統調試結束后，希望各區域的風量分配固定下來，可采用定風量調節閥，所以防火閥的調節功能就沒有必要了。
5 空調系統的自動控制
新編的《暖規》第4.1.2條：300MW及以上機組的集控樓宜設計全年性集中式空調系統……集中空調系統應設自動控制。此外，在現行的火力發電廠勞動定員中，沒有空調系統的運行人員，而單控室和電子設備室對運行環境（溫度、濕度、及空氣的潔凈度）要求又較高，空調系統的運行應具有遠動啟停、無人值守、自動維持系統的溫濕度、故障報警等功能，要實現上述功能，就必須采用自動控制。
空調系統自動控制的對象分為兩大類：1）有關設備正常運行的狀態參數：如送風、回風、新風溫濕度；過濾器的壓差；送、回風機的啟停狀態；2）與系統安全運行相關參數：如送回風機的故障報警；電加熱器或電再熱器欠風過熱報警；空氣過濾器的超壓報警和防凍保護報警；送回風機故障時自動停機等。
隨著計算機網絡的發展，越來越多的控制系統采用分散數字式直接控制系統（又稱DDC控制系統），其基本理念就是對每個控制對象采用就地控制器直接控制，就地控制器之間采用網絡與中央控制主機相連，從而完成對整個系統的控制，而每個就地控制器可以在總體通訊協議指導下，由有利于系統控制的各設備分包商進行制造，如空氣處理設備的控制就可以由設備商提供，不僅可以充分發揮設備商的技術優勢，也有利于整個控制系統中分清責任。集中控制系統只要完成對各就地控制器的監視和遠動控制就可以了。
火力發電廠的單元控制室空調系統自動控制還包括系統間的切換和與消防系統的聯鎖控制。所謂系統間的切換，也就是空調系統的運行設備和備用設備應經常切換運行，使備用機組處于熱備用狀態。此時只要在空調系統的空氣處理設備與系統的接口上設置常閉閥門就能夠方便地實現運轉設備與備用設備的切換運行：當系統斷電時，空調設備進出口自動風閥關閉，將設備從風系統脫離開來；水管上的電動三通閥關閉，將設備與水系統脫離。此外空調系統與消防系統的控制，在上面的有關章節中已加以詳細闡述，此處就不再詳細敘述。
空調系統自動控制的另一個重要作用就是節能運行。由于空調系統是全年運行，夏季依靠冷水機組提供冷源冷卻室內空氣；冬季利用熱水系統加熱循環空氣，這都要消耗能源。尤其是單元控制室和電子設備間等室內設備散熱量較大的工業建筑，全年需要制冷運行的時間較長，在春秋季節，當室外空氣的焓值與空調系統送風點焓值相等時，可以采用直流式系統即全新風系統運行；當室外空氣焓值低于空調系統送風點焓值時，可以通過調節新回風比例，控制室內狀態參數，從而可以減少冷水機組的運行時間，達到節能的目的。只有當使用最小新風仍無法滿足室內溫濕度要求時，才啟動加熱系統。采用這種控制系統的前提條件是空調系統必須設回風／排風機，排風、回風和新風閥實行比例調節控制，這樣才能自如地控制回風／排風量。要實現上述功能，通常應要求空氣處理機組廠配套提供完整的控制系統。
6 結語
根據以上討論，在今后的施工圖設計中，我們應注意以下幾個方面的問題：
（1） 應根據國家相關的節能規范要求建筑專業在選擇單元控制室的圍護結構材料，滿足最小傳熱熱阻的要求，增加空調系統的熱穩定性，降低空調系統的能耗；
（2） 對火力發電廠單元控制室和電子設備間等全年24h運行、室內設備發熱量較大且穩定的空調系統冷負荷可以采用穩定傳熱計算；
（3） 空調系統的新風負荷應根據空氣的焓濕圖計算送風量后才能確定。大溫差送風不僅能減小風管截面，降低風機能耗，也能降低新風負荷；
（4） 為節約空調系統的運行能耗，送風機和回風機應采用變頻控制；
（5） 選用直接蒸發式冷卻設備時，應充分采用熱泵運行制熱方式，避免使用電加熱的方法；
（6） 空調系統的防火閥應具有電動關閉、電動／手動復位、關閉／開啟反饋信號、72℃自熔斷關閉等功能，防火閥除了滿足防火防煙功能外，對于采用淹沒式氣體滅火系統，還應與滅火防護區相匹配；
（7） 空調自控系統宜采用分散控制系統，由各空氣處理設備制造商自帶自動控制系統，完成空調系統的就地控制，集中控制器只對系統遠動的啟停、運行狀態監視和接收故障狀態報警，不直接對系統運行參數進行設定和更改。
參考文獻
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